Inżynieria procesowa W-1 30.09.2011

Prowadzący: dr inż. Andrzej Półtorak; dr inż. Magdalena Zalewska

Temat: RUCH CIEPŁA.

Przy ogrzewaniu dostarczamy ciepło, chłodzenie zabiera ciepło.

Ruch ciepła możliwy jest, gdy jest różnica temperatur.

Zawsze ciepło płynie w jedną stronę od niższej o wyższej.

Możliwy jest kiedy, występuje różna temperatura, aby ciepło mogło przepłynąć.

3 sposoby:

• Przewodzenie

• Konwekcja

• Promieniowanie

Ciepło może być przewodzone przez ciała stałe, ciecze i gazy.

Ruch ciepła za pomocą przewodzenia polega na przekazywaniu energii cieplnej przez stykające się ze sobą cząsteczki

Konwekcja występuje w warstwach cieczy i gazu. Ta metoda następuje przez ruch cząsteczek. Bardzo często stosuje się prawa mechaniki płynu.

Jeżeli konwekcja występuje w skutek różnicy temperatur – konwekcja naturalna.

Jeżeli ruch płynu zostanie wywołany przez siły zewnętrzne – konwekcja wymuszona.

Promieniowanie – energia cieplna przenoszona za pomocą promieniowania magnetycznego. Promieniowanie występuje w gazach i w próżni. Fale elektromagnetyczne (zamiast cząsteczek).

Energia promieniowania:

Ciecze i ciała stałe mogą pochłaniać bądź emitować promieniowanie.

Ciało stałe może pochłaniać w całości lub częściowo promieniowanie.

Promieniowanie to straty na powierzchni.

Ruch ciepła może być ustalony, jeżeli profil temperatur w przestrzeni pozostaje niezmienny w czasie.

T₁

T₂

λ

l – grubość.

Do policzenia ilości przewodzonego (ustalonego) ciepła używamy równania Fouriera.

$$dQ = \lambda A\frac{\text{dt}}{\text{dl}}$$

dQ – strumień ciepła jaki jest przewodzony wyr. W Watach (W), jeżeli w czasie to v/s =J

A – powierzchnia pod którą przewodzone jest ciepło

λ – współczynnik przewodzenia ciepła [W/m*K]

Ilość przewodzonego ciepła

$$Q = \frac{\lambda}{l}A\left( T_{1} - T_{2} \right)$$

l- grubość ścianki

λ- właściwości ścianki

A – powierzchnia

T₁- zawsze jest temperaturą wyższą.

Przewodzenie ciepła przez ściankę wielowarstwową.(stałe A)

T₁

T₂ T₃

T₄

λ₁ λ₂ λ₃

l₁ l₂ l₃

(Różne materiały mają różne λ np. λ metalu = 45 W/m*K; λ izolatorów np. λ=0,02 W/m*K )

$$Q = \frac{T_{1} - T_{4}}{\sum_{}^{}R}A = \frac{T_{1} - T_{4}}{\frac{l_{1}}{\lambda_{1}} + \frac{l_{2}}{\lambda_{1}} + \frac{l_{3}}{\lambda_{3}}}A$$

Różnica temperatur – siła napędowa przy wymianie ciepła

Opór środowiska – l/ λ lub $\sum_{}^{}R$

Wymiana ciepła przez ściankę cylindryczną (zmienne A)

Przy ustalonej wymianie ciepła strumień ciepła, który jest na powierzchni o temp T₁ jest równy strumieniowi przewodzeniu w ściance 2.

T₁ T₂

T₃

Q 1 2

l₁ l₂

Przy konwekcji spadek temperatury jest parabolą.

Ilość ciepła zależy od współczynnika wnikania ciepła α.

Ilość ciepła Q = αA(T₀−T₁)

Jeżeli ścianka jest wielowarstwowa to wzór zmieni się o otwory ciepła:

$$Q = \frac{T_{0} - T_{4}}{\sum_{}^{}R}A = \frac{T_{0} - T_{4}}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \frac{l_{1}}{\lambda_{1}} + \frac{l_{2}}{\lambda_{2}} + \frac{1}{\alpha_{2}}}A$$

$$Q = \frac{T_{0} - T_{2}}{\frac{1}{\alpha_{1}} + \frac{l_{1}}{\lambda_{1}}}A$$

(Jaką bierzemy siłę napędową taki jest mianownik oporu)