Основные положения лучистого теплообмена

Все тела непрерывно посылают в окружающее их пространство электромагнитные волны различной частоты (длины). Большинство твердых и жидких тел излучают энергию всех длин волн в интервале от нуля до бесконечности, т.е. имеют сплошной спектр излучения. Газы испускают энергию только в определенных интервалах длин волн и имеют селективный спектр излучения. Твердые тела излучают и поглощают энергию поверхностью – поверхностное излучение, а газы объемом – объемное излучение.

Излучение волн любой длины всегда превращается (трансформируется) в тепловую энергию. Длина волны электромагнитного излучения λ, мкм (микрометр – 10−6 м), находится в пределах: для ультрафиолетовых – 0,02…0,4; видимых (световых) – 0,4…0,8; тепловых (инфракрасных) – 0,8…800 мкм. Но для световых и инфракрасных (тепловых) лучей с длиной волны от 0,4 до 800 мкм это превращение выражено наиболее сильно, и эти лучи называют тепловыми, а процесс их распространения – тепловым излучением или радиацией.

Тепловое излучение свойственно всякому телу, если его абсолютная температура отлична от нуля. Инфракрасное (температурное) излучение определяется тепловым состоянием тела – его температурой. Интенсивность теплового излучения резко увеличивается с ростом температуры. В определенных условиях температура достигает порядка 600 °С и выше, и превалирующим видом теплообмена (по сравнению с конвекцией) является радиация. Свое преимущество она сохраняет и для низких температур при соответствующем расположении поверхностей, обменивающихся лучистой теплотой. При лучистом теплообмене все тела излучают энергию друг на друга. В результате баланса теплоты лучистая энергия всегда переносится от тел с более высокой температурой к телам с меньшей температурой. Наиболее интенсивна передача теплоты радиацией в условиях вакуума или разрежения.

Интегральный или полный лучистый поток, излучаемый с единицы поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства, называется плотностью потока интегрального излучения, или излучательной способностью, Вт/м2:

откуда

Если излучательная способность Е одинакова для всех элементов поверхности F, то Q = EF. В этом случае излучательная способность тела Е численно равна количеству энергии (Дж), выделяемой с единицы поверхности (м2) в единицу времени (с): Дж/(м2⋅с) = Вт/м2.

Каждое тело не только излучает, но и поглощает лучистую энергию. Если тепловой луч на своем пути встречает какое-нибудь тело с площадью поверхности F= 1, то из всего общего количества падающей на тело лучистой энергии – Eо (Qо), часть ее отражается в окружающее пространство – Еот (Qот), некоторая доля энергии, проникающей в тело, поглощается – Епог (Qпог) и трансформируется в тепловую энергию, а остальная часть проходит сквозь тело и через окружающее пространство – Епр (Qпр), после чего попадает на другие тела.

Таким образом, падающий на тело лучистый поток может быть разделен на три части: отраженную, поглощенную и пропущенную. Следовательно:

Eо = Еот + Епог + Епр или Qо = Qот + Qпог + Qпр.

Для количественной оценки каждой части E (Q) вводят понятия:

• отношение отраженной энергии к энергии, падающей на поверхность тела, называют отражательной способностью тела: R = Qот / Qо;

• отношение поглощенной энергии к падающей энергии называют поглощательной способностью тела: А = Qпог / Qо;

• отношение энергии, прошедшей сквозь тело, к падающей энергии называют пропускательной способностью тела: D = Qпр / Qо.

В соответствии с законом сохранения энергии: R + А + D = 1.

Если R = 1, то А = D = 0. Это означает, что вся падающая лучистая энергия полностью отражается телом. Когда отражение правильное и определяется законами геометрической оптики, тела называются зеркальными, а в случае диффузного отражения – абсолютно белыми.

Если А = 1, то R = D = 0. Это означает, что все падающее излучение поглощается телом и такие тела называются абсолютно черными.

Если D = 1, то А + R = 0. Это означает, что вся падающая энергия проходит сквозь тело и такие тела называют прозрачными или диатермичными. К ним можно отнести не запыленный сухой воздух, одноатомные и двухатомные газы (азот, кислород, водород).

