Prestup tepla konvekciou gule: princípy a aplikácie

Výmenník tepla je zariadenie, v ktorom priebežne dochádza k prenosu tepla z jedného média na druhé. Prirodzené zákony fyziky vždy umožňujú energii prúdiť v rámci systému do tej doby, kýmnie je dosiahnutý rovnovážny stav. Výmenník tepla pracuje na uvedenom princípe vyrovnávania teplôt. Prenos tepla prebieha spomenutými spôsobmi. Tri typy prenosu tepla sú vodivosť, konvekcia a žiarenie. Prečo teplo prúdi z horúceho do studeného? Hnacou silou prestupu tepla je rozdiel teplôt.

Vedenie je prenos tepla látkou. Vedenie je prenos tepla cez pevný materiál. Vyskytuje sa, keď molekuly v látke vibrujú a prenášajú energiu na susedné molekuly. Príklad vedenia: Dotýkanie sa kovovej tyče, ktorá bola zahriata na jednom konci. Tepelná vodivosť látok je rôzna. Najlepším vodičom tepla sú kovy, naopak drevo a plasty vedú teplo zle. Tepelná vodivosť je miera schopnosti materiálu viesť teplo. Tepelná vodivosť λ je koeficient úmernosti vo Fourierovej rovnici, kde hustota toku tepla je úmerná zápornému gradientu teploty. Je to materiálová konštanta. Silne ju ovplyvňuje vlhkosť, aj pri malej vlhkosti vzrastá, čo znamená zhoršenie tepelne izolačných vlastností.

Sálanie je prenos tepla prostredníctvom elektromagnetických vĺn. Sálanie - energia je prenášaná prostredníctvom elektromagnetických vĺn. prebieha medzi telesami v prostredí prepúšťajúcom aspoň z časti elektromagnetické vlny. Pri nižších teplotách sa deje v podstate infračervenými lúčmi. Povrchy s veľkou odrazivosťou (reflexiou) majú nízske sálanie (emisivitu) a naopak. Príklad žiarenia: Teplo zo slnka, ktoré zahrieva tvár alebo praží marshmallow pri ohni. Pri pražení marshmallows spôsobuje prenos tepla prostredníctvom žiarenia chemickú zmenu.

Konvekcia je prenos tepla pohybom kvapalín (kvapalín alebo plynov). Teplo sa šíri konvekciou len v plynoch a kvapalinách (v tekutinách), a to premiestňovaním objemov tekutiny v priestore, pričom na konvekcii sa zúčastňuje aj vedenie tepla. Nútené prúdenie - pohyb média závisí úplne alebo čiastočne na pôsobení vonkajších vplyvov. Príklad horúceho vzduchu: vriaca voda. Konvekčný prenos tepla cez vonkajšie povrchy, analýza plochých dosiek.

Prestup tepla konvekciou je proces, pri ktorom sa teplo prenáša medzi povrchom a pohybujúcou sa tekutinou. V prípade gule je tento proces ovplyvnený niekoľkými faktormi, ktoré je potrebné zohľadniť pri výpočte. Pri odovzdávaní tepla konvekciou dominuje v blízkosti povrchu rúrky odovzdávanie tepla kondukciou, kde je rýchlosť veľmi malá a na povrchu rúry rýchlosť klesá na nulu. Pri prestupe tepla z rúrky do tekutiny, alebo naopak je účelné zjednodušene predpokladať rovnomerné rozloženie teploty v tekutine aj keď je skutočnosť zložitejšia. Súčiniteľ prestupu tepla konvekciou hs závisí na vlastnosti tekutiny, jej pohybovom stave, na povrchu rúrky (izolácie).

