Електрична дуга

2.2.1. Визначення тисків

Гази що знаходяться в стані спокою чи руху мають потенціальну і кінетичну енергію. В механіці газів цю енергію виражають тисками. Розрізняють геометричний, статичний і швидкістний (динамічний) тиск. Вимірюється тиск в Па.

Геометричний тиск виникає в результаті різниці густини окружаючого важкого газу і легкого газу.

Геометричний тиск знаходиться за формулою

де, q – прискорення вільного падіння 9,8 м/с²

Н - висота сосуду (м),

r_в, r_г, - густина відповідноокружаючого повітряі газу, що знаходяться в сосуді.

Із формули видно, що Р_геом може бути із знаком “ + ”, “ - ”, чи дорівнювати нулю.

Статичний тиск – це різниця тисків газу, що знаходиться в сосуді і навколишнього повітря. Він вимірюється монометром.

де Ргаз – тиск в сосуді (Па)

Рпов. – атмосферний тиск (Па)

Швідкістний (дипамічний тиск виражає залежність кінетичної енергії газового потоку від швидкості і густини газу.

Швидкістний тиск вимірюють дифференціальним манометром, а розраховують за формулою

Де - швидкість газу при О ⁰С.

густота газу при О⁰ С.

температурний коефіцієнт об’ємного розширення, дорівнює

к ^–1; t- температура ⁰ С.

Втрати тиску виникають в результаті втрати енергії газового потоку на тертя Ртр і місцеві опори Рм.

де - коефіцієнт тертя,

L – довжина труби (м)

d_г – гідравлічний діаметр (м)

для цегляних каналів = 0,05: 0,06

для металічних труб = 0,02: 0,03

Втрати тиску на місцевий опір

де К – коефіцієнт місцевого опору.

2.2.2. Витікання газів через отвір

Кількість газу, що витікає через отвори залежить від тиску, під яким проходе витікання, площі і форми поперечного розрізу отвору. Розглянемо витікання газу через отвори при постійній температурі

а) отвір з гострими кромками.

Уявимо, що із сосуду великих розмірів (тиск газу в якому Р₁) газ витікає через отвір розрізом F в газове середовище з тиском Р₂

Визначити швидкість витікання газу.

Напишемо рівняння тисків для розрізів

1-1 і 2-2, що показані на малюнку.

Температура газу постійна тому

Р₁геом = Р₂геом. Втратами на тертя

можно не брати до уваги.

В цьому разі

(м/с)

де

(Па)

F₂ меньше F із-за зжимання струї. Відношення називається коефіцієнтом стискання струї. Для тонких стінок = 0,63

Тоді кількість газу, що витікає через отвір з гострими кромками визначеться по формулі

(м³/с)

б) Витікання газу через ціліндричний насадок за гострими кромками

(м³/с)

г) Витікання газу через насадок закругленими кромками.

При витіканні газу через насадок з закругленими

кромками втрат на звуження втрат струї немає.

Вибивання газів через відкриті вікна печей

При нормальному режимі роботи печі на її поді підтримується атмосферний тиск. По висоті печі цей тиск зростає. Кількість газів, що вибивається через вікно визначається по формулі

(м³/с)

де Н і В – висота і ширина вікна (м)

Тема: 2.3. Рух газів в печах та сушарках.

Струйний рух газів.

Рух газів в робочому просторі печі визначається характером струй, що ваиходять із пальників, форсунок і т.п. Для правильної організації руху газів необхідно знати основні властивості струй.

Струї бувають вільними і обмеженими.

Вільна струя.

Струя називається вільною, якщо вона не обмежана твердими стінками і витікає в середовище з такою густотою.

При витіканні із якого – небуть насадку і проходження через нерухоме

середовище, струя захватує нерухомі частинки середовища в загальній потік. Частинки нерухомого середовища, попавши в струю, збільшують масу струї і зменьшують її швидкість. При цьому збільшення маси і зменьшення швидкості проходять так, що добуток маси, що рухається на її швидкість залишається постійним.

