WYMIANA CIEPŁA

1. Przewodzenie ciepła (na czym polega):

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).

2. Konwekcyjna wymiana ciepła (na czym polega):

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.

3. Przenikanie ciepła (na czym polega):

Przenikanie ciepła. W przemysłowych procesach technologicznych rzadko występuje jeden rodzaj ruchu ciepła, np. czyste przewodzenie, konwekcja czy promieniowanie. Prawie zawsze ciepło jest przenoszone dwoma lub nawet trzema sposobami. W aparaturze przemysłu spożywczego główną rolę odgrywa ruch ciepła przez przewodzenie i konwekcję. Promieniowanie cieplne w większości procesów nie odgrywa dużej roli, ale musi być brane pod uwagę przy obliczaniu strat ciepła do otoczenia przez aparaty wyparne, pasteryzatory, kolumny rektyfikacyjne, zbiorniki itp. Ruch ciepła od jednego płynu do drugiego przez przegrodę nazywa się przenikaniem ciepła. Na przenikanie składa się: wnikanie ciepła od płynu o wyższej temperaturze od ściany (przegrody), przewodzenie ciepła przez ścianę i wnikanie ciepła od ściany do płynu o niższej temperaturze. Ciepło przenika przez ścianę z ośrodka o temperaturze wyższej t_z1 do ośrodka o temperaturze niższej t_z2.

Wzór na obliczanie strumienia ciepła przenikającego przez przegrodę ma postać: q = k ∙ Dt; gdzie k to współczynnik przenikania ciepła, a Dt = t_z1 - t_z2

4. Równanie Fouriera:

Podstawowe równanie ustalonego przewodzenia ciepła znane jest jako równanie Fouriera. W celu określenia przewodzenia jednokierunkowego równanie to zapisuje się w postaci:

λA

Gdzie dQ - strumień ciepła przewodzonego w kierunku osi x, W; A - powierzchnia przekroju poprzecznego w kierunku prostopadłym do ruchu ciepła m²; dt/dl - gradient temperatury w kierunku osi x, K/m; λ - współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m∙K).

Jeżeli ciało jest jednorodne, różnica temperatury niewielka (λ = const) lub znana jest zależność λ od temperatury, to równanie można scałkować w granicach grubości warstwy przewodzącej ciepło od l₁ do l₂ i odpowiadających jej temperatur t1 i t2, czyli:

Gdy λ nie jest const, wówczas całka po prawej stronie może być przedstawiana za pomocą średniej całkowej wartości λśr:

Stąd:

W przypadku ciał stałych wzór ma postać:

Gdzie
.

Obliczanie całki po lewej stronie równania (tego głównego!) jest uwarunkowane zależnością przekroju A od miejsca l. Dla ściany płaskiej, gdzie powierzchnia przekroju na całej drodze przewodzenia ciepła jest stała (A = const), równanie po scałkowaniu rzyjmuje postać

Czyli strumień ciepła przewodzony przez powierzchnię A określa się zależnością: Q = siła napędowa/opór cieplny.

5. Równanie Newtona:

Strumień ciepła wnikającego może być obliczony ze wzoru Fouriera, jednak grubość podwarstwy laminarnej w płycie, w której następuje największy spadek temperatury (przewodzenie) nie jest znana. Oznaczając, że:

Gdzie:
- przewodność cieplna właściwa cieczy, W/mK, l - grubość podwarstwy laminarnej, m;
- współczynnik wnikania ciepła, W/m2K, otrzymuje się empiryczny wzór Newtona:

Q =

Równanie Newtona określa globalny efekt w postaci ciepła wymienianego przez konwekcję.

Q =

Gdzie: Q gęstość strumienia ciepła [W/m2 ], α współczynnik wnikania ciepła [W/m2K], ts temperatura powierzchni ciała stałego (ścianki) [^oC], tp temperatura płynu [^oC]

Ponieważ współczynnik α jak i różnica temp. mogą się zmieniać w poszczególnych punktach powierzchni, równanie powinno być rozumiane jako dotyczące jednego punktu na powierzchni i wyrażane

dQ = α ∙ Δt ∙ dA

6. Równanie opisujące przenikanie ciepła ???

7. Współczynnik przewodzenia ciepła:

Współczynnik ten określa zdolność substancji do przewodzenia ciepła.

gdzie:

Q - ilość ciepła przepływającego przez ciało

λ - współczynnik przewodnictwa cieplnego

S - pole przekroju przez który przepływa ciepło

t - czas przepływu

ΔT - różnica temperatur w kierunku przewodzenia ciepła

d - grubość przegrody.

Jednostką współczynnika przewodzenia ciepła jest w układzie SI J/(m·s·K) = W·m⁻¹·K⁻¹ (wat na metr kelwin), czyli w jednostkach podstawowych SI kg·m/(s³·K)

8. Współczynnik wnikania ciepła:

Współczynnik ten określa ile ciepła wnika w jednostce czasu od płynu do jednostki powierzchni (lub odwrotnie) przy różnicy temperatur o wartości 1 kelwina między płynem a ścianą. Gdy maleje grubość podwarstwy laminarnej l to musi się zwiększyć współczynnik wnikania ciepła. Wielkość współczynników wnikania ciepłą jest funkcją właściwości płynu, kształtu i chropowatości powierzchni ścianki oraz rodzaju płynu. Wsp. wnikania ciepła wyrażane są w W/m²K.

9. Współczynnik przenikania ciepła:

Współczynnik przenikania ciepła (k) - umożliwia obliczanie ciepła przenikającego przez przegrodę cieplną, a także porównywanie własności cieplnych przegród. Im niższa wartość współczynnika, tym lepszy poziom izolacji.

Gdzie:

k - współczynnik przenikania ciepła,

q - ilość przepływającego ciepła w jednostce czasu (strumień ciepła),

S - powierzchnia przegrody,

ΔT - różnica temperatur po obu stronach przegrody.

10. Rozkład temperatur w wymienniku ciepła - na kolejnej stronie!

---