3.5 Termodynamika pary

3.5.1 Własności par

Z punktu widzenia fizyki, pary są gazami, dla których wielkości opisujące ich stan przyjmują wartości w pobliżu krzywej skraplania. Ponieważ jako płynów chłodniczych używa się przede wszystkim wrzących cieczy, zatem należy dokładniej badać ich zachowanie. Na przykład woda kontaktująca się z powietrzem nienasyconym wilgocią w temperaturach poniżej punktu wrze­nia przechodzi ze stanu ciekłego w gazowy. W otwartym naczyniu z wodą w temperaturze pokojowej jej cząsteczki z powierzchni przechodzą do powie­trza. Jej odparowywanie zachodzi tak długo, aż powietrze nad powierzchnią wody nasyci się parą wodną. Praktycznym przykładem takiego zjawiska jest wysychanie kałuży na drodze, czy suszenie bielizny na sznurku.

Odparowywanie, to powolne przechodzenie cieczy w stan gazowy przy jej powierzchni, zachodzące poniżej punktu wrzenia.

Intensywne parowanie cieczy następuje po osiągnięciu punktu wrzenia, na przykład woda wrze pod ciśnieniem normalnym powietrza przy 100°C. Wia­domo jednak, że na dużych wysokościach woda wrze poniżej 100°C, gdyż panujące tam ciśnienie powietrza jest niższe. Na przykład, na szczycie Mont Blanc na wysokości 2810 m woda wrze przy 84 °C, natomiast w szybkowarze, skutkiem panującego w nim nadciśnienia, dopiero przy ok. 110°C (rys.11).

Temperatura punktu wrzenia zależy od ciśnienia panującego nad cieczą. Im wyższe jest ciśnienie wywierane na ciecz, tym więcej należy do niej doprowadzić ciepła, aby zaczęła ona wrzeć. Im niższe jest ciśnienie, tym niższy jest punkt wrzenia.

Fakt, że ciecz przy wysokim lub niskim ciśnieniu może wrzeć w szerokim zakresie temperatur, jest podstawą chłodzenia mechanicznego. Na rys. 12 pokazano przykładowo zależność temperatury wrzenia wody od panującego nad nią ciśnienia powietrza.

Rys. 11. Zależność między ciśnieniem i temperaturą wrzenia dla wody.

Rys. 12. Krzywa nasycenia pary wodnej

Na rys. 13 przedstawiono jeszcze raz, na przykładzie wody, zależność między ciepłem i temperaturą, jak również przebieg zmian jej stanu skupienia.

Rys. 13. Zmiany stanu skupienia wody

Objaśnienia do tego wykresu:

1. Temperatura l kg lodu po dostarczeniu 38 kJ ciepła jawnego wzrosła od -18°C do 0°C. Ciepło właściwe lodu wynosi c = 2,11 kJ/kgK.

2. Lód o temperaturze 0°C przemienił się w wodę o temperaturze 0°C, kosztem doprowadzonego do niej ciepła utajonego o wartości 335 kJ. Ciepło topnienia lodu wynosi zatem q_s = 335 kJ/kg.

3. Skutkiem doprowadzenia 419 kJ ciepła jawnego, temperatura wody wzrosła od 0°C do 100°C. Ciepło właściwe wody wynosi 4,19 kJ/kgK.

4. Woda przemieniła się w parę, kosztem doprowadzonego do niej ciepła utajonego o wartości 2257 kJ, nazywanego ciepłem parowania. Ciepło to dla wody wynosi 2257 kJ/kg.

5. Po dostarczeniu dalszych ilości ciepła jawnego para zostaje przegrzana.

Poprzednio stwierdzono, że woda wrze przy normalnym ciśnieniu w tempe­raturze 100°C. Punkt wrzenia można więc uważać za pewną temperaturę gra­niczną. Dalsze dostarczanie ciepła nie powoduje wzrostu temperatury, lecz prowadzi do zmiany stanu skupienia, zatem woda zamienia się w parę. Jeden kilogram wody w temperaturze 100°C przy normalnym ciśnieniu, po dostarcze­niu 2257 kJ (ciepło parowania), zamienia się całkowicie w parę. Punkt ten jest następnym punktem granicznym. W punkcie tym mamy 100% pary o temperaturze 100°C, którą określa się jako parę suchą nasyconą. Jeżeli nadal będzie­my dostarczać ciepło, wówczas temperatura tej pary ponownie zacznie wzrastać i pojawi się wtedy para przegrzana (por. rys. 14). Obszar między tymi punktami granicznymi: 100% wody w temperaturze 100°C i 100% pary w temperaturze 100°C, określa się jako obszar pary mokrej.