Участок струї, на якій осьова швидкість залишається рівною початковій швидкісті, називають початковим. Його довжина дорівнює 5,6: 6 діаметрів насадку. За початковим участком знаходиться основний участок, де зменьшується швидкість струї.

Для технічних розрахунків вважають, що струя являє собою конус (якщо круглий насадок). Кут розкриття вільної струї .

Струї можуть бути направленими паралельно, назустріч і під кутом одна до одної. При зустрічі струй проходе зміна їх форми, напряму руху і перемішування. Деформація струй і їх примішування буде тим більшим, чим більше кут зустрічі і більша швидкість струй. Якщо осі двух струй паралельні і знаходяться на невеликій відстані одна від одної, то при взаємодії струй буде зменьшуватись поверхність, через яку в струї поступає навколишнє середовище. В результаті цього кут розкриття струй зменьшиться, а далекобійність струї збільшиться.

Обмеженні струї.

Розглянемо особливості обмежених струй, що мають практичне значення.

Взаємодія струї з площиною.

Якщо струя направлена паралельно твердій площині, що розміщена на

невеликій віддалі від осі струї, то далекобійність струї збільшиться, струя буде стелитися по стінці, ця властивість струї називається настильностю.

Струя, що рухається паралельно площині, не тисне на неї. Якщо струя направлена під кутом до площини, то із збільшенням кута далекобійність зменьшується, а сплющування збільшується. Струя, що направлена під кутом до площини, тисне на площину. Із збільшенням кута від 0 до 90⁰ тиск струї на площину збільшується від 0 до максимума.

Струя, яка протікає через відкриту з обох конців трубу.

При виході струї із насадки і вході в

трубу виникає розрідження під дією

якого в трубу поступає повітря із

навколишнього середовища. При

цьому частина швидкістного тиску

струї переходить в статичний тиск,

який може бути використований для

переборення опору руху струї.

Устройства, які основані на

використанні таких властивостей

струї називаються струйними приборами. Їх використовують як для нагнітання так і відсосу газів. Прилад, який призначений для нагнітання, називається інжектором, а для відсосу – ежектором.

Інжектори використовують в газових пальниках, в яких газ, що

виходить із сопла з великою швидкістю, підсосує необхідне для горіння повітря. Такі пальники називаються інжекційними. Струйні прилади часто мають участки, що розширяються (диффузори). Диффузор збільшує ККД приладу. Кут розкриття диффузору 6: 7⁰.

Рух струї в камері.

При русі в камері спочатку струя

веде себе як вільна і затягує в рух

газ, що знаходиться в камері.

В основі струї виникає

розрідження. При виході із

камери характер руху

наближається до варіанту взаємодії

струї з перпендикулярною

площиною, з тієї різницею, що частина газу виходе із камери. Із камери виходить така кількість газу яка входить в камеру, тому частина газу, яка захватується у основі струї, міняє напрям руху. Так як в районі виходу із камери тиск підвищенний, а у основі струї понижений, то у продольних стін камери виникає потік, який рухається в напрямку протилежному руху основної струї. Таким чином, рух струї в камері визиває циркуляцію газів. Циркуляція тим інтенсивніша, чим більша початкова швидкість і маса струї.

2.3.2. РУХ ГАЗІВ В РОБОЧОМУ ПРОСТОРІ ПЕЧІ.

Рух газів в робочому просторі печей і сушарок буває канальним і

струйним.

Канальним називається рух який виникає в результаті потенціальної енергії потоку.

Наприклад, рух газів в димовій трубі за рахунок зменьшення геометричного тиску.

Струйним називається рух, який виникає за рахунок динамічної дії струї.

В печах і сушарках струї – факели не направляють прямо на вироби, що нагріваються, щоб запобігти місцевого перегріву.

Пальники і форсунки розміщають по можливості далі від робочих вікон і других отворів, щоб в них не було підсосу холодного повітря.

Пальники і форсунки не розміщають навпроти рабочих вікон печі, тому що при невеликій відстані між ними буде вибивання нагрітих газів із печі.

