ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
1.1 Термодинамическая система. Уравнение состояния.
Параметры состояния системы
Техническая термодинамика изучает закономерности превращения энергии в процессах, происходящих в макроскопических системах, состоящих из большого… Система - совокупность материальных тел, которые находятся в механи- ческом и… Открытая система - обменивается веществом и энергией в форме теплоты и работы с окружающей средой.
Смеси идеальных газов
Смесь идеальных газов, химически не взаимодействующих между собой, называется идеальной газовой смесью.
Для идеальной газовой смеси имеет место закон Дальтона:
, (1.12)
Лекция 2
Первый закон термодинамики
Внутренняя энергия системы– это сумма кинетической энергии движения частиц системы и потенциальной энергии сил взаимодействия между ними.
полная внутренняя энергия системы (Дж, кДж),
удельная внутренняя энергия системы (Дж/кг, кДж/кг).
Лекция 3
Теплоемкость газов
, (1.35)
где удельная массовая теплоемкость (Дж/кг.К, кДж/кг.К),
удельная объемная теплоемкость (Дж/м3.К, кДж/м3.К),
Термодинамические процессы идеального газа
1) уравнений, описывающих процесс;
2) аналитической взаимосвязи между параметрами рассматриваемого процесса, т.е.… 3) величины изменения внутренней энергии за процесс;
Обобщенная диаграмма политропных процессов.
Области:
I÷IV – розширение рабочего тела, работа позитивна;
Лекция
Второй закон термодинамики
Круговые процессы (циклы).
В соответствии с первым законом термодинамики теплота и работа эквивалентны друг другу, однако процессы их взаимного превращения неравнозначны. Опыт… Это связано с существованием фундаментального закона природы, называемого… В непрерывно действующем тепловом двигателе чередуются процессы расширения рабочего тела, сопровождающиеся совершением…
Цикл Карно
Изотермический и адиабатный процессы являются самыми выгодными процессами в смысле получения работы, т.к. в изотермическом процессе вся теплота,…
ТЕРМОДИНАМИКА ОТКРЫТЫХ СИСТЕМ
Уравнение первого закона термодинамики для открытых систем
Движущееся по каналу рабочее тело образует поток, который представляет собой открытую термодинамическую систему.
Одномерный поток – поток рабочего тела, в котором термодинамические параметры… Стационарный поток – поток, в котором термодинамические параметры в любом сечении потока не зависят от времени. В…
Уравнение обращения воздействий. Сопла и диффузоры
1. Геометрическое воздействие изменение величины проходного сечения канала вдоль потока.
2. Расходное воздействие — изменение массового расхода газа в канале путем… 3. Механическое воздействие — обмен механической энергией в форме технической работы между потоком газа и окружающей…
Сопла и диффузоры
В формулировках сопел и диффузоров не оговаривается возможная геометрия этих каналов. Это не случайно, так как их продольный профиль зависит от… Для геометрического воздействия уравнение Вулиса запишется в виде:
Параметры торможения
,
где h* - полная энтальпия, или энтальпия адиабатно заторможенного потока (при… При полном торможении потока (с=0) температура принимает наибольшее значение и называется температурой полного…
Приведенные параметры
Тогда получим:
Приведенная температура – отношение действительной температуры потока к температуре торможения:
Истечение газа из суживающегося сопла
Пусть давление cреды, откуда происходит истечение, равно , а давление той cреды, куда вытекает газ (так называемое противодавление), равно . Пусть… Скорость газа на выходе из сопла можно определить, используя формулу
Режимы работы суживающегося сопла
Скорость газа на выходе из суживающегося сопла определяется по формуле:
.
Mассовый расход газа:
Истечение газа из сопла Лаваля.
1. Суживающаяся короткая часть, в которой скорость потока дозвуковая.
2. Узкое сечение, в котором газ движется со скоростью звука.
3. Расширяющаяся конусообразная насадка (сверхзвуковая скорость потока).