Przez parę mokrą rozumie się równoczesną obecność w mieszani­nie cieczy i pary o tej samej temperaturze.

Proporcje ilości obu składników takiej mieszaniny zależą od ilości ciepła doprowadzonego do cieczy po osiągnięciu przez nią temperatury wrzenia. Mogą się one zmieniać w granicach od O do l. Jak zobaczymy później, procesy te mają istotne znaczenie właśnie dla urządzeń chłodniczych.

Rys. 14. Zmiany stanu w procesie parowania

Wzajemne zależności wybranych wielkości dla czynnika chłodniczego R 134a w stanie suchym nasyconym przedstawione zostały poniżej.

Temperatura °C	Ciśnienie MPa	Objętość właściwa pary m^3/kg	Entalpia właściwa pary kJ/kg
0 20	0,2929 0,5716	0,069 0,036	397,6 408,7

Tabela 5. Temperatura punktu topnienia i krzepnięcia różnych substancji przy ciśnieniu 0,0981 MPa (odpowiadającym 0,981 bar)

Substancja	°C	K
Alkohol Aluminium Benzyna Ołów Butan Szkło Złoto Żeliwo Kauczuk Roztwór soli kuchennej Miedź Mosiądz Nikiel Ozon Parafina Platyna Propan Rtęć Woda morska Srebro Azot Woda Cynk Cyna	-114,5 +658 -150 +327,3 -135 +1200 +1064 +1100 do +1200 +125 -21 +1083 +1015 +1450 -252 +54 +1700 -190 -38,89 -3 do -6 +960 -240 0 +419 +232	158,65 931,15 123,15 600,45 138,15 1473,15 1337,15 1373,15 do 1473,15 398,15 252,15 1356,15 1288,15 1723,15 21,15 327,15 1973,15 83,15 234,26 270,15 do 267,15 1233,15 33,15 273,15 692,15 505,15

Ponieważ, jak to objaśniono na rys. 13, ilość ciepła potrzebna do zmiany stanu skupienia ciał jest znaczna, stąd też to właśnie ten składnik przekazy­wanej energii ma szczególne znaczenie dla techniki chłodniczej.

Tabela 6. Ciepło topnienia (krzepnięcia) różnych substancji

Substancja	kJ/kg	kcal/kg
Aluminium Chlorek wapnia Lód Mięso (średnio) Żelatyna Gliceryna Ztoto Żeliwo Miedź Olej Tłuszcz kokosowy Parafina Platyna Rtęć Srebro Wodór Cynk Cyna	355,9 230,3 335,0 210,0 25,1 178,0 67,0 96,3 do 138,2 180,0 146,5 121,4 147,0 113,9 11,7 88,3 58,6 117,6 59,7	85,0 55,0 80,0 50,0 6,0 42,5 16,0 23 do 33,0 43,0 35,0 29,0 35,1 27,2 2,8 21,1 14,0 28,1 14,25

3.5.2. Ciepło topnienia i parowania

Dostarczanie ciepła do danego ciała jest na ogół związane z podwyższaniem jego temperatury - wyjątek w tym względzie stanowią punkty topnienia i wrzenia, w których zachodzi zmiana stanu skupienia, a mianowicie przejście ze stanu stałego w ciekły lub z ciekłego w gazowy. Podczas obu tych procesów prowadzonych przy stałym ciśnieniu temperatura ciała jedno­rodnego się nie zmienia, chociaż wciąż dostarczane jest ciepło.

Doprowadzana energia zużywana jest na zmianę stanu skupienia ciała, ponieważ dla rozdzielenia jego molekuł potrzeba znacznego nakładu energii. Przy przejściu w stan pary dochodzi jeszcze praca zewnętrzna, która musi zostać wykonana ze względu na znaczne zwiększenie objętości ciała podczas jego parowania.

Ciepło topnienia r_t to ilość ciepła potrzebna do zamiany l kg ciała stałego w stan ciekły. W procesie odwrotnym nazywanym krzepnięciem, ta sama ilość ciepła jest oddawana (ciepło krzep­nięcia).