Для того, щоб не було вибивання нагрітих газів і підсосу холодного повітря тиск на поду печі необхідно піддержувати близьким до нуля.

В нагрівальних і термічних печах вікна для відсосу продуктів горіння топлива розміщають на рівні поду печі.

В нагрівальних печах пальника або форсунки розміщають прямо в робочому просторі печі.

В печах для термічної обробки пальники чи форсунки розміщають і підподових топках, щоб уникнути місцевого перегріву виробів. В таких печах організована інтенсивна циркуляція газів.

Сушила, в основному, опалюються газом. Температура сушки порівняно низька, тому пальники в робочому просторі сушил не ставляться. Газ спалюють в виносній топці, звідки з допомогою димососу його подають в робочу камеру. Температура газів знижується до заданої в системі циркуляції. Горячі гази поступають в робочу камеру по роздаточним коробам і виводяться з допомогою відсасуючих коробів.

УСТАНОВЛЕННЯ ДЛЯ УТВОРЕННЯ ТЯГИ В ПЕЧАХ.

Тяга в печах буває природньою і штучною.

Природня тяга утворюється з допомогою димової труби, висота і

площа поперечного перерізу якої залежать від кількості газів, що викидаються і витрат тиску при проходженні із печі через систему димових каналів, які

в свою чергу залежать від температури димових газів і навколишнього повітря.

Висота димової труби Н визначається із формули.

=

де втрати тиску на шляху газу від печі до труби, (Па).

1,3 – коефіцієнт збільшення Р_втр. в разі форсірованої роботи печі

і т.п.

Р_геом. – тяга, яку утворює димова труба за рахунок геометричного

тиску (Па)

Р_тр. – втрата тиску на тертя димиових газів в трубі (Па).

Р_зв. – втрата тиску на звуження димової труби (Па).

Р_вих. – втрата тиску на виході із труби за рахунок раптового

розширення струї газу (Па)

де q – прискорення вільного падіння = 9,81 м/с²

Н – висота димової труби (м)

- щільність повітря (кг/м³)

- щільність газу при t⁰ C (кг/м³)

де - коефіцієнт тертя (0,05: 0,06 для цегляної труби

0,02: 0,03 для металевої труби)

Н – висота димової труби (м)

d_ср. – середній діаметр труби (м)

о ср. - середня швидкість димових газів в трубі (м/с)

- щільність газу при 0° С

- коефіцієнт об’ємного розширення.

- середня температура газів в трубі (°С)

(Па)

де - швидкість газів в розрізах 1-1 (основа труби) і 2-2 (устя труби)

(Па)

де - температура газів на виході із труби °С.

Підставивши значення Р_геом, Р_тр., Р_зв., Р _вих. в формулу получим

1,3 Р_втр. = q. Н ( -

Із цієї формули і визначається висота димової труби Н.

Для використання цієї формули потрібно знати температуру газів у устьі труби t₂ (розріз 2: 2) і середню температуру газів в трубі.

Для цього попередньо визначають орієнтовочно висоту труби по формулі

Нор = 20: 30 dу

де dу – діаметр устя (м)

Приміняючи получене приблизне значення висоти труби і задаючись падінням температури газів на 1 м висоти (цигляних труб воно складає 1,5: 1,6 °С /м, у металевих 3:4 °С/м висоти) визначають і , співвідношення між dу і dосн. (розріз 2:2 і 1:1) приймають рівним

dосн.=1,5 dу

Вимушена тяга.

Вимушена тяга утворюється з допомогою вентиляторів (тяга прямої дії) або ежекторами (тяга непрямої дії)

Вентелятори (димососи прямої дії) використовують при великому опорі димового тракту і порівняно невеликих температурах (до 600°С)

Вентилятори із вуглицевої сталі успішно працюють при 200-250°С, а при 400: 600 °С приміняють спеціальні вентилятори з водоохолоджуючими підшипниками і валами. Вентилятори підбірають по номограмі або каталогу. За основний критерій приймають витрати газу за годину і суму втрат тиску (з запасом на 25%). Ежектори використовують для витяжки газів з любою температурою.