В природе «абсолютных» тел не существует, хотя имеются близкие. Например, моделью абсолютно черного тела может служить отверстие в стенке полого тела (шара), в котором энергия попадающего в него луча полностью поглощается стенками. Нефтяная сажа поглощает до 96 % падающей энергии, а шероховатый лед или иней – до 98 %. Почти все тепловые лучи отражает тщательно отполированная медь.

В природе подавляющее большинство твердых тел и жидкостей непрозрачно, для них пропускательная способность D = 0, а сумма поглощательной и отражательной способностей А + R = 1. Эти тела называют серыми или атермичными. Если серое тело хорошо поглощает лучистую энергию, то оно плохо отражает эту энергию, и наоборот.

Наиболее интенсивно поглощают энергию твердые тела, слабее – жидкости. Для приближения твердых серых тел к черным их поверхность часто покрывают нефтяной сажей, лаком или краской. Однако поглощательная способность тел в инфракрасном диапазоне излучения определяется не столько цветом, сколько качеством или состоянием (шероховатостью) поверхности.

Среда, сквозь которую проходит лучистая энергия, по-разному поглощает и, следовательно, пропускает излучение. Трехатомные газы (углекислый и сернистый газ, водяные пары) пропускают тепловые лучи только в узком диапазоне длин волн. Сухой воздух практически прозрачен для тепловых лучей, однако при наличии в нем влаги, пара (тумана) он становится средой, заметно поглощающей. Поглощение и рассеяние излучения имеют место в запыленных или сажистых газах.

Поглощательная и пропускательная способности тел и сред зависят от спектра излучения. Например, кварц прозрачен для световых и ультрафиолетовых лучей, но непрозрачен для тепловых лучей. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно только для световых лучей, а для инфракрасных и ультрафиолетовых оно почти не прозрачно.

Коллектор солнечной энергии

Коллектор солнечной энергии (КСЭ) предназначен для улавливания энергии светового излучения, преобразования в тепловую энергию и передачи промежуточному теплоносителю. Улавливание солнечной энергии в коллекторе основано на способности веществ и материалов, таких как стекло, полимерные пленки, воды, пропускать световые лучи. Солнечная энергия в основном переносится световыми лучами, для которых указанные материалы практически прозрачны. Наибольшее применение имеет плоский коллектор солнечный энергии, представленный на рис. 4.

Тепловой поток энергии, подводимой к КСЭ солнечными лучами

Qо = qл F,

где qл – суммарная солнечная радиация (прямая и рассеянная) на горизонтальную поверхность КСЭ, МДж/м2; F – площадь тепловоспринимающей поверхности коллектора, м2.

Рис. 4. Схема коллектора солнечной энергии (КСЭ):

1 – светопрозрачная панель (стекло); 2 – корпус; 3 – теплоизоляция;

4 – трубки для теплоносителя; 5 – лучепоглощающая поверхность (абсорбер)

Лучи инфракрасного диапазона излучения (Qот) отражаются от панели 1, а солнечная энергия светового диапазона излучения (Qпр) беспрепятственно проходит через светопрозрачную панель (стекло) 1, прозрачную среду КСЭ и попадают на лучепоглощающую поверхность абсорбера 5. Если учесть, что солнечная энергия в основном переносится световыми лучами, то пропускательная способность D=Qпр/Qо, а количество теплоты, прошедшее через среду КСЭ, Qпр = DQо.

Абсорбером называют совокупность лучепоглощающей поверхности 5 и трубок 4, по которым проходит жидкий (вода) или газообразный (воздух) теплоноситель, отводящий теплоту к потребителю. На абсорбере солнечная энергия световых лучей трансформируется в тепловую энергию, которая в большей части передается теплоносителю и в меньшей части отражается внутрь КСЭ. При обратном излучении энергия переносится в основном инфракрасными (тепловыми) лучами Qинф, для которых стекло 1 и полимерные материалы КСЭ непрозрачны, а теплота обратного инфракрасного излучения, отражаясь от панели, остается внутри коллектора. Таким образом, коллектор работает как ловушка солнечной энергии: впускает энергию светового излучения Солнца и не выпускает наружу энергию инфракрасного излучения.

