Wymiana ciepła przez promieniowanie

ZAKRES WYMAGANYCH WIADOMOŚCI

Podstawowe prawa i pojęcia promieniowana. Wymiana ciepła przez promieniowanie pomiędzy ciałami nieczarnymi, współczynniki konfiguracji, ekrany cieplne.

ZADANIA

1. W pokoju utrzymywanym w temperaturze 22ºC znajduje się stojąca osoba. Średnia temperatura wewnętrznej powierzchni ścian, podłogi i sufitu pokoju wynosi 10ºC w zimie oraz 25ºC w lecie. Obliczyć wielkość radiacyjnej wymiany ciepła pomiędzy osobą a otoczeniem, jeżeli całkowita powierzchnia osoby wystawionej na działanie promieniowania wynosi 1,4 m² a temp. zewnętrznej powierzchni wynosi 30ºC. Emisyjność ε = 0.95.

2. Dwie duże czarne płyty (ε = 1) o temperaturach 290 K i 150 K ułożone są równolegle względem siebie. Odległość pomiędzy płytami wynosi 2 cm. Obliczyć całkowitą ilość ciepła wymienianego pomiędzy płytami, jeśli przestrzeń pomiędzy płytami wypełniona jest a) powietrzem, b) próżnia, c) materiałem izolacyjnym o współczynniku przewodzenia ciepła równym 0.00015 W/(m⋅K).

3. Ubrany i nieubrany człowiek czuje się komfortowo, kiedy jego skóra ma temperaturę 33°C. Rozważmy przeciętnego mężczyznę ubranego w letnie ubranie, którego opór cieplny wynosi 0,6 clo. Mężczyzna czuje się komfortowo, podczas gdy znajduje się w pokoju utrzymywanym w temp. 22°C. Temperatura ścian w pokoju wynosi 22°C. Ruch powietrz w pokoju jest pomijalny. Obliczyć, jaka musi panować temperaturę w pokoju, aby mężczyzna czuł się komfortowo, gdy jest rozebrany. Przyjąć, iż pole powierzchni przeciętego człowieka wynosi 1,8 m². współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła dla człowieka w bezruchu wynosi 4 W/(m²·K), współczynnik radiacyjnej wymiany ciepła charakterystyczny dla domowych warunków wynosi 4,7 W/(m²·K).

4. Płaska, pionowa ściana pieca o temp. powierzchni 120°C jest równoległa do ściany pomieszczenia o temperaturze powierzchni 20°C. Ściana pieca oddaje ciepło do otoczenia przez promieniowanie i konwekcję swobodną. Powierzchnia ściany pieca wynosi 60 m², a jej wysokość 2 m. Temperatura powietrza znajdującego się w pomieszczeniu w pewnym oddaleniu od pieca wynosi 40°C. Obliczyć moc cieplną oddawaną przez ścianę do otoczenia, jeżeli jej emisyjność wynosi 0,9, emisyjność zaś ściany pomieszczenia 0,8.

5. Temperatura powietrza podczas bezchmurnej nocy wynosi 4°C. Podano komunikat, iż woda tej nocy ma zamarznąć. Przyjmując współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła 18 W/(m²·K) określ rzeczywistą temperaturę nieba tej nocy. Emisyjność wody wynosi 0.95.

6. Powierzchnia absorbera kolektora słonecznego jest wykonana z aluminium powleczonego czarnym chromem (a = 0.87, ε = 0.09). Gęstość strumienia ciepła promieniowania słonecznego padającego na powierzchnię wynosi 600 W/m². Temperatura powietrza wynosi 25°C, temperatura nieba 15°C, natomiast współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła 10 W/(m²·K). Dla temp. powierzchni absorbera równej 70°C określ gęstość strumienia ciepła dostarczonego przez obszar kolektora do wody krążącej za nim. Określ temp. powierzchni absorbera, jeśli tylnia ścina absorbera jest izolowana.

7. Cienka blacha aluminiowa o emisyjności 0,1 jest ułożona pomiędzy dwoma bardzo dużymi równoległymi płytami, które są utrzymywane w temp. 500ºC (ε₁ = 0.2) i 800ºC (ε₂ = 0.7). Określ wielkość wymiany ciepła w wyniku radiacji pomiędzy powierzchniami płyt oraz porównaj uzyskany wynik z wielkością ciepła wymienianego w wyniku radiacji dla płyt bez ekranu.

8. Obliczyć stratę ciepła przez promieniowanie dla rury stalowej o d = 70 mm i l = 3 m przy t₁ = 227ºC, jeżeli rura ta znajduje się:

a) w dużym pomieszczeniu ceglanym, którego temperatura ścianek t₂ = 27ºC

b) w kanale ceglanym (0.3 x 0.3) m przy t₂ = 27ºC.

Emisyjność stali utlenionej ε₁ = 0,79, emisyjność cegły ε₂ = 0,93.

9. Zbiornik w kształcie kuli o średnicy wewnętrznej 3 m, wykonany jest ze stali o współczynniku przewodzenia ciepła λ₁ = 15 W/(m⋅K). Grubość ściany zbiornika wynosi 2 cm. Zbiornik służy do magazynowania wody o temp. 0ºC. Zbiornik jest umieszczony w pokoju o temp. ścian i powietrza 22ºC. Temperatura zewnętrznej czarnej ściany zbiornika wynosi 5ºC. Współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła wewnątrz zbiornika wynosi 80 W/(m²⋅K), na zewnątrz 10 W/(m²⋅K). Określ szybkość przepływu ciepła do zamarzniętej wody oraz ilość lodu która stopnieje podczas 24 h.




---