wymiana energii ciepła

Transkrypt

1 wymiana energii ciepła Karolina Kurtz-Orecka dr inż., arch. Wydział Budownictwa i Architektury Katedra Dróg, Mostów i Materiałów Budowlanych 1 rodzaje energii magnetyczna kinetyczna cieplna światło dźwięk grawitacja chemiczna elektryczna potencjalna nuklearna 2 1

2 ciepło jeden z dwóch (obok pracy) sposobów przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu przekazywanie energii ruchu chaotycznego cząstek w zderzeniach cząstek tworzących układy makroskopowe pozostające we wzajemnym kontakcie forma zmian energii ilość energii cieplnej przekazywanej w procesie cieplnym ciepło zjawisko fizyczne (proces) wymiana ciepła przepływ ciepła wielkość fizyczna ilość ciepła 3 temperatura związana jest ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząstek tworzących dany układ jest miarą energii miara stanu cieplnego danego ciała temperatura w rozważanym układzie może być funkcją położenia i czasu T = f ( x, y, z, t) POLE TEMPERATUROWE w każdym punkcie pola temperatura określona jest funkcją (przykład: rozkład temperatury w pokoju) 4 2

3 procesy stacjonarne i nie stacjonarne PROCESY STACJONARNE (USTALONE) rozkład temperatury nie zmienia się w czasie stałe w czasie są ilości przenoszenia ciepła proces ustalony PROCESY NIESTACJONARNE (NIEUSTALONE) rozkład temperatury i ilość wymienianego ciepła są zmienne w czasie proces nieustalony 5 wymiana ciepła przepływ ciepła jest wynikiem różnicy temperatur ciepło przepływa z ośrodka/ materiału o wyższym potencjale energetycznym (temperaturze) do ośrodka o potencjale niższym proces przebiega do momentu uzyskania stanu równowagi termodynamicznej proste mechanizmy wymiany ciepła przewodzenie konwekcja promieniowanie Karolina Kurtz-Orecka, dr inż., arch. 6 3

4 wymiana ciepła przewodzenie zachodzi w ciałach stałych, cieczach lub gazach w większości przypadków związane jest z molekularnym ruchem cząsteczek cząsteczki o wyższej energii wewnętrznej w wyniku zderzeń przekazują część swojej energii cząsteczkom o energii niższej w metalach przepływ energii związany jest z ruchem wolnych elektronów. dq Q = dt STRUMIEŃ CIEPŁA prędkość przepływu ciepła stosunek elementarnej ilości ciepła dq wymienianej przez jednostkową powierzchnię w kierunku prostopadłym do niej przy występującym gradiencie temperatury do czasu trwania wymiany ciepła, jednostka [W] 7 wymiana ciepła przewodzenie PRAWO FOURIERA gęstość przewodzonego strumienia ciepła (W/m 2 ) jest wprost proporcjonalna do gradientu temperatury, współczynnikiem proporcjonalności jest współczynnik przewodzenia ciepła λ ciała, w którym wymiana ciepła zachodzi dt q = λ grad T = λ dx płaska przegroda budowlana Ts1 Ts 2 q = λ d opór przewodzenia ciepła d R λ = λ T T q = s1 s2 R λ przewodzenie ciepła przez jednorodną ściankę materiałową przy istniejącej różnicy temperatur na jej powierzchniach 8 4

5 współczynnik przewodzenia ciepła wartość deklarowana kontrola jakości produkcji, odpowiada warunkom laboratoryjnym w stanie suchym wartość obliczeniowa projektowanie, warunki stosowania materiałów deklarowany współczynnik przewodzenia ciepła określa producent materiału, deklaruje on, że 90% produkowanego materiału ma przewodność cieplną lepszą (niższą) od wartości deklarowanej na poziomie ufności 90% 9 współczynnik przewodzenia ciepła λ CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA WSPÓŁCZYNNIK PRZEWODZENIA CIEPŁA rodzaj substancji gęstość objętościowa struktura porowatość i struktura porów temperatura kierunek przepływu ciepła wilgotność wiek materiału 10 5

