background image

POLITECHNIKA ŚLĄSKA 

Wydział Inżynierii Środowiska i 

Energetyki 

Instytut Techniki Cieplnej 

Kierunek studiów: Energetyka 

Specjalność: Procesy i Systemy Energetyczne 

STUDIA STACJONARNE 

PROJEKT INŻYNIERSKI 

Robert Jurowicz 

Określenie strat ciepła z powierzchni zewnętrznej 

pieca anodowego 

Kierujący projektem: 

Prof. dr hab. Inż. Andrzej Nowak 

 

 

Gliwice, styczeń 2013 

background image

 

 

Gliwice, dnia ………………… 

Robert Jurowicz| 
188381 
Energetyka  
Studia Inżynierskie Stacjonarne 
 

 

 

 

OŚWIADCZENIE

 

Świadomy  odpowiedzialności  karnej za składanie  fałszywych zeznań  oświadczam , że przedkładana 
praca inżynierska na temat: 

Określenie strat ciepła z powierzchni zewnętrznej pieca anodowego 

Została napisana przeze mnie samodzielnie. 

Jednocześnie oświadczam, że ww. praca: 

-  nie  narusza praw  autorskich  w  rozumieniu  ustawy  z  dnia  4  lutego  1994  roku  o  prawie  autorskim  i 
prawach  pokrewnych  (Dz.  U.  z  2000  r.  Nr  80,  poz.  904,  z  późniejszymi  zmianami)  oraz  dóbr 
osobistych chronionych prawem cywilnym, a także nie zawiera danych i informacji, które uzyskałem 
w sposób niedozwolony, 

-  nie  byłą  wcześniej  podstawą  żadnej  innej  procedury  związanej  z  nadawaniem  dyplomów  wyższej 
uczelni lub tytułów zawodowych 

 

 

 

 

 

 

……………………..…………………… 

 

(podpis studenta)

 

 

background image

 

Spis treści 

Spis Oznaczeń ........................................................................................................................4

 

1.

 

Wstęp i motywacje ..........................................................................................................5

 

2.

 

Teoria ..............................................................................................................................6

 

1.

 

Przewodzenie ...............................................................................................................6

 

2.

 

Konwekcja ...................................................................................................................6

 

3.

 

Założenia .........................................................................................................................7

 

1.

 

Geometria pieca ...........................................................................................................7

 

2.

 

Rozkład temperatury na powierzchni pieca ..................................................................8

 

3.

 

Umiejscowienie pieca ..................................................................................................8

 

4.

 

Dodatkowe elementy pieca ..........................................................................................9

 

4.

 

Aproksymacja brakujących wartości temperatur ..............................................................9

 

5.

 

Dobór równania kryterialnego ....................................................................................... 11

 

6.

 

Obliczenia ..................................................................................................................... 14

 

1.

 

Aparat obliczeniowy .................................................................................................. 14

 

2.

 

Przedstawienie wartości obliczeniowych: ................................................................... 15

 

3.

 

Zestawienie wyników obliczeń .................................................................................. 17

 

7.

 

Podsumowanie i wnioski końcowe ................................................................................ 19

 

Literatura .............................................................................................................................. 20

 

 

 

 

 

background image

 

Spis Oznaczeń 

 

 

Nu – Liczba Nusselta 

Gr – Liczba Grashoffa 

Pr – Liczba Prandtla 

 ̇ – natężenie strumienia ciepła, W/m

2

 

T – temperatura, K 

α – współczynnik wnikania ciepła, W/m

2

β – współczynnik rozszerzalności temperaturowej, 1/K 

l

0

 – charakterystyczny wymiar liniowy, m 

λ – współczynnik przenikania ciepła, W/mK 

g – przyspieszenie siły ciężkości, m/s

2

∆t – różnica temperatury ścianki i płynu, K 

ν – kinematyczny współczynnik lepkości, m

2

 /s 

c

p

 – ciepło właściwe, kJ/kgK 

η – współczynnik lepkości dynamicznej, kg/ms 

a – współczynnik wyrównania temperatury 

Nu

cyl

 – Liczba Nusselta dla przegrody cylindrycznej 

Nu

FP

 – Liczba Nusselta dla płyty pionowej 

A – Pole powierzchni oddającej ciepło, m

2

 

 

 

 

background image

 

1.  Wstęp i motywacje 

 

Celem  projektu  było  obliczenie  strumienia  traconego  przez  powierzchnię  pieca 

anodowego w hucie miedzi. Piec ten jest niezbędnym ogniwem w procesie produkcji miedzi, 
dlatego  niezwykle  ważna  jest  informacja  na  temat  strat  energetycznych  danego  urządzenia. 
Znajomość  strumienia  strat  cieplnych  do  otoczenia  daje  nam  możliwość  dobrania 
odpowiedniej  ilości paliwa doprowadzanego do pieca, a tym  samym optymalizacje kosztów 
produkcji. 

