Transcript wyklad VI
WYMIANA CIEPŁA Dr inż. Piotr Bzura Konsultacje: piątek godz. 10-12, pok. 602 f TEMAT VI: RUCH CIEPŁA PRZEZ WNIKANIE (KONWEKTYWNE PRZENOSZENIE CIEPŁA) 1. PRZYPOMNIENIE WYKŁADU POPRZEDNIEGO 2. PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY WRZENIU CIECZY 3. PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY SKRAPLANIU CIECZY 4. KONWEKCJA WYMUSZONA POWTÓRKA WYMIANA CIEPŁA MIĘDZY CIECZĄ A POWIERZCHNIĄ STYKAJĄCEGO SIĘ Z NIĄ CIAŁA STAŁEGO POLEGA NA DWÓCH ZJAWISKACH: •………………… •………………….. PIERWSZE ZJAWISKO ZARÓWNO W CIECZACH, JAK I W CIAŁACH STAŁYCH OKREŚLONE JEST PRZEZ GRADIENT TEMPERATURY i PRZEWODNOŚĆ CIEPLNĄ DRUGIE NATOMIAST MA ZUPEŁNIE INNY CHARAKTER. WYMIANA CIEPŁA JEST TU ŚCIŚLE ZWIĄZANE Z RUCHEM CIECZY. CZYLI ZALEŻY OD WARUNKÓW POWSTANIA TEGO RUCHU i JEGO RODZAJU, OD RODZAJU i WŁASNOŚCI FIZYCZNYCH CIECZY, OD KSZTAŁTU i WYMIARÓW POWIERZCHNI itd. PRZEJMOWANIE CIEPŁA MA WIĘC PRZEBIEG BARDZO ZŁOŻONY, UZALEŻNIONY OD WIELU CZYNNIKÓW. POWTÓRKA 1. WARUNKI POWSTAWANIA RUCHU CIECZY. ROZRÓŻNIAMY DWA RODZAJE RUCHU W ZALEŻNOŚCI OD PRZYCZYN KTÓRE JE POWODUJĄ: • …………….. • ……………. Pierwszy ruch cieczy powstaje wskutek różnicy gęstości nagrzanych i zimnych jej cząstek ( - ………..). Powstanie i intensywność tego ruchu są całkowicie określone przez warunki cieplne zjawiska i zależą od rodzaju cieczy, różnicy temperatur i objętości układu. Taki ruch nazywamy unoszeniem lub konwekcją …….. Drugi ruch cieczy powstaje przez nadawanie cząstkom cieczy prędkości w sposób sztuczny Np. …….. Taki ruch zależy od cieczy, jej własności fizycznych, temperatury, prędkości, kształtu i wymiarów przewodu. POWTÓRKA 2. WARUNKI CIECZY. Z HYDROMECHANIKI WIEMY, ŻE ISTNIEJĄ DWA RODZAJE RUCHU CIECZY: • …………….. • …………… W PIERWSZYM RUCHU CIECZY WSZYSTKIE CZĄSTKI PŁYNĄ W JEDNYM KIERUNKU RÓWNOLEGLE DO ŚCIANEK KANAŁU. W DRUGIM NATOMIAST CHAOTYCZNIE. PIERWSZY RUCH PRZECHODZI W DRUGI GDY ŚREDNIA PRĘDKOŚĆ RUCHU CIECZY STAJE SIĘ RÓWNA LUB WIĘKSZA OD KRYTYCZNEJ (ODKRYŁ TO ……………… NA PODSTAWIE DOŚWIADCZENIA POLEGAJĄCEGO NA …………..) W ZJAWISKACH PRZEJMOWANIA CIEPŁA RODZAJ RUCHU MA DUŻE ZNACZENIE. PRZY RUCHU PIERWSZEGO RODZAJU WYMIANA CIEPŁA W KIERUNKU PROSTOPADŁEJ DO ŚCIANKI ODBYWA SIĘ TYLKO NA ZASADZIE PRZEWODZENIA (DUŻE OPORY CIEPLNE). PRZY DRUGIM RUCHU TAKI SPOSÓB WYMIANY CIEPŁA ZACHODZI TYLKO W WARSTWIE GRANICZNEJ PIERWSZEGO RUCHU NATOMIAST WEWNĄTRZ JĄDRA WYMIANA CIEPŁA ODBYWA