Lectia 10 Transfer de căldură si masa
Transcript of Lectia 10 Transfer de căldură si masa
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
1/28
CAP. 4 RADIAIA TERMIC
4.1. Elemente fundamentale
4.1.1. Natura fenomenului
Toate corpurile cu o temperatur superioar temperaturii de T= 0Kemit energie sub form de radiaii. Radiaia are un dublu caracterondulatoriu i corpuscular. Energia i impulsul sunt coninute n fotoni, iar
probabilitatea de a se gsi ntr-un punct oarecare din spaiu este caracterizatde unde. Rezult c radiaia este caracterizat de lungimea sa de und saufrecvena, legtura dintre cele dou mrimi fiind:
= c / , (4.1)
unde c este viteza luminii (c = 2,998108 m/s).n funcie de lungimea de und radiaiile pot fi de diferite tipuri,
ncepnd cu radiaiile i continund cu radiaiile X, ultraviolete, vizibile,infraroii i radio (microunde) (figura 4.1) [20].
Albastru
Violet
Verde
Galben
Rou
Vizibile
Radiaie termic
InfraroiiUltraviolete
Radiaii X
MicroundeRadiaii
10-510-410-5 10-2 10-1 105 104102101
(m)
0,4 0,7
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
2/28
Bazele transferului de cldur i mas
Fig. 4.1 Spectrul radiaiilor electromagnetice
Radiaia termic este rezultatul transformrii energiei interne acorpurilor n energie cu lungimile de und cuprinse ntre = 0,1100 m,incluznd o poriune din radiaiile ultraviolete i n ntregime spectreleradiaiilor vizibile i infraroii.
4.1.2. Definiii
Mrimile fizice care caracterizeaz radiaia sunt caracterizate dedou criterii independente: compoziia spectral i distribuia spaial(direcional).
n funcie de compoziia spectral, mrimile fizice se pot referi latot spectrul de radiaii i se numesc totale sau la o anumit lungime de und,mrimile numindu-se monocromatice.
Mrimile se numesc emisferice dac se refer la toate direciile ncare o suprafa emite sau primete radiaie i direcionale daccaracterizeaz o direcie dat de propagare a radiaiei.
Fluxul termic radiant emis total, eQ
[W], reprezint energiaemis de un corp n unitatea de timp, n tot spaiu.Fluxul radiant Q care cade pe o suprafa poate fi absorbit de
aceasta (QA), reflectat (QR) sau trece prin suprafa (QD) (figura 4.2):
Fig. 4.2 Distribuia energiei radiante
Q = QA + QR + QD ; [W] (4.2)A + R + D = 1 , (4.3)
unde: A este coeficientul de absorbie, R coeficientul de reflexie; D coeficientul de difuzie.
184
QR
QD
QA
Q n
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
3/28
Radiaia termic
CoeficieniiA, R, D pot avea valori cuprinse ntre 0 i 1, n funciede natura corpului, starea suprafeei, spectrul radiaiei incidente itemperatur.
Corpul negru absoarbe toat radiaia incident, astfel c: A = 1;R=D=0.
Corpul alb reflect toat radiaia incident:R = 1;A=D=0.Corpul diaterm este transparent pentru radiaia incient: D = 1;
A=R=0.Suprafaa unui corp este lucie dac reflect radiaia incident ntr-o
singur direcie, unghiul de inciden fiind egal cu cel de reflexie, este matdac reflect radiaia incident n toate direciile.Dac considerm o suprafa elementar dS, care emite radiaia n
direcia unei suprafee dSn, caracterizat n coordonate sferice de unghiulzenital i azimutal , (figura 4.3) se definete intensitatea de radiaiemonocromatic ( ) ,,,eI , cu relaia:
( )
=dddS
QdI ee
cos,,
1
,
[W/(m2srm)]
(4.4)unde: este unghiul solid sub care se vede suprafaa dSn din centrul
suprafeei dS1.