Принцип дії ежектора заключається в слідуючому: струя ежектіруючого газу, виходячи з великою швидкістю із сопла утворює розрідження і захватує із собою газ із навколишнього середовища. Ежекція проводиться вентиляторним або компресорним повітрям, стиснутим паром або газом під тиском.

Поняття про основні положення теорії подібності.

В промислових печах і сушарках проходить велика кількість теплових і аеродинамічних процесів, вивчення яких прямо на печах і сушарках затруднено або неможливо. В таких випадках приміняють моделювання.

Виготовляють лабораторні моделі печей і сушарок, в яких процеси подібні процесам, що проходять в промислових печах. Подібність процесів достигається при додержанні відповідних умов на основі теорії подібності.

При проведенні експеременту вирішують дві основні цілі:

1. Вивчити явище, що розглядається.

2. Розповсюдити получені результати на явища подібні тим, що вивчаються.

Поняття подібності відомо із геометрії. Наприклад, якщо взяти два подібних трикутника, то у них відношення сторін є величина постійна.

Коефіцієнт пропорціональності С називається Константою подібності, або масштабом моделі.

Поняття подібності поширюється і на фізичні явища.

Фізичні явища вважаються подібними, якщо вони одного і того ж роду, якісно одинакові і описуються математичними рівняннями одинакових форм і змісту. Крім того, повинна бути геометрична подібність систем, в яких проходять явища, що розглядаються. При розгляді подібних явищ можно зрівнювати однородні величини (температуру з температурою швидкість зі швидкістю і т.п.) в похожих місцях простору і в похожі моменти часу)

Подібність двух фізичних явищ означає подібність всіх величин, які характеризують це явище.

Але при подібності складних фізичних явищ, які характеризуються великим числом величин, константи подібності не можно вибирати вільно. Крім постійності відношення однородних величин є ще додаткові умови, суть яких в тому, що у подібних явищ повинна бути рівність особливих величин, які називаються критеріями подібності.

Критерій – це безрозмірний комплекс, складенний із величин, які характеризують явища.

У подібних явищ критерії подібності рівні, і навпаки, якщо критерії подібності рівні, то явища подібні.

(перша теорема подібності, теорема Ньютона)

Є багато критеріїв подібності:

Рейнольдса, Прадтля, Біо, Фурьє, і ін.

Критеріїї в більшості, випадків, позначаються початковими буквами вчених, які внесли найбільший вклад в розвиток відповідної області науки. (Re, П ч, Ві і т.д.)

Критерій Рейнольдса визначає характер руху газу.

де - швидкість руху газу (м/с)

dг – гідравлічний діаметр (м)

υ- кінематична в’язкість (м²/с)

Якщо Re ≤ 2300 – рух газу ламінарний.

Якщо Re ≥ 10000 – рух газу турбулентний.

Якщо 10000 ≥ Re ≥ 2300 – рух газу перехідний.

Р О З Д І Л Ш. ОСНОВИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ.

Тема: Загальна характеристика процесів теплопередачі.

ТЕМПЕРАТУРНЕ ПОЛЕ

Теплопередача - процес розповсюдження тепла в системі тіл або в середині окремого тіла.

Теплота передається від більше нагрітого тіла до менш нагрітого. Кількість теплоти вимірюється в джоулях (Дж) або кілоджоулях (кДж) і в кіловат часах (кВт.ч.)

1квт.ч = 3,6 10³кДж =3,6 10⁶Дж.

Кількість теплоти, що передається за одиницю часу, називається тепловим потоком (Q).

Тепловий потік в Дж або кДж за 1с вимірюється в Вт або кВт.

Тепловий потік, віднесенний до одиниці площі (1м²) називається поверхностною щільністю теплового потоку. (q);

Ступень нагрітості тіла називається температурою тіла. t-в°С; Т-в К

t = Т – То,

де То = 273,15 К.