Поверхность абсорбера должна иметь как высокую поглощательную способность световой энергии Аабс, так и низкую степень черноты εабс в диапазоне инфракрасного излучения. Наивысшие значения поглощательной способности имеют поверхности, окрашенные в черный цвет. Для них Аабс доходит до 0,95. Но эти покрытия шероховаты, и степень их черноты, определяющая интенсивность инфракрасного излучения, велика. Поэтому такой абсорбер, поглощая большую долю падающей на него энергии световых лучей, будет терять и значительное количество теплоты, излучая его в виде инфракрасных лучей. Коэффициенты поглощения солнечной радиации А для отдельных материалов составляют: бетон – 0,54…0,65; алюминий чистый – 0,22; алюминий окисленный – 0,54; железо кровельное черное – 0,9; железо эмалированное белое – 0,32; железо оцинкованное – 0,68…0,79; краска масляная (разных цветов) – 0,52…0,91.

Поглощательная способность абсорбера Аабс = Qабс / Qпр.

Количество теплоты, воспринимаемое абсорбером Qабс = Аабс Qпр. Для снижения степени черноты εабс на поверхность абсорбера наносят селективные покрытия. Селективные покрытия представляют собой тонкие пленки из черного хрома или черного никеля на металлической подложке.

Селективные покрытия обладают различными оптическими характеристиками по отношению к световым и инфракрасным лучам. Из-за малой толщины слоя (меньшей, чем длина волны инфракрасных лучей) селективная пленка прозрачна для теплового излучения. В области инфракрасных лучей излучательная способность селективных пленок очень низка, а отражательная способность высока. Поэтому при нанесении селективной пленки на поверхность абсорбера его степень черноты εабс будет равна степени черноты полированной металлической подложки εсел.

Степень селективности абсорбера с пленкой оценивается отношением Аабс / εсел. Наилучшие результаты имеют селективные пленки с черным хромом на алюминиевой фольге (Аабс = 0,964; εсел = 0,023) и черным никелем на никелевой подложке (Аабс = 0,96; εсел = 0,11). На внутреннюю поверхность стекол также наносят селективную пленку, обладающую хорошей отражательной способностью по отношению к инфракрасным (тепловым) лучам, излучаемым от абсорбера. Нанесение селективных пленок обеспечивает значительное повышение КПД КСЭ: так, при однослойном остеклении изменение степени селективности от 1 до 12 приводит к увелчению КПД КСЭ от 45 до 60 %.

Оптическим КПД КСЭ называется произведение

ηопт = DАабс.

Оптический КПД коллектора показывает, какая часть солнечной энергии, подведенной на панель коллектора, воспринимается поверхностью абсорбера за счет пропускательной (D) способности КСЭ и поглащательной (Аабс) способности абсорбера.

По абсорберу проходит жидкий или газообразный теплоноситель, который воспринимает всю лучистую энергию (световую и тепловую) и отводит эту теплоту к потребителю системы теплоснабжения. Количество этой полезной теплоты Qт, отнесенное к единице времени, определяет теплопроизводительность солнечного коллектора, кВт

Qт = Gт ст (Т2к − Т1к),

где Gт – массовый расход теплоносителя, кг/с;

ст – удельная массовая теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг·К);

Т1к и Т2к – начальная и конечная температуры теплоносителя, °С или К.

Однако не вся теплота, поглощенная абсорбером Qабс доходит до теплоносителя. Часть теплоты с наружной поверхности абсорбера за счет конвекции, теплопроводности и излучения отводится к внутренней поверхности стенок коллектора.

В стационарном тепловом режиме теплота в этом же количестве проходит через стенки коллектора, а затем теряется в окружающую среду с наружной поверхности КСЭ. Эти явления протекают одновременно, влияют друг на друга, и такое совокупное воздействие носит название сложный теплообмен. Конвекция, например, часто сопровождается тепловым излучением, теплопроводность в пористых телах – конвекцией и излучением в порах, а тепловое излучение – теплопроводностью и конвекцией.