 

Wykorzystano  rezultaty  pomiarów  temperatury  zewnętrznej  powierzchni  pieca 

podczas  jego  pracy.  Obliczenia  zostały  wykonane  metodą  klasyczną  tzn.  z  wykorzystaniem 
wzorów empirycznych dotyczących wymiany ciepła od powierzchni do otoczenia. 

 

Rosnące ceny surowców oraz nośników energii zmuszają przedsiębiorców do szukania 

oszczędności.  Najprostszą  drogą  do  zwiększenia  opłacalności  produkcji  jest  optymalizacja 
kosztów  energetycznych,  a  co  pociąga  za  sobą  znajomość  strat  energii  jakie  występują  w 
trakcie procesu wytwórczego. 

 

 

background image

 

2.  Teoria 

1.  Przewodzenie 

 

Przewodzenie  ciepła  jest  to  wymiana  ciepłą  między  bezpośrednio  stykającymi  się 

częściami  jednego  ciała  lub  różnych  ciał  polegająca  na  przekazywaniu  energii  kinetycznej 
przez  cząsteczki  wykonujące  mikroskopowy  ruch.  Główną  przyczyną  przewodzenia  ciepła 
jest różnica temperatur[3]. 

Zjawisko  przewodzenia  ciepła  ujmuje  prawo  Fouriera,  które  można  zapisać  w 

następującej postaci:  

 ̇               

(1) 

 ̇ – natężenie strumienia ciepła, W/m

2

 

λ – współczynnik przewodnictwa, W/mK 

T – temperatura, K 

Współczynnik proporcjonalności 

  w zwany  współczynnikiem przewodnictwa  zależy od 

temperatury  i  jest  podawany  w  literaturze  dla  określonego  zakresu  temperatur  względnie 
ściśle  określonej  temperatury.  Współczynnik  ten  zależy  również    od  rodzaju  ciała  ,  jego 
struktury, gęstości, ciśnienia, temperatury, czasem od wilgotności i innych czynników. 

2.  Konwekcja 

 

Konwekcją  nazywamy  wymianę  ciepła  pomiędzy  powierzchnią  ciała  stałego  i 

przepływającym obok   niej  płynem, w którym występuje wzajemne przemieszczanie (ruch) 
drobin płynu. Ten sposób wymiany ciepła nazywa się także wnikaniem ciepła. Ruch płynu ma 
jedynie  wpływ  (poprzez  mieszanie)  na  wyrównanie  temperatury  w  obszarze  oddalonym  od 
powierzchni  ciała  stałego,  w  tzw.  rdzeniu  płynu.  Istotną  rolę  w  wymianie  ciepła  przez 
konwekcję odgrywa przewodzenie ciepła w warstewce płynu bezpośrednio kontaktującego się 
z powierzchnią ciała  stałego, w tzw. warstwie przyściennej. Ponieważ płyny charakteryzują 
się  małą  przewodnością  cieplną,  grubość  tej  warstwy  decyduje  o  intensywności  wymiany 
ciepła. Gdy warstwa przyścienna jest gruba, a tak jest w przypadku przepływu uwarstwionego 
(laminarnego),  stanowi  ona  znaczny  opór  cieplny.  Przeciwnie,  w  wypadku  przepływu 
burzliwego  (turbulentnego),  gdy  warstwa  przyścienna  jest  cienka,  gęstość  strumienia  ciepła 
wymienianego pomiędzy płynem, a powierzchnią ciała stałego może być duża 

Wyróżnia się: 

•  Konwekcję  swobodną –  ruch  płynu  jest  wywołany  tylko  różnicami  gęstości 

wywołanymi zmianą temperatury w płynie. 