Fig. 4.3 Definirea intensitii de radiaie (a)i a unghiului solid (b)
185
Radiaieemis
dSn
dS1
d
n
dS
n
r
++
2r
dSd n
a) b)
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
4/28
Bazele transferului de cldur i mas
Unghiul solid d este definit de relaia:
2r
dSd n= [sr] , (4.5)
n coordonatele sferice unghiul solid se poate determina cu relaia:= ddd sin (4.6)
Dac vom nota:= ee QddQd / , (4.7)
Rezult:( ) = ddSIQd ee cos,, 1, (4.8)
sau nlocuind valoarea lui d din relaia (4.6):( ) = dddSIQd ee cossin,, 1, . (4.9)
Intensitatea total a radiaiei emise, Ie(, ) reprezint fluxulradiant emis pe toate lungimile de und n direcia (, ) de unitatea desuprafa a unui corp, n unghiul solid d, care conine direcia (, ):
( )
=ddS
QdI e
ecos
,1
[W/(m2sr)] . (4.10)
n unele lucrri [38] intensitatea de radiaie este denumitluminiscen, fiind notat cuL.
Puterea de emisie monocromatic reprezint fluxul radiat emis deunitatea de suprafa a unui corp n toate direciile pe o anumit lungime deund:
( ) ( ) =
dIdE e sincos,,2/
0
,
2
0
[W/(m2m)](4.11)
Puterea total de emisie reprezint fluxul radiat de unitatea desuprafa a unui corp, n toate direciile i pe toate lungimile de und:
( )
=0
dEE [W/m2] . (4.12)
nlocuind valorile luiE() din relaia (4.11):
( ) =
dddIE e sincos,,0
2
0
2/
0
, .
(4.13)
186
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
5/28
Radiaia termic
Dac intensitatea de radiaie este independent de direcie emisiapoart denumirea de emisie difuz (izotrop) i ( ) ( )= ee II ,, ,, .
nlocuind n relaia (4.11) se obine:
( ) ( )
=2/
0
2
0
, sincos ddIE e ,
(4.14)Rezolvnd integralele:
( ) ( )= e
IE, ; (4.15)
i:
eIE = , (4.16)
Iradiaia reprezint radiaia incident pe o suprafa care provinedin emisia sau reflexia altor suprafee.
Iradiaia monocromatic (figura 4.4) se definete cu relaia:
( ) ( ) =
ddIG i sincos,,
2
0
2/
0
, [W/(m2
m)] (4.17)
Fig. 4.4 Natura direcional a iradiaiei
187
Radiaiaincident, I
, i
d dS1
n
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
6/28
Bazele transferului de cldur i mas
Iradiaia total va fi:
( ) =
dGG0
, [W/m2] (4.18)
sau:
( ) =
dddIG i0
2
0
2/
0
sincos,, . (4.19)
Dac radiaia incident este difuz:
( ) ( )= i
IG, ; (4.20)
iIG = (4.21)
Radiozitatea caracterizeaz toat energia radiat de o suprafa careinclude emisia proprie i emisia datorat iradiaiei reflectate (figura 4.5).
Fig. 4.5 Radiozitatea unei suprafee
Radiozitatea monocromatic se definete cu relaia:
( ) ( ) =
+ ddIJ re sincos,,
2
0
2/
0
, [W/m2m)] .
(4.22)
unde:I, e+reste intensitatea radiaiei asociat emisiei i reflexiei.Radiozitatea total va fi:
( ) =
dJJ0
[W/m2]
(4.23)n mod analog ca la puterea de emisie i iradiaie, pentru cazul
emisiei i reflexiei difuze:
188
Radiozitatea
Iradiaiareflectat
IradiaiaEmisia
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
7/28
Radiaia termic
( ) reIJ += , [W/(m2m)](4.24)
reIJ += (W/m2] (4.25)
4.1.3. Legile radiaiei termice
Majoritatea legilor radiaiei termice se refer la corpul negru.Acesta este un corp care ndeplinete urmtoarele cerine: absoarbe n ntregime toat radiaia incident; emite radiaia difuz independent de direcie; pentru o temperatur i o lungime de und dat, emite energie
mai mult dect orice alt corp.Mrimile referitoare la corpul negru se vor nota cu indicele 0.