В практических расчетах разделение таких сложных процессов на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно. Обычно результат совокупного действия отдельных элементарных явлений приписывается одному из них, которое и считается главным, а влияние остальных (второстепенных) явлений сказывается лишь на количественной характеристике основного процесса. Так, например, при распространении теплоты с поверхности абсорбера Fабс к внутренней поверхности стенок коллектора вткачестве основного явления принято считать теплоотдачу конвекцией и излучением, а влияние теплопроводности в среде коллектора учитывается соответственным увеличением значения коэффициента теплоотдачи, либо в среде КСЭ используется понятие кондуктивной теплопроводности.

Количественной характеристикой совокупного теплового процесса является суммарный, или общий, коэффициент теплоотдачи

αобщ = αк + αл,

где αк – коэффициент теплоотдачи за счет конвекции и теплопроводности;

αл – коэффициент теплоотдачи излучением.

Обозначим через Табс – температуру поверхности абсорбера и Тс – температуру среды коллектора. От каждой единицы поверхности абсорбера Fабс теряется теплота путем конвекции:

qк = αк(Табс – Тс),

и путем теплового излучения:

qл = εпр с0 [(Табс / 100)4 – (Тс / 100)4],

где εпр – приведенная степень черноты системы тел;

с0 = 5,67 Вт/(м2⋅К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Суммируя qк и qл, имеем

qобщ = qк + qл = αк (Табс – Тс) + εпр с0 [(Табс / 100)4 – (Тс / 100)4].

Вынося разность (Табс – Тс) за скобки, получим основное выражения для расчета сложного, или суммарного, теплообмена:

qобщ = (αк + αл) (Табс – Тс) = αобщ (Табс – Тс).

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле

αл = εпр с0⋅10−8(Табс4 – Тс4) / (Табс – Тс) = εпр с0 θ,

где θ – температурный коэффициент.

Если стенки КСЭ омываются капельной жидкостью (водой), тогда αл = 0 и αобщ = αк. Значение θ зависит только от температур Табс и Тс, а εпр вычисляется согласно степени черноты системы.

Если обозначить (Табс + Тс)/2 = Тт, то при 0,9 < Табс / Тс < 1,1 температурный коэффициент θ ≈ 0,04(Тт/100)3. При таком допущении αл = 0,04εпр с0 (Тт / 100)3, а ошибка расчета не превышает 1 %.

В случае, если в качестве основного принят процесс теплового излучения, расчетная формула суммарной теплоотдачи будет иметь вид

qобщ = (εкт + εпр) с0 [(Табс / 100)4 – (Тс / 100)4],

а участие в процессе конвективного теплообмена учитывается увеличением приведенной степени черноты системы за счет εкт = αк / (с0 θ).

Тепловые потери КСЭ могут быть рассчитаны и по формуле, Вт

Qп = Qк + Qл = αк F (Тнп – Тв) + ε с0 F [(Тнп / 100)4 – (Тв / 100)4],

где αк – коэффициент теплоотдачи конвекцией с поверхности коллектора к

окружающему воздуху, Вт/(м2·К);

F – площадь наружной теплоотдающей поверхности КСЭ, м2;

Тнп – средняя температура наружной поверхностиКСЭ, К;

Тв – температура наружного окружающего воздуха, К;

ε – степень черноты наружной поверхности КСЭ.

Тепловые потери КСЭ могут быть рассчитаны и по формуле, Вт

Qп = kFабс (Табс – Тв),

где k – эффективный коэффициент теплопередачи от среды в коллекторе к окружающему наружному воздуху, Вт/(м2·К);

F – площадь теплоотдающей поверхности абсорбера, м2;

Табс – средняя температура наружной поверхности абсорбера, °С или К;

Тв – температура наружного окружающего воздуха, °С или К.

Возможно и другое решение теплового процесса в КСЭ.

Условия движения жидкости в ограниченном пространстве КСЭ зависят от формы, геометрических размеров пространства, рода жидкости и интенсивности теплообмена. Характер движения жидкости при естественной конвекции в прослойках определяется расположением нагретых и холодных поверхностей и расстояниями между ними.

В горизонтальных прослойках характер движения жидкости определяется расположением нагретой поверхности: если она сверху – циркуляция отсутствует, а если снизу – чередование восходящих и нисходящих потоков. Циркуляция жидкости в вертикальных прослойках зависит от их толщины δ. При большой толщине δ движение жидкости имеет характер, как вдоль вертикальной поверхности в неограниченном пространстве. При малой толщине δ возникают циркуляционные контуры вследствие взаимных помех восходящих и нисходящих потоков. В шаровых и горизонтальных цилиндрических прослойках циркуляция жидкости зависит от соотношения диаметров, расположения нагретой поверхности.