Ciepło parowania r₀ to ilość ciepła konieczna do zamiany l kg cieczy w stan gazowy. W procesie odwrotnym nazywanym skra­planiem, ta sama ilość ciepła jest oddawana (ciepło skraplania).

Jeżeli dostarczanie lub odbieranie ciepła powoduje zmianę temperatury ciała, mówi się o cieple jawnym lub wyczuwalnym. Gdy jednak na skutek dostarczania lub odbierania ciepła zmienia się stan skupienia ciała, bez zmiany jego temperatury, wówczas mówi się o cieple utajonym.

Ciepło sublimacji r_sb to ilość ciepła konieczna do zamiany 1 kg ciała stałego w stan gazowy. W procesie odwrotnym nazywanym resublimacją, ta sama ilość ciepła jest oddawana (ciepło resublimacji).

Proces sublimacji charakteryzuje duża wartość utajonego ciepła sublimacji r_sb na którą składa się utajone ciepło topnienia r_t oraz utajone ciepło parowa­nia r₀ zatem

W technice chłodniczej proces ten wykorzystuje się przede wszystkim w transporcie i laboratoriach stosując zestalony dwutlenek węgla (CO₂), tzw. "suchy lód".

Pytania kontrolne:

3.19. Od czego zależy temperatura wrzenia substancji?

3.20. Czy na Śnieżce woda zagotuje się szybciej czy wolniej niż na Helu?

3.21. Ilość ciepła konieczna do zamiany l kg lodu o temperaturze 0°C w wodę o temperaturze 0°C wynosi:

a) 2257 kJ b) 419 kJ c) 335 kJ d) l kJ

3.22. Co to jest para mokra?

3.23. Jak zmieni się temperatura topniejącego bloku lodu, jeżeli będziemy dostarczać do niego ciepło?

3.24. Co to jest ciepło utajone?

3.25. Jak nazywa się ilości ciepła, których należy dostarczyć lub odebrać aby zamienić substancję:

a) ze stanu stałego w ciekły?

b) ze stanu ciekłego w stały?

c) ze stanu ciekłego w parę?

d) ze stanu parowego w ciekły?

3.26. Parownik jest oblodzony 35 kilogramami lodu:

a) jaką ilość ciepła należy dostarczyć do tego, aby stopić ten lód i uzyskać skropliny o temperaturze 2°C?

b) jaką moc musi posiadać grzejnik elektryczny, aby zakończyć proces rozmrażania takiej ilości lodu w ciągu 50 minut?

3.5.3 Wykres termodynamiczny w układzie współrzędnych log p-h

Opisane uprzednio parametry stanu, takie jak: temperatura, ciśnienie, obję­tość właściwa i ich wzajemne zależności, oraz konieczne do zmiany stanu skupienia ilości ciepła, ustalono dla poszczególnych ciał na drodze badań i zestawiono w tabelach. W celu poglądowego przedstawienia zmian stanu, zachodzących na przykład w układach chłodniczych podczas procesów: sprężania, skraplania, rozprężania i odparowywania, oraz do bezpośredniego odczytania ilości ciepła, odpowiadających tym procesom, używa się opraco­wanego przez von Molliera (profesor politechniki drezdeńskiej, 1863-1935) wykresu termodynamicznego entalpia-ciśnienie (rys.16). Wykres ten spo­rządzany jest dla wszystkich stosowanych w urządzeniach czynników chłod­niczych. Tutaj zamierzamy zająć się tylko jego konstrukcją, natomiast omó­wienie procesów zachodzących w obiegu chłodniczym znajdzie się w roz­dziale 4 tej książki.

Na wykresie log p-h, ciśnienie p jest naniesione jako rzędna w skali logaryt­micznej, z kolei na osi odciętych znajduje się entalpia właściwa h. Taka konstrukcja umożliwia bezpośredni odczyt ciepła parowania i jednostkowej wydajności chłodniczej, ciepła skraplania i jednostkowej pracy sprężarki jako różnic współrzędnych (wszystkie te wielkości odnoszą się do jednostki masy czynnika).