6 wymiana ciepła konwekcja związana jest z przepływem płynów (cieczy / gazów) energia przenoszona jest z obszarów o wyższej temperaturze do miejsc o niższej temperaturze przez całe molekuły gorętsze elementy płynu są przenoszone na drodze przepływu na znaczne odległości i mieszają się z zimniejszymi elementami i na odwrót KONWEKCJA naturalna zjawisko samoistne związane z naturalnymi siłami wyporu termicznego (np. ruch podgrzanego przez grzejnik powietrza w pokoju) wymuszona przez działanie urządzeń (np. przez wentylatory) 11 wymiana ciepła konwekcja PRAWO NEWTONA gęstość strumienia ciepła przejmowanego przez konwekcję jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatur pomiędzy układem (powierzchnią ciała stałego T s ) a otoczeniem (płynem - T p ) q = h c c ( T T ) s p h c współczynnik przejmowania ciepła przez konwekcję [W/(m 2. K)] ilość ciepła przepływająca przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu odniesiona do różnicy temperatury powierzchni przegrody i płynu (otoczenia) 12 6

7 wymiana ciepła promieniowanie przekazywanie energii w przestrzeni za pomocą fal elektromagnetycznych każde ciało mające temperaturę wyższą od temperatury zera bezwzględnego wypromieniowuje ciepło, jak również je pochłania promieniowanie może zachodzić w ośrodkach materialnych i w próżni proces emisji ciepła i absorpcji ciepła są zjawiskami objętościowymi zachodzą w objętości ciała (jednak głębokość na którą wnika promieniowanie jest z reguły niewielka w stosunku do objętości bryły) 13 wymiana ciepła promieniowanie emisja energii promieniowania jest połączona ze zmniejszeniem energii wewnątrz ciała, energia pochłonięta zwiększa energie wewnętrzną długość fal promieniowania cieplnego λ = µm Q Q R Q A Q = Q A + Q R + Q P Q - całkowita ilość energii promieniowania Q A - energia pochłonięta ( absorbed ) Q R - energia odbita ( reflected ) Q P - energia przepuszczona ( transmitted ) Q P a + r + p = 1 Q A = Q Q R = Q Q P = Q a r p -zdolność pochłaniania (= emisyjności) -zdolność odbijania -zdolność przepuszczania 14 7

8 wymiana ciepła promieniowanie PRAWO STEFANA BOLTZMANNA gęstość strumienia ciepła przekazywana od jednego ciała doskonale czarnego o temperaturze T 1 do drugiego o temperaturze T 2 q0 = σ 0( T1 T ) σ 0 stała Stefana-Boltzmanna: 5,67 x 10-8 W/(m 2 K 4 ) T temperatura absolutna (termodynamiczna), K UWAGA: równanie obowiązuje wtedy, kiedy całkowita energia wypromieniowana z obu ciał jest tylko między nimi wymieniana CIAŁO DOSKONALE CZARNE model ciała doskonałego pochłaniającego całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania CIAŁO RZECZYWISTE / SZARE ciało, które pochłania określoną współczynnikiem absorpcji część promieniowania padającego na to ciało bez względu na długość fali padającego promieniowania i temperaturę ciała 15 wymiana ciepła promieniowanie CIAŁO SZARE gęstość strumienia wymienianego na drodze promieniowania q = εσ 4 0 T emisyjność powierzchni ε = q q 0 emisja energii z powierzchni ciała szarego q = h ( T T ) r r s p T s temperatura powierzchni ciała, K T p temperatura otoczenia, K 16 8

9 wymiana ciepła przejmowanie ciepła złożony proces wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego a omywającym je płynem przewodzenie w zakresie ruchy laminarnego przewodzenie w warstwie przyściennej i konwekcja w zakresie ruchu burzliwego promieniowanie 17 wymiana ciepła przejmowanie ciepła całkowita gęstość strumienia ciepła (konwekcja + promieniowanie) q = q r + q c = h s ( T T ) s h s = h c + h r współczynnik przejmowania ciepła [W/(m 2. K)] termiczny opór przejmowania ciepła 1 Rs = hs q = 1 T R s ( T ) s p p 18 9

10 wymiana ciepła złożona wymiana ciepła przejmowanie ciepła z otoczenia na powierzchnię ścianki przewodzenie ciepła w materiale przejmowanie ciepła z powierzchni ścianki do otoczenia 19 10