5. Podstawowe rodzaje ruchu ciepła. Izolacja cieplna.

Źródła : wykład Inżynieria Chemiczna 2012r. , "Wymiana Ciepła" S.Wiśniewski wydanie 6

Podstawowe rodzaje ruchu ciepła :

• Przewodzenie polega na przekazywaniu energii wewnętrznej między bezpośrednio stykającymi się częściami jednego ciała lub różnych ciał. W płynach przekazywana jest energia kinetyczna atomów i cząsteczek, a w ciałach stałych energia drgań atomów w sieci krystalicznej i ruchu swobodnych elektronów. Przewodzenie ciepła w płynach jest zazwyczaj połączone z konwekcją.

• Konwekcja określa ruch makroskopowy części płynu z jednego punktu do drugiego, o róż-nych temperaturach. Może występować w przestrzeniu ograniczonej (zbiornik, rura) lub nieograniczonej (opływanie po zewnętrznej powierzchni zbiornika). Wyróżniamy konwekcje swobodną (naturalną) lub konwekcję wymuszoną (np. przez pompę). Konwekcja naturalna zachodzi pod wpływem działania zewnętrznych sił masowych na części płynu o różnych temperaturach, a więc i o różnych gęstościach, natomiast konwekcja wymuszona zachodzi pod wypływem sił wymuszonych przez pompę, sprężarkę, dmuchawę, miesazadło

• Promieniowanie termiczne polega na wysyłaniu przez ciała o temperaturze wyższej od 0 bezwzględnego strumienia fal elektromagnetycznych i fotonów. Zachodzi zarówno w ośrodku materialnym jak i w próżni.

Izolacja cieplna.

W celu zmniejszenia strat ciepła do otoczenia stosuje się izolację cieplną. Obliczenie izolacji sprowadza się do doboru jej grubości przy znanym lub założonym strumieniu ciepła odpływającego do otoczenia lub określeniu tego strumienia przy znanej lub założonej grubości i rodzaju izolacji. Obliczenia sprowadzą się do rozwiązania jednego z równań przenikania ciepła w zależności od tego czy izolujemy ścianę płaską czy cylindryczną, jedną czy też kilkoma warstwami.

Ścianka płaska wielowarstwowa.

Transport ciepła określony przenikaniem ciepła odbywa się poprzez wnikanie ciepła do powierzchni ściany, przewodzeniem ciepła przez ściankę płaską złożoną z kilku warstw o różnych współczynnikach przewodzenia, oraz wnikania ciepła z drugiej powierzchni ściany do drugiego ośrodka.

Opór przenikania ciepła jest sumą oporów przewodzenia ciepła przez ściankę oraz przejmowania ciepła na obydwu zewnętrznych powierzchniach ścianki.

Do obliczeń często wprowadza się Opór właściwy przenikania ciepła, który otrzymuje się sumując współczynniki przejmowania/wnikania ciepła (α [W/m²*K]) oraz współczynniki przewodzenia ciepła (λ [W/m*K])

$\dot{Q} = \frac{A \bullet \left( T\mathrm{p1} - T\mathrm{p2} \right)}{r\mathrm{\text{kp}}}$ strumień ciepła [W]

$q = \frac{d\dot{Q}}{\text{dA}}$ [W/m ² ] gęstość strumienia, czyli do obliczeń przenikania ciepła ścianki wielowarstwowej można zastosować gęstość strumienia ciepła, uwzględniając wzór na strumień ciepła będzie równy:

$$q = \frac{\left( T\mathrm{p1} - T\mathrm{p2} \right)}{r\mathrm{\text{kp}}}$$

Grubość warstwy Izolacji w obliczeniach przenikania ciepła traktujemy jak zmienną niezależną.

Ścianka walcowa.

Obliczenie dla ścianki walcowej przeprowadza się analogicznie, z różnicą taką, że tutaj mamy doczynienia z liniową gęstością strumienia ciepła odniesioną do jednostki długości ścianki walcowej.

$$q\mathrm{l} = \frac{\dot{Q}}{l}$$

Natomiast sumowanie wszystkich oporów cieplnych dla przenikania przez ściankę wielowarstwową daje liniowy opór cieplny

zaś liniowa gęstość przez ściankę wielowarstwową walcową wyniesie wtedy :

W przypadku zastosowania izolacji to zewnętrzną średnicę izolacji d3 można potraktować jako zmienną niezależną, a wyznaczając ekstremum liniowego oporu cieplnego r_lkw otrzymujemy krytyczną średnicę izolacji równą :

$$d_{\text{kr}}\frac{2\lambda_{\text{izolacji}}}{\alpha_{2}}$$

Krytycznej średnicy izolacji odpowiada minimalny opór cieplny oraz maksymalny strumień ciepła. Przy zewnętrznej średnicy izolacji d_c liniowa gęstość strumienia ciepła q_l przenikającego przez ściankę izolowanej rury jest taka sama jak przy braku izolacji. Izolację cieplną o średnicy zewnętrznej d₃ należy tak dobrać aby d₃ > d_c gdyż tylko wtedy straty ciepła są mniejsze niż przy braku izolacji rury . Wartość minimalnej średnicy dc efektywnego działania izolacji można określić z warunku