Співкупність температур в даний момент часу для всіх точок простору називається температурним полем.

Температура є функцією координат х, у, поля і часу , тобто

t = f (x, у, , )

Якщо температура залежить від часу, то температурне поле називається нестаціонарним.

Якщо температура не міняється з часом, то поле називається стаціонарним.

t = f (x, у, )

Геометричне місце точок, що мають одинакову температуру, утворюють ізотермічну поверхню. Розміщення ізотерм може бути щільним і рідким. Щільне розположення ізотерм показує на бистре зростання температури, рідке на не бистре.

Із розгляду двух ізотерм з температурою t і t + Δt можно зробити висновок, що найбільша зміна температури буде в напрямі нормалі до ізотермічних поверхностей.

Границі відношення різниці температур

Δt до відстані між ізотермами по нормалі

Δп називається температурним градієнтом.

(°С/м)

Його позитивним напрямом вважається напрям в сторону зростання температури. Чим більше qчаd t, тим бистріше міняється температура на данному відрізку простору.

Теплова енергія завжди поширюється тільки в сторону з меншою температурою.

Кількість теплоти, в Дж, що переносяться за 1с називається тепловим потоком Q (Дж/с=Вт)

Напрям теплового потоку протилежний напряму теплового градієнта.

Тепловий потік, віднесенний до одиниці поверхні (до 1м²) називається щільністю теплового потоку. q.

q=

(Вт/м²)

ВИДИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ.

Теплопередача являється дуже складним процесом.

Теплопередача здійснюється теплопровідністю, конвекцією, тепловим випромінюванням.

Теплопровідність – процес передачі тепла від одних частин тіла до других за рахунок контакту між цими частинами тіла.

Передача тепла теплопровідністю може бути у всіх тіл (твердих, рідких газоподібних). У твердих тіл це основний вид передачі тепла.

КОНВЕКЦІЯ – процес передачі тепла за рахунок переміщення частинок тіла.

Конвекція – складніший вид передачі тепла, чим теплопровідність. Теплопередача конвекцією здійснюється в рідинах і газах.

Теплове випромінювання – процес передачі теплоти у вигляді електромагнітних хвиль.

При тепловому випроміннюванні проходить двойне перетворення енергії (тепло, випромінювання, тепло)

В печах приймають участь всі три види передачі тепла, але в залежності від конструкції печі і її температурного режиму, той чи інший вид може бути основним. Наприклад, в печах з температурою до 600°С. основна кількість тепла до поверхні тіла, що нагрівається передається конвекцією. В печах з температурою ≥1200°С основна кількість теплоти до поверхні тіла, що нагрівається, передається випроміннюванням.

Теплота, що поступала на поверхню тіла, поширюється до його внутрішніх частин теплопровідністю.

ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ.

Основний закон теплопровідності.

Теплопровідність – це процес передачі тепла за рахунок контакту між частинами тіла.

Основний закон передачі тепла теплопровідністю (закон Фур’є)

Q = - q чаd t

де q – щільність теплового потоку, (Вт/м²)

- теплопровідність (Вт/т.к.)

Знак “ – ” показує, що напрями теплового потоку і температурного градієнта протилежні.

Теплопровідність - фізичний параметр речовини, вона залежить від структури, щільності, тиску, температури.

Для газів = 0,005: 0,5 Вт/м.к.

З підвищенням температури зростає. Для рідин = 0,08: 0,6 Вт/м.к

З підвищенням температури зменьшується. Для теплоізоляційних і вогнетривних матеріалів = 0,2: 10 Вт/м.к.. З підвищенням температури збільшується.

Для металів = 2: 360 Вт/м.к.

З підвищенням температури у більшості металів зменьшується.

Передача тепла через плоску однослойну стінку.

Маємо стінку товщиною S із матеріалу з теплопровідністю температура стінок t₁ і t₂. Температура змінюється в напряму осі Х температурне поле стаціонарне.

