background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

1/11

 

 

WSPÓŁCZYNNIK WNIKANIA CIEPŁA  

PRZY KONWEKCJI NATURALNEJ I WYMUSZONEJ 

 

1. Wprowadzenie  
 
Wymiana ciepła jest zjawiskiem występującym wówczas, gdy istnieje różnica (gradient) 
temperatur  wewnątrz  pewnego  układu  lub  między  kilkoma  układami  mogącymi 
wzajemnie  na  siebie  oddziaływać.  Zgodnie  z  drugą  zasadą  termodynamiki  następuje 
wtedy wymiana energii, przy czym część układu czy też układ o temperaturze wyższej 
oddaje  energię  układowi  o  temperaturze  niższej.  Związki  ilościowe  określające  ilości 
wymienianej energii podlegają oczywiście pierwszej zasadzie termodynamiki.  Podczas  
omawiania zagadnień wymiany ciepła rozróżnia się trzy zasadnicze mechanizmy ruchu 
ciepła:  
a) promieniowanie,  
b) konwekcję,  
c) przewodzenie ciepła.  
Rozróżnienie  to  spowodowane  jest  odmiennością  mechanizmu  przenoszenia  energii 
cieplnej, jednak w praktyce rzadko spotyka się powyższe przypadki w czystej postaci. 
Przeważnie  występują  one  w  pewnych  kombinacjach,  co  należy  odpowiednio 
uwzględnić w obliczeniach. 
 
Promieniowanie  ciepła  polega  na  przenoszeniu  energii  przez  kwanty  promieniowania 
elektromagnetycznego  o  pewnym  zakresie  długości  fali.  W  odróżnieniu  od 
przewodzenia  i  konwekcji  promieniowanie  nie  wymaga  ośrodka  materialnego  którym 
mogłoby się rozchodzić, gdyż może się ono także rozchodzić w próżni. Jak wiadomo, 
wszystkie  ciała  wysyłają  promieniowanie  elektromagnetyczne,  przy  czym  ilość 
wypromieniowanej energii zależy od rodzaju powierzchni ciała oraz jego temperatury. 
Energia promieniowania przenosi się z prędkością równą prędkości światła, co wynika z 
elektromagnetycznego pochodzenia tej energii
 
Konwekcja albo unoszenie ciepła 
występuje wówczas, gdy poszczególne cząstki ciała,  
w  którym  przenosi  się  ciepło,  zmieniają  swoje  położenie.  Zjawisko  to  jest 
charakterystyczne  dla  płynów  i  gazów,  przy  czym  przenoszenie  energii  odbywa  się 
wskutek  mieszania  się  płynu,  a  także  w  niewielkim  stopniu  przez  przewodzenie. 
Niezbędnym  warunkiem  występowania  konwekcji  jest  więc  ruch  ośrodka,  w  którym 
przenosi się ciepło. Ruch ten może być wywołany sztucznie przez specjalne urządzenia, 
takie  jak  np.  wentylatory  lub  pompy,  i  wówczas  mówi  się  o  konwekcji  wymuszonej 
albo  przyczyną  ruchu  może  być  różnica  gęstości  spowodowana  różnicą  temperatur  w 
ośrodku.  W tym ostatnim przypadku konwekcję nazywa się swobodną lub naturalną.  
Przewodzenie ciepła 
jest zjawiskiem polegającym na przenoszeniu się energii wewnątrz 
ośrodka  materialnego  lub  z  jednego  ośrodka  do  drugiego  przy  ich  bezpośrednim 
zetknięciu,  z  miejsc  o  temperaturze  wyższej  do  miejsc  o  temperaturze  niższej,  przy 
czym  poszczególne  cząstki  rozpatrywanego  układu  nie  wykazują  większych  zmian 
położenia.    Ten  sposób  wymiany  ciepła  jest  charakterystyczny    przede  wszystkim  dla 
ciał  stałych.  W  cieczach  i  gazach  przewodzenie  ciepła  w  czystej  postaci  bez 
równoczesnego  udziału  innych  sposobów  wymiany  ciepła  występuje  rzadziej  (przy 
niewielkich warstwach i przepływie laminarnym).  
 