•  Konwekcję  wymuszoną  –  występuje  ruch  płynu  wynikający  nie  tylko  z  konwekcji 

swobodnej, 

ale 

wywołany 

wywoływany 

przez 

czynniki 

zewnętrzne, urządzenia  wentylacyjne, wiatr itp. 

background image

 

3.  Założenia 

 

1.  Geometria pieca  

 

Jeden z etapów produkcji miedzi – rafinacja ogniowa, odbywa się w obrotowym piecu 

anodowym. Piec ten ma kształt walca, na jego przeciwstawnych końcach znajdują się otwór 
palnika  oraz  otwór  do  odbioru  spalin.  Obrót  pieca  jest  możliwa  dzięki  kołu  zębatemu 
zamontowanemu  na  powierzchni  pieca.  Schemat  pieca  w  z  jego  parametrami  znajduje  się 
poniżej. 

 

Rysunek 1: Schemat obrotowego pieca anodowego 

 

Tabela 1 Wymiary gabarytowe pieca  

background image

 

2.  Rozkład temperatury na powierzchni pieca 

 

Wartości  temperatur  zostały  mi  udostępnione  przez  kierującego  projektem. 
Temperatury  te  zostały  zmierzone  przy  użyciu  termometrów  przylgowych,  wartości 
temperatur  są  podane  w  stopniach  Celsjusza.  Rozkład  temperatury  został 
zaprezentowany  na  poniższym  rysunku.  W  miejscach  gdzie  pomiar  temperatury  był 
niemożliwy wartość temperatury została zastąpiona znakiem x.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rysunek 2: Rozkład temperaturowy na powierzchni pieca 

3.  Umiejscowienie pieca 

 

Piec  znajduje  się  w  hali  produkcyjnej  huty  miedzi.  Jest  to  duża  przestrzeń,  w  której 

wymiana  powietrza  ma  charakter  grawitacyjny.  Średnia  temperatura  powietrza  panująca  na 
hali wynosi 50

°C dla sezonu letniego oraz 20°C dla sezonu zimowego 

background image

 

4.  Dodatkowe elementy pieca 

Na  powierzchni  pieca  znajdują  się  otwory  służące  do  napowietrzenia  surówki  oraz 

doprowadzenia czynników redukcyjnych, a także otwór wylewowy. 

Otwór wylewowy jest zamykany płytą z tego samego typu stali żaroodpornej co sam piec, 

z kolei otwory napowietrzające są obudowane dodatkową warstwą stali przez co grubość stali 
jest w tych miejscach większa co powoduje obniżenie temperatury ścianki w tych miejscach. 

 

4.  Aproksymacja brakujących wartości temperatur 

 

Z powodu dodatkowej warstwy stali wokół otworów natleniających oraz redukującego 

średnia temperatura ścianki  jest w tym  miejscu  niższa o około 85 K. Powyższy  fakt nie 
będzie  obowiązywał  dla  płyty  zakrywającej  otwór  wylewowy  pieca,  gdzie  temperatura 
powierzchni pokrywy będzie podobna do temperatury powierzchni pieca. 

 

Z danych projektowych pieca możemy określić grubość stali między komorą roboczą 

pieca a ścianą zewnętrzną.  

W pierwszej kolejności oszacowałem 4 strefy temperaturowe na bokach pieca: 

Idąc od zewnętrznej  pierwsza strefa mająca szerokość równą grubości ścianki pieca, 

kolejne  strefy  zostały  podzielone  równomiernie  na  podstawie  temperatur  ściany 
cylindrycznej. 

Rozmieszczenie stref temperaturowych przedstawia poniższy rysunek: 

 

Rysunek 3: Strefy temperaturowe na bokach pieca 

background image

10 

 

Następnie  dokonałem  lustrzanego odbicia temperatur po obu stronach pieca, niestety 

skoki  temperaturowe  które  się  uwydatniły  przy  tym  porównaniu  uniemożliwiły  proste 
odzwierciedlenie temperatury: 

Poziomy temperatur w podanych punktach obliczeniowych 

175  96  204  218  210  204  232  206  231  88  78  171  160  180  200  230 
177  90  217  228  210  225  222  189  212  81  64  163  160  180  200  230 
165  87  209  219  211  225  224  215  195  83  66  137  160  180  200  230 
175  95  187  220  211  205  232  209  211  92  85  156  160  180  200  230 
152  102  162  201  170  191  219  205  200  100  78  158  160  180  200  230 
146  92  186  201  193  195  224  228  202  98  82  160  160  180  200  230 
170  100  196  180  190  190  190  192  200  93  86  170  160  180  200  230 
174  91  201  201  193  195  218  188  190  88  78  174  160  180  200  230 
163  88  208  201  170  191  202  193  194  91  68  163  160  180  200  230 
148  90  218  216  121  205  125  211  221  88  73  148  160  180  200  230 
141  85  219  233  119  225  130  251  250  87  84  141  160  180  200  230 
160  87  197  207  210  225  227  104  238  90  79  160  160  180  200  230 
175  96  204  218  210  204  232  121  213  91  68  187 