4.1.3.1. Legea lui Planck
Legea lui Planck reprezint legea de distribuie a intensitii de
radiaieI n funcie de lungimea de und i temperatur, care este de forma:
( )( )[ ]1/exp2
,0
5
2
00
=
kThc
hcTI [W/( m2m)] (4.26)
unde: h = 6,625610-34 Js; k= 1,380510-23 J/K sunt constantele universaleale lui Planck, respectiv Boltzmann; c0 = 2,998108 m/s viteza luminii; Ttemperatura absorbant a suprafeei, n K, lungimea de und, n m.
Puterea de emisie va fi atunci:
( )( )[ ]1/exp
)(,2
5
100
==
TCCTITE
[W/( m2m)] (4.27)
Relaia (4.27) este cea mai cunoscut form a legii lui Planck. Aici:
2
482
01 10742,22m
mWhcC
== ; C2 = (hc0/k) = 1,439104mK, sunt
constantele radiaiei ale lui Planck.Reprezentarea grafic a legii lui Planck este prezentat n figura 4.6.
189
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
8/28
Bazele transferului de cldur i mas
Fig. 4.6 Puterea de emisie spectral a corpului negru [20]
Din analiza distribuiei spectrale a puterii de emisie se pot faceurmtoarele observaii:
Puterea de emisie variaz continuu cu lungimea de und; Puterea de emisie monocromatic tinde ctre 0 cnd 0 i
, avnd un maxim pentru fiecare temperatur; Puterea de emisie crete cu temperatura pentru o lungime de
und dat; O mare parte a puterii de emisie a soarelui care poate fiaproximat cu un corp negru cu temperatura 5800 K se emite nzona vizibil a radiaiilor, n schimb pentru corpuri cutemperatura T 800 K, toat radiaia se face n spectrulinfrarou.
Legea lui Planck are dou cazuri extreme, n funcie de valoarea T,comparat cu constanta C2.
Legea lui RayleighJeansEstre un caz particular al legii lui Planck n cazul n care T>> C2.
190
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
9/28
Radiaia termic
n acest caz din dezvoltarea n serie a TCe /2 se pot reine numaiprimii doi termeni:
.....!2
1
!1
11
2
22/2 +
+
+=
T
C
T
Ce
TC
i relaia (4.27) devine:
( )4
2
10, ,
=C
TCTE [W/( m2m)] (4.28)
Legea lui WienEa se obine n cazul n care T
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
10/28
Bazele transferului de cldur i mas
( ) ( )4
00100
==
TCTETE [W/m2], (4.32)
unde: (T) este factorul de emisie total al corpului.Se poate defini i un factor de emisie spectral (monocromatic):
( )( )
( )TE
TET
=
0
,, . (4.33)
n figura 4.7 este prezentat variaia factorului de emisie spectral nfuncie de lungimea de und pentru diverse materiale, iar n figura 4.8 se
poate observa variaia cu temperatura a factorului de emisie total.
Fig. 4.7 Variaia factorului de emisie spectralcu lungimea de und [20 ]
Fig. 4.8 Variaia factorului de emisie totalcu temperatura [20 ]
192
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
11/28
Radiaia termic
Valorile orientative ale factorului de emisie total pentru diferite
tipuri de materiale sunt prezentate n figura 4.9.
Fig. 4.9 Valori ale factorului de emisie total
Din analiza datelor din figura 4.9 rezult o serie de observaii: factorul de emisie a metalelor este n general mic, el crescnd cu
prezena oxizilor pe suprafaa acestora; factorul de emisie pentru materialele nemetalice are valori mai
ridicate, superioare de obicei valorii de 0,6; pentru metale crete cu temperatura, pentru nemetale putem
avea creteri sau descreteri a factorului de emisie cutemperatura;
factorul de emisie depinde puternic de natura suprafeei, metodede fabricaie, tratamentele termice, reaciile chimice cu mediulnconjurtor.
193
0,2 0,4 0,6 0,8 1,00
Metale noi, nepolizate
Metale oxidate
Oxizi, mat. ceramice
Carbon, grafit
Minerale, sticl
Vegetale, ap, piele
Vopsele speciale
Metale puternic polizate
Metale polizate
Metale
0,150,100,050
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
12/28
Bazele transferului de cldur i mas
4.1.3.3. Legea lui Kirchhoff
Legea lui Kirchhoff stabilete legtura ntre proprietile emisive iabsorbante ale unui corp.