Истечение газов с учетом трения
В отличие от теоретического изоэнтропийного действительный процесс истечения реального газа происходит при трении частиц газа между собой и о стенки…
Рис. Изоэнтропийный и действительный процессы истечения газа
Термодинамические процессы в компресорах
Принцип действия поршневого компрессора такой: в цилиндре движется поршень, совершающий возвратно-поступательное движение. При движении поршня слева… Поршню сообщается возвратно-поступательное движение через кри-вошипно-шатунный… Качественно иной принцип действия положен в основу лопаточных компрессоров, которые подразделяются на два типа —…
Циклы двигателей внутреннего сгорания
Общий принцип работы двигателей внутреннего сгорания
Тепловыми двигателями называют машины, превращающие теплоту в механическую работу.
Классификация и принцип действия поршневых двигателей внутреннего сгорания
Двигателями внутреннего сгорания (д. в. с.) называются тепловые двигатели поршневого типа, в которых сгорание топлива (подвод теплоты) и превращение теплоты продуктов сгорания в работу происходит непосредственно внутри рабочего цилиндра.
Д.в.с. устанавливают на небольших самолётах, автомобилях всех типов, тракторах, танках, мотоциклах, морских и речных судах, передвижных электростанциях и небольших стационарных электростанциях.
Д. в. с. классифицируют по следующим признакам:
1) по числу ходов (тактов), за которое совершается один рабочий цикл (четырёх тактные и двухтактные);
2) по месту и способу смесеобразования (с внешним смесеобразованием, карбюраторные, и с внутренним - дизельные);
3) по способу воспламенения топлива (с принудительным воспламенением, искровые-карбюраторные, и с самовоспламенением, дизельные);
4) по виду горючего. С жидким горючим: лёгким, – бензиновые карбюраторные, - тяжелым, - дизельные; с газообразным горючим: газовые;
5) по числу и расположению цилиндров подразделяются на одно-, двух- и многоцилиндровые; однорядные, двухрядные, V- и W-образные, оппозитные.
На рис. изображены схема устройства так называемого четырехтактного д. в. с. и диаграмма его рабочего процесса в рv-координатах. Четырехтактными называются двигатели, у которых один рабочий ход приходится на четыре хода поршня, т. е. на два оборота вала. Цилиндр двигателя 1 снабжен двумя клапанами — впускным 2 и выхлопным 4. Открытие и закрытие клапанов осуществляется специальным газораспределительным механизмом (на схеме не показан). Поршень 5 совершает возвратно-поступательные движения, которые с помощью кривошипно-шатунного механизм, шатуна 6 и кривошипа 7, преобразуются во вращательное движение вала 8.
Крайние положения поршня, при которых направление движения поршня изменяется на обратное, называются мертвыми точками: у крышки цилиндра — верхней мертвой точкой (в. м. т.), противоположная —нижней мертвой точкой (н. м. т.).
Рис. Схема устройства и диаграмма рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания (д.в.с.)
Движения поршня, равномерно следующие друг за другом, от одной мертвой точки к другой, называются тактами, а путь между ними называется ходом поршня. Объем, описываемый поршнем за один ход, называется рабочим объемом цилиндра.
Рабочий процесс д. в. с. начинается с движения поршня 5 от в. м. т. вниз при открытом впускном клапане 2 (такт всасывания I). При этом в цилиндр поступает смесь бензина или керосина с воздухом, которая образуется в специальном устройстве, называемом карбюратором (или смесителем в случае газообразного топлива); при использовании так называемого тяжелого топлива (например, нефти, солярового масла) в такте всасывания поступает чистый воздух.
В н. м. т. впускной клапан 2 закрывается и поршень, перемещаясь в обратном направлении, совершает такт сжатия II. Вблизи от в. м. т. в карбюраторных д. в. с. воспламенение топлива происходит электрической искрой (принудительное воспламенение), и топливо сгорает в момент прихода поршня в в. м. т. Вследствие этого температура и давление продуктов сгорания резко возрастают при практически постоянном объеме.