Faktory ovplyvňujúce prestup tepla konvekciou gule

Prestup tepla konvekciou gule závisí od nasledujúcich faktorov:

• Teplota povrchu gule: Čím vyššia je teplota povrchu gule, tým väčší je prestup tepla.
• Teplota tekutiny: Čím nižšia je teplota tekutiny, tým väčší je prestup tepla.
• Rýchlosť prúdenia tekutiny: Čím vyššia je rýchlosť prúdenia tekutiny, tým väčší je prestup tepla.
• Vlastnosti tekutiny: Vlastnosti tekutiny, ako sú hustota, viskozita a tepelná vodivosť, ovplyvňujú prestup tepla.
• Priemer gule: Priemer gule ovplyvňuje plochu povrchu, cez ktorú dochádza k prestupu tepla.

Vzorce pre výpočet prestupu tepla

Pre výpočet prestupu tepla konvekciou gule sa používajú nasledujúce vzorce:

• Nusseltovo číslo (Nu): \(Nu = \frac{hD}{k}\) kde: \(h\) je koeficient prestupu tepla konvekciou, \(D\) je priemer gule, \(k\) je tepelná vodivosť tekutiny.
• Koeficient prestupu tepla konvekciou (h): \(h = \frac{Nu \cdot k}{D}\)
• Množstvo tepla (Q): \(Q = h \cdot A \cdot (T_s - T_\infty)\) kde: \(A\) je povrch gule (\(A = 4\pi r^2\)), \(T_s\) je teplota povrchu gule, \(T_\infty\) je teplota tekutiny.

Typy prúdenia

Keď kvapalina preteká uzavretým kanálom, napr. K laminárnemu prúdenia dochádza vtedy, keď častice kvapaliny prechádzajú rúrkou v rôznych rovnobežných vrstevniciach. Tie sa vyznačujú parabolickým rýchlostným profilom s maximálnou rýchlosťou uprostred a takmer nulovou rýchlosťou na okraji. K turbulentnému prúdenia dochádza vtedy, keď nie je prietok kvapaliny usporiadaný, ale náhodný, vírivý, takže dochádza k miešaniu. Pokiaľ k turbulentnému prúdeniu dochádza v rúrke, rýchlostný profil nie je parabolický, ale takmer konštantný. Pri turbulentnom prúdení, ktoré sa najčastejšie vyskytuje v prípade distribúcie TV, prebieha intenzívne premiešanie častíc tekutiny.

Prechodové oblasti:

• c) 2320 < Re < 10 000 - prechodná oblasť (Re - Reynoldsovo číslo).

Je to prúdenie, pri ktorom sa vrstvy tekutiny ustavične premiešavajú; častice prúdu, ktoré sa pohybujú pozdĺž kanála určitou rýchlosťou, majú zložku rýchlosti aj v smere kolmom na jeho os. Prúdenie tekutiny vtedy poskytuje obraz neusporiadanej masy chaoticky sa pohybujúcich častíc tekutiny.

Doskové výmenníky tepla

Teplovýmenná plocha v doskovom výmenníku tepla je tvorená súborom zvlnených kovových dosiek. Tie sa vyrábajú z rôznych materiálov v závislosti na kvapalinách, ktoré sa majú ohriať alebo ochladiť. Kvapaliny prúdia výmenníkom v kanáloch, ktoré sú u rozoberateľných doskových výmenníkov tepla tvorené kombináciou dosiek a gumených tesnení. V rohoch dosiek sa nachádzajú vstupné / výstupné otvory, ktorými môžu dve rôzne médiá, jedno studené, druhé teplé, pretekať do jednotlivých kanálov. Tesnenie medzi doskami pritom médiá usmerňujú. U doskového výmenníka je teplo veľmi ľahko odovzdávané cez tenkú stenu, ktorá oddeľuje teplé médium od chladného.

Typy zapojenia:

• Horná krivka znázorňuje zmenu teploty teplej kvapaliny pri pretekaní výmenníkom tepla, dolná krivka znázorňuje zmenu teploty studenej kvapaliny. V hornom grafe je znázornený protiprúd, v spodnom súprúd. Protiprúdne zapojenie je u doskových výmenníkoch tepla najpoužívanejšie.
• Pri tomto zapojení je možné kríženie teplôt na vstupe a výstupe a je možné dosiahnuť väčšie priblíženia teplôt.
• Súprúdové zapojenie sa používa napr. Ak sa líšia teplota dvoch telies alebo médií, teplo z telesa alebo média s vyššou teplotou sa prenesú do telesa alebo média s nižšou teplotou.