Pojęcie entalpii można wyjaśnić następująco:

Jeżeli dostarczyć do gazu znajdującego się np. w cylindrze roboczym (rys.15) pod określonym ciśnieniem pewną ilość ciepła Q, to z jednej strony wzrośnie jego temperatura od t₁ do t₂ a wraz z nią energia wewnętrzna tego gazu. Z drugiej strony, gaz przesunie tłok o określoną drogę Δs, wykona zatem pracę ze­wnętrzną. Sumę energii wewnętrznej i pracy zewnętrznej określa się mianem całkowitej zawartości cieplnej gazu lub entalpii².

Rys. 15. Interpretacja pojęcia entalpii właściwej

² Entalpia - skalania wielkość fizyczna, określona jako funkcja stanu układu termodynamiczne­go, równa sumie jego energii wewnętrznej oraz iloczynu ciśnienia i objętości układu

W punkcie krytycznym Kr dwie krzywe graniczne omawianego wykresu spotykają się. Na lewo od krzywej granicznej x = 0 znajduje się obszar ciekłego czynnika chłodniczego, natomiast na prawo od krzywej granicznej x = l obszar pary przegrzanej³. Obszar pary mokrej leży między obiema krzywymi i to w nim właśnie zachodzą procesy parowania i skraplania. Od strony prawej do lewej zachodzi skraplanie, a od lewej do prawej, proces odwrotny - parowanie. Krzywa x = 0,2 oznacza więc przykładowo, że 20% ciekłego czynnika chłodniczego już zamieniło się w parę (odparowało). Ponadto na omawianym wykresie znajdujemy linie lub krzywe stałej tempe­ratury, stałego ciśnienia, stałej objętości właściwej oraz stałej entropii wła­ściwej. Tylko w obszarze pary mokrej dla substancji jednorodnej każdej wartości ciśnienia odpowiada jednoznaczna wartość temperatury, czyli ciś­nienie i odpowiadająca mu temperatura leżą na jednej linii. Oznacza to, że na manometrze można odczytywać zarówno ciśnienie, jak i na odpowiedniej jego skali temperaturę.

Rys. 16. Wykres termodynamiczny w układzie współrzędnych log p-h

3.6. Wymiana ciepła

Wiedza o tym, że ciepło przepływa od ciał cieplejszych do chłodniejszych, jest - przynajmniej w odniesieniu do techniki chłodniczej - niewystarczają­ca. Bardzo ważna jest również znajomość sposobu przenoszenia ciepła. Rozróżnia się trzy sposoby jego przekazywania:

• przewodzenie ciepła,

• konwekcja,

• promieniowanie.

³ przez x oznaczono stopień suchości pary, będący stosunkiem masy pary nasyconej do masy pary nasyconej mokrej

3.6.1. Przewodzenie ciepła

Przez przewodzenie ciepła rozumie się przekazywanie energii poprzez drga­nia molekuł w ciałach stałych, jak również w nieruchomych cieczach i gazach. Proces ten zachodzi zawsze w kierunku zgodnym ze spadkiem temperatury.

Ogólnie wyróżnia się dobre i złe przewodniki ciepła. Na przykład, wszystkie metale są dobrymi przewodnikami ciepła. Ponadto istnieje prawi­dłowość, że dobre przewodniki elektryczne są również dobrymi przewodni­kami ciepła. Nieruchome powietrze, szkło, wełna, wełna mineralna, azbest, korek czy spienione pianki, to przykłady złych przewodników ciepła. W związ­ku z tym są one z powodu swej niskiej przewodności cieplnej używane jako izolacje cieplne (materiały izolacyjne) w technice grzewczej i chłodniczej.

Rys. 17. Przewodzenie ciepła w pręcie żelaznym

Rysunek 17 pokazuje na przykładzie żelaznego pręta, jak ciepło przepływa od jego gorącego do zimnego końca.

Ilość przekazanego ciepła zależy, oprócz różnicy temperatur, również od stałej materiałowej, nazywanej współczynnikiem przewodzenia ciepła λ.

Na zdolność przewodzenia ciepła przez daną substancję wpływa jej współczynnik przewodzenia ciepła λ. Jego jednostką jest W/mK.