Dac se consider o incint mare cu temperatura Ts considerat uncorp negru n care sunt incluse corpuri cu suprafee S1, S2, S3....Sn mult maimici ca suprafaa incintei (figura 4.10).
Fig. 4.10 Transferul radiativ ntr-oincint izoterm
Iradiaia primit de cele n corpuri aflate n echilibru termic cuincinta: T1 = T2 = ....= Ts, este aceeai i egal cu puterea total de emisie acorpului negru:
G1 = G2 = G3 = .....= G =E0 (T) = 0T4 [W/m2] (4.34)Dac se scrie bilanul termic pe unul din corpuri cu suprafaa S1,
obinem:A1GS1 =E1(Ts) S1 , (4.35)
unde:A1 este coeficientul de absorbie al corpului 1.Rezult c:
( ) ( )TEGATE s 01
1 == (4.36)
Generaliznd pentru toate suprafeele se obine forma matematic alegii lui Kirchhoff:
( ) ( )( )s
ss TEA
TE
A
TE0
2
2
1
1 ... ===
(4.37)
194
A1
A2
E1
A3
E2
E3
G=Eb(T
s)
GT
s
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
13/28
Radiaia termic
Ea poate fi enunat astfel: pentru toate corpurile raportul ntreputerea total de emisie i coeficientul de absorbie este acelai i egal cu
puterea total de emisie a corpului negru.Conform legii StefanBoltzmann:
.....,; 022011 EEEE == rezult din (4.37):
1....2
2
1
1 ==AA
, (4.38)
sau: =A (4.39)
Deci factorul total de emisie a unui corp este egal cu coeficientulsu total de absorbie.
4.1.3.4. Legea lui Lambert
Legea lui Lambert stabilete energia radiat de o suprafa n direciaunei alte suprafee. Potrivit acestei legi intensitatea total de radiaie acorpului negru ntr-o direcie dat este proporional cu intensitatea de
radiaie total n direcia normal la suprafa i cosinusul unghiului ,
format de cele dou direcii.
= cosnII . (4.40)
n paragraful 4.1.2. a fost prezentat valoarea intensitii de radiaiei a puterii de emisie, innd seama de legea lui Lambert.
4.2. Transferul de cldur prin radiaie ntre
corpuri separate prin medii transparente
4.2.1. Transferul de cldur prin radiaia ntredou suprafee plane paralele
Schimbul de cldur prin radiaie reprezint un proces complex dereflexii i absorbii repetate i amortizate. O parte din energia radiant sereflect i se rentoarce la sursa iniial, frnnd astfel procesul de schimb decldur.
195
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
14/28
Bazele transferului de cldur i mas
n figura 4.11 este prezentat cazul cel mai simplu al radiaiei ntredou plci paralele cu coeficienii de absorbieA1 iA2, puterile de emisie 1i 2 i cu temperaturile T1 i T2.