Ako vyplýva z nižšie uvedeného, teplo odovzdané teplou kvapalinou sa rovná teplu prijatému studenou kvapalinou. Prietok môže byť vyjadrený dvoma rôznymi jednotkami - hmotnosťou, alebo objemom. Pri použití hmotnosti sa prietok udáva v kg/s, alebo kg/h, pri použití objemu sa prietok uvádza v m3/h, alebo l/min.

Parametre výmenníkov tepla

Pre návrh veľkosti doskového výmenníka tepla je nevyhnutné poznať niekoľko parametrov. Na ich základe je možné identifikovať ďalšie údaje. Stredný logaritmický rozdiel teplôt (LMTD) je hybnou silou prenosu tepla vo výmenníku. Užitočným konceptom je hodnota NTU, v Alfa Laval tiež známa ako hodnota theta - θ, teda množstvo prenosových jednotiek, vyjadrujúci ako veľmi termicky náročný je prenos tepla. Niekedy sa táto hodnota označuje aj ako termická dĺžka. Čím menšia je hodnota LMTD a čím väčší je teplotný rozdiel medzi vstupom a výstupom na jednej strane, tým väčšia je hodnota NTU teda theta. Termická dĺžka opisuje náročnosť prevádzky z hľadiska teploty. Prevádzkový cyklus s vyššou theta sa normálne prispôsobuje horšie ako prevádzkový cyklus s nižšou theta.

Typy dosiek:

• Máme dva rôzne typy dosiek - dosky s nízkou theta a dosky s vysokou theta.
• A. Menšia hĺbka prelisu
• B. Dlhšia doska
• C. A. Väčšia hĺbka prelisu
• B. Kratšia doska
• C. Kanál je medzera medzi dvomi doskami.
• Kanály majú buď nízku, stredne vysokú alebo vysokú theta.

Tlaková strata (Δp) priamo závisí na veľkosti výmenníka tepla a obrátene. Šmykové napätie je sila prúdenia po stene dosky výmenníka tepla, ktorá je mierou turbulencie vo výmenníku.

Súčiniteľ prestupu tepla

Ukážeme si, ako sa počíta súčiniteľ prechodu tepla danej čiastkovej konštrukcie plášťa, pre jednoduchosť ho budeme označovať symbolom U; čitateľ si sám dosadí v konkrétnom prípade napr. Odpor pri prechode tepla je odpor, ktorý postupujúcemu teplu kladie rozhranie pevná fáza/vzduch. Zjednodušene býva vykladaný ako tepelný odpor cca 3 mm tenké, nehybné vrstvy vzduchu priľahlé k povrchu. V tomto článku ho budeme všeobecne značiť symbolom RP, hodnoty RN = 0,13 m2K/W a rN = 0,04 m2K/W sú len jeho špeciálne prípady, ktoré sa používajú pri navrhovaní.

Výrobcovia materiálov, ktoré sa aplikujú z pohľadu tepelnej izolácie ako samostatný konštrukčný prvok, často udávajú v technickej dokumentácii priamo hodnotu U. Sú to, alebo by aspoň mali byť napr. výrobcovia okien, od ktorých by zákazník mal vždy získať hodnotu súčiniteľa prechodu tepla pre celé okno UW. Sú to aj výrobcovia kusových stavív pre jednovrstvové murovanie, tehiel, (póro)betónu apod. Tí popri hodnote tepelného odporu RK alebo hodnote λ (lambda - súčiniteľa tepelnej vodivosti) udávajú aj hodnotu U pri murivách z týchto prvkov aj s omietkami, tzn. Najdôležitejšou zložkou súčiniteľa tepelného prechodu je jej tepelný odpor R (jednotka m2K/W). Výrobcovia konštrukčných materiálov tento odpor buď priamo uvádzajú - pre konkrétnu konštrukčnú sústavu, alebo uvádzajú všeobecnú materiálovú vlastnosť (ideálne nezávislú na tvare konštrukcie), ktorou je súčiniteľ tepelnej vodivosti λ s jednotkou W/(mK). Medzi oboma veličinami existuje relácia, v stavebnej literatúre známa aj ako 1.

