9. Prednáška ___________________________________________________________________________________________________ _________________________________ Prestup tepla - prestup tepla prúdením (konvekcí) - sálaním (radiací) Prestup tepla prúdením (přenos tepla konvekcí) •Uplatňuje sa pri styku tekutiny so stenou •Rýchlosť prestupu tepla je väčšia ako v nehybnej vrstve v dôsledku premiešavania •Závisí od: fyzikálnych vlastností tekutiny •geometrických rozmerov zariadenia •hydrodynamických podmienok v tekutine: Prestup tepla pri voľnom (prirodzenom) prúdení – v dôsledku rôznych hustôt, gravitačnej sily... Prestup tepla pri nútenom prúdení–vyvolaný pôsobením vonkajšej mechanickej sily (čerpadlom, ventilátorom, mie-šadlom...) Newtonov zákon Tepelný odpor tekutiny a -súčiniteľ prestupu tepla prúdením Prestup tepla prúdením – mechanizmus prestupu tepla E:\Obrazky_CHI\P10.BMP a - súčiniteľ prestupu tepla prúdením – nie je látkový parameter, vo veľkej miere závisí od w (turbulencia) a geometrie priestoru Stena Laminárna vrstva (medzná vrstva), hrúbka δ závisí od: w, teploty steny tw a teploty tekutiny tf ,(smeru toku tepla) Turbulentné jadro tektiny Predstava o prestupe tepla pri prúdení V turbulentnom jadre tektiny je dokonalé miešanie, 0-vý teplotný rozdiel, 0-vý odpor V medznej vrstve sa prestup tepla realizuje vedením – V NEJ je sústredený ODPOR Prestup tepla prúdením – kriteriálne rovnice Kriteriálne rovnice Fourierovo číslo Prandtlovo číslo Reynoldsovo číslo Grashofovo číslo Charkteristický rozmer L, d; Určujúca teplota: Nusseltovo číslo Prestup tepla prúdením – analýza prúdenia pri voľnom prúdení (prirodzenom prúdení) pri nútenom prúdení pri vare kvapaliny pri konden- zácii pár v neobmedzenom priestore v obmedzenom priestore bez fázovej premeny s fázovou premenou Turbulentné prúdenie v rúrkach Prúdenie v rúrkach pri prechodnom režime Laminárne prúdenie v rúrkach Obtekanie zväzku rúrok Prestup tepla pri voľnom - prirodzenom prúdení V neobmedzenom priestore (ohrev miestností, ohrev tekutín v nádobách) samovoľný pohyb tekutiny v dôsledku rozdielnej teploty ( tlak pri stene) Určujúca teplota tm; charkteristický rozmer: d alebo L Konštanty C a n závisia od súčinu Gr.Pr V obmedzenom priestore (v úzke medzery): Fourierova rovnica, hnacia sila - rozdiel teplôt stien, δ – hrúbka medzery, λe – ekvivalentná tepelná vodivosť korekcia εk závisí od súčinu (Gr.Pr); určujúca teplota – aritmetický stred teplôt stien •So vzrastajúcou rýchlosťou prúdiacej tekutiny klesá δ - hrúbka medznej vrstvy Þ zmenšuje sa vplyv voľného prúdenia na rýchlosť toku tepla (Re, Gr) Prestup tepla pri nútenom prúdení tekutín – vplyv rôznych faktorov •Rozdielne hodnoty α pri ohreve tekutín a chladení tekutín - rôzna hrúbka medznej vrstvy δ Þ rozdielny odpor Þ rôzne α Þ rôzne exponenty v KR, alebo •Vplyv rozvírenia tekutiny – korekcia na dĺžku rúrky (d/L) - prepočítavacie faktory; prepážky, zmena smeru tekutiny – zväčšenie hodnoty α •Smer obtekania rúrky (rôzne δ) – korekcia (sinj) •Vplyv polohy potrubia: Ak sa vo zvislých rúrkach tekutina ohrieva a prúdi smerom hore - nižšie hodnoty Nu (α), smerom dole – vyššie Nu (α); (pri chladení naopak) - korekcie Vyvolaný je pôsobením vonkajšej mechanickej sily (čerpadlom, ventilátorom, miešadlom...) Prestup tepla pri nútenom prúdení tekutín Turbulentné prúdenie v rúrkach Re>10 000; L/d >50; μ <2.10-3 Pas Určujúca teplota – stredná teplota tekutiny ! Voľné prúdenie nemá vplyv na rýchlosť toku tepla tw Pre viskóznejšie kvapaliny (μ > 2.10-3 Pas): Re>10 000; L/d >50; μ > 2.10-3 Pas Určujúca teplota – stredná teplota tekutiny Ohrev: n=0.4 Chladenie: n=0.3 2300 < Re>10 000; μ > 2.10-3 Pas L/d <50 (vyšia turbulencia) UT – stredná teplota tekutiny Prestup tepla pri nútenom