SIĘ WSKUTEK INTENSYWNEGO MIESZANIA SIĘ CZĄSTEK CIECZY. KTÓRY Z TYCH RUCHÓW CIECZY JEST LEPSZY DLA WYMIANY CIEPŁA? POWTÓRKA 3. WŁASNOŚCI FIZYCZNE CIECZY • CIEPŁO WŁAŚCIWE – JEST TO ILOŚĆ CIEPŁA POTRZEBNA DO …….. • GĘSTOŚĆ – MASA JEDNOSTKI OBJĘTOŚCI • WSPÓŁCZYNNIK WYRÓWNANIA TEMPERATURY – OKREŚLA PRĘDKOŚĆ ZMIANY TEMPERATURY W NIEUSTALONYCH ZJAWISKACH WYMIANY CIEPŁA • LEPKOŚĆ – WYRAŻA SIŁĘ TARCIA ODNIESIONĄ DO JEDNOSTKI POWIERZCHNI ZETKNIĘCIA SIĘ DWÓCH WARSTW CIECZY ŚLIZGAJĄCYCH SIĘ JEDNA PO DRUGIEJ POWTÓRKA TEORIA ………. – JEST TO NAUKA O ZJAWISKACH PODOBNYCH DWA ZJAWISKA SĄ …….. GDY WSZYSTKIE OPISUJĄCE JE POLA WIELKOŚCI FIZYCZNYCH (TEMPERATURY, PRĘDKOŚCI, CIŚNIENIA) SĄ PODOBNE, TZN ODPOWIEDNIE WIELKOŚCI FIZYCZNE W ODPOWIADAJĄCYCH SOBIE PUNKTACH i CHWILACH OBYDWU UKŁĄDÓW SĄ DO SIEBIE PROPORCJONALNE. ZASADNICZE TWIERDZENIA TEORII …..MÓWI: 1. JAKI WIELKOŚCI NALEŻY MIERZYĆ 2. O SPOSOBIE OPRACOWANIE WYNIKÓW 3. JAKIE ZJAWISKA SĄ PODOBNE POWTÓRKA TEORIA ………. – JEST TO NAUKA O ZJAWISKACH PODOBNYCH DWA ZJAWISKA SĄ …….. GDY WSZYSTKIE OPISUJĄCE JE POLA WIELKOŚCI FIZYCZNYCH (TEMPERATURY, PRĘDKOŚCI, CIŚNIENIA) SĄ PODOBNE, TZN ODPOWIEDNIE WIELKOŚCI FIZYCZNE W ODPOWIADAJĄCYCH SOBIE PUNKTACH i CHWILACH OBYDWU UKŁĄDÓW SĄ DO SIEBIE PROPORCJONALNE. ZASADNICZE TWIERDZENIA TEORII …..MÓWI: 1. JAKI WIELKOŚCI NALEŻY MIERZYĆ 2. O SPOSOBIE OPRACOWANIE WYNIKÓW 3. JAKIE ZJAWISKA SĄ PODOBNE PYTANIA DO WYKŁADU: 1. JAK WYGLĄDA ROZKŁAD TEMPERATUR PRZY PAROWANIU KONWEKTYWNYM LUB POWIERZCHNIOWYM ? 2. JAK WYGLĄDA ROZKŁAD TEMPERATUR PRZY WRZENIU PĘCHERZYKOWYM ? 3. DLACZEGO WRZENIE BŁONOWE JEST NIEBEZPIECZNE? 4. JAKA JEST RÓŻNICA POMIĘDZY SKRAPLANIEM KROPELKOWYM A BŁONOWYM? 5. NA CZYM POLEGA TRANSPORT PĘDU I ENERGII CIEPLNEJ DLA RUCHU LAMINARNEGO PRZY KONWEKCJI WYMUSZONEJ? 6. NA CZYM POLEGA TRANSPORT PĘDU I ENERGII CIEPLNEJ DLA RUCHU TURBULENTNEGO PRZY KONWEKCJI WYMUSZONEJ? PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY SWOBODNYM RUCHU CIECZY Konwekcja swobodna w przestrzeni ograniczonej W tym przypadku strumienie wznoszące wywołane gorącą ścianką nie mogą się swobodnie rozwijać i kontaktują się bezpośrednio z prądami zstępującymi. Na rysunkach podano kilka przykładów takich s z c z e l i n . W nich to, przede wszystkim, ma miejsce konwekcja swobodna w ograniczonej przestrzeni . Jeżeli pionowa szczelina jest szeroka, to prądy: wstępujący i zstępujący nie oddziaływają na siebie