Procesy Cieplne. Wymiana Ciepła

advertisement
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Procesy Cieplne.
Wymiana Ciepła – Pojęcia
podstawowe
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ruch ciepła (wymiana ciepła) jest to pojęcie obejmujące cały kompleks zagadnień
przenoszenia ciepła miedzy ciałami – względnie między częściami tego samego ciała
- uwarunkowany występowaniem różnicy temperatur.
różnica temperatur
wymiana ciepła
Głównym celem, przy rozwiązywaniu zagadnień ruchu ciepła, jest obliczanie ilości
ciepła (energii) Q [ J ] przenoszonego w rozpatrywanym układzie, a także obliczanie
powierzchni wymiany ciepła A [m2].
Poza pojęciem ilości ciepła Q często stosuje się pojęcie strumienia cieplnego Qh [ J/s]
oraz gęstość strumienia cieplnego q [ W/m2 ]
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
strumień cieplny [ J/s ] = [ W ]:
dQ
Qh 
dt
gęstość strumienia cieplnego (obciążenie cieplne) [ W / m2 ]:
 Qh 
q  lim  

A  0
 A 
W przypadku gdy gęstość strumienia cieplnego jest stała na całej rozpatrywanej
powierzchni (ustalony ruch ciepła) wówczas równanie to można zapisać w postaci:
Qh
q
A
Gęstość strumienia cieplnego q jest więc równa ilości ciepła wymienionego w
warunkach ustalonych w jednostkowym czasie, przez jednostkową powierzchnię
i przy równomiernym przenoszeniu ciepła przez całą powierzchnię biorącą udział w
wymianie ciepła [W/m2]
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Całkowita ilość ciepła wymieniona przez powierzchnie A w czasie t może być
obliczona z równania:
Q  q  At
W przypadku gdy wartość strumienia cieplnego na rozpatrywanej powierzchni jest
zmienna, wówczas ilość ciepła należy obliczać z równania:
Q   q  t  dA
A
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Rozróżniamy trzy podstawowe mechanizmy ruchu ciepła :
PRZEWODZENIE
KONWEKCJA I WNIKANIE
PROMIENIOWANIE
PRZENIKANIE CIEPŁA
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
PRZEWODZENIE CIEPŁA
Przewodzenie ciepła jest to wymiana ciepła pomiędzy bezpośrednio stykającymi się
częściami jednego lub różnych ciał, polegająca na przekazywaniu energii kinetycznej
przez cząsteczki wykonujące mikroskopowy ruch.
Główną przyczyną przewodzenia ciepła przez ciało jest występowanie
różnicy temperatur między jego częściami.
Wyłącznie przez przewodzenie odbywa się wymiana ciepła w ciałach stałych
nieprzenikliwych dla promieniowania termicznego oraz w płynach, gdy nie występują
ruchy makroskopowe części płynu względem sienie.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przy przewodzeniu gęstość strumienia cieplnego jest proporcjonalna do gradientu
temperatury mierzonego wzdłuż kierunku przepływu ciepła.
Jest to sformułowanie prawa Fouriera, dla najprostszego przypadku, jakim
jest przewodzenie jednokierunkowe można wyrazić je równaniem:
dT
q   
dx
współczynnik przewodzenia ciepła
Współczynnik przewodzenia ciepła wskazuje ile ciepła przepływa przez jednostkę
przekroju w ciągu jednostki czasu przy spadku temperatury równym jedności na
drodze jednostki grubości warstwy, λ [ W/ m * K ]
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dla ustalonego przewodzenia ciepła przez ściankę płaską o grubości δ zbudowaną
z materiału mającego współczynnik przewodzenia ciepła λ, niezależny od temperatury
oraz gdy wartości temperatur na powierzchniach zewnętrznych są stałe i wynoszą
T1 i T2 równanie Fouriera można scałkować:
dT
q  dx    dT
q   
dx
T2
0
T1
 q  dx      dT
q      T1  T2 
T1
q
q
δ
0