Príklad 1: Výrobca tehlových blokov hrúbky 440 mm uvádza, že pri predpísanom murovaní a hrúbke omietok 45 mm (vonkajšie aj vnútorné dokopy) je súčiniteľ tepelnej vodivosti λ = 0,085 W/(mK). Ide samozrejme o strednú hodnotu súčiniteľa λ, omietnuté tehlové murivo je materiálovo nehomogénne, v omietke je iná hodnota λ než v tehle a striktne povedané, v dutinách ľahčených tehiel je iná hodnota než v tehlovej matrici. Nám táto lambda ale umožňuje určiť tepelný odpor hotovej steny; podľa (2) platí RK = (0,44+0,045)/0,085 = 5,71 m2K/W.

Väčšina ľudí, ktorí neabsolvovali kurz stavebnej fyziky, považujú prestupové odpory RN a rK vo vzorci (1) za akési záhadné čísla, ak nie priamo zbytočné. Čiastočne oprávnene, pretože odpory pri prechode tepla sú často malé v porovnaní s odporom konštrukcie. Teplo, ktoré prechádza pevnou konštrukciou - murivom alebo izoláciou - tepelne vodivými mechanizmami, prestupuje z pevnej látky do vzduchu dvoma spôsobmi. Povrch konštrukcie jednak teplo do priestoru sála (vyžaruje tepelné žiarenie). Makroskopicky sa tento dej dá popísať pomocou slabého, tzv. prestupového odporu, ktorý predovšetkým spôsobí, že povrchová teplota konštrukcie sa líši od priestorovej teploty. Napr. Hlavný problém je ale v tom, že odpor pri prechode tepla nie je možné určiť presne. Tento odpor totiž závisí na rýchlosti prúdenia vzduchu pozdĺž steny, ktorú hlavne vonku nie je možné predvídať, ďalej na hrubosti povrchu a konečne na tzv. emisivite steny. Lenže iba pri emisivite sme schopní v praxi určiť jej veľkosť a z nej odvodiť sálavú zložku odporu pri prechode tepla RP,S. Stavebná prax rieši neurčitosť odporu pri prechode tepla tak, že zaviedla a do príslušných noriem zapracovala ich štatisticky obvyklé hodnoty. Pre zvislú vnútornú stenu, nezastavanú nábytkom a v miestach vzdialených od kútov a hrán, je pre bežný, tzn. vysokoemisný povrch, RN = 0,13 m2K/W. Vonku, kde fúka vietor, pracujeme s hodnotou rN = 0,04 m2K/W.

Príklad 3: Pokiaľ nám náhodou stena z predchádzajúceho príkladu nestačí, čo sa týka tepelných vlastností, môžeme ju vylepšiť dodatočnou tepelnou izoláciou, dajme tomu z penového polystyrénu. Ak je súčiniteľ tepelnej vodivosti polystyrénu λ = 0,04 W/(mK) a jeho hrúbka 0,1 m, je podľa (2) jeho tepelný odpor 0,1/0,04 = 2,5 m2K/W. Tento tepelný odpor pripočítame k tepelnému odporu steny. Nový súčiniteľ prechodu tepla izolovanej steny bude U = 1/(0,13 + 5,71 + 2,5 + 0,04) = 0,12 W/(m2K).

Príklad 4: Štandardné okenné zasklenie má súčiniteľ prechodu tepla U = 1,1 W/(m2K).

