Теплообмен илучением. Конвективный теплообмен. Условия комфортности

1.

ТЕПЛООБМЕН ИЛУЧЕНИЕМ.
КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.
Условия комфортности.

2.

Излучение — процесс передачи тепла от одной поверхности к
другой через лучепрозрачную среду. При нагревании какоголибо тела часть тепловой энергии превращается на его
поверхности в энергию лучистую. Излучение между телами
происходит при помощи электромагнитных волн, тепло с
поверхности более нагретого тела передается через
лучепрозрачную среду (воздух) на поверхность другого тела, где
вновь переходит в тепловую форму энергии
- СХЕМА ЛУЧИСТОГО ТЕПЛООБМЕНА
МЕЖДУ ПОВЕРХНОСТЯМИ

3.

Интенсивность излучения нагретой поверхности абсолютно черного
тела определяется законом Стефана-Больцмана, который был выведен в
1879 году.
Е 0 С 0 (Т / 100) 4
, Вт/м2
С0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2∙К4); С0 = 5,77 Вт/(м2∙К4);
Т – температура поверхности, К;
Е0 – интенсивность излучения.
По закону Кирхгофа, согласно которому коэффициенты излучения и поглощения
монохроматического
излучения поверхностью материалов равны, между
коэффициентами излучения серого и черного тела существует следующая
зависимость:
С С0
где ε – степень черноты или относительный коэффициент излучения
поверхности
С
1
С0

4.

Интенсивность излучения серой поверхности определяется:
4
4
2
,
Вт/м
1
i
0
Е C (T / 100) C (T / 100)
По закону Ламберта, количества тепла передающееся излучением от одной серой
поверхности к другой определяется по выражению:
Q1 2 пр1 2 C0 1 2 [(T1 / 100) 4 (T2 / 100) 4 ]
где Q1-2 – количество переданного тепла с поверхности 1 на поверхность 2.
εпр 1-2 – приведенный относительный коэффициент излучения при теплообмене
между двумя серыми телами. Он зависит от размера поверхности, расстояния
между телами.
Для определения εпр 1-2 можно рассмотреть 3 простейших случая:
1) для двух параллельных поверхностей, расстояние между которыми мало по
сравнению с их размерами ( коэффициент облученности φ1-2=1, т.к. практически все
излучение одной поверхности падает на другую) отраженные лучи полностью
возвращаются на излучающую поверхность и так до полного поглощения.
Приведенный относительный коэффициент излучения теплообменивающихся
поверхностей для этого случая равен:
пр1 2
1
1/ 1 1/ 2 1

5.

2) Поверхность со всех сторон окружена другой поверхностью.
Это сфера в сфере, цилиндр в цилиндре или просто невогнутая поверхность,
окруженная большей поверхностью такой же геометрии. В этом случае, если
меньшая поверхность имеет площадь F1, а большая F2, то
пр1 2
1
1 / 1 F1 / F2 (1 / 1 1)
3) Если поверхности малы или велико расстояние между ними, часть отраженного
излучения, возвращающаяся на излучающую поверхность становится
пренебрежимой
пр1 2 1 2
Если поверхность 1 считать нагретой, то радиационная температура помещения
определяется по выражению:
tR
F t
F
i
i
i
где ti – температура отдельной поверхности в помещении;
Fi – площадь i-той поверхности в помещении

6.

Лучистым потоком называется геометрическая характеристика,
равная произведению площади излучающей поверхности на
коэффициент облученности с этой поверхности на другую,
лучистый поток на которую определяется.
Свойства лучистых потоков:
1) Свойство замкнутости лучистых потоков состоит в том, что
сумма коэффициентов облученности с поверхности 1 в
сторону всех окружающих поверхностей j равна единице.
Уравнение не удовлетворяется, если поверхность 1
вогнутая, т.к. при наличии вогнутости часть лучей падает на
саму поверхность и в лучистом теплообмене с
окружающими поверхностями не участвует.
2) Свойство взаимности лучистых потоков, согласно которому
поток с поверхности 1 на поверхность 2 равен потоку с
поверхности 2 на поверхность

7.