В так называемых д. в. с. высокого сжатия в среду сильно сжатого и нагретого до 500—600 °С воздуха впрыскивается через форсунку жидкое топливо, которое самовоспламеняется и сгорает. Распыление жидкого топлива в форсунке может осуществляться воздухом, сжатым в специальном компрессоре (компрессорные дизеля), или механическое распыление при помощи топливного насоса (бескомпрессорные дизеля). После завершения сгорания совершается такт расширения (рабочий такт III). Вблизи от н. м. т. открывается выпускной клапан. Давление падает и при движении поршня от н. м. т. до в. м. т. отработавшие газы выталкиваются из цилиндра (такт выхлопа IV) при давлении, несколько большем атмосферного. Такая диаграмма рабочего процесса обычно записывается специальным прибором — индикатором, а полученная таким образом диаграмма называется индикаторной диаграммой. На индикаторной диаграмме откладывается объем цилиндра, описываемый поршнем в данный момент.
Из-за высоких температур в цилиндре двигателя (порядка 1600—2000 °С) приходится интенсивно охлаждать цилиндр, чаще всего водой, поэтому между стенками цилиндра и продуктами сгорания все время происходит теплообмен.
Легко видеть, что действительные процессы, протекающие в д. в. с., являются необратимыми (протекают с конечными скоростями, трением и теплообменом при конечной разности температур), поэтому индикаторную диаграмму нельзя отождествлять с термодинамическим циклом.
Исследование процессов, происходящих в двигателях внутреннего сгорания, производится путем рассмотрения идеальных циклов. В них реальные процессы заменяются идеальными, применительно к которым производятся все расчеты.
При идеализации циклов принимаются следующие допущения:
1. Процессы, составляющие цикл, являются равновесными; потери на трение и отвод теплоты через стенки двигателя в окружающую среду отсутствуют;
2. рабочим телом является идеальный газ;
3. цикл осуществляется с 1кг газа;
4. процесс горения топлива заменяется обратимым процессом подвода теплоты извне;
5. процесс смены рабочего тела заменяется процессом отвода теплоты от рабочего тела в окружающую среду.
В зависимости от способа подвода теплоты к рабочему телу рассматриваются следующие термодинамические циклы двигателей внутреннего сгорания:
1) цикл с изохорным подводом теплоты – цикл Отто;
2) цикл с изобарным подводом теплоты- цикл Дизеля;
3) цикл со смешанным подводом теплоты – цикл Тринклера
I. Цикл Отто (Цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном объёме)
Является прототипом рабочего процесса в двигателях с принудительным зажиганием. Отличительной особенностью таких двигателей является сжатие горючей смеси (смеси паров бензина с воздухом).
Цикл состоит из двух адиабатных и двух изохорных процессов. Адиабата 1—2 отвечает сжатию горючей смеси, изохора 2—3 — сгоранию смеси (подвод теплоты q1), вследствие чего давление повышается до р3. После этого продукты сгорания адиабатно расширяются (процесс 3—4). В изохорном процессе 4—1 от газа отводится теплота q2.
Характеристиками этого цикла являются:
степень сжатия: ε = v1/v2, где v1 – объем в начале процесса сжатия (полный объем цилиндра); v2 – объем в конце процесса сжатия (объем камеры сгорания).
степень повышения давления . Здесь p2, p3 –давления рабочего тела в соответствующих точках цикла д. в. с.
Расчёт цикла сводится к определению параметров p, v и T в характерных точках и определению количеств подведенного и отведенного тепла, полезной работы и термического к. п. д. цикла.
Для изохорного процесса 2-3 подведенная теплота - q1 = сv (Т3-Т2).
Для изохорного процесса 4-1 теплота, отведенная от рабочего тела - q2 = сv (Т4 - Т1).
Термический КПД цикла :
.
Соотношение параметров в адиабатическом процессе 1-2: .
Соотношение параметров в адиабатическом процессе 3-4: .
, , откуда или .
Термический к. п. д. цикла с подводом тепла при постоянном объеме выразится следующей формулой:
.
где k – показатель адиабаты рабочего тела. То есть ηt растёт с увеличением степени сжатия. Однако повышение степени сжатия не должно вызывать детонацию и самовоспламенение горючей смеси в процессе сжатия. В зависимости от вида топлива ε=6÷10.