 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

2/11

 

 

2 Cel ćwiczenia 
 
1.  Praktyczne rozróżnienie mechanizmów ruchu ciepła podczas wnikania. 
2.  Doświadczalne wyznaczenie wartości współczynników wnikania ciepła. 
3.  Obliczenie  współczynników  wnikania  ciepła  w  oparciu  o  bezwymiarowe  równania 

korelacyjne. 

 
3. Wykonanie ćwiczenia 
Schemat stanowiska doświadczalnego przedstawia rys. 1. 
 

 

 

Rys. 1. Schemat stanowiska: 1 – amperomierz; 2 – termometr elektroniczny;  
3 – anemometr czaszowy; 4 – autotransformator; 5 -  woltomierz, 6 – rura z grzejnikiem 
elektrycznym; 7 - wentylator 
 
1.  Zestawić układ pomiarowy wg schematu. 
2.  Założyć ekran zabezpieczający przed niekontrolowanym  ruchem  powietrza podczas 

konwekcji naturalnej. 

3.  Nastawić  za  pomocą  autotransformatora,  zadane  przez  prowadzącego  wartości 

parametrów napięcia U oraz natężenia prądu I. 

4.  Z chwilą włączenia zasilania rozpocząć odczyty  wskazań mierników na stanowisku 

i temperatury  otoczenia.  Odczyty  prowadzić  w  odstępach  3-minutowych  zapisując 
wyniki w tabeli sporządzonej wg wzoru - tab. 1. 

5.  Gdy trzy kolejne odczyty temperatury powierzchni rurociągu powtarzają się, można 

przyjąć,  że  ruch  ciepła  w  układzie  ustalił  się,  a  zatem  w  warunkach  konwekcji 
naturalnej pomiar uznajemy za zakończony. 

6.  Po  zakończeniu  powyższej  części  doświadczenia  należy  usunąć  ekran  otaczający 

badany rurociąg. 

7.  Nie  zmieniając  parametrów  obciążenia  grzejnika,  włączyć  wentylator,  a  następnie 

osiągnąć takie wzajemne położenie wentylatora i czujnika anemometru by prędkość 
przepływu powietrza w bezpośrednim otoczeniu rury była jak największa. 

8.  Odczyty  temperatur  prowadzić  jak  poprzednio,  aż  do  osiągnięcia  ustalonego  ruchu 

ciepła. 
 

 LZ 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

3/11

 

 

3. Opracowanie wyników pomiarów 
 
1.  Wyniki  pomiarów  należy  umieścić  w  tabeli  1  (wzór).  W  kolumnie  8  tabeli  podać 

godzinę  rozpoczęcia  i  zakończenia  doświadczenia  oraz  w  jakich  warunkach 
prowadzono pomiary. 

2.  Niezbędne  do  obliczeń  fizykochemiczne  właściwości  powietrza  należy  odczytać 

z załączonych  tabel  dla  temperatury  średniej  między  temperaturą  otoczenia 
i temperaturą ścianki. Wszystkie wartości umieścić w tabeli sporządzonej wg wzoru 
tab. 2. 

3.  Wydajność cieplną układu Q obliczyć na podstawie wyników pomiarów parametrów 

obciążenia spirali grzejnika, przyjmując współczynnik sprawności 

 = 0,9. 

 
 

 

 

I

U

Q

 

Ciepło  jest  oddawane  przez  rurociąg  do  otoczenia  głównie  przez  konwekcję,  ale 
część  jest  także  wypromieniowana.  W  warunkach  konwekcji  naturalnej  udział 
wypromieniowanego  ciepła 

Q  jest  stosunkowo  duży,  dlatego  należy  go  obliczyć. 

Stąd ciepło przekazane do otoczenia w procesie wnikania wyniesie: 
 
 

 

 

Q

Q

W

w

 

 
Ilość ciepła oddawanego powietrzu przez promieniowanie można obliczyć w sposób 
uproszczony.  W  tabeli  7  podano  ilość  ciepła  wypromieniowanego    q    przez  1m

2

 

powierzchni  ciała idealnie czarnego do otoczenia. Ponieważ powierzchnia rury jest 
szara, ilość ciepła wypromieniowanego jest mniejsza. 
 