Rys. 18. Przenikanie ciepła przez płaską przegrodę jednowarstwową

Przedstawiony na rysunku 18 przypadek przewodzenia ciepła zachodzi bardzo często w technice chłodniczej. Wielkość przenoszonego w ten sposób strumienia ciepła można obliczyć według prawa Fouriera zapisanego w następującej postaci:

[W]

gdzie:

Q - strumień ciepła przepływającego, W

A - powierzchnia wymiany ciepła, m²

t_wi - temperatura powierzchni po jej "ciepłej" stronie, °C

t_wa - temperatura powierzchni po jej "zimnej" stronie, °C

s - grubość przegrody, m

λ współczynnik przewodzenia ciepła materiału przegrody, W/mK

W tabeli 7 zestawiono współczynniki przewodzenia ciepła różnych ciał.

Tabela 7. Współczynniki przewodzenia ciepła różnych ciał

materiał	współczynnik przewodzenia ciepła λ, W/mK	materiał	współczynnik przewodzenia ciepła λ, W/mK
Metale Aluminium Cyna Cynk Miedź Mosiądz	220 65 110 383 111,4	Ołów Stal Żelazo Żeliwo lane	34,8 40,0 71,9 50,0
Materiały budowlane i ogniotrwałe Asfalt Beton Beton suchy Cegła sucha Drewno suche Grafit Marmur	0,69 1,27 1,67 0,41...0,52 0,17...0,37 3,14 2,09	Mur ceglany Mur ceglano-drewniany Piaskowiec Tynk gipsowy Tynk wapienny Wapień Żużlobeton	0,70...0,75 0,41 1,62...2,09 0,43 0,69 0,93 0,58
Materiały izolacyjne Korek Piatherm Poliuretan (pianka) Powietrze, nieruchome Płyty torfowe	0,041 0,031 0,025 0,023 0,043	Słoma Styropian Wata szklana Wełna mineralna Wełna żużlowa	0,045 0,032 0,041 0,052 0,062

3.6.2. Konwekcja

Wewnątrz cieczy i gazów, a także przy ich kontakcie z powierzchniami ciał stałych, zachodzi przekazywanie ciepła na drodze konwekcji. Jest ona wynikiem kontaktu poruszających się cząsteczek substancji między sobą oraz z ograniczającą je powierzchnią.

Rozróżnia się konwekcję swobodną i wymuszoną.

Przez konwekcję swobodną rozumie się przenoszenie ciepła w nurcie stru­mienia powstającego samoistnie, skutkiem różnicy gęstości poruszającego się ośrodka.

Rys. 19. Konwekcja swobodna

Rysunek 19 wyjaśnia, jak przenosi się ciepło przez ogrzewanie powietrza. Ogrzane powietrze wznosi się do góry. Poprzez mieszanie się z powietrzem znajdującym się w pomieszczeniu i przekazywanie ciepła ścianom ograni­czającym pomieszczenie ochładza się, opada w dół i ponownie wznosi się do góry przy ogrzanej powierzchni pieca.

Rys. 20. Konwekcja wymuszona

Przez konwekcję wymuszoną rozumiemy przenoszenie ciepła strumieniem powstającym przez dostarczanie energii mechanicznej, np. za pomocą wen­tylatora. Wentylator zasysa lub wtłacza powietrze do wymiennika ciepła, gdzie zależnie od potrzeb jest ono schładzane lub ogrzewane.

3.6.3. Promieniowanie cieplne

Przekazywanie ciepła z jednego ciała do innego z pomocą fal elektromagne­tycznych, nazywa się promieniowaniem cieplnym. Fale te charakteryzują się zakresem długości nie widzialnym dla ludzkiego oka. Podobnie jak dla przewodzenia ciepła i w tym przypadku zachodzi prawidłowość, że transport ciepła następuje od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Natężenie promieniowania cieplnego jest przy tym funkcją tempera­tury bezwzględnej obu ciał. Ciała ciemne, szorstkie i matowe wypromieniowują dużo energii, ale przy tym źle ją odbijają. Z kolei ciała jasne i błyszczące dobrze ją odbijają, ale słabo pochłaniają i promieniują. "Ciało doskonale czarne" ma tę własność, że absorbuje całe padające nań promieniowanie.

Przez zdolność absorpcyjną ciała rozumie się jego zdolność do pochłaniania energii, natomiast przez zdolność odbijającą - zdol­ność do jej oddawania.