i na obu ścianach konwekcja jest taka sama jak w przestrzeni nieograniczonej. W w ą s k i c h szczelinach wskutek wzajemnego oddziaływania przeciwbieżnych strumieni tworzą się charakterystyczne komórki, w których cyrkuluje płyn. W szczelinach poziomych układ prądów zależy od kierunku przenoszenia ciepła. Przy przenoszeniu ciepła z góry w dół cieplejsze warstwy układają się na chłodniejszych (i gęstszych), tak że ruchy konwekcyjne nie powstają. Przy grzaniu od dołu tworzą się charakterystyczne komórki cyrkulacyjne intensyfikujące przenoszenie ciepła. W szczelinach pierścieniowych tworzy się obszar płynu nieruchomego na dole lub u góry, zależnie od kierunku grzania. Konwekcja swobodna w przestrzeni ograniczonej Szeroka szczelina i prądy nie oddziaływują na siebie W wąskich szczelinach wskutek wzajemnego oddziaływania oby strumieni tworzą się komórki, w których cyrkuluje płyn Cieplejsze warstwy układają się na zimniejszych i ruchów konwekcyjnych brak Tworzą się charakterystyczne komórki cyrkulacyjne WNIKANIE CIEPŁA W PRZESTRZENI OGRANICZONEJ Jest skomplikowane ze względu na małe rozmiary rozpatrywanej powierzchni. Nie można ustalić osobno współczynników α dla ogrzewania i chłodzenia płynu. Natężenie przepływu ciepła oblicza się z równania na przewodzenie ciepła. Z Q A T Z 0 , 25 0,18 Gr Pr PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY WRZENIU CIECZY W stanie nasycenia temperatury cieczy i pary są jednakowe, jeżeli obie fazy pozostają w równowadze cieplnej. Proces wrzenia nie jest jednak procesem równowagowym: do miejsca zmiany stanu skupienia doprowadzone być musi ciepło parowania, a to oczywiście wymaga spadku temperatury. Tak więc podczas wrzenia temperatura cieczy jest zawsze wyższa (chociażby o ułamek kelwina) od temperatury nasycenia. Za wrzenie właściwe uważa się proces, w którym na powierzchni grzejnej tworzą się pęcherzyki pary. Wymaga to odpowiedniej, minimalnej gęstości strumienia cieplnego. PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY WRZENIU CIECZY WARSTWA PRZYPOWIERZCHNI OWA – PAROWANIE GRA TU ROLĘ UJEMNEGO ŹRÓDŁA CIEPŁA WARSTWA GRANICZNA O DUŻYM SPADKU TEMPERATURY ROZKŁAD TEMPERATUR PRZY PAROWANIU POWIERZCHNIOWYM WZNOSZĄCE SIĘ W CIECZY PĘCHERZYKI MIESZAJĄ INTENSYWNIE CIECZ PRZYCZYNIAJĄC SIĘ DO WYRÓWNANIA TEMPERATURY W NIEJ DUŻY SPADEK TEMPERATURY PRZY ŚCIANCE W PORÓWNANIU ZE SPADKIEM PRZY POWIERZCHNI CIECZY JEŻELI CIECZ W CAŁEJ OBJĘTOŚCI JEST PRZEGRZANA TO MOŻLIWE JEST PAROWANIE DO WNĘTRZA PĘCHERZYKÓW CO ZWIĘKSZA ICH OBJĘTOŚĆ ROZKŁĄD TEMPERATUR PRZY WRZENIU PĘCHERZYKOWYM PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY WRZENIU CIECZY DLACZEGO CIŚNIENIE WEWNĄTRZ PĘCHERZYKA JEST WIĘKSZE OD CIŚNIENIA WODY? DLACZEGO PĘCHERZYKI MOGĄ SIĘ TWORZYĆ TYLKO WTEDY GDY POJAWIĄ SIĘ MIKROSKOPIJNE NIERÓWNOŚCI A NA POWIERZCHNI IDEALNIE GŁADKIEJ KONIECZNE BY BYŁO OGROMNE NADCIŚNIENIE ŻEBY POKONAĆ NAPIĘCIE POWIERZCHNIOWE? WYKRES ZALEŻNOŚCI STRUMIENIA CIEPLNEGO OD PRZEGRZANIA q krI g '" r "4 2 24 " KRYTYCZNE WRZENIE PĘCHERZYKOW E – DALSZY WZROST TEMPERATURY GRZANIA SPOWODUJE PRZESKOK DO WRZENIA BŁONOWEGO ROZPOCZĘCIE WRZENIA PĘCHERZYKOWEGO NADWYŻKA TEMPERATURU POWIERZCHNI GRZEJNEJ NAD TEMPERATURĄ NASYCENIA '" ' WNIKANIE CIEPŁA (KONWEKCJA) PRZY ZMIANIE STANU SKUPIENIA Dla wody współczynnik α oblicza się z następującego wzoru: p 3,14 5 10 0 ,15 p 45,8 5 10 0, 7 Q A 0,5 T 2,33 ' wody PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY SKRAPLANIU PAR Gdy para zetknie się ze ścianką o temperaturze wyższej od temperatury nasycenia dla danego ciśnienia pary, to nie wystąpi skraplanie, a przejmowanie ciepła jest takie jak w gazach. Jeżeli jednak temperatura ścianki jest niższa, to nastąpi skraplanie pary zarówno wtedy, gdy para jest nasycona jak i gdy jest przegrzana (jednak niezbyt wysoko). Skraplanie pary może być b ł o n o w e , kiedy skropliny pokrywają ściankę cienką warstwą spływającą swobodnie w dół lub „zmiataną" przez strumień pary - albo k r o p l owe , kiedy wskutek słabej zwilżalności ścianki przez ciecz ta ostatnia ściąga się w krople, które spływają lub są zmiatane przez przepływającą parę. PRZEJMOWANIE CIEPŁA PRZY SKRAPLANIU PAR Skraplanie błonowe jest podstawowym typem skraplania. Mimo że współczynnik przejmowania ciepła jest gorszy od skraplania kroplowego. Jedynym oporem cieplnym jest błona skroplin w której zachodzi przewodzenie ciepła. W odróżnieniu od prądów konwekcyjnych w których zachodzi zbliżanie się do ścianki i po oddaniu ciepła wracają do rdzenia płynu, tu mamy ruch pary tylko w jednym kierunku – do ścianki. Podczas zmiany fazowej oddaje ono ciepło skraplania, zmniejsza wielokrotnie swą objętość i osadza się na błonie cieczowej. WNIKANIE CIEPŁA PRZY KONDENSACJI PARY. WNIKANIE CIEPŁA OD PARY DO ŚCIANKI, KTÓREJ TEMPERATURA JEST NIŻSZA OD TEMPERATURY NASYCENIA.