T2

q   T1  T2 


Qh   A  T1  T2 

Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
KONWEKCJA I WNIKANIE
W wielu praktycznych przypadkach występuje ruch ciepła między ścianką stałą
(czy powierzchnią cieczy) a przepływającym koło niej płynem. Ruch ciepła w płynie
odbywa się przez konwekcję, jednak w bezpośrednim sąsiedztwie ścianki istnieje
pewna warstwa, w której ruch ciepła odbywa się przez przewodzenie.
konwekcja jest to sposób przenoszenia ciepła
prądami występującymi w płynie powodującymi
przemieszczanie się całych pakietów płynu.
płyn
Ruch ciepła uwzględniający zarówno konwekcję
w głównej masie płynu jak i przewodzenie
w warstwie przyściennej nazywa się
wnikaniem ciepła
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ten rodzaj ruchu ciepła opisuje równanie Newtona:
temperatura powierzchni
q    Tw  T f 
lub:
temperatura płynu
Qh    A  Tw  T f 
współczynnik proporcjonalności α określa intensywność ruchu ciepła i nosi nazwę
współczynnika wnikania ciepła [ W / (m2 * K ) ]
Współczynnik ten wskazuje ile ciepła wnika od płynu do jednostki powierzchni ścianki
(lub odwrotnie) w jednostkowym czasie przy różnicy temperatur między płynem
a ścianką równej jedności.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
PROMIENIOWANIE
Promieniowanie termiczne polega na wysyłaniu przez ciała o temperaturze wyższej
od zera bezwzględnego fal elektromagnetycznych. W wyniku promieniowania
termicznego energia wewnętrzna ciała przekształca się w energię
fal elektromagnetycznych , które po napotkaniu innych ciał lub części tego samego
ciała częściowo lub całkowicie są pochłaniane lub przekształcane w energię
wewnętrzną. Jeżeli ilość energii wypromieniowanej przez powierzchnię jest różna
od ilości pochłoniętej to powstaje wymiana ciepła przez promieniowanie.
Ten rodzaj ruchu ciepła charakteryzuje się tym, że odbywa się między ciałami
nie stykającymi się, oddzielonymi ośrodkiem przenikalnym dla promieniowania
termicznego lub nawet próżnią.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Promieniowanie cieplne podlega podstawowym prawom rozchodzenia się światła:
prawu odbicia, załamania i pochłaniania.
powierzchnia
temperatury bezwzględne
 T1  4  T2  4 
Qh 1 2   C0  A1  1 2  
 
 
 100   100  
stała promieniowania
ciała doskonale czarnego
współczynnik
uwzględniający
odchylenie własności
ciał od własności ciała
doskonale czarnego
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
PRZENIKANIE CIEPŁA
W zagadnieniach praktycznych spotykamy się najczęściej ze złożonym ruchem ciepła
Rozpatrzmy następujący przypadek: ciepło wnika od płynu A do ścianki płaskiej
Płyn A
Płyn B
Tf1
Q
α1
Tw1
Następnie jest przewodzone przez ściankę, po czym
wnika do płynu B.
W układzie ustali się następujący rozkład
temperatury (jak na rys.)
α2
W przypadku ustalonym na wszystkich odcinkach
rozpatrywanej drogi przepływa ta sama ilość ciepła
Tw2
λ
A
Tf2
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Można to zapisać następująco:

Q  1  A  T f 1  Tw1  t   A  Tw1  Tw 2    2  A  Tw 2  T f 2  t

wnikanie
przekształcając:
Q
T f 1  Tw1     A  t
1
wnikanie
przewodzenie
Q 
Tw1  Tw2  
  At
Q
Tw2  T f 2     A  t
2
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dodając stronami:
Q
Q 1  1 
T f 1  T f 2   A  t        
2 
 1
1
1  1 
   
 1   2 
 A  T f 1  T f 2  t  k  A  T  t
Qh  k  A  T
przy czym:
współczynnik przenikania ciepła
k
1
1  1 
   
 1   2 
[ W / ( m2 * K) ]
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Należy tu nadmienić, że ruch ciepła między ścianka a otoczeniem może się odbywać
na zasadzie wnikania względnie wnikania i promieniowania.
W tym drugim przypadku wprowadza się zastępczy współczynnik ruchu ciepła przez
promieniowanie αr który można zdefiniować za pomocą równania:
Qh (1 2)   r  A1  T1  T f   
r
Qh 12 
A1  T1  T f 
 T  4  T f  4 
 