Najlepszym przykładem promieniowania cieplnego jest przekazywanie cie­pła przez Słońce do Ziemi i bezpośrednie wykorzystanie tej energii np. w szklarniach (efekt cieplarniany). Transport energii nie jest przy tym związa­ny z żadnym ośrodkiem znajdującym się między ciałami, nie zależy zatem też od jego temperatury.

Przykład:

Wewnątrz zaparkowanego w słońcu w chłodny zimowy dzień samochodu, temperatura będzie wyższa niż temperatura otaczającego powietrza. Słońce ogrzewa samochód energią promieniowania. Energia padających na pojazd fal elektromagnetycznych przekształca się w energię cieplną, powodując wzrost jego temperatury.

Rys. 21. Ogrzewanie samochodu promieniowaniem cieplnym

3.6.4. Przenikanie ciepła

Jeżeli dwie substancje ciekłe lub gazowe są oddzielone od siebie stałą przegrodą, wówczas wielkość porcji ciepła płynącej od jednej z nich do drugiej zależy od grubości i rodzaju materiału przegrody, a także od przeno­szenia ciepła z jednego ośrodka do przegrody oraz z przegrody do drugiego ośrodka. Całkowite przeniesienie ciepła składa się zatem z

konwekcji — przewodzenia — konwekcji

Rys. 22. Przenikanie ciepła przez przegrodę płaską

Przejmowanie ciepła na cieplejszej stronie przegrody zachodzi w drodze kon­wekcji od powietrza do tej przegrody. W przegrodzie ciepło to przewodzone jest na drugą jej stronę. Po chłodniejszej stronie ciepło przejmowane jest od przegro­dy, do powietrza również na drodze konwekcji (rys.22). Przy każdym z omawia­nych procesów przenoszenia ciepła musi występować różnica temperatur, gdyż tylko pod takim warunkiem ciepło może być przenoszone.

Różnica temperatur odgrywa tutaj taką samą rolę, jak nadciśnienie w hydraulice, gdzie im wyższe jest ciśnienie, tym więcej wody przepłynie kanałem. Zatem im wyższa jest różnica temperatur, tym więcej przenoszone­go jest ciepła. Wielkość porcji transportowanego przez przegrodę ciepła określa współczynnik mający związek z ograniczaniem przenoszenia ciepła. Współczynnik ten wyznaczany przez stałe materiałowe oraz opory przejmo­wania ciepła na powierzchniach zewnętrznych, nazywa się

współczynnikiem przenikania ciepła lub współczynnikiem k.

Wartość współczynnika przenikania ciepła k informuje, ile watów ciepła przenoszonych jest przez powierzchnię l m² prze­grody, gdy różnica temperatur obu ośrodków rozdzielanych przez przegrodę wynosi l K.

Przenikanie ciepła przez przegrody o dowolnej powierzchni opisuje się z zależnością Pecleta:

[W] (12)

gdzie:

Q - strumień ciepła, W,

A - powierzchnia przegrody, m² ,

k - współczynnik przenikania ciepła, W/m²K,

Δt = różnica temperatur, K.

Przykład:

Przegrody ograniczające komorę chłodniczą mają całkowitą powierzchnię 27 m². Temperatura wewnątrz komory wynosi 0°C, natomiast średnia temperatura zew­nętrzna 25°C. Współczynnik przenikania ciepła k izolowanych cieplnie ścian jest równy 0,4 Wm²K. Ile energii cieplnej wpływa dziennie przez przegrody do komory chłodniczej?

Ilość ciepła przenoszonego w ciągu sekundy wynosi:

Q = 27 m² ⋅ 0,4 W/m²K ⋅ 25 K

Q = 270 W

Ilość ciepła wprowadzanego codziennie do komory chłodniczej wynosi:

Q = 0,270 kW 24 h

Q = 6,48 kWh

Współczynnik k dla jedno- i wielowarstwowych przegród płaskich wylicza się z zależności (13) i (14).

Rys. 23. Płaska przegroda jednowarstwowa

[W/m²K] (13)

gdzie:

- strumień ciepła, W,

- temperatura wewnętrzna; t_wi - temp. wewn. przegrody,

- temperatura zewnętrzna; t_wa - temp. zewn. przegrody ,

- współczynnik przewodzenia ciepła, W/mK,

- współczynnik przejmowania ciepła wewnętrzny, W/m²K,

- współczynnik przejmowania ciepła zewnętrzny, W/m²K,

s - grubość przegrody w m.