II. Цикл Дизеля (цикл д. в. с. с подводом тепла при постоянном давлении)
Состоит из двух адиабат, изобары и изохоры и является образцом для двигателей тяжелого топлива, которые называются компрессорными дизелями и в которых горючее распыляется воздухом, подаваемым в цилиндр специальным компрессором. Из-за больших габаритов и веса компрессорные дизели применяются только на судах и в качестве стационарных установок.
В этих двигателях сначала сжимается по адиабате 1—2 чистый воздух, в результате чего его температура повышается до требуемой температуры самовоспламенения топлива. Затем в изобарном процессе 2—3 происходит впрыск и горение топлива (подвод теплоты q1). Далее происходит адиабатное расширение 3—4 и изохорный выхлоп 4—1 (отвод теплоты q2).
Характеристиками этого цикла являются:
степень сжатия ,
степень предварительного расширения .
Можно показать, что термический к. п. д. цикла
.
Видно, что ηt возрастает с увеличением степени сжатия и с уменьшением степени предварительного расширения.
Степень сжатия в дизелях определяется достижимой прочностью и составляет 14÷16.
III. Цикл Тринклера (цикл д. в. с. со смешанным подводом тепла)
Характерен для так называемых бескомпрессорных двигателей тяжелого топлива с механическим распылением топлива. Здесь горючее впрыскивается в цилиндр через распыливающее устройство (форсунку) с помощью плунжерного насоса под давлением в несколько сотен бар. Впервые бескомпрессорный нефтяной двигатель был создан в 1904 г. конструктором Сормовского завода Г. В. Тринклером. Сжигание топлива в таком двигателе сначала происходит по линии v=const (процесс 2-3) с повышением давления, а затем при постоянном давлении (процесс 3-4).
Цикл Тринклера. Рабочая (p-v) и тепловая (T-s) диаграммы.
Характеристиками этого цикла являются:
степень сжатия ,
степень предварительного расширения ,
степень повышения давления .
В цикле Тринклера теплота подводится в двух процессах: 2-3 (v=const) и 3-2 (p=const), поэтому она будет равна сумме:
.
Теплота отводится в изохорном процессе 4-5. Определим ее абсолютное значение, т.к. она отрицательная.
.
Работа цикла равна разнице между подводимой и отводимой теплотой:
=сvT1{ek-1[l-1+kl(r-1)]- (lrk-1)}.
Можно показать, что термический к. п. д. цикла
.
Из формулы следует, что термический к. п. д. цикла возрастает с увеличением степени сжатия и степени повышения давления и уменьшается с увеличением степени предварительного расширения. Поэтому современные дизели стремятся конструировать так, чтобы в теоретическом цикле изобарный участок тепла имел минимальные размеры, то есть так, чтобы ρ≈1.
При ρ=1 цикл Тринклера превращается в цикл Отто, а при λ=1 – в цикл Дизеля.
Цикл Тринклера является наиболее эффективным, поэтому современные дизели работают по циклу Тринклера.
Термический к. п. д. различных двигателей внутреннего сгорания составляет в среднем 0,45÷0,6.
IV. Сравнение эффективности идеальных циклов
1. Сравним циклы Отто и Дизеля по значению термического КПД при одинаковых степенях сжатия.
Для наглядности будем использовать графическую интерпретацию подводимой и…
Цикл газотурбинной установки
Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного… В газотурбинной установке воздух сжимается компрессором от атмосфернного… Часть работы, полученной в турбине, расходуется на привод компрессора, а оставшаяся используется для получения…
Цикл ГТУ с регенерацией теплоты
В процессе 4-5 продукты сгорания охлаждаются в теплообменнике и эта теплота передается воздуху в процессе 2-6.…
Цикл паротурбинной установки
Современная стационарная теплоэнергетика базируется в основном на паросиловых установках. Продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь… Чаще всего в паротурбинной установке используется цикл Ренкина на перегретом… (7.2)
Обратные циклы в технике
Цикл парокомпрессионной холодильной установки
Парокомпрессионная холодильная установка работает по циклу, обратному циклу паросиловой устанвки.