C0  12   1   
 100   100  
r 
T1  T f
Czyli równoczesny ruch ciepła przez
wnikanie i promieniowanie można
opisać zależnością:
q     r  T
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
W niektórych zagadnieniach ruchu ciepła dogodnie jest posługiwać się pojęciem
oporu cieplnego. (Analogia do filtracji i prawa Ohma)
T
Qh 
Rh
T
T
Rh 

Qh q  A
Odnosząc powyższe równanie do poszczególnych przypadków ruchu ciepła,
możemy sformułować odpowiednie zależności na opory cieplne.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
a) Opór cieplny przewodzenia dla ścianki płaskiej:
T

R 

Qh   A
b) Opór cieplny wnikania:
1
R 
A
c) Opór cieplny promieniowania:
1
Rr 
 r  A1
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
d) Opór cieplny złożonego ruchu ciepła przez wnikanie i promieniowanie:
R  r
1

 r    A1
d) Opór cieplny przenikania:
1
Rk 
kA
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
PRZEWODZENIE
Przewodzenie ciepła może występować tylko wtedy, gdy w różnych punktach
ciała temperatura nie jest jednakowa. W przypadku ogólnym ruchowi ciepła
przez przewodzenie w ciele stałym towarzyszy zmiana temperatury w czasie
i przestrzeni.
Zbiór wartości pewnej wielkości w danym obszarze w określonym momencie czasu
nosi nazwę pola tej wielkości. Znajomość rozkładu temperatury w danym ośrodku
oznacza więc znajomość pola temperatury w tym ośrodku. Pole temperatury
jest polem skalarnym bo temperatura to skalar.
Analityczne badanie przewodzenia ciepła sprowadza się do poznania zmiany
temperatury w czasie i przestrzeni, tj. do znalezienia konkretnej postaci równania:
T  f x, y, z, t 
pole temperatury
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Rozróżniamy pole temperatury ustalone i nieustalone.
Nieustalone pole temperatury występuje wtedy gdy temperatura zmienia się z upływem
czasu oraz z punktu do punktu rozpatrywanej przestrzeni.
T  f x, y, z, t 
W przypadku gdy temperatura w każdym punkcie pola z upływem czasu nie ulega
zmianie, pole takie nazywamy ustalonym
T  f x, y, z 
T
0
t
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Równanie różniczkowe przewodzenia ciepła:
W celu wyprowadzenia równania różniczkowego przewodzenia ciepła przyjmujemy
następujące założenia:
a) ciało jest homogeniczne i izotropowe
b) parametry fizyczne ciała są stałe
c) odkształcenia rozpatrywanej objętości są małe
d) makroskopowe cząstki ciała są w stosunku do siebie nieruchome
e) wewnętrzne źródła ciepła są rozmieszczone w ciele równomiernie
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Rozpatrzymy elementarny prostopadłościan o ścianach dx, dy , dz:
X3
y
Temperatura rozpatrywanego
prostopadłościanu w danej chwili
wynosi T i może ulegać zmianie
w czasie.
dy
X1
x
dz
z
X2
dx
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Aby otrzymać równanie przewodzenia ciepła, należy ułożyć bilans energetyczny dla
rozpatrywanego prostopadłościanu:
X3
y
Oznaczmy odpowiednio:
dQy  dy
dQz
dy
dQx
dQx  dx
dQz  dz
z
X2
dz
dx
dQy
dQx
dQy
dQz
ilości ciepła dostarczone do płaszczyzn
prostopadłościanu w czasie dt w
X1
x kierunku Ox, Oy i Oz.
dQx  dx dQy  dy dQz  dz
ilości ciepła odprowadzona z przeciwległych
płaszczyzn prostopadłościanu w czasie dt w
kierunku Ox, Oy i Oz.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ilość ciepła jaka dopływa do powierzchni dy dz w kierunku osi x w czasie dt :
X3
y
dQy  dy
dQx  qx  dy  dz  dt
dQz
dy
dQx
dQx  dx
dQz  dz
z
X2
dz
dx
dQy
Przez powierzchnię przeciwległą
odpływa w tym samym kierunku
X1
x w czasie dt ilość ciepła:
dQx  dx
q x


