Соотношение конвективной и лучистой составляющих тепловых потоков при отводе теплоты с оребренных и неоребренных поверхностей

РЕКУНЕНКО Е.С., МЭИ, г. Москва

Науч. рук. д-р техн. наук, профессор ГАРЯЕВ А.Б.

При расчете и оптимизации устройств для отвода теплоты часто возникает вопрос о соотношении тепловых потоков, которые отводятся с поверхности естественной конвекцией и излучением. На данные тепловые потоки влияют как геометрия поверхности, так и уровни температур поверхности и окружающих предметов. Цель данной работы – определение соотношения между конвективным и лучистым тепловыми потоками в зависимости от указанных факторов и определение границ, при которых лучистой составляющей в общем тепловом потоке можно пренебречь.

Рассмотрены две нагретые поверхности: круглая горизонтальная труба и радиатор, состоящий из круглой трубы с квадратными ребрами. Для каждой из них были рассчитаны лучистый и конвективный потоки в диапазоне температур от 30 до 150 °С при температуре окружающей среды °С и расстоянии между ребрами от 6 мм до 20 мм. Материалом в обоих случаях являлась углеродистая сталь с коэффициентом черноты равным 0,65. Размер стороны ребра принят равным 90 мм, что соответствует размеру ребра стандартного отопительного конвектора. При переменной температуре ребра определение как лучистого, так и конвективного тепловых потоков представляет собой очень сложную математическую задачу, поэтому в данной работе принято, что ребра имеют постоянную температуру по всей поверхности. Лучистым потоком от центральной трубки, на которой расположены ребра в расчете мы пренебрегали в виду его относительной малости, что справедливо, однако, только при малых расстояниях между ребрами. Для неоребренной трубы тепловые потоки рассчитывались по закону Стефана-Больцмана и критериальной зависимости . Для оребренной поверхности конвективный поток рассчитывался по формуле Эленбааса (1):

.

(1)

Лучистый поток определялся через приведенную степень черноты, которая рассчитывалась через угловые коэффициенты для систем поверхностей, образованной каждой парой пластин. Полученное в результате соотношение лучистого и конвективного удельных тепловых потоков представлено на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Соотношение лучистого и конвективного удельных тепловых потоков

для круглой неоребренной трубы

Рис. 2. Соотношение лучистого и конвективного удельных тепловых потоков для оребренной трубы при соотношении размера пластин и расстояния между ними (a/b):

1 – 15;. 2 – 11,3; 3 - 9; 4 - 7,5; 5 - 6,4; 6 - 4,5

Для гладкой трубы зависимость отношения потоков от температуры имеет минимум. Вид зависимости и положение минимума очень слабо зависят от диаметра трубы. Для оребренной трубы уменьшение расстояния между пластинами очень существенно уменьшает долю лучистого потока, уходящего с их поверхности в окружающую среду, и она становится существенной только при высоких температурах.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что для оребренной трубы в рассмотренном диапазоне температур для соотношения размеров пластин и расстояния между ними более 10 лучистой составляющей можно пренебречь. При очень малом расстоянии между ребрами доля лучистого потока должна возрастать за счет излучения с торцов ребер, которые в данной работе не учитывались.

УДК 628.1