 

 

 

 

Tabela 2: Dopasowanie temperaturowe - proste 

Następnym  krokiem  była  aproksymacja  temperatury  na  podstawie  sąsiednich 

temperatur: 

Poziomy temperatur w podanych punktach obliczeniowych 

175  92  206  217  216  213  212  206  231  88  78  171  160  180  200  230 
177  90  217  228  220  218  222  189  212  81  64  163  160  180  200  230 
165  87  209  219  220  222  224  215  195  83  66  137  160  180  200  230 
175  95  187  220  220  225  232  209  211  92  85  156  160  180  200  230 
152  102  162  215  215  218  219  205  200  100  78  158  160  180  200  230 
146  92  186  217  220  219  224  228  202  98  82  160  160  180  200  230 
170  100  196  180  193  196  199  192  200  93  86  170  160  180  200  230 
174  91  201  201  193  195  218  188  190  88  78  174  160  180  200  230 
163  88  208  201  170  191  202  193  194  91  68  163  160  180  200  230 
148  90  218  216  121  205  125  211  221  88  73  148  160  180  200  230 
141  85  219  233  119  225  130  251  250  87  84  141  160  180  200  230 
160  87  197  207  210  225  227  144  238  90  79  160  160  180  200  230 
175  96  204  218  210  204  232  131  213  91  68  187 

 

 

 

 

Tabela 3: Dopasowanie temperaturowe - aproksymacja 

Kolor pola: 

  Biały – temperatury odczytane z danych 
  Pomarańczowy – temperatury będące odbiciem drugiej strony 
  Zielony – temperatury będące aproksymacją 
  Niebieski – temperatury oznaczające strefy na bokach pieca 

background image

11 

 

5.  Dobór równania kryterialnego 

 

Dobór  równania  kryterialnego  musimy  zacząć  od  uzmysłowienia  z  jakim  typem 

wymiany energii będziemy mieli do czynienia. Z powodu pomijalnie małej styczności z 
innymi  urządzeniami  możemy  wykluczyć  transport  energii  przez  przewodzenie.  
Następnie trzeba się zastanowić nad poziomem temperatury powierzchni pieca. Z powodu 
średniej  temperatury  ścian  zewnętrznych  w  okolicach  200°C,  oraz  braku  danych  o 
temperaturach innych urządzeń biorących udział w cyklu produkcyjnym, można pominąć 
w analizie transport ciepła na drodze promieniowania. 

Ostatnim  krokiem  jest  wybór  pomiędzy  konwekcją  wymuszoną  a  konwekcją 

naturalną.  Biorąc  pod  uwagę  iż  została  zastosowana  wentylacja  grawitacyjna,  ruch 
powietrza jest niezauważalny, dlatego należy brać pod uwagę konwekcję swobodną. 

Z  powodu  małego  stosunku  średnicy  pieca  do  jego  długości  możemy  przyjąć  że 

powierzchnia pieca jest prostokątem wraz z dwoma okręgami stanowiącymi powierzchnię 
boczną pieca. 

W  równaniach  kryterialnych  będziemy  mieli  do  czynienia  z  następującymi  liczbami 

kryterialnymi [3]: 
 
Liczba Nusselta – w ośrodku płynnym wyraża ona stosunek szybkości wymiany ciepła w 
wyniku konwekcji do szybkości wymiany ciepła w wyniku przewodnictwa cieplnego 
 

Liczbę Nusselta definiuje się zwykle jako:

           

 

 

⁄  

Liczba  Grashoffa  ujmująca  siły  masowe  działające  na  płyn  (siły  ciężkości  i  wyporu), 
wyrażająca stosunek siły wyporu do sił lepkości danego płynu 

                  

 

 

      

 

 

⁄  

Liczba  Prandtla -  bezwymiarowa liczba

 

podobieństwa,  wyraża  ona  stosunek lepkości 

płynu do jego przewodnictwa cieplnego 

        

⁄  

 

 

      

 

⁄  

α – współczynnik wnikania ciepła, W/m

2

β – współczynnik rozszerzalności temperaturowej, 1/K 

l

0

 – charakterystyczny wymiar liniowy, m 

λ – współczynnik przenikania ciepła, W/mK 

g – przyspieszenie siły ciężkości, m/s

2

background image

12 

 

∆t – różnica temperatury ścianki i płynu, K 

ν – kinematyczny współczynnik lepkości, m

2

 /s 

c

p

 – ciepło właściwe, kJ/kgK 

η – współczynnik lepkości dynamicznej, kg/ms 

a – współczynnik wyrównania temperatury 

 

Biorąc pod uwagę środowisko w którym będzie zachodzić konwekcja wybrałem 8 równań, 
które spełniają kryteria podobieństwa [1]: 

                        

 

 

 

(1) 

Wzór kryterialny nr 1 

                 

  
  

       

 

 

 

            

 

 

 

(2) 

Wzór kryterialny nr 2 

    

           

 

 

             

 

 

        

   

 

 

 

(3) 

Wzór kryterialny nr 3 

                      

 

 

 

(4) 

Wzór kryterialny nr 4 

            

                  

 

 

     (     

   )

 

  

 

 

 

 

(5) 

Wzór kryterialny nr 5 

               

  

 

  

               

 

 

 

 

 

             

 

 

 

(6) 

Wzór kryterialny nr 6 

                         

 

 

 

(7) 

Wzór kryterialny nr 7 

                        

 

 

 

 

 

 

(8) 

Wzór kryterialny nr 8 

 

background image

13 

 

Wzory  od  1  do  7  odnoszą  się  do  płyty  pionowej,  w  celu  dopasowania  do  przegrody 
cylindrycznej  do  liczby  Nusselta  jest  stosowana  poprawka  według  poniższej  tabelki[1]. 
Wzór 8 jest stosowany dla przegrody cylindrycznej[2]. 

Dla cylindra 

  

   

   

  

 

         

 

 

 

 

 

 

Pr =0,7 

Pr = 1 

100 

1,02 

1,02 

30 

1,06 

1,05 

10 

1,17 

1,16 

1,27 

1,26 

Tabela 4: Korekcja liczby Nusselta 

Nu

cyl

 – Liczba Nusselta dla przegrody cylindrycznej 

Nu

FP

 – Liczba Nusselta dla płyty pionowej 

 

 

background image

14 

 

6.  Obliczenia  

 

1.  Aparat obliczeniowy 

 

Dla  celów  obliczeniowych  podzieliłem  powierzchnię  pieca  na  mniejsze  płyty  z  powodu 

różnic temperaturowych występujących na ściankach. 

Do obliczeń został zastosowany arkusz kalkulacyjny. 

 

W  oparciu  o  podane  wzory  kryterialne  została  obliczona  liczba  nusselta,  następnie  została 
zastosowana  poprawka  na  przegrodę  cylindryczną.  Następnym  krokiem  było  wyliczenie 
współczynnika wnikania ciepła na podstawie wzoru [3]: 

   

         

 

 

 

(9) 

 

Po  wyliczeniu  współczynnika  wnikania  ciepła  należało  obliczyć  strumień  ciepła 
przekazywanego przez metr kwadratowy powierzchni: 

 ̇       

 

   

   

  

(10) 

 

Po poznaniu strumienia ciepła na jednostkę powierzchni należało obliczyć strumień ciepła: 

 ̇    ̇       

(11) 

 

A – Pole powierzchni oddającej ciepło. 

 

 

background image

15 

 

 

2.  Przedstawienie wartości obliczeniowych: 

 

Przedstawiam  wyniki  obliczeń,  w  oparciu  o  przedstawiony  wcześniej  aparat  obliczeniowy. 
Poniższe  tabele  zawierają  obliczenia  na  podstawie  wzoru  nr1.  W  celu  zwiększenia 
dokładności obliczeń podzieliłem powierzchnię pieca  na strefy obliczeniowe odpowiadające 
strefom temperaturowym zawartym w tabeli nr3.  

 

Liczba Nusselta wzór nr1 

146,5  68,9  147,8  147,9  147,9  147,9  147,9  147,8  147,9  68,0  67,0  95,7  94,0  83,9  84,2  84,3 

146,6  68,4  147,9  147,9  147,9  147,9  147,9  147,5  147,9  66,2  61,3  95,3  94,0  83,9  84,2  84,3 

145,9  67,8  147,8  147,9  147,9  147,9  147,9  147,9  147,6  66,8  62,3  93,6  94,0  83,9  84,2  84,3 

146,5  69,5  147,4  147,9  147,9  147,9  147,9  147,8  147,9  68,9  68,9  95,0  94,0  83,9  84,2  84,3 

144,9  70,7  146,1  147,9  147,9  147,9  147,9  147,8  147,7  70,3  67,0  95,1  94,0  83,9  84,2  84,3 