Процесс сложного конвективного теплообмена в прослойках принято рассматривать как элементарное явление теплопроводности, для чего введено понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности λэкв=Q/(FΔТδ) и коэффициента конвекции εк = λэкв /λж.

Плотность теплового потока (тепловых потерь) от горячей поверхности абсорбера (Табс) к внутренней поверхности корпуса КСЭ (Тк) через жидкостную прослойку толщиной δ с коэффициентом теплопроводности λж определяется из выражений

qп = λэкв (Табс −Tк )/δ ; λэкв = λжεк .

Для всей области значений критериев Грасгофа и Прандтля (Grf Prf ) и приближенной оценки εк плоских, цилиндрических и шаровых прослоек

εк = 0,18(Grf Prf )0,25 ,

где в качестве определяющей принята средняя температура горячей и холодной стенок прослойки (Табс+Тк)/2, а за определяющий геометрический размер – толщина прослойки δ.

Коэффициент λэкв в прослойке иногда называют коэффициентом кондуктивной теплопроводности.

Доля любых тепловых потерь КСЭ составляет: qп = Qп / Qо.

Эффективность работы абсорбера КСЭ оценивается по формуле

Qабс = Qт + Qп или Qт = Qабс − Qп.

Эффективность использования солнечной энергии характеризуется КПД коллектора, который показывает, какая доля солнечной энергии Qо, поступившей на коллектор, передается потребителю Qт:

ηксэ = Qт / Qо или ηксэ = ηопт − qп.

Следовательно, для повышения КПД коллектора солнечной энергии ηксэ необходимо улучшать радиационные характеристики абсорбера и снижать тепловые потери КСЭ в окружающую среду. Для этого используют тепловую изоляцию корпуса КСЭ и селективные покрытия, наносимые на лучевоспринимающую поверхность абсорбера.

Для теплоизоляции КСЭ боковые поверхности и дно закрывают пенопластом, стекловатой или другим эффективным теплоизоляционным материалом. Остекление КСЭ, помимо основной своей роли – пропуска световых лучей, также играет роль теплоизоляции и может быть одно-, двух- и трехслойным. С ростом числа слоев тепловые потери уменьшаются, но ухудшается и пропускная способность остекления.

Поняття, загальна характеристика й види злочинів проти безпеки руху та експлуатації транспорту
II. Изучение лесного фитоценоза.
Класифікація м'язів
Вплив комп’ютера на психічне і фізичне здоров’я дитини. Проблеми та шляхи їх вирішення
Польового рентгенометра-радіометра ДП-5А або ДП-5В
Заведение нового контрагента организации
Тема 1: Літературознавство як наука про мистецтво слова.
Сетевые графики в масштабе времени
ЛЕКЦІЯ 9. ФОРМИ ТА ВИДИ ПЕРЕКЛАДУ. ОСОБЛИВОСТІ НАУКОВО-ТЕХНІЧНОГО ПЕРЕКЛАДУ.
Соотношение земельного права с другими отраслями права
Застосовуються для склеювання різних матеріалів: металу, стекла, багатошарового скла, кераміки, пластмаси.
ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ПРАКТИКА НА ШКОЛЬНОМ ЛОГОПУНКТЕ
Политические партии: понятие, сущность, функции
Жульен из белых грибов и языка
Первинна переробка худоби
Иналичиегенотипическойкомпонентывразныевозрастныепериоды
Кадастровый учет объектов недвижимости.
Предромантический балет: сюжет, особенности драматургии в том числе музыкальной: «Сильфида», М. Тальони
Центрами проводящей системы сердца являются:
Технологічний процес оброблення простої письмової кореспонденції в обласному вузлі
РАЗВИТИЕ ПЛАСТИКОВЫХ БАНКНОТ В МИРЕ
Постановка проблемы и задачи исследований
КОРИСТУВАННЯ ПІДКЛАДНИМ СУДНОМ
Главная Страница