  qx 
 dx   dy  dz  dt
x


Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Różnica między ciepłem dopływającym a odpływającym z prostopadłościanu w
kierunku osi x i czasie dt wynosi:
dQx1  dQx  dQx  dx
q x


 q x  dy  dz  dt   q x 
 dx   dy  dz  dt
x


q x
dQx1  
 dx  dy  dz  dt
x
Podobnie można wyznaczyć różnicę między ciepłem doprowadzonym a
odprowadzonym z prostopadłościanu dla pozostałych kierunków
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
dQ1  dQx1  dQy1  dQz1
Ilość ciepła dostarczona do rozpatrywanej objętości przez przewodzenie
 qx q y qz 
  dx  dy  dz  dt
dQ1  


y
z 
 x
Przez dQ2 oznaczmy ilość ciepła wytworzonego wewnątrz elementu w czasie dt przez
wewnętrzne źródła ciepła. Przyjmijmy że pojemność wewnętrznego źródła ciepła
wynosi qv [ W / m3 ]. Wówczas:
dQ2  qv  dV  dt
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przez dQ oznaczmy zmianę energii wewnętrznej ciała o objętości dV w czasie dt:
T
dQ  c p   
 dt  dV
t
przyrost entalpii prostopadłościanu
w czasie dt przy zmianie temperatury .
Prawo zachowania energii ( bilans energii ) mówi nam że:
ilość ciepła dostarczona
do prostopadłościanu
przez przewodzenie
z zewnątrz w czasie dt
ilość ciepła wytworzona
przez wewnętrzne
źródła ciepła w czasie dt
zmiana energii
wewnętrznej materiału
zawartego w objętości
kontrolnej.
( I zasada termodynamiki )
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Prawo to można zapisać w postaci:
dQ  dQ1  dQ2
Podstawiając wyrażenia na odpowiednie człony :
dV  dt
 qx q y qz 
T
  dx  dy  dz  dt
cp   
 dt  dV  qv  dV  dt  


t
y
z 
 x
qv
T
1  qx q y qz 
 

 


t
c p    x y
z  c p  
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
lub w innej notacji:
T
   c p  div q   qv
t
podstawiając wyrażenie na pierwsze prawo Fouriera:
dT
q x   
dx
T
  T    T    T 
    
   cp    
    
  qv
t
x  x  y  y  z  z 
Jest to ogólne równanie przewodzenia ciepła w ciele izotropowym z uwzględnieniem
wewnętrznych źródeł ciepła.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
W ogólnym przypadku współczynnik przewodzenia ciepła λ jest funkcją temperatury
równanie to jest nieliniowe i bardzo trudne do rozwiązania.
Jeżeli założymy że λ jest stałe to otrzymamy:
qv
T

2

 T 
t c p  
cp  
operator Laplace`a
We współrzędnych kartezjańskich operator ten przyjmuje postać:
2
2
2

T

T

T
2
T 2  2 2
x
y
z
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Jeżeli w układzie pominiemy występowanie wewnętrznych źródeł ciepła :
T
 a   2T
t
równanie Fouriera
w warunkach ustalonych:
T
2
qv

0
równanie Poissona
w warunkach ustalonych bez wewnętrznych źródeł ciepła:
 2T  0
równanie Laplace`a
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Pojawił się współczynnik a [m/s] :
a