Компрессор всасывает из рефрижератора пар рабочего тела при давлении его р2 и… Эффективность холодильной установки определяется холодильным коэффициентом, представляющим собой отношение количества…
Цикл теплового насоса
Тепловой насос – это машина, предназначенная для поглощения теплоты из окружающей среды и передачи ее объекту с более высокой температурой.
Эффективность теплового насоса определяется отношением количества теплоты q2,… , (8.3)
Источники получения тепловой энергии
Виды и состав топлив
Топливом называются горючие вещества, которые сжигаются для получения в промышленныхцелях теплоты. Топливо по происхождению может быть естественным… Топливо в том виде, в каком оно поступает к потребителю, называется рабочим… . (9.1)
Теплота сгорания топлива
Теплотой сгорания топлива называется количество теплоты, выделяющейся при сгорании единицы топлива. Теплоту сгорания твердого и жидкого топлива… Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.
Высшей теплотой сгорания топлива () называется количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива с учетом теплоты…
Расход воздуха на сжигание топлива
Каким бы сложным ни был состав топлива при его полном сгорании углерод окисляется до СО2, водород до Н2О, сера до SO2. Объем воздуха, необходимого для сжигания 1кг топлива, определяется на основе стехиометрических рассчетов по уравнениям реакций горения входящих в состав топлива элементов.
Объем и состав продуктов сгорания
При полном сгорании топлива топочные газы содержат продукты полного окисления элементов топлива,т.е.СО2, SO2, Н2О. Поэтому состав сухих газов в… . (9.5)
Объем сухих газов:
Энтальпия продуктов сгорания
Энтальпия продуктов сгорания является основой для тепловых расчетов теплоиспользующих устройств. Энтальпию продуктов сгорания принято рассчитывать… . (9.8)
энтальпия продуктов сгорания (кДж/кг топлива),
ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА
Основные понятия
Теплота переносится тремя способами:
Теплопроводность - молекулярный перенос теплоты в пространстве, обусловленный наличием разницы температур. Конвекция - перенос теплоты в среде с неоднородным распределением скорости и температуры, осуществляется макроскопическими элементами среды при их перемещении. Тепловое излучение - перенос теплоты осуществляется посредством электромагнитных волн. Передача тепла путем теплопроводности возможна как в твердых телах, так и в жидкостях, при этом в теории теплообмена термином “жидкость” обозначается любая сплошная среда, обладающая текучестью, т.е. как жидкость, так и газ.
В отличие от твердых тел, в которых теплота переносится только теплопроводностью, в жидкостях перенос тепла может осуществляться еще и за счет перемешивания. Перенос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества называется конвективным переносом тепла или просто конвекцией.
Наконец, возможен еще теплообмен излучением, при котором тело излучает энергию в виде электромагнитных волн, которые поглощаются другими телами.
Интенсивность переноса теплоты характеризуется плотностью теплового потока q , которая представляет собой количество теплоты, передаваемой в единицу времени через единичную площадь поверхности и измеряется в Вт/м2
Количество теплоты, передаваемой в единицу времени через произвольную поверхность F, называется мощностью теплового потока или просто тепловым потоком, обозначается Q, измеряется в Вт.
Теплопроводность
Температурное поле. Закон Фурье
Температурное поле – это совокупность значений температуры во всех точках тела в данный момент времени
(2.2.1)
Если температура зависит только от координат и не зависит от времени, то температурное поле называется стационарным, в…
Дифференциальное уравнение теплопроводности
Дифференциальное уравнение теплопроводности выводится на основе баланса энергии для элементарного объема и имеет вид:
, (2.2.5)
где λ - коэффициент теплопроводности,
Теплопроводность через плоскую стенку при граничных условиях первого рода.
однослойная стенка многослойная стенка
Теплопроводность через цилиндрическую стенку при граничных условиях первого рода.
однослойная стенка многослойная стенка
Тепловая конвекция
Основные понятия
Передача теплоты путем конвекции осуществляется перемещением в пространстве неравномерно нагретых объемов жидкостей или газов. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердой стенкой, который называется теплоотдачей.