Rys. 24. Płaska przegroda dwuwarstwowa

[W/m²K] (14)

gdzie:

- współczynnik przejmowania ciepła zewnętrzny

- współczynnik przejmowania ciepła wewnętrzny

- współczynnik przewodzenia ciepła I warstwy

- współczynnik przewodzenia ciepła II warstwy

- temperatura wewnętrzna

- temperatura zewnętrzna

- temperatura przegrody wewnątrz

- temperatura przegrody na zewnątrz

- grubość I warstwy przegrody

- grubość II warstwy przegrody

Współczynnik przenikania ciepła k zależy od następujących wielkości:

• temperatury,

• gęstości strumienia ciepła,

• gęstości płynów omywających przegrodę,

• lepkości płynów,

• ciepła właściwego płynów,

• przewodności cieplnej płynów,

• kształtu i rodzaju powierzchni ściany,

• materiału ściany.

Znaczną poprawę jego wartości można osiągnąć wprawiając powietrze w ruch przy powierzchni wymiany ciepła. Opór przejmowania ciepła staje się dzięki temu mniejszy i tym samym więcej ciepła przechodzi z powierzchni do powietrza.

Współczynnik przejmowania ciepła a przez przegrodę jest większy, gdy po obu jej stronach znajdują się ciecze. Będzie on jeszcze większy, jeżeli ciecze lub gazy stykające się z powierzch­nią przegrody będą w ruchu.

Dla uzyskania przenoszenia znacznych strumieni ciepła, w wymiennikach ciepła, przy ich możliwie małych wymiarach, pożądane są wysokie wartości współczynnika k. Natomiast w przypadku izolacji cieplnych mamy do czy­nienia z wymaganiem odwrotnym.

Dla uzyskania niskich kosztów urządzenia chłodniczego, jak również zużywanej na jego pracę energii, niezmiernie ważne jest ograniczenie do minimum strat ciepła. Miarą, a zarazem porównawczą wielkością dla strumie­nia ciepła przenikającego przez obudowy chłodziarek, komór chłodniczych i obudowy meblowe, jest gęstość strumienia cieplnego q. Określa ona ilość ciepła przenoszonego przez przegrodę o powierzchni l m².

Wylicza się ją z następującego równania:

[W/m²] (15)

Do obliczeń i ekonomicznie uzasadnionego wyboru grubości izolacji ciepl­nych komór i pomieszczeń chłodzonych za podstawę przyjmuje się maksy­malną gęstość strumienia cieplnego równą 7-10 W/m².

Przykład:

Obliczyć współczynnik przenikania ciepła dla przegrody wielowarstwowej izolowanej styropianem:

Rys. 25. Ilustracja do przykładu

Materiał	s m	W/mK
l. Tynk zewnętrzny MG II 2. Mur ceglany 3. Styropian 4. Tynk wewnętrzny MG III	0,010 0,240 0,100 0,015	0,960 0,750 0,032 1,100

Współczynnik przenikania ciepła k wylicza się następująco korzystając z równania (14):

W/m²K

k = 0,274 W/m²K

Pytania sprawdzające

3.27. Jak oznacza się współczynnik przewodzenia ciepła?

a)
b) q c)

3.28. Konwekcja swobodna jest skutkiem:

a) różnicy gęstości poruszającego się ośrodka,

b) różnicy ciśnień poruszającego się ośrodka,

c) zanieczyszczeń poruszającego się ośrodka.

3.29. Co oznacza pojęcie entalpia?

3.30. Jakie istnieją trzy sposoby przekazywania ciepła?

3.31. Czy ciepło będzie lepiej przewodzone w sztabie wykonanej z alumi­nium czy z żelaza?

3.32. Co oznacza pojęcie konwekcja swobodna?

3.33. Od czego zależy intensywność promieniowania cieplnego ciała?

3.34. Jakie jest znaczenie współczynnika przenikania ciepła k?

3.35. Dlaczego wagony chłodnicze maluje się na kolor biały?

3.36. Od jakich wielkości zależy ilość przenikającego ciepła przez przegro­dę płaską?

3.37. Czy przy znacznej ilości promieniowania cieplnego wprowadzone­go do komory chłodniczej wartość współczynnika k jest duża, czy mała?

---