Fig. 4.11 Schema schimbului de cldur prin radiaientre dou suprafee plane paralele
Prima suprafa emite radiaia E1. Din aceasta, cea de-a douasuprafa absoarbe E1A2 i refelct napoi E1(1 A2). Din aceasta, primasuprafa absoarbe E1(1 A2)A1 i reflect E1(1 A2)(1 A1). A douasuprafa absoarbe din nouE1(1 A2)(1 A1)A2 i radiazE1(1 A2)2(1A1),
procesul repetndu-se astfel la infinit.n mod analog se petrece fenomenul cu radiaia emis de suprafaa a
douaE2, din care prima absoarbeE2A1 i radiazE2(1 A1) .a.m.d.Pentru determinarea energiei pe care prima suprafa o transmite
celei de-a doua, este necesar ca din energia emis iniial E1 s se scad nprimul rnd ceea ce se reflect i este absorbit de prima suprafa i n aldoilea rnd energia absorbit de prima suprafa din energia emis de ceade-a doua:
qs =E1 E1(1+p+p2+...)(1A2)A1E2A1(1+p+p2+...) [W/m2] , (4.41)
unde s-a notatp = (1A1)(1A2), qs fiind fluxul termic unitar de suprafa.Deoarecep < 1, suma unei progresii geometrice descresctoare este:
ppp
=+++1
1...1 2 . (4.42)
196
E1A
2
E2(1-A
1)2(1-A
2)A
2
E1(1-A
2)(1-A
1)A
2
E2(1-A1)A2
E2(1-A
1)2(1-A
2)2A
1
E1(1-A
1)2(1-A
2)A
1
E2(1-A
1)(1-A
2)A
1
E2(1-A
1)
E1(1-A2)E
1(1-A
2)(1-A
1)
E2(1-A
2)(1-A
1)
E2(1-A
1)2(1-A
2)
E1(1-A
2)2(1-A
1)
E1(1-A
1)2(1-A
2)2
E2(1-A
1)2(1-A
2)2
E1
A1E
2
E1(1-A2)A1
T1> T
2
1
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
15/28
Radiaia termic
Rezult:
p
AE
p
AAEEqs
=11
)1( 121211 . (4.43)
nlocuind valoarea luip i aducnd la acelai numitor, rezult:
2111
1221
AAAA
AEAEqs +
= [W/m2] . (4.44)
Conform legii lui StefanBoltzmann:4
2022
4
1011
100
;
100
=
=T
CET
CE , (4.45)
Pentru corpurile cenuii, egalitateaA1 = 1 iA2 = 2 are loc nu numaila echilibru termodinamic (legea lui Kirchhoff), ci i n cazul schimbului decldur prin radiaie. innd seama de aceasta, nlocuind n expresia (4.44)relaiile (4.45), se obine:
=
4
2
4
10
100100
TTCq rs [W/m2] , (4.46)
unde r este factorul de emisie redus al sistemului:
111
1
21
+
=r . (4.47)
Rezult c pentru intensificarea transferului radiativ ntre cele dousuprafee este necesar mrirea temperaturii suprafeei mai calde i s semreasc factorul de emisie redus al sistemului.
Pentru frnarea procesului radiativ cea mai simpl metod const nmontarea unui ecran ntre cele dou suprafee (figura 4.12).
Fig. 4.12 Ecran de protecie pentruatenuarea radiaiei
197
T1
Te
T2
1
e
2
E1 2
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
16/28
Bazele transferului de cldur i mas
Dac vom scrie egalitatea fluxului radiant schimbat ntre peretele 1i ecran, cu cel schimbat ntre ecran i peretele 2 n ipoteza unor factori deemisie egali (1 = 2 = e), obinem:
=
=
4
2
4
0
44
10
100100100100
TTC
TTCq er
ere (4.48)
Din aceast egalitate rezult:
100
4
2
4
1 TTTe+
=
Rezult fluxul termic unitar schimbat n prezena ecranului:
=
4
2
4
10
1001005,0
TTCq re (4.49)
Deci prin amplasarea unui ecran ntre cele dou suprafee fluxultermic radiativ se reduce la jumtate.
n cazul mai multor ecrane i a unor factori de emisie diferii pentruperei i ecrane se obine relaia [39]:
e
e
e
n
q
q
+
=
2
2
1
1
12 . (4.50)
Rezult c prin utilizarea unor ecrane cu factori de emisie micireducerea fluxului radiat ntre suprafee scade mai mult fa de ipotezainiial = e. De exemplu pentru dou suprafee cu factorul de emisie =0,8, prin utilizarea unui ecran cu factorul de emisie e = 0,1, reducereafluxului radiant ntre cei doi perei este de peste 12 ori, fa de 2 ori ipoteza = e.
4.2.2. Transferul de cldur prin radiaientre dou corpuri oarecare
Dac se consider dou suprafee oarecare dSi i dSj (figura 4.13)situate la distana R una de cealalt i la care raza vectoare R care unetecentrele celor dou suprafee formeaz cu normalele la acestea unghiurile i,respectiv j, fluxul transmis de suprafaa dSi ctre dSj, din ecuaia dedefiniie a intensitii totale de radiaie (relaia (4.10)) este:
ijiiijiddSIQd = cos [W] (4.51)
198
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
17/28
Radiaia termic
unde:Ii este intensitatea total de radiaie a suprafeeiictre j, n W/(m2sr);dji unghiul solid sub care se vede suprafaa jdin centrul suprafeei i, nsr.