Согласно закону Ньютона-Рихмана тепловой поток Q от жидкости к стенке пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки tс и температурой жидкости tж.
(Вт) (Вт/м2),
α – коэффициент теплоотдачи (Вт/м2·К)
При заданных значениях коэффициентов теплоотдачи (граничные значеня третьего рода), как показано выше, расчет тепловых потоков не представляет особой трудности. Основная трудность расчета как раз и заключается в определении коэффициента теплоотдачи, который зависит от ряда факторов: физических свойств жидкости (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность и др.), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения.
По природе возникновения различают два вида дижения: свободное и вынужденное. Свободное дижение происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодныых частиц жидкости, находящихся в поле действия сил тяжести. Свободное дижение называется также естественной конвекцией. Вынужденное движение возникает под действием посторонних возбудителей (насоса, вентилятора, ветра). Это вынужденная конвекция.
В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное, относительное влияние которого тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.
При движении жидкости около неподвижной поверхности, например, поверхности пластинки, частицы жидкости, непосредственно соприкасающиеся с поверхностью, как бы прилипают к ней. Соприкасаясь с неподвижным слоем, тормозятся и более удаленные от поверхности слои жидкости. Зона потока, в которой наблюдается уменьшение скорости, вызванное вязким взаимодействием жидкости с неподвижной поверхностью, называется гидродинамическим пограничным слоем. За пределами пограничного слоя течет невозмущенный поток.
На начальном участке течение в пограничном слое является ламинарным, т. е. частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. При удалении от лобовой точки толщина пограничного слоя растет, так как влияние вязкости все больше распространяется на невозмущенный поток. На некотором расстоянии ламинарное течение становится неустойчивым. В пограничном слое появляются вихри, и постепенно турбулентный режим движения распространяется почти на всю толщину пограничного слоя, лишь около самой поверхности пластины остается тонкий ламинарный или вязкий под слой, где скорость невелика, и силы вязкости гасят турбулентные вихри.
Частицы жидкости, “прилипшие” к поверхности, имеют температуру, равную температуре стенки. Соприкасающиеся с этими частицами движущиеся слои жидкости охлаждаются, отдавая им свою теплоту – так формируется тепловой пограничный слой, в пределах которого температура меняется от температуры стенки tс на поверхности до температуры жидкости tж в невозмущенном потоке.
В общем случае толщины гидродинамического и теплового пограничных слоев пропорциональны, а для газов практически равны.
Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена.
Основы теории подобия
.
Однако, с другой стороны .
Отсюда (2.3.1)
Теплоотдача при вынужденной и свободной конвекции
Рассмотрим часто встречающиеся на практике случаи вынужденной конвекции.
Продольное обтекание пластины.
При Re<5·105 (ламинарный режим):
Теплопроводность через плоскую и цилиндрическую стенку при граничных условиях третьего рода (теплопередача).
однослойная стенка многослойная стенка
Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через… При граничных условиях третьего рода заданы: толщина стенки δ, коэффициент теплопроводности λ, температуры…
Теплообмен излучением
Основные понятия и законы теплового излучения
Тепловое излучение является результатом превращения внутренней энергии тела в энергию электромагнитных колебаний. При попадании электромагнитных лучей (волн) на другое тело их энергия частично поглощается им, снова превращаясь во внутреннюю. Так осуществляется лучистый теплообмен между телами.
Тепловое излучение как процесс распространения электромагнитных волн характеризуется длиной волны и частотой (с – скорость света, в вакууме с = 3·108 м/с).
Большинство твердых и жидких веществ излучают энергию всех длин волн в интервале 0 < λ <, т.е. имеют сплошной спектр. Газы излучают энергию только в определенныхинтервалах длин волн (селективный спектр излучения).
При температурах, с которыми обычно приходится иметь дело в технике, основное количество энергии излучается при λ=0,8 – 8 мкм. Эти лучи принято называть тепловыми (инфракрасными). Большую длину волны имеют радиоволны. Меньшую – волны видимого (светового) излучения λ=0,4 – 0,8 мкм и ультрафиолетовые λ < 0,4 мкм.
