docWymiana ciepła - Jerzy Olencki
download 
Reklamacja Transkrypt
Wymiana ciepła - Jerzy Olencki
W10 56 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna Opór cieplny Przewodzenie ciepła Konwekcja Promieniowanie Ekranowanie ciepła 1 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna Warunkiem przepływu ciepła między dwoma ośrodkami jest róŜnica temperatur Ciepło przepływa z ośrodka o temperaturze wyŜszej do ośrodka o temperaturze niŜszej Przepływ ciepła ustaje wówczas, gdy następuje wyrównanie temperatur obu ośrodków 2 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Ilość wymienianego ciepłą zaleŜy od: róŜnicy temperatur między ośrodkami ∆T [K] lub [0C] pola powierzchni wymiany ciepła S [m2] czasu trwania wymiany ciepła τ [s] współczynnika charakteryzującego dany proces wymiany ciepła 3 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna NatęŜenie strumienia ciepła Q q= S •τ kW kJ = m 2 • s m 2 4 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła NatęŜenie strumienia ciepła q zaleŜy od róŜnicy temperatur i współczynnika charakterystycznego dla danego procesu, który moŜe być wyraŜony jako: - opór cieplny R m2 • K W - współczynnik przepływu (przejmowania, przewodzenia itp.) ciepła α W m 2 • K 5 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła q = α • ∆t ∆t q= R 6 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Q = α • S • τ • ∆t S • τ • ∆t Q= R 7 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna Jeśli podczas przepływu ciepła nie zmienia się róŜnica temperatur, to nie zmienia się takŜe ilość wymienianego ciepła Proces taki nazywamy procesem ustalonej wymiany ciepła 8 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna Jeśli podczas przepływu ciepła zmienia się róŜnica temperatur, to zmienia się takŜe ilość wymienianego ciepła Proces taki nazywamy procesem nieustalonej wymiany ciepła. 9 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Sposoby wymiany ciepła moŜna podzielić na trzy elementarne rodzaje: przewodzenie – wymiana ciepła następuje bez przemieszczania się cząstek względem siebie konwekcja – wymiana ciepła następuje w wyniku mieszania się cząstek promieniowanie – wymiana ciepła następuje za pośrednictwem fal elektromagnetycznych 10 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 11 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Przewodzenie dotyczy cząstek bezpośredni stykających się ze sobą Jest dominującym procesem wymiany ciepła w ciałach stałych i nie mieszających się cieczach i gazach 12 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Konwekcja (unoszenie) moŜliwa jest wówczas, gdy cząstki mogą się przemieszczać względem siebie, co ma miejsce w cieczach i gazach Z konwekcją mamy do czynienia podczas przepływu cieczy lub gazu 13 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna Przepływ ciepła przez ściankę płaską q δ t1 t2 t 14 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła ∆t q= R δ R= λ Opór cieplny ścianki jest proporcjonalny do grubości ścianki δ i odwrotnie proporcjonalny do współczynnika przewodzenia ciepła W λ m • K 15 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła T Tw1 Tw2 dr rw rz r 16 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła dT Q q = −λ q= dx S S = 2 •π • r • l Q ql = = q • 2 • π • r l dT ql = −λ • 2 • π • r • dr 17 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła dT ql = −λ • 2 • π • r • dr dr = −λ • 2 • π • dT ql • r rz Tw 2 dr ql • ∫ = −λ • 2 • π • ∫ dT r rw Tw1 18 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła rz ql • ln = −λ • 2 • π • (Tw 2 − Tw1 ) rw 2 •π • λ ql = • (Tw1 − Tw 2 ) rz ln rw 19 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Współczynnik przewodzenia ciepła λ - srebro (najlepszy przewodnik ciepła) 418 - materiały ceramiczne (beton, cegła, szkło) ~1 - woda 0,6 ÷ 0,7 - powietrze 0,03 ÷ 0,08 20 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła w Warstwa przyścienna t1 t2 t 21 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 22 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Rozkład temperatur i prędkości płynu przy konwekcji swobodnej na płaskiej, pionowej rozgrzanej płycie. T w x 23 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Przepływ ciepła przez warstwę przyścienną płynu zaleŜy od własności płynu, parametrów ruchu płynu, grubości warstwy przyściennej płynu i zjawisk fizycznych występujących w płynie q = α • ∆t 24 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Współczynnik przejmowania (wnikania) ciepła wyznaczany jest doświadczalnie i zmienia się w bardzo szerokich granicach: - gazy 0,1 ÷ 500 - ciecze 500 ÷ 7000 - ciecze wrzące 2000 ÷ 10.000 - pary skraplane 6000 ÷ 70.000 25 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 26 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 27 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 