Poznámka 2: Doplňme, že prechodové odpory 0,13 a 0,04 stanoví citovaná norma len pre zvislú stenu. Pre strop a podlahu uvádza platná tepelná norma ČSN 73 0540 hodnoty súčiniteľa prechodu tepla RN = 0,10 resp 0,17 m2K/W. Dôvodom je iný typ prúdenia vzduchu pozdĺž stropu, resp.

V prípadoch, kedy nás zaujímajú povrchové teploty, aby sme napr. predišli povrchovej kondenzácii alebo mohli javy povrchovej kondenzácie študovať, (úzko to súvisí napríklad s problémom rosenia okien), je vhodné vyjadriť odpor pri prechode tepla ako premennú, ktorá závisí na prúdení vzduchu a emisivite povrchu.

Tepelné straty v systémoch teplej vody

Dôležitou časťou zásobovania teplou vodou (ďalej TV) je distribučný systém určený pre dopravu kvapaliny. Účinnosť distribučného systému je funkciou strát tepla v rozvodoch TV. Tepelné straty rozvodov TV sú funkciou rôznych činiteľov ako napr. Distribučný systém TV tvoria v prevažnej miere rúrky tepelne izolované, ktoré sú vedené v inštalačných šachtách a technických chodbách. Okolie potrubného rozvodu taktiež vplýva na odovzdávanie tepla v nemalej miere. Na určenie tepelných strát rozvodov TV je možné použiť vzťah pre výpočet tepelného toku Φ (W).

Predmetom príspevku je skúmanie vplyvu rýchlosti prúdenia TV na vnútornej strane rúrky, ktorá ovplyvňuje tepelný odpor pri prestupe tepla prúdením Rsi. Pri prúdení TV v rúrke v blízkosti povrchu rúrky sa vytvorí hydrodynamická medzná vrstva tekutiny, v ktorej sa rýchlosť prúdenia mení od hodnoty 0 až po rýchlosť voľného prúdu. Podobne sa vytvára aj tepelná medzná vrstva. Tepelný odpor Rsi pri prestupe tepla prúdením (konvekciou) z kvapaliny do rúrky na vnútornej strane rúrky je teda možné pri výpočtoch tepelného toku pri rozvodoch teplej vody v bytových domoch v technickej praxi, kde sú svetlosti rúrok DN15mm až DN32mm zanedbať.

Príklad: V tabuľke 2 sú vypočítané tepelné toky pre jednotlivé svetlosti rúr najčastejšie používané vo vnútorných rozvodoch TV. Vo výpočte je uvažované so strednou teplotou teplej vody Θ=50°C a prietok vody v rúrkach je konštantný pričom rýchlosť prúdenia TV sa mení v závislosti od svetlosti rúr nainštalovaných v distribučnom systéme.

Z uvedenej analýzy je možné porovnaním jednotlivých vypočítaných hodnôt zistiť, že rýchlosť prúdenia TV v rúrkach pri bežnom prevádzkovom režime (rýchlosť prúdenia kvapaliny 0,1 až 0,5 m/s) má minimálny vplyv na celkový tepelný tok cez stenu rúrky.

Počas procesu kompresie sa tlak vzduchu a teplota zvyšujú v dôsledku práce vykonávanej na vzduchu. Nekontrolované teplo v systémoch stlačeného vzduchu môže viesť k poškodeniu zariadenia, zníženej účinnosti a kondenzácii vlhkosti. Rekuperácia tepla zahŕňa zachytávanie a opätovné použitie odpadového tepla vznikajúceho počas kompresie. V tomto videu skúmame rekuperáciu tepla kompresora. Chcete sa dozvedieť viac o rekuperácii energie pre vaše podnikanie? Pochopenie rôznych typov prenosu tepla je rozhodujúce pre rôzne priemyselné aplikácie vrátane systémov stlačeného vzduchu. Efektívnym riadením a využívaním tepla môžu odvetvia zvýšiť efektivitu a znížiť náklady.

tags: #prestup #tepla #konvekciov #gula