3) Свойство распределительности лучистых потоков состоит в
том, что поток от поверхности 1 к поверхности 2 может быть
представлен в виде суммы потоков между отдельными частями
m(1) и n(2) этих поверхностей.
Для точного расчета лучистого теплообмена тела со всеми
окружающими его поверхностями в помещении, нужно
составить баланс лучистого теплообмена Л1 поверхности 1 со
всеми поверхностями.
Л 1 Е ПОГЛ ( Е ЭФ1 Е ПАД 1 ) F1
Общий поток лучистого тепла, покидающий поверхность, называется ее
эффективным излучением Еэф. Этот поток складывается из потоков
собственного Есоб и отраженного Еотр излучений. Лучистый поток,
приходящий на поверхность, называется падающим ЕПАД. Он
складывается из частей потоков эффективного излучения всех
окружающих поверхностей. Часть его остается на поверхности и
является поглощенным излучением ЕПОГЛ.

8.

Qл = Л 1 С 0 пр1 R b1 R 1 R ( 1 R ) F1
Л 1 С 0 пр1 R b1 R 1 R
где αЛ1 – коэффициент теплоотдачи лучистого теплообмена, Вт/м2○С
Qл Л 1 ( 1 R ) F1

9.

КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
Тепловой поток при конвективном теплообмене
Qк К F ( 1 В )
,К
где αк – коэффициент теплоотдачи, Вт/м2○С;
Коэффициент теплоотдачи – это количество тепла, проходящего в единицу времени от воздуха к
стенке
через 1 м2 поверхности при разности температур в 1 ○С.
Коэффициент теплоотдачи учитывает характер движения воздуха в помещении и природу его
возникновения, режим движения (течения), скорость движения воздуха v,
его физические характеристики – коэффициент теплопроводности воздуха λ,
коэффициент динамической вязкости μ, плотность ρ, теплоемкость воздуха Ср,
коэффициент объемного расширения β, температуру поверхности τ1, температуру воздуха tв,
форму поверхности Ф и линейные размеры l1, l2, l3.
Таким образом, α = f(v, μ, ρ, Ср, τ1, tв, l1, l2, l3, Ф, λ, β)
Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена по всей
поверхности помещения определяется выражением:
к m 3 1 t в

10.

Экспериментально установлено наличие около потолка зоны торможения, высота
которой определяется:
hторм 1,35
1450 h
(Gr Pr) 0,33
С учетом естественной и вынужденной конвекции в помещении:
к m 3 1 t в 60 vв2 / h

11.

Тепловой баланс человека можно описать следующим уравнением:
Qч Qчк Qчл Qчи Qчр Qчф Qч 0
где Qч – теплопродукция организма, общее количество теплоты,
вырабатываемое человеком;
Qчк , Qчл – конвективный и лучистый теплообмен человека с окружающей
средой;
Qчи – затрата тепла на испарение влаги;
Qчр – количество тепла, расходуемое на механическую работу;
Qчф –тепло, затраченное на физиологический процесс: нагрев вдыхаемого
воздуха, обмен веществ;
±ΔQч – избыток или недостаток тепла в помещении.

12.

Условия комфортности
Температура помещения определяется:
tв t R
tп
2
Первое условие комфортности устанавливает зону сочетания температур tв и
tR, при которых человек, находясь в середине помещения, не испытывает
чувство перегрева или переохлаждения.
Для зимних условий уравнение комфортности описывается таким уравнением:
t R 1,57 t п 0,57 t в 1,5
○С,
где tп – нормируемое значение температуры воздуха в помещении в зависимости от характера труда.
В спокойном состоянии tп=23 ○С, для легкой работы tп=21 ○С, для работы средней тяжести tп=18,5 ○С
и при тяжелой работе tп=16 ○С.
tв – температура воздуха в помещении;
±1,5 ○С – допустимое отклонение средней радиационной температуры от полученной по данному
выражению.
Значительная разность температур tв и tR наблюдается при лучистом отоплении, воздушном и
лучистом охлаждении. В остальных случаях tв= tп, а tп= tв по СНиП.
Для летних условий значительную роль играет относительная влажность воздуха в помещении и
подвижность воздуха:
t п k v t в (1 k v ) t R
○С,
где кv – коэффициент, учитывающий влияние на комфортность vв и φв.

13.

Второе условие комфортности – определяет допустимую интенсивность теплообмена человека
или допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека
около них.
В зимний период года к радиационному нагреву наиболее чувствительна поверхность головы. Для
предупреждения радиационного перегрева и переохлаждения человека поверхности потолка и
стен могут быть нагреты до допустимой температуры:
п доп
19,2
наг
8,7
чп
где φчп – коэффициент облученности человеческого тела при теплообмене с потолочной панелью.
В теплый период года допустимая температура поверхности:
доп
охл
23
5