Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Procesy cieplne. Ruch ciepła.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Ruch ciepła jest zjawiskiem transportu energii i następuje wtedy, gdy w
przestrzeni istnieje różnica temperatur w poszczególnych jej punktach. Ruch
ciepła odbywa się od punktów o temperaturze wyższej do punktów o
temperaturze niższej.

Płaszczyzny łączące punkty materialne substancji o tej samej temperaturze
nazywają się izotermami lub powierzchniami izotermicznymi, tym samym ruch
ciepła odbywa się tylko w kierunku prostopadłym do izoterm lub powierzchni
izotermicznych.

Głównym celem, przy rozwiązywaniu zagadnień ruchu ciepła, jest obliczanie
powierzchni wymiany ciepła A [m

2

] i ilości ciepła (energii) Q [ J ] przenoszonego

w rozpatrywanym układzie.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Najogólniej transport ciepła (ruch ciepła) podzielić można na proces:
- ustalony (stacjonarny)
- nieustalony (niestacjonarny)

Proces nieustalony ma miejsce wówczas, gdy rozkład temperatur (pole
temperatur) zależy od czasu, co można zapisać w postaci:

gdzie: x,y,z - współrzędne przestrzeni; τ - czas, s; t - temperatura, K.

)

,

z

,

y

,

x

(

f

t





A

Q

q







Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Ustalony ruch ciepła ma miejsce, gdy pole temperatur nie zależy od czasu, co
oznacza, że temperatura jest jedynie funkcją położenia, co można zapisać w
postaci:

gdzie: x,y,z - współrzędne przestrzeni; τ - czas, s.

)

z

,

y

,

x

(

f

t



Wynika z tego, że ustalony ruch ciepła jest szczególnym przypadkiem
nieustalonego ruchu ciepła.

Ruch ciepła można podzielić również ze względu na sposób przenoszenia ciepła
na trzy rodzaje:

- Przewodzenie (kondukcja)

- Konwekcja (unoszenie)

- Promieniowanie (radiacyjna wymiana ciepła)

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

- Przewodzenie

polegające na bezpośrednim przekazywaniu energii ruchu (energii kinetycznej)
cząstkom ciała przez cząstki sąsiednie. Przewodzenie następuje w obrębie
wszystkich stanów skupienia materii, dotyczy zatem ciał stałych, cieczy i gazów.
Na proces przewodzenia mają wpływ wszystkie rodzaje energii kinetycznej ciał,
od drgań (ruchów oscylacyjnych) atomów w sieci kryształów po bezwładny ruch
cząsteczek gazów, z wyłączeniem jednak energii kinetycznej związanej z
przemieszczaniem się cząstek w przestrzeni.

- Konwekcja
występuje tylko w przypadku ruchu płynów (gazów i cieczy) i związana jest z
transportem energii wraz z przemieszczaniem się warstw płynu. Konwekcja
może wystąpić na skutek różnicy gęstości warstw płynu, wywołanych różnicą
temperatur i wtedy nosi nazwę konwekcji naturalnej. Ale ruch płynu może
wystąpić również na skutek oddziaływania zewnętrznego

i wtedy występuje

konwekcja wymuszona.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

- Promieniowanie

odbywa się bez pośrednictwa materii i polega na emitowaniu i pochłanianiu
energii w postaci fal elektromagnetycznych o zakresie długości fal od 0,1 do
100µm. Szczególnie istotny jest zakres promieniowania od 4 do 40µm,
promieniowanie w tym zakresie nosi nazwę promieniowania cieplnego.
Promieniowanie jako proces wymiany ciepła między dwoma ciałami wymaga
ośrodka o dostatecznej przezroczystości.

Bardzo często w praktyce występują jednocześnie wszystkie trzy formy ruchu
ciepła – przewodzenie, konwekcja, promieniowanie.
W niektórych przypadkach jednak udział jednego lub dwóch z nich jest niewielki
i wtedy z dobrym przybliżeniem przyjąć można, że tylko główna forma ruchu
ciepła ma znaczenie. Poszczególne sposoby ruchu ciepła podlegają różnym
zależnościom, dlatego też przy opisie należy je potraktować osobno.

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Jeśli dwa układy są w kontakcie termicznym, to mogą wymieniać energię bez
wykonywania makroskopowej pracy – taka forma energii nazywa się ciepłem.

Ciepło jest strumieniem energii wynikającym z różnicy temperatur

T

1

T

2

ciepło

T

1

> T

2

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Substancja

Ciepło właściwe w J/kgK

Woda (w stanie ciekłym)

4190

Rtęć

136

Para wodna

1970

Powietrze

2020

Miedź

385

Żelazo

449

Lód

2100

Ciepło właściwe – stanowi ilość ciepła, która musi być dostarczona lub odebrana
jednostce masy danej substancji w celu wywołania jednostkowej zmiany
temperatury Cp [J/(kg

.

K).

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Dwa układy, które pozostają w równowadze termicznej, maja tę samą
temperaturę (T

a

=T

b

). Temperatura jest miarą zdolności do transportu

ciepła.

Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań
wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii T [K]

A

B

Współczynnik przenoszenia ciepła – ilość ciepła
przewodzona

w

jednostce

czasu

przez

jednostkową powierzchnię przy jednostkowym
spadku temperatury na jednostkowej grubości
warstwy, zależy od: temperatury, ciśnienia, i
rodzaju substancji, określany eksperymentalnie



[W/(m

.

K).

Inżynieria procesowa w gospodarce odpadami

Wykład: Procesy cieplne. Ruch ciepła – pojęcia podstawowe

Dziękuję za uwagę