При стаціонарному температурному полі граничні умови можно записати так: При х = 0, t = t₁, при х = s, t = t₂ i t₁ > t₂ розглянемо частинку стінки між ізотермічними поверхнями з температурою t i t + Δt

Проінтегріруємо

Після інтегрірування получимо

де С – константа інтегрірування Константу С визначаємо із граничних умов:

При х = о t = t₁ i t₁ = c

При х = s t = t₂

Визначаємо щільність теплового потоку

Вт/м²

Загальна кількість тепла, що передається через плоску однослойну стінку з поверхньою F (м²)

Кількість теплоти, що передається за любий відрізок часу

ПЛОСКА БАГАТОСЛОЙНА СТІНКА

Багатослойною називається стінка, що складається із декількох різнорідних слоїв. В печах, як правило, приміняють багатослойні стінки. Розглянемо стінку, яка складається із 3-х слоїв. Теплопровідності матеріалів кожного слою різні і відповідно різні λ₁ λ₂ λ ₃, а товщина слоїв S₁ S₂ S₃. Тепловий потік направлений від t₁ до t_4.

Щільність теплового потоку першого слою

другого слою

третього слою

При стаціонарному тепловому полі q₁ = q₂ = q₃ = q

Тоді зміна температури у кожному слої

(Вт/м²)

Якщо стінка має п слоїв, то

Тепловий потік (Вт)

Температуру між слоями t₂ i t₃ можно визначити

При нестаціонарному тепловому потоці, тоді, коли стінка нагрівається або охолоджується q_1, q_2, q₃ не рівні між собою і розрахунки в цьому разі більш складніші.

ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ ЦИЛІНДРИЧНОЇ СТІНКИ

Якщо стінка має циліндричну форму, наприклад стінки вагранки,барабанної печі і т.п., то площа її внутрішньої поверхні менша зовнішньої. Передача теплоти через таку стінку відрізняється від передачі тепла через плоску стінку. Тепловий потік, що проходить через однослойну циліндричну стінку визначається за формулою.

(Вт)

де λ_ср – середня теплопровідність матеріалу стінки (Вт/м.к)

L - довжина труби (печі) (м)

d_1, d₂ – внутрішній і зовнішний діаметири труби (печі) (м)

t₁, t₂ – температура внутрішної і зовнішньої аоверхні труби, (°С)

Тепловий потік через багатослойну циліндричну стінку.

(Вт)

НЕСТАЦІОНАРНА ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ

При нестаціонарному температурному полі проходе зміна температури тіла – тіло нагрівається чи охолоджується. Швидкість зміни температури тіла характеризується коефіцієнтом температуропровідності

(м²/с)

де λ- теплопровідність тіла (Вт/м.к.)

с – питомна теплоємкість тіла (Дж/кг.к)

- щільність тіла кг/м²

Чим більше коефіцієнт температуропровідності тіла, тим з більшою швидкістю міняється його температура.

Зміна температури тіла при нестаціонарному температурному полі

Це рівняння має нескінчену кількість рішень, тому для вирішення конкретних задач потрібно задати:

1) початкові (часові) умови процесу.

2) Граничні умови процесу.

1. Початкові (часові) умови зводяться до задання функції

t = J (х,у,z), що характерезує розподіл температури в якийсь заданий момент часу, наприклад, на початку нагріву. На практиці часто зустрічається випадок, коли температурау в усіх точках одинакова (в початковий момент), тобто, при наприклад t=20°С.

Граничні умови до задання дії навколишнього середовища на тіло, що нагрівається:

- зміна температури поверхні тіла в залежності від часу нагріву.

T_пов.= f (τ)

- теплового потоку, що проходить через поверхню тіла.

Q_пов. = f

- температури навколишнього середовища і умов теплопередачі

між середовищем і тілом.

T_печ. = f (τ)

Задавшись початковими (часовими) і граничними умовами процесу з допомогою рядів фурє вирішують дифаренціальне рівняння. Це являється складною задачою.