Fig. 4.13 Radiaia a dou suprafee oarecare
Dar unghiul solid dj-i se poate calcula cu relaia:
2
cos
R
dSd
jj
ij= [sr] (4.52)
Atunci:
ji
ji
iji dSdSR
IQd2
coscos = [W] (4.53)
Considernd att radiaia emis, ct i cea reflectat difuz n relaia(3.53) se va utiliza intensitatea total emis i reflectat Ie+r, sau radiozitatea
total a suprafeei i ctre j,= +rieiI
J
jijiiji dSdSRJQd 2coscos
= [W] . (4.54)Fluxul radiat de suprafaa i ctre suprafaaj se obine prin integrare:
ji
S S
ji
iji dSdSR
JQ
i j
= 2coscos
(4.55)
Se definete factorul de forma Fij, fraciunea din fluxul radiat desuprafaa icare este interceptat de suprafaa j:
199
ni
i
dSj
nj
Sj, T
j
j
R
Sj, T
j
dSi
dSi
ni
dj-i
dSjcos
j
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
18/28
Bazele transferului de cldur i mas
ii
ji
ijJS
QF
= , (4.56)
sau:
ji
S S
ji
i
ij dSdSRS
F
i j
=2
coscos1(4.57)
n mod analog se definete factorul de formFji:
ji
S S
ji
j
ji dSdSRS
F
i j
=2
coscos1(4.58)
Rezult relaia de reciprocitate:
jijiji FSFS = .(4.59)
Fluxul radiat de suprafaa i ctre suprafaaj va fi:ifiiji FJSQ = (4.60)
Dac considerm corpul negru radiozitatea este egal cu puterea deemisie i:
Qij = SiE0iFij (4.61)Analog fluxul radiat de suprafaaj ctre suprafaa i va fi:Qji = SjE0jFji (4.62)Transferul net de cldur de la suprafaa i la suprafaaj este:
ijjiij QQQ = , (4.63)
sau:jijjijiiijFESFESQ
00= . (4.64)
nlocuind Fji = Fij (Si/Sj) i valorile E0i i E0j cu relaia StefanBoltzmann se obine:
=
44
0100100
jiijiij
TTCFSQ (4.65)
200
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
19/28
Radiaia termic
Factorii de form pentru diferite geometrii pot fi determinate prinmetode analitice, grafo-analitice, algebrice sau prin modelare n tabelul 4.1i 4.2 sunt prezentate cteva relaii de calcul a factorilor de form pentrugeometri bidimensionale (tabelul 4.1) i tridimensionale (tabelul 4.2) [20].
Tabelul 4.1
Factorul de form pentru geometri bidirecionale
Geometria Relaia1 2
Plci paralele centrate
( ) ( )
i
ijji
ijW
WWWWF
2
44 2/122/12 +++
=
LwWLwW jjii /,/ ==
Plci nclinate
= 2sin1ijF
Plci perpendiculare
( ) ( )[ ]2
/1/12/12
ijij
ij
wwwwF
++=
Incint triunghiular
i
kji
ijw
wwwF
2
+=
201
i
0
j
0
wi
wj
L
j
0
i
w
w
wi
j
0
i
0
wj
k
0
j
0
i
0
wi
wjw
k
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
20/28
Bazele transferului de cldur i mas
Tabelul 4.1
(continuare)
1 2Cilindri paraleli
( )[ ] ( )[ ]
( ) ( ) +
+
+
++=
C
RRCC
RR
rCRCFij
cos11
cos1
112
1
11
2/1222/122
SRC
rsSrrR iij
++=
==
1
/,/
Cilindru i plac paralel
=
L
s
L
s
ss
rF ji
2111
21
,tantan
Fascicol de evi fa de unperete plan
2/1
2
221
2/12
tan11
+
=
D
Ds
s
D
s
DFij
202
ji
ri
rj+ +
s
j
i
+
L
s2
s1
r
i
j+ + + + + +
Ds
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
21/28
Radiaia termic
Tabelul 4.2
Factorul de form pentru geometri tridimensionale
Geometria RelaiaPlci paralele (figura4.14)
LYYLXX /,/ ==
( )( )
( )( )
( )( )
+
++
+++
++
++
=
YXXX
YXY
Y
XYX
YX
YX
YX
Fij
11
2/12
12/12
2/12
12/12
2/1
22
22
tantan1
tan1
1tan1
1
11ln
2
Discuri coaxialeparalele (figura 4.15) LrRLrR jjii /,/ ==
2
21
1i
j
R
R
S
+
+=
( )[ ]{ }2/12
2 /42
1ijij
rrSSF =
Plci perpendiculare(figura 4.16)
H = Z/X, W = Y/X
( )( )
( )( ) ( )( )( )
( )( )( )
++++
++++
+++++
++
+=
2
2