144,3  68,9  147,4  147,9  147,9  147,9  147,9  147,9  147,8  70,0  68,1  95,2  94,0  83,9  84,2  84,3 

146,2  70,3  147,6  147,1  147,6  147,6  147,7  147,6  147,7  69,1  69,2  95,6  94,0  83,9  84,2  84,3 

146,5  68,6  147,7  147,7  147,6  147,6  147,9  147,4  147,5  68,0  67,0  95,8  94,0  83,9  84,2  84,3 

145,8  68,0  147,8  147,7  146,6  147,5  147,8  147,6  147,6  68,6  63,2  95,3  94,0  83,9  84,2  84,3 

144,5  68,4  147,9  147,9  140,9  147,8  141,6  147,9  147,9  68,0  65,2  94,5  94,0  83,9  84,2  84,3 

143,7  67,3  147,9  147,8  140,5  147,9  142,5  147,6  147,6  67,8  68,7  93,9  94,0  83,9  84,2  84,3 

145,6  67,8  147,7  147,8  147,9  147,9  147,9  144,4  147,8  68,4  67,3  95,2  94,0  83,9  84,2  84,3 

146,5  69,6  147,8  147,9  147,9  147,8  147,9  142,6  147,9  68,6  63,2  96,1 

 

 

 

 

Tabela 5: Liczba Nusselta dla ściany płaskiej 

 

Liczba Nusselta Tabela 4 - poprawka na ścianę cylindryczną 

149,5  71,6  150,8  150,9  150,9  150,8  150,8  150,8  150,8  70,7  69,6  97,6  94,0  83,9  84,2  84,3 

149,6  71,2  150,9  150,8  150,9  150,9  150,9  150,4  150,8  68,9  63,8  97,2  94,0  83,9  84,2  84,3 

148,9  70,5  150,8  150,9  150,9  150,9  150,9  150,8  150,6  69,4  64,8  95,5  94,0  83,9  84,2  84,3 

149,5  72,2  150,3  150,9  150,9  150,9  150,8  150,8  150,8  71,6  71,7  96,9  94,0  83,9  84,2  84,3 

147,8  73,5  149,0  150,8  150,8  150,9  150,9  150,8  150,7  73,2  69,6  97,0  94,0  83,9  84,2  84,3 

147,2  71,6  150,3  150,9  150,9  150,9  150,9  150,8  150,7  72,8  70,9  97,1  94,0  83,9  84,2  84,3 

149,2  73,2  150,6  150,1  150,5  150,6  150,7  150,5  150,7  71,8  72,0  97,5  94,0  83,9  84,2  84,3 

149,4  71,4  150,7  150,7  150,5  150,6  150,9  150,4  150,4  70,7  69,6  97,7  94,0  83,9  84,2  84,3 

148,7  70,7  150,8  150,7  149,5  150,5  150,7  150,5  150,6  71,4  65,8  97,2  94,0  83,9  84,2  84,3 

147,4  71,2  150,9  150,9  143,7  150,8  144,5  150,8  150,9  70,7  67,9  96,4  94,0  83,9  84,2  84,3 

146,6  70,0  150,9  150,8  143,3  150,9  145,3  150,6  150,6  70,5  71,4  95,8  94,0  83,9  84,2  84,3 

148,5  70,5  150,6  150,8  150,8  150,9  150,8  147,3  150,8  71,2  70,0  97,1  94,0  83,9  84,2  84,3 

149,5  72,4  150,7  150,9  150,8  150,7  150,8  145,5  150,8  71,4  65,8  98,1 

 

 

 

 

Tabela 6: Liczba Nusselta dla ściany cylindrycznej 

 

background image

16 

 

 

 

       

 

 

 

   