На основі аналізу диференціальних рівнянь теплопровідності установлено, що температура нагріву тіла залежить від декільких критеріїв: критерія Біо Ві, критерія фурє F_о, температурного критерія поверхні тіла О_пов. І температурного критерія центру тіла О _{и .}

Критерій Біо

де - коефіцієнт теплоотдачі (від газу до металу) (Вт/м²·к)

Ѕ – розрахункова товщина тіла (м)

- темплопровідність тіла Вт/м·к

Критерій Ві являється мірою теплової масивності тіла.

Якщо Бі ≤ 0,5, то різниця температур між поверхнею тіла і центром значна, такі тіла називаються масивними.

Якщо 0,5 > Ві > 0,25 то такі тіла називають перехідними.

Критерій Бі показує відношення внутрішнього і зовнішнього теплового опору.

Критерій фурє

де а – температуропровідність (м²/с)

- час нагріву (С)

S- розрахункова товщина тіла (м)

Критерій F_o характерезує час нагріву тіла в залежності від товщини тіла і теплопровідності.

Температуриний критерій поверхні тіла

де t_печ – температура печі, °С.

- температура поверхені тіла в кінці нагріву.

- температура поверхні тіла на початку нагріву.

Температурний критерій центру тіла.

де ; - температури центра тіла на початку і в кінці нагріву. Графічна залежність О_пов. = Ј (Ві, Fo); О_ц= Ј (Ві, Fo); дана на монограмах Будрина Д.В. З допомогою цих номограм можно знайти температуру центра тілав кінці нагріву і час нагріву.

К О Н В Е К Ц І Я

Питання:

1. Поняття конвекції

2. Конвекція при вільному русі

3. Конвекція пр вимушеному русі.

1. Поняття конвекції.

Конвекцією називається процес передачі тепла в газах і рідинах переміщенням і теплопровідністю газів (рідин).

Інтенсівність передачі тепла залежить від характеру руху і фізичних властивостей газу (рідини).

При ламінарному русі газу він не переміщується і тепло від газу до поверхні тіла передається теплопровідністю.

При турбулентному русі частинки газу постійно переміщаються, що значно інтенсифіцірує передачу тепла. Чим більша турбулентність, тим інтенсівніше передається теплота.

Кількість тепла Q, що передається конвекцією від газу (рідини) до поверхні тіла, чи навпаки, визначається за формулою

Q=αк· F(t1 - t2)

(ВТ)

де α_к - коефіцієнт теплопередачі конвекцією (Вт/м² · к)

F – поверхня теплопередачы (поверхня твердого тыла) (м²)

t₁ - t₂ - різниця температур між газом і твердим тілом; (°С)

коефіцієнт теплопередачі конвекцією α_к показує кількість тепла в ДЖ, що передається через поверхню в 1м² за 1 при різниці температур між газом і поверхнєю 1 °С.

Коефіцієнт теплопередачі α_к залежить від форми, розмірів і температури поверхні твердого тіла і від швидкісті, температури, тепловмістимості і теплопровідності газу,що рухається.

Розглянемо конвекцію при вільному русі і при вимушеному русі.

2. Конвекція при вільному русі.

Вільним називається рух газу, визваний різницею густини нагрітого і холодного газу.

Прикладом вільного руху газу є рух повітря біля зовнішньої поверхні печі. Температура стінок печі вища температури повітря, тому частинки повітря, що доторкаються до стінок, нагріваються, іх густина зменьшується і вони піднімаються вверх, а на їх місце поступає більш холодне повітря, яке також нагрівається і піднімається. Тому до тих пір поки буде різниця температур між стінками печі і навколишнього повітря, повітря буде переміщуватися.

Коефіцієнт теплопередачі конвекцією при вільному русі газу залежить від положення поверхні в просторі.

де η - коефіцієнт, що залежить від положення поверхні в просторі.

η = 3,3 – для горизонтальної поверхні, оберненої у верх

η = 2,6 – для вертикальної поверхні.

η = 1,6 – для горизонтальної поверхні, оберненої вниз.

t₁ - t₂ - різниця температур поверхні і газу. (°С)

4. Конвекція при вимушеному русі.