 

 

 

F

q

Q

 

 
Zdolność  emulsji 

  dla  rury  stalowej  można  przyjąć  na  poziomie 

  =  0,82. 

W warunkach  konwekcji  wymuszonej  ruch  ciepła  przez  wnikanie  jest  na  tyle 
intensywny, że promieniowanie można pominąć, wówczas: 
 
 

 

 

Q

Q

w

 

 
4. Obliczyć  praktyczne  wartości  współczynników  wnikania  ciepła  w  warunkach 

konwekcji naturalnej i wymuszonej korzystając z równań 1

6 podanych w tabeli 3. 

5. Na  podstawie  danych  zestawionych  w  tabeli  2  i  wyników  pomiarów,  za  pomocą 

równań  7

12  określić  teoretyczną  wartość  współczynnika  wnikania  ciepła 

w warunkach konwekcji naturalnej. 
Trzeba  tu  skorzystać  z  równań  kryterialnych.  W  tym  celu  należy  obliczyć  liczbę 
Grashofa, 
 

 

 

 

2

2

3

h

t

g

Gr

 

 
gdzie: 

 g - przyspieszenie ziemskie    [m/s

2

 

 - współczynnik rozszerzalności objętościowej    [1/K] 

t - różnica temp. między ścianą a otoczeniem    [

C] 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

4/11

 

 

 h - charakterystyczny wymiar liniowy   [m] 
 

 - gęstość ośrodka    [kg/m

3

 

 - lepkość dynamiczna ośrodka   [Pa

s] 

 
a następnie skorzystać z korelacji liczb bezwymiarowych 
 
 

 

 

i

Pr

Gr

C

Nu

 

 
przy czym stałą C należy przyjąć z tabeli 5 z uwzględnieniem rzeczywistej geometrii 
układu  i  wartości  wyrażenia  (Gr

Pr),  natomiast  wartość  współczynnika  (i)  przyjąć 

z tabeli 6 w zależności od wartości wyrażenia (Gr

Pr).  

Wartość współczynnika wnikania ciepła można obliczyć z zależności 
 

 

 

 

h

Nu

 

gdzie: 

Nu - liczba Nusselta 
  

 - współczynnik przenikania ciepła     [W/(m

K)] 

  h – charakterystyczny, pionowy wymiar liniowy   [m] 

 
Charakterystycznym  pionowym  wymiarem  liniowym  (h)  dla  warunków 
doświadczenia jest średnica rury (d), stąd 
 

 

 

 

d

Nu

 

 

6.  Korzystając  z  danych  w  tabeli  2  i  wyników  pomiarów,  za  pomocą  równań  13

15 

(tab. 4)  obliczyć  także  wartość  teoretyczną  współczynnika  wnikania  ciepła 
w warunkach  konwekcji  wymuszonej.  W  tym  przypadku  znana  jest  prędkość 
przepływu powietrza, dlatego można obliczyć tu liczbę Reynoldsa 
 

 

 

 

d

u

Re

 

 
gdzie: 

u - prędkość przepływu powietrza   [m/s] 
d - średnica rury   [m] 

 - gęstość powietrza   [kg/m

3

 - współczynnik lepkości dynamicznej   [Pa

s] 

 
Dla  burzliwego  przepływu  czynnika  w  poprzek  poziomej  rury,  współczynnik 
wnikania ciepła można obliczyć w oparciu o równanie: 
 
 

 

 

3

0

6

0

26

0

,

,

Pr

Re

,

Nu

 

wówczas 

 

 

 

d

Nu

 

 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

5/11

 

 

7. Tok obliczeń i ich wyniki należy podać w tabelach 3, 4 (wzór). 
8. Przeprowadzić analizę zebranego materiału liczbowego i wyciągnąć wnioski. 
 