222
222
222
222
22
22
2/122
122
11
1
1
11
111ln
41
1tan
1tan
1tan
1
H
W
ij
WHH
WHH
HWWHWW
HWHW
WHWH
HH
WW
WF
203
L
YX
i
j
Z
Y X
j
i
rj
Lr
i
j
i
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
22/28
Bazele transferului de cldur i mas
Fig. 4.14 Factorul de form pentru dou plcidreptunghiulare paralele
Fig. 4.15 Factorul de form pentru dou discuricoaxiale paralele
204
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
23/28
Radiaia termic
Fig. 4.16 Factorul de form pentru dou plcidreptunghiulare perpendiculare
4.3. Radiaia gazelor
Gazele, ca i corpurile solide, posed capacitatea de a absorbi i aemite energie radiant, ns aceast capacitate este diferit. Gazele mono i
biatomice (O2, CO, H2, N2 etc.) practic pot fi considerate diaterme, cantitateade energie absorbit i emis de ele fiind neglijabil. Gazele poliatomice, n
special, CO2, vaporii de H2O, SO2, NH3 au capacitatea de absorbie i deemisie important.Absorbia i emisia gazelor, n comparaie cu cea a corpurilor solide
prezint dou particulariti importante: Gazele emit i absorb energie numai n anumite intervale ale
lungimilor de und (benzi de radiaie), amplasate n diverse poriuni alespectrului. Pentru alte lungimi de und, n afara acestor benzi, gazele sunttransparente i energia lor de radiaie este nul. n felul acesta, emisia iabsorbia gazelor are un caracter selectiv. n tabelul 4.3 sunt prezentate
benzile de absorbie a CO2 i vaporilor de ap.
205
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
24/28
Bazele transferului de cldur i mas
Tabelul 4.3
Benzile de absorbie a energiei radiante pentru CO2 i H2O
CO2 H2O, m , m , m , m
2,43,0 0,6 2,23,0 0,84,04,8 0,8 4,88,5 3,7
12,516,5 4,0 1230 18
Emisia i absorbia gazelor se realizeaz n ntreg volumulrespectiv i nu la suprafa, ca n cazul corpurilor solide i lichide.
Mecanismul procesului de absorbie i emisie a gazelor se poateexplica considernd radiaia ca un flux de fotoni care se deplaseaz n spaiucu viteza luminii c i au energia h. La trecerea prin gaz a fluxului de fotoni,o parte din ei, i anume aceia a cror energie h corespunde unei frecvene(respectiv lungimea de und = c/) din banda de absorbie a gazului, suntabsorbii de acesta. Fotonii cu alte energii trec prin gaz fr a fi absorbii.Concomitent cu procesul de absorbie n gaz, unele molecule pierd periodic
o mic parte din energia lor termic, care se transform ntr-un flux defotoni cu energie corespunztoare benzilor de emisie a gazului. Acest procesdetermin radiaia proprie a volumului de gaz.
Pentru caracterizarea radiaiei proprii a unui strat de gaz, se poateutiliza, ca i n cazul suprafeelor solide,factorul spectral de emisie:
( )lafE
E
==
0
, (4.66)
unde aleste grosimea optic a stratului de gaz.Deoarece gazele radiaz numai n anumite benzi ale lungimii de
und, factorul de emisie mediu pe spectru este sensibil mai mic ca
unitatea, fiind n funcie de natura gazului, presiune, temperatur igrosimea stratului de gaz l.Grosimea stratului radiant se calculeaz cu relaia general:
S
Vl
49,0= , (4.67)
unde: Veste volumul de gaze, n m3; S suprafaa care primete radiaia, nm2.
n tabelul 4.4 sunt date valorile grosimii stratului radiant pentrudiferite forme ale spaiului ocupat de gaz [39].