prúdení Laminárne prúdenie v rúrkach Uplatňuje sa aj voľné prúdenie a aj nútené prúdenie (pri laminárnom prúdení teplo prestupuje vedením v smere kolmom na smer prúdenia) a to súčasne Určujúca teplota – stredná teplota tekutiny Re < 2300; l/d >50 tw Prestup tepla pri nútenom prúdení. Obtekanie zväzku rúrok Kotlový výmenník tepla Intenzita vírenia je rozdielna v jednotlivých radoch: a1 , a2 , a3 , (a 4.....) – výpočet astr pre celý zväzok rúrok striedavé usporiadanie usporiadanie rúrok rúrok za sebou E:\CHI I\BRNO\Obrazky CHI-1\8,9-Prúdenie\P6.BMP Prestup tepla pri kondenzácii pár •Pri styku nasýtenej pary so studenou stenou •Kondenzácia, prudké zníženie tlaku nasýtených pár pri stene (podtlak)ÞIntenzívne jednosmerné prúdenie pár smerom k stene (niekoľkonásobne vyššie ako turbulentný tok) •Druhy kondenzácie: blanová (filmová) kvapková Rýchlosť prestupu tepla závisí od hrúbky filmu: •Geometrický tvar povrchu •Rýchlosti a smer toku pár •Poloha kondenzačného povrchu (vodorovné a zvislé rúrky)- smer toku kondenzátu v gravitačnom poli • Prestup tepla je intenzívnejší (kondenzát nezmáča povrch steny) a=105 Wm-2K-1 Rôzne vzťahy pre výpočet a pre kondenzáciu na zvislých a vodorovných stenách rúrky •Ak kondenzácia na zväzku rúrok – ich vzájomné usporiadanie usporiadanie a=103-104 Wm-2K-1 Prestup tepla pri vare kvapaliny •Var kvapaliny – odparovanie z jej celého objemu, (vyrovnanie tlaku nasýtenej pary a vonkajšieh tlaku, stav rovnováhy kvapalina – para ) Vznikajúce pary majú rádovo menšiu špecifický objem a spôsobujú rýchlu cirkuláciu (voľné prúdenie, ale omnoho účinnejšie) , Dt rozdiel medzi teplotou ohrevného povrchu a tekutiny, P Intenzita premiešavania – počet bubliniek a rýchlosť ich postupu smerom nahor ? Vplyv – fyzikálne vlastnosti tekutiny a pary a hustota tepelného toku cez výhrevnú plochu ! Blanový var je nežiadúci (prestup tepla iba vedením)! V praxi sa udržuje vždy bublinový var! Þ Rôzne režimy varu ® Kontakt ohrevnej plochy s kvapalinou: Prestup tepla prúdením – porovnanie koeficientov prestupu tepla prúdením Spôsob prúdenia tekutiny Hodnoty a [Wm-2K-1] ________________________________________________________________________ Voľné prúdenie plynov 100 Voľné prúdenie kvapalín 101-102 Nútené prúdenie plynov 101 Nútené prúdenie kvapalín 102-103 Var kvapalín 103-104 Blanová kondenzácia pár 103-104 Kvapková kondenzácia pár 105 ________________________________________________________________________ Prestup tepla sálaním (radiací) Každé teleso vyžaruje elektromagnetické žiarenie určitých vlnových dĺžok (0-¥) ! Infračervené žiarenie – žiarenie, ktoré pri dopade sa mení na tepelnú energiu ( 0.8 až 400 mm) Hustota toku tepla (sálavého toku): Absolutne čierne teleso: pohltí (vyžiari) celý tepelný tok Tepelný tok sálaním a tuhé teleso ? časť sa môže pohltiť, časť odraziť, časť prejsť telesom Stefan – Boltzmannov zákon s = 5.670.10-8 Wm-2K-4 C0 = 5.670 Wm-2K-4 – koeficient sálania absolutne čierneho telesa Absolutne biele teleso: odrazí celý tepelný tok Prestup tepla sálaním (radiací) Šedé teleso: časť sa pohltí, časť odrazí, časť prejde telesom Emisivita, žiarivosť (stupeň čiernosti) Prestup tepla sálaním medzi dvoma telesami o teplote T1 a T2 Koef. sálania čierneho telesa Plocha Stupeň žiarivosti Uhlový súčiniteľ Tabelované údaje:závisí od materiálu , úpravy povrchu, (znečistenia povrchu...) Prestup tepla sálaním (radiací) Pr.: Prestup tepla sálaním medzi dvoma dokonale rovnobežnými stenami Úhrnný koeficient sálania C1,2 Pr.: Prestup tepla sálaním medzi dvoma telesami v uzavretom priestore, menšie teleso má vypuklý tvar, plochu A1 a je uzavreté väčším telesom o ploche A2 Úhrnný koeficient sálania C1,2 Vedľa sálania prebieha aj voľné prúdenie (? prevládajúci vplyv)