Uwaga! 
Do obliczeń przyjąć wymiary rury stalowej L= 0,367 m i d = 36 mm 
 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

6/11

 

 

Tabela 1 

 

Wyniki pomiarów 

 

N

umer

  

doświadc

ze

ni

Numer 

pomiaru 

Obciążenie 

grzejnika 

Temperatura 

Prędkość 

przepływu 

powietrza 

Uwagi 

powierzchni 

rury 

otoczenia 

U  [V]  I  [A] 

t

r

  [

C] 

t

o

  [

C] 

u  [m/s] 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

Tabela 2 

 

Fizykochemiczne właściwości powietrza w warunkach doświadczenia 

 

 

Parametr 

 

Symbol 

 

Wymiar 

Wartość parametrów 

dla doświadczenia numer 

 

 

 

itd 

Temperatura 

t

m

 

 

 

 

Gęstość 

 

kg/m

3

 

 

 

 

Dynamiczny 
współczynnik 
lepkości 

 

Pa

 

 

 

Liczba Prandtla 

Pr 

 

 

 

Współczynnik 
przewodzenia ciepła 

 

w/(m

K) 

 

 

 

 
Właściwości  powietrza  należy  odczytać  z  tabeli  8  dla  temperatury  średniej  między 
temperaturą otoczenia i temperaturą ścianki 

 

Tabela 3 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

7/11

 

 

 

Obliczenia współczynnika wnikania ciepła 

 od rurociągu do otoczenia 

 w warunkach konwekcji naturalnej 

 

Wielkość 

Symbol  Wymiar 

Zależność 

Wyniki obliczeń 

dla doświadczenia 

 

 

 

 

itd 

Wydajność cieplna 
układu 

Q U I

   

            [1] 

 

 

 

Ciepło oddane do 
otoczenia przez 
promieniowanie 

Q

q F

  

          [2] 

 

 

 

Ciepło oddane do 
otoczenia  przez 
wnikanie 

Q

w

 

Q

Q

Q

w

  

         [3] 

 

 

 

Spadek temperatury 
w procesie wnikania 

t

t

t

r

o

             [4] 

 

 

 

Powierzchnia 
wymiany ciepła 

m

2

 

F

d l

  

               [5] 

 

 

 

Współczynnik 
wnikania ciepła 
(praktyczny) 

 

W/m

2

 

Q

F

t

w

               [6] 

 

 

 

Średnia temperatura 
powietrza 

t

m

 

o

r

m

t

t

t

2

1

      [7] 

 

 

 

Współczynnik 
rozszerzalności 
cieplnej 

 

K

-1

 

 

1

273 15

,

t

m

      [8] 

 

 

 

Liczba Grashofa 

Gr 

2

2

3

h

t

g

Gr

[9] 

 

 

 

Wyrażenie 
bezwymiarowe 

Gr

Pr 

Gr

Pr                      [10] 

 

 

 

Liczba Nusselta 

Nu 

i

Pr

Gr

C

Nu

    [11]   

 

 

Współczynnik 
wnikania ciepła 
(teoretyczny) 

 

W/m

2

Nu

d

               [12] 

 

 

 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

8/11

 

 

Tabela 4 (wzór) 

 

Obliczenia współczynnika wnikania ciepła 

 od rurociągu do otoczenia 

 w warunkach konwekcji wymuszonej 

 
 

Wielkość 

Symbol  Wymiar 

Zależność 

Wynik obliczenia 

dla doświadczenia 

 

 

 

itd. 

Ciepło oddane przez  
rurociąg 

I

U

Q

           [1] 

 

 

 

Spadek temperatury 
w procesie wnikania 

t

t

t

r

o

           [4] 

 

 

 

Współczynnik wnikania 
ciepła (praktyczny) 

 

W/m

2

 

Q

F

t

             [6] 

 

 

 

Średnia temperatura 
powietrza 

t

m

 

o

r

m

t

t

t

2

1

    [7] 

 

 

 

Liczba Reynoldsa 

Re 

Re

 

u d

       [13] 

 

 

 