Вимушеним назівається рух, визваний дією вентилятора, компресора, насоса і т.д.

При визначенні коефіцієнта теплопередачі конвекціє використовують критерії подібності.

КРИТЕРІЙ НУССЕЛЬТА.

КРИТЕРІЙ ПРАДТЛЯ

де - кінематична в’язкість газу. (м²/с)

- температуропровідність (м²/с)

КРИТЕРІЙ РЕЙНОЛЬДСА

В практичних розрахунку, величиною, що визначається частіше всього являється коефіцієнт теплопередачі конвекцією що входить в критерій Нуссельта.

Між критеріями N _и, R _е, P _ч э залежність, яка має вигляд

Nu = (Rе, P ч)

Теплопередача при вимушеному русі газу залежить, в основному від характеру руху газу і для кожного конкретного виду руху розрахункові формули різні.

Теплопередача при вимушеному русі газу в трубах.

При ламінарному русі газу в трубах передача тепла в радіальному напрямі відбувається тільки теплопровідністю.

Критерій Нуссельта для довгої труби ( > 50)

N u = 13,2 (Rе · P ч)0,23 · 0,5

де - довжина труби, (м)

d – внутрішній діаметр труби, (м)

Для короткої труби коефіцієнт теплопередачі конвекцією буде більшим. В цьому разі отримане із формули значення потрібно помножити на поправочний коефіцієнт К₁

Коли критерій Rе >2000 теплопередача різко зростає.

Визначити критерій Nu в перехідному режимі можно за графіком залежності від критерію Rе.

При турбулентному режимі руху газу передача тепла проходе за рахунок переміщення течії газу.

При турбулентному режимі критерій N и визначається за формулою

N и =0,021

для повітря Р_ч 0,7, тоді формула стає простішою.

N и =0,018

Теплопередача при обтіканні труб

^{Коридорне Шахматне}

^{Розположення труб Розположення труб}

^{При коридорному розміщенню труб}

N и =0,23	N и =0,021	для повітря
N и =0,41	При шахматному розміщенні труб
N и =0,37	для повітря

Теплове випромінювання

Нагріте тіло випромінює теплову енергію. Передача теплової енергії проходить з допомогою електромагнітних хвиль довжиною 0,4 ÷ 400мкм і

частотою 7,5 (10⁸÷10¹¹) Гц.

В залежності від агрегатного стану нагрітого тіла в випромінюванні приймає участь тонкий поверхневий шар (у металів товщиною

0,0005 мм) або весь об’єм, якщо тіло газоподібне. Зустрічаючи на своєму шляху тверді, рідкі або газоподібні тіла теплові промені частково поглинаються, частково відбиваються, частково пропускаються через ці тіла.

Промені, які поглинаються знову переходять в теплову енергію.

Qа – поглощається;

QR – відбиваються;

QД – пропускаються;

Q = QA + QR + QД

Q

QR

Qа
	QД

Позначимо

Тоді А+R+Д=1

Якщо А=1, то R=Д=О, це значить, що все випромінювана енергія поглинається таку властивість має абсолютно чорне тіло.

Якщо R+1, то А=Д=О, тобто промислова енергія відбивається, таку властивість має абсолютно дзеркальне тіло, якщо відбивання проходить згідно законів геометричної оптики, і абсолютно біле тіло, якщо відбивання дифузійне.

Якщо Д=1, то А=R=O. В цьому разі вся випромінювана енергія повністю проходить через тіло.

Таку властивість має абсолютно прозоре тіло.

Всі ці абсолютні тіла – умовні. Реальні тіла одночасно поглинають, відбивають і пропускають випромінювану енергію.

Основні закони теплового випромінювання

Закон Стефана - Больцмана

Поверхнева цільність теплового потоку випромінювання абсолютно чорного тіла пропорціональна температурі тіла в 4-й степені вираженій в Кельвінах.

(Вт/м2)

де С_о - коефіцієнт випромінювання абсолютного чорного тіла

.

Для реальних тіл.