28 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 29 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Promieniowanie fal elektromagnetycznych jest promieniowaniem termicznym. Wynika ono z drgań termicznych cząstek i dotyczy wszystkich ciał o temperaturze wyŜszej od 0[K], niezaleŜnie od stanu skupienia. Dla temperatur nie przekraczających 600 [0C] promieniowanie termiczne jest promieniowaniem podczerwony (λ =0,8 ÷ 400 [µm]) 30 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 31 Termodynamika techniczna w10 Wymiana ciepła 32 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Promieniowanie ciał stałych i cieczy następuje przez ich powierzchnię, a promieniowanie gazów występuje w całej objętości. Gazy symetryczne (O2, N2, H2) są przepuszczalne dla promieniowania elektromagnetycznego Gazy niesymetryczne (CO2, H2O) pochłaniają w szczególności promieniowanie podczerwone 33 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Promieniowanie elektromagnetyczne padające na powierzchnię ciała moŜe być: pochłonięte (absorpcyjność A) odbite (refleksyjność R) przepuszczone ( przepuszczalność P) A+ R + P =1 34 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Przyjmuje się, Ŝe większość ciał stałych i cieczy jest nieprzepuszczalna dla promieniowania cieplnego (P = 0) RozróŜniamy następujące modele ciał: - ciało doskonale czarne A = 1; R = 0 - ciało doskonale białe A = 0; R = 1 - ciało doskonale szare A > 0; R > 0; A+R=1 35 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła 4 T W ec = C c • 2 100 m W Cc = 5,67 2 4 m • K 36 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła Promieniowanie dowolnego ciała jest iloczynem emisyjności ε tego ciała i promieniowania ciała doskonale czarnego w danej temperaturze T e = ε • ec = ε • Cc • 100 4 37 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła ciało doskonale szare ecc A·ecc R·ecc e=έ·ecs ciało doskonale czarne 38 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła eCc = A • eCc + R • eCc eCcp = R • eCc + e = R • eCc + ε • eCs eCc = eCp A • eCc + R • eCc = R • eCc + ε • eCs A • eCc = ε • eCs 39 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła TC = TS ⇒ eCc = eCs ⇒ A = ε ⇓ T1 > T2 ⇒ eC1 > eC 2 ⇒ ε 1 > ε 2 40 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna T Tf2 δ Tw2 Tw1 Tf1 41 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła T f 2 − T f 1 = T f 2 − Tw 2 + Tw 2 − Tw1 + Tw1 − T f 1 T f 2 − Tw 2 = q • Rα 2 Tw 2 − Tw1 = q • Rλ Tw1 − T f 1 = q • Rα 1 42 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła T f 2 − T f 1 = q • Rα 2 + q • Rλ + q • Rα 2 T f 2 − T f 1 = q • (Rα 2 + Rλ + Rα 1 ) R = Rα 2 + Rλ + Rα 1 q= Tf 2 −Tf 1 R 43 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła q = k • ∆T 1 1 δ 1 = + + k α 2 λ α1 44 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła ∆T ql = kl • ∆T = Rl 1 1 rz + • ln + Rl = α1 • 2 • π • rw 2 • π • λ rw 1 + α 2 • 2 • π • rz 45 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła ∆r = rz − rw rw = const ∩ ∆r ↑⇒ rz ↑ rz ↑⇒ ql ↓⇒ Q ↓ rz ↑⇒ S ↑⇒ Q ↑ 46 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła α1 = const λ = const α 2 = const rw = const 1 1 − • ln rw + Rl = α1 • 2 • π • rw 2 • π • λ 1 1 • ln rz + 2 •π • λ α 2 • 2 • π • rz 47 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła δRl δrz δRl δrz ′ 1 1 = • ln rz + 2 •π • λ α 2 • 2 • π • rz 1 1 = − =0 2 2 • π • λ • rz α 2 • 2 • π • rz λ • rz = α 2 • r 2 z 48 ′ w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła λ rz = α2 dz = 2•λ α2 = d kr d w < d kr ∩ d z ≤ d kr ⇒ d z ↑⇒ Q ↑ 49 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła q = e2 − e1 q = ε • ec 2 − ε • ec1 T2 4 T1 4 q = ε • Cc • − 100 100 a1 T2 e2 Q T1 e1 a2 50 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła ( T − T = (T2 − T1 ) • (T2 + T1 ) • T + T 4 2 4 1 2 2 2 1 T2 + T1 = 2 • T1 + ∆T T + T = 2 • T + 2 • T1 • ∆T 2 2 2 1 2 1 4 2 4 1 4 T − T > (∆T ) 51 ) w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna Zakładamy, Ŝe promieniowanie zaleŜy od czwartej potęgi róŜnicy temperatur (∆T4) , a konwekcja zaleŜy od pierwszej potęgi róŜnicy temperatur (∆T) Dla małych róŜnic temperatur konwekcja moŜe dawać większe natęŜenia strumienia ciepła Dla duŜych róŜnic temperatur promieniowanie jest dominującym sposobem wymiany ciepła 52 w10 Wymiana ciepła Termodynamika techniczna konwekcja + promieniowanie konwekcja w konwekcja konwekcja + promieniowanie 53 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła T2 e2 ee Te ee e1 T1 54 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła q2→e = e2 − ee qe→1 = ee − e1 Te = const ⇒ q2→e = qe→1 e2 − ee = ee − e1 e2 − e1 1 ee = = • q 2→1 2 2 55 w10 Termodynamika techniczna Wymiana ciepła KaŜdy ekran zmniejsza wymianę ciepła przez promieniowanie o połowę Grubość ekranu nie wpływa na efekt ekranowania. 56