Liczba Nusselta 

Nu 

Nu

0 26

0 6

0 3

,

Re

Pr

,

,

 

                           [14] 

 

 

 

Współczynnik wnikania 
ciepła (teoretyczny) 

 

W/m

2

Nu

d

          [15] 

 

 

 

 
 
 

 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

9/11

 

 

Tabela 5 

 

Wartości współczynnika liczbowego C 

 

Układ 

Gr

Pr 10

10

3

9

 

Gr

 

Pr 10

9

 

Ściana pionowa, cylinder pionowy 

0,59 

0,135 

Rura pozioma, drut 

0,53 

0,11 

Płyta pozioma oddająca ciepło ku górze 

0,54 

0,14 

Płyta pozioma oddająca ciepło w dół 

0,35 

0,08 

 
 
 

Tabela 6 

 

Wartości wykładników  i 

 

     Gr

Pr 10

10

3

9

 

i = 0,25 

     Gr

 

Pr 10

9

 

i = 0,33 

 
 
 

 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

10/11

 

 

 

Tabela 7 

 

Promieniowanie powierzchni doskonale czarnej o temp. t do otoczenia o temp. 15

 

Temperatura powierzchni  [

C] 

q [W/m

2

15 
16 
17 
18 
19 
20 
21 
22 
23 
24 
25 
30  
35 
40 
45 
50 
55 
60 
65 
70 
75 
80 
85 
90 
95 

100 
105 
110 
115 
120 
130 
140 
150 


10 
16 
22 
28 
34 
40 
45 
51 
57 
88 

121 
155 
191 
228 
268 
308 
351 
397 
444 
493 
544 
598 
652 
711 
771 
834 
899 
968 

1112 
1267 
1432 

 
 

background image

 

Katedra Inżynierii i Aparatury 

Procesowej 

C01 

 

 

 

11/11

 

 

Tabela 8 

 

Parametry fizyczne suchego powietrza przy ciśnieniu atmosferycznym 

 

 

Temperatura 

 

Gęstość 

Ciepło 

właściwe 

Współczynnik 

przewodzenia 

ciepła 

Współczynnik 

lepkości 

dynamicznej 

Liczba 

Prandtla 

 

c

p

 

 

10

2

 



 10

6

 

Pr 

[

C] 

[kg/m

3

[J/(kg

K)] 

[W/(m

K)] 

[Pa

s] 

 

    0 

  10 

  20 

  30 

  40 

  50 

  60 

  70 

  80 

  90 

100 

120 

140 

160 

180 

200 

250 

300 

1,252 

1,206 

1,164 

1,127 

1,092 

1,056 

1,025 

0,996 

0,968 

0,942 

0,916 

0,870 

0,827 

0,789 

0,755 

0,723 

0,653 

0,596 

1009,0 

1009,0 

1013,2 

1013,2 

1013,2 

1017,4 

1017,4 

1017,4 

1021,6 

1021,6 

1021,6 

1025,8 

1025,8 

1029,9 

1034,1 

1034,1 

1042,5 

1046,7 

 

2,366 

2,448 

2,517 

2,575 

2,645 

2,714 

2,796 

2,854 

2,923 

2,993 

3,062 

3,190 

3,318 

3,434 

3,561 

3,689 

3,967 

4,280 

 

17,168 

17,751 

18,224 

18,668 

19,224 

19,613 

20,113 

20,390 

20,974 

21,585 

21,779 

22,751 

23,530 

24,113 

25,002 

25,891 

27,947 

29,725 

0,723 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

0,722 

 
Literatura:  

1.  Serwiński  M.  –  Zasady  inżynierii  chemicznej  i  procesowej.  WNT,  Warszawa 

1982; 

2.  Lewicki  P.  (red.)  –  Inżynieria  procesowa  i  aparatura  przemysłu  spożywczego. 

WNT, Warszawa 1999 ; 

3.  Hobler T. – Ruch ciepła i wymienniki. Wyd. IV. WNT, Warszawa 1971; 

Opracowanie: 
Prof. dr hab. inż. Lidia Zander 
Dr inż. Elżbieta Haponiuk