Энергия, излучаемая в единицу времени в узком интервале длин волн от , называется потоком монохроматического излучения (Вт/м)
Поток излучения,соответствующий всему спектру в пределах 0 < λ <, называется интегральным или полным лучистым потоком Q (Вт).
Поток излучения с единицы поверхности тела называется плотностью интегрального излучения Е (Вт/м2).
, . (2.4.1)
Если E=const (по всей F), то Q=EF.
Плотность потока монохроматического излучения называется спектральной интенсивностью излучения (Вт/м3). Она связана с плотностью интегрального излучения уравнением:
, . (2.4.2)
Каждое тело не только излучает, но и поглощает энергию. Из всей падающей на тело лучистой энергии Епад часть ее поглощается (Епогл), часть отражается (Еотр) и часть проходит сквозь тело (Епр).
Следовательно: Епад = Епогл +Еотр+Епр.
Обозначим: коэффициент поглощения,
коэффициент отражения,
коэффициент пропускания
Очевидно A + R + D = 1 (2.4.3)
Если тело поглощает все падающие на него лучи, т.е. А = 1, R = D = 0, то оно называется абсолютно черным телом.
Если А<1 и не зависит от λ , то тело называется серым.
Если вся падающая энергия отражается, т.е.R = 1, A = D = 1, и отражение подчиняется законам геометрической оптики, то тело называется зеркальным, если же отражение происходит по всем направлениям, тело называется абсолютно-прозрачным.
Сумма потоков собственногои и отраженного телом излучения называется эффективным потоком излучения:
(2.4.4)
Основными законами теплового излучения являются: закон Планка, закон Вина, закон Стефана-Больцмана и закон Кирхгофа.
Закон Планка
Спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела зависит от длины волны и температуры:
(Вт/м3) (2.4.5)
длина волны (м), 3,74·10-16 (Вт/м2),
температура (К), (м/К).
При λ =0 и для всех температур, а при некотором промежуточном значении λм имеет максимум. Для всех λ Ioλ тем больше, чем выше температура.
Закон Вина
λм и Т связаны зависимостью:
λм=2,898/Т·103. (2.4.6)
Таким образом, с ростом температуры масимум излучения смещается в сторону более коротких длин волн.
Закон Стефана-Больцмана
Зависимость плотности потока собственного интегрального излучения абсолютно черного тела от его температуры описывается уравнением:
, (2.4.7)
постоянная Стефана-Больцмана.
температура (К).
Для технических расчетов закон Стефана-Больцмана обычно записывается в виде:
, , (2.4.8)
коэффициент излучения абсолютно черного тела.
Реальные тела излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело при той же температуре. Для серого тела Е<Ео. Степенью черноты тела называется отношение <1. (2.4.9)
Отсюда: , (2.4.10)
коэффициент излучения серого тела.
Закон Кирхгофа
Степень черноты тела равна коэффициенту поглощения этого тела
. (2.4.11)
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде
Рассмотрим теплообмен излучением между двумя параллелными пластинами с площадью1м2 с небольшим расстоянием между ними. Температуры пластин… Каждая пластина имеет собственное излучение Е1 и Е2 и эффективное излучение…
Теплообмен излучением в газовой среде
В отличие от твердых тел, имеющих сплошные спектры излучения, газы излучают энергию лишь в определенных интервалах длин волн. Вне этих интервалов… Одноатомные и двухатомные газы почти полностью пропускают тепловое излучение,…
Теплообменные аппараты
Класификация теплообменных аппаратов
Чаще всего в теплообменных аппаратах (ТОА) осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя… Теплообменники с двумя теплоносителями по принципу действия подразделяются на… 1) рекуперативные;
Основы расчета теплообменного аппарата
1) Уравнения теплового баланса
Тепловой поток Q1, отраженный в теплообменнике горячим теплоносителем при его… Q1=m1×(Cp1'×t1'-Cp1"×t1"), кДж