206
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
25/28
Radiaia termic
Tabelul 4.4
Valoarea grosimii efective lpentru diferite formeale spaiului ocupat de gaz (pentru calculul produsuluipl)
Forma volumului de gaz lSfer, cu diametrul d 0,6 dCub, cu latura a 0,6 aCilindru infinit, cu diametrul d 0,9 d
Cilindru, cu nlimea h = d, radiind spre suprafaa convex 0,6 dCilindru, cu nlimea h = d, radiind ctre centrul bazei 0,77 dCilindru infinit, cu baza semicircular cu raza r, radiind pe partea plat 1,26 rVolumul dintre dou plane paralele infinite, separate prin distan 1,8 Fascicul de evi, cu diametrul di distana ntre suprafeele evilorx:
dispuse n triunghi,x = d dispuse n triunghi,x = 2d dispuse paralel,x = d
2,8 x3,8 x3,5 x
n cazul radiaiei gazelor de ardere, foarte rspndit n instalaiileenergetice, compoziia acestora coninnd: O2, CO2, CO, N2, vapori de H2O,
rezult c numai CO2 i vaporii de H2O emit i absorb radiaie celelalte gazefiind diaterme, deoarece sunt biatomice.
Factorul total de emisie al gazelor de ardere se poate calcula curelaia:
gOHCOg += 22 (4.68)
unde: OHCO 22 , sunt factorii de emisie ai CO2, respectiv vaporilor de ap.Ei pot fi determinai din nomogramele din figurile 4.17 i 4.18, n funcie detemperatur i produsul ntre presiunea parial a gazului p, respectiv i
grosimea stratului radiant, l.Pentru calculul lui
2CO i OH2 Isacenko [20] propune relaiile
simplificate:
( )5,3
33,0
1005,3
22
= Tpl
COCO (4.69)
( )3
8,0
1005,3
22
=
Tpl OHOH (4.70)
Relaii de calcul mai precise pentru2CO
i OH2 sunt date n [27].
207
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
26/28
Bazele transferului de cldur i mas
este un coeficient de corecie care ine seama de faptul c pentru
vaporii de H2O influena presiunii pariale 2COp este mai mare ca a grosimii
stratului radiant, l. Determinarea lui se poate face cu diagrama din figura4.19.
g este un coeficient de corecie care ine seama c benzile deradiaie i absorbie ale CO2 i CO se suprapun parial i o parte din emisiaunui gaz este absorbit de cellalt . Valorile lui g pot fi determinate cu
nomogramele din figura 4.40, n funcie de presiunile pariale2CO
p i
OHp 2 , grosimea stratului radiant i temperatur.
Fig. 4.17 Factorul de emisie al vaporilor de ap
208
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
27/28
Radiaia termic
Fig.4.18 Factorul de corecie
Fig. 4.19 Factorul de emisie al CO2
209
-
7/30/2019 Lectia 10 Transfer de cldur si masa
28/28
Bazele transferului de cldur i mas
Fig. 4.20 Factorul de corecie g
Fluxul termic unitar transmis prin radiaie de un gaz cu temperaturaTgctre un perete cu temperatura Tp se poate calcula cu relaia:
( )
+=
44
0100100
15,0p
g
g
gpr
TA
TCq [W/m2] (4.71)
unde: p este factorul de emisie al peretelui; g factorul de emisie algazelor;Ag factorul de observaie al gazelor, determinat cu relaia:
( )OHpgCOOHCOg TTAAA 2222
65,0/ +=+= (4.72)
n cele mai multe cazuri radiaia gazelor este nsoit de convecie,coeficientul total de convecie + radiaie va fi:
r
g
c
gg += [W/(m2
K)] (4.73)
unde: cg este coeficientul de convecie de la gaze la perete;rg este
coeficientul echivalent de transfer radiativ:
( )pgr
grTT
q
= . [W/(m2K)] (4.74)
210