  wzór nr9 

6,256  2,998  6,311  6,315  6,315  6,314  6,314  6,311  6,313  2,960  2,915  4,084  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,260  2,979  6,315  6,314  6,315  6,315  6,315  6,296  6,314  2,882  2,669  4,070  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,231  2,950  6,313  6,315  6,315  6,315  6,315  6,315  6,303  2,906  2,713  3,996  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,256  3,024  6,294  6,315  6,315  6,315  6,313  6,313  6,314  2,998  3,001  4,055  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,186  3,077  6,237  6,315  6,315  6,315  6,315  6,311  6,308  3,063  2,915  4,059  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,160  2,998  6,292  6,315  6,315  6,315  6,315  6,314  6,309  3,048  2,966  4,064  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,245  3,063  6,304  6,282  6,301  6,304  6,307  6,300  6,308  3,007  3,012  4,083  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,254  2,989  6,308  6,308  6,301  6,303  6,315  6,295  6,298  2,960  2,915  4,089  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,225  2,960  6,312  6,308  6,260  6,299  6,309  6,301  6,302  2,989  2,753  4,070  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,169  2,979  6,315  6,315  6,015  6,311  6,047  6,314  6,315  2,960  2,841  4,033  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,135  2,928  6,315  6,313  5,997  6,315  6,083  6,303  6,303  2,950  2,990  4,011  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,216  2,950  6,305  6,312  6,313  6,315  6,314  6,166  6,311  2,979  2,928  4,064  3,935  3,512  3,526  3,530 

6,256  3,032  6,310  6,315  6,313  6,310  6,313  6,090  6,314  2,989  2,753  4,104 

 

 

 

 

Tabela 7: Współczynnik wnikania  

 

 

 

   

 

 

 

 

̇

 wzór nr10 

782 

126 

985 

1055 

1048 

1029 

1023 

985 

1143 

112 

82 

494 

433 

457 

529 

635 

795 

119 

1055 

1124 

1074 

1061 

1086 

875 

1023 

89 

37 

460 

433 

457 

529 

635 

717 

109 

1004 

1067 

1074 

1086 

1099 

1042 

914 

96 

43 

348 

433 

457 

529 

635 

782 

136 

862 

1074 

1074 

1105 

1149 

1004 

1016 

126 

105 

430 

433 

457 

529 

635 

631 

160 

699 

1042 

1042 

1061 

1067 

978 

946 

153 

82 

438 

433 

457 

529 

635 

591 

126 

856 

1055 

1074 

1067 

1099 

1124 

959 

146 

95 

447 

433 

457 

529 

635 

749 

153 

920 

817 

901 

920 

940 

895 

946 

129 

108 

490 

433 

457 

529 

635 

775 

123 

953 

953 

901 

914 

1061 

869 

882 

112 

82 

507 

433 

457 

529 

635 

703 

112 

997 

953 

751 

888 

959 

901 

908 

123 

50 

460 

433 

457 

529 

635 

605 

119 

1061 

1048 

427 

978 

454 

1016 

1080 

112 

65 

395 

433 

457 

529 

635 

558 

102 

1067 

1155 

414 

1105 

487 

1267 

1261 

109 

102 

365 

433 

457 

529 

635 

684 

109 

927 

991 

1010 

1105 

1118 

580 

1186 

119 

85 

447 

433 

457 

529 

635 

782 

139 

972 

1061 

1010 

972 

1149 

493 

1029 

123 

50 

562 

 

 

 

 

Tabela 8: Strumień ciepła na jednostkę powierzchni 

 

 

background image

17 

 

     

̇  wzór nr 11 

865 

139 

1090 

1167 

1160 

1139 

1132 

1090 

1265 

124 

90 

547 

40 

42 

49 

59 

880 

132 

1167 

1244 

1188 

1174 

1202 

969 

1132 

99 

41 

509 

40 

42 

49 

59 

793 

121 

1111 

1181 

1188 

1202 

1216 

1153 

1011 

106 

48 

385 

40 

42 

49 

59 

865 

151 

954 

1188 

1188 

1223 

1272 

1111 

1125 

139 

116 

476 

40 

42 

49 

59 

698 

177 

773 

1153 

1153 

1174 

1181 

1083 

1047 

169 

90 

485 

40 

42 

49 

59 

654 

139 

947 

1167 

1188 

1181 

1216 

1244 

1061 

162 

105 

495 

40 

42 

49 

59 

829 

169 

1019 

904 

997 

1019 

1040 

990 

1047 

143 

120 

542 

40 

42 

49 

59 

858 

136 

1054 

1054 

997 

1011 

1174 

961 

976 

124 

90 

561 

40 

42 

49 

59 

778 

124 

1104 

1054 

831 

983 

1061 

997 

1004 

136 

55 

509 

40 

42 

49 

59 

669 

132 

1174 

1160 

473 

1083 

502 

1125 

1195 

124 

72 

437 

40 

42 

49 

59 

618 

113 

1181 

1278 

458 

1223 

539 

1402 

1395 

121 

113 

404 

40 

42 

49 

59 

757 

121 

1026 

1097 

1118 

1223 

1237 

641 

1313 

132 

94 

495 

40 

42 

49 

59 

865 

154 

1075 

1174 

1118 

1075 

1272 

546 

1139 

136 

55 

622 

 

 

 

 

Tabela 9: Strumień ciepła oddawany przez daną strefę 

Sumaryczna wartość strat ciepła: 

Straty ciepła przez powierzchnię cylindryczną wynoszą 119 544 W  

Straty ciepła przez powierzchnię boczną pieca wynoszą 4 545 W 

Sumaryczna wartość strat ciepła do otoczenia 123 089 W 

3.  Zestawienie wyników obliczeń 

 

Analogiczne  obliczenia  zostały  przeprowadzone  dla  pozostałych  wzorów.  Wyniki  tych 
obliczeń zostały zawarte w poniższych tabelkach 

Straty ciepła w okresie letnim [kW] 

Nr wzoru  

kryterialnego 

Przegroda  

cylindryczna 

Boki pieca 

Suma 

119,544 

4,545 

124,089 

129,851 

4,937 

134,788 

117,870 

4,482 

122,352 

112,058 

4,505 

116,563 

110,965 

4,233 

115,198 

125,246 

3,546 

128,792 

126,490 

3,584 

130,074 

110,806 

3,913 

114,719 

 

Tabela 10: Straty ciepła - Lato 

 

background image

18 

 

Straty ciepła w okresie zimowym[kW] 

Nr wzoru  

kryterialnego 

Przegroda  

cylindryczna 

Boki pieca 

Suma 

153,492 

5,943 

159,435 

166,727 

6,455 

173,182 

151,343 

5,860 

157,203 

138,530 

5,889 

144,419 

142,461 

5,530 

147,991 

164,366 

4,857 

169,224 

166,023 

4,909 

170,932 

139,319 

5,115 

144,434 

 

Tabela 11: Straty ciepła - Zima 

Końcową fazą obliczeń było porównanie strat ciepła w zależności od okresu obliczeniowego: 

Nr wzoru  

kryterialnego 

Straty ciepła 

 w 

 okresie letnim 

[kW] 

Straty ciepła 

 w  

okresie zimowym 

[kW] 

Różnica 

[kW] 

124,089 

159,435 

35,346 

134,788 

173,182 

38,394 

122,352 

157,203 

34,851 

116,563 

144,419 

27,857 

115,198 

147,991 

32,793 

128,792 

169,224 

40,432 

130,074 

170,932 

40,857 

114,719 

144,434 

29,716 

 

Tabela 12: Straty ciepłą - porównanie 

 

 

background image

19 

 

7.  Podsumowanie i wnioski końcowe 

 

Liczba  prowadzonych  eksperymentów  oraz  badań  nad  konwekcją  swobodną  skutkuje  sporą 
liczbą  wzorów kryterialnych dopasowanych do ściśle ustalonych sytuacji, dlatego tak ważne 
jest  znalezienie  odpowiedniego  wzoru  do  swojej  sytuacji.  Na  podstawie  8  wzorów,  które 
spełniały  kryteria  doboru  do  mojego  modelu  obliczeniowego.  Pomimo,  że  kryteria 
stosowalności  każdego wzoru zostały spełnione uzyskane wyniki różnią się od siebie. Może 
to wynikać z zakresu w którym dany wzór jest stosowany.  Dopasowanie do wzorów nr 2, 6 
oraz  7  mieściło  się  w  ich  dolnym  zakresie  dopasowania  skąd  mogą  wynikać  podwyższone 
wartości w stosunku do reszty wzorów. Z kolei wzory nr 4, 5 oraz 8 pokrywały się z moimi 
warunkami obliczeniowymi w  ich górnym zakresie, dlatego wartości uzyskane są niższe od 
pozostałych.  Wzory  o  numerach  1  oraz  3  miały  najszersze  spektrum  dostosowań,  skąd 
wartości  uzyskane  po  ich  zastosowaniu    stanowią  średnią  w  porównaniu  z  pozostałymi 
grupami wzorów. 

 

 

 

background image

20 

 

Literatura 

 

[1] Louis C. Burmeister: Convective heat transfer. New York, John Wiley & Sons, cop. 1983. 

[2]  Witold  M.  Lewandowski:  Wymiana  ciepła  od  płaskich  i  sferycznych  powierzchni 
złożonych
  :  rozprawa  habilitacyjna.  Zakład  Inżynierii  i  Aparatury  Chemicznej.  Wydział 
Chemiczny. Politechnika Gdańska. 

[3] Wiśniewski S.: Wymiana ciepła. PWN, Warszawa 1979.