cp  
dyfuzyjność cieplna
Parametr ten zwany jest również współczynnikiem wyrównania temperatur lub
współczynnikiem przewodzenia temperatury
Szybkość zmiany temperatury jest tym większa im większe jest a
Wartość tego parametru zależy od rodzaju materiału . Ciecze i gazy mają małą
dyfuzyjność cieplną w przeciwieństwie do metali.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Czyli ogólne równanie różniczkowe przewodzenia ciepła może być zapisane
następująco:
qv
T
2
 a  T 
t
cp  
Równanie to ustala związek między czasowymi i przestrzennymi zmianami
temperetury w dowolnym punkcie ciała przewodzącego ciepło.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
W celu podania pełnego matematycznego opisu zagadnienia konieczne jest
sprecyzowanie dodatkowych warunków charakteryzujących konkretny proces. Są to
tzw. warunki jednoznaczności
1) Warunki geometryczne, charakteryzujące kształt i wymiary ciała w którym
zachodzi proces przewodzenia ciepła.
2) Warunki fizyczne, tj. własności fizyczne ciała, takie jak przewodnictwo cieplne,
ciepło właściwe, gęstość.
3) Warunki czasowe, które opisują rozkład temperatury w ciele w początkowym
momencie. W ogólnym przypadku dla t = 0 mamy:
T  f x, y, z 
lub gdy rozkład jest równomierny:
T  T0  const
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
3) Warunki brzegowe, opisujące współdziałanie rozpatrywanego ciała z otoczeniem
mogą to być:
a) warunki brzegowe pierwszego rodzaju – rozkład temperatury na powierzchni
ciała dla każdego momentu czasu:
T w f x, y, z, t 
temperatura powierzchni
gdy temperatura powierzchni pozostaje stała podczas całego procesu ruchu ciepła
T w const
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
b) warunki brzegowe drugiego rodzaju – jest znana gęstość strumienia cieplnego
qw w każdym punkcie powierzchni ciała i dla dowolnego czasu:
q w  f x, y, z, t 
w szczególnych przypadkach przyjmujemy stałość gęstości strumienia cieplnego
q w  const
c) warunki brzegowe trzeciego rodzaju – znana jest temperatura otaczającego ośrodka
oraz zależność, która opisuje wymianę ciepła między ciałem a tym ośrodkiem.
(wnikanie, promieniowanie lub oba procesy naraz)  równanie Newtona
q    Tw  T f 
Tw > Tf
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ta sam ilość ciepła jest przekazywana przez przewodzenie na granicy ciała :
 T 
q    Tw  T f      
 n  w
normalna do powierzchni
ciała
Ostatecznie warunek brzegowy trzeciego rodzaju można opisać następująco:

 T 
     Tw  T f 

 n  w
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
c) warunki brzegowe czwartego rodzaju – warunek ten stanowi przypadek wymiany
ciepła z otoczeniem przez przewodzenie. Przyjmuje się przy tym, że dwa ciała
znajdują się w doskonałym kontakcie (powierzchnie kontaktujące się maja te same
temperatury). Wartości strumieni cieplnych na powierzchni rozgraniczającej ciało
i otoczenie muszą być takie same:
 T1 
 T2 
1  
  2  

 n  w
 n  w
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ogólne równanie różniczkowe
qv
T
2
 a  T 
t
cp  
po uwzględnieniu warunków jednorodności daje pełen opis matematyczny konkretnego
zagadnienia przewodzenia ciepła . Zagadnienie to może być rozwiązane analitycznie
lub numerycznie.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład
Ścianka jednowarstwowa cylindryczna
Rozpatrzmy ustalone przewodzenie ciepła przez ściankę cylindryczną:
Tw1
Tw1
Tw2
Tw2
r
dr
W przypadku gdy powierzchnia
wewnętrzna o promieniu r1 oraz
zewnętrzna o promieniu r2 są w stałych
temperaturach. Dla długiego cylindra
zaniedbujemy efekty końcowe. Pomijamy
więc zależność temperatury od z , oraz od
kąta biegunowego φ.
T
0
z
r1
r2
T
0

temperatura zmienia się tylko
wzdłuż promienia.
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Ogólne równanie różniczkowe przewodzenia ciepła, zapisane dla współrzędnych
cylindrycznych, przyjmuje wówczas postać:
d  dT 
r 
0
dr  dr 
z warunkami brzegowymi :
lub
T  Tw1
T  Tw 2
d 2T 1 dT
 
0
2
dr
r dr
dla
dla
r  r1
r  r2
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
całkując równanie:
d  dT 
 dr  r  dr 
d  dT 
r 
0
dr  dr 
dT
r
 C1
dR
otrzymujemy rozwiązanie postaci:
1
 dT   C1  r  dr
T  C1  ln r   C2
Uwzględniając warunki brzegowe wyznaczamy wartości stałych równania:
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Tw1  Tw 2
C1 
r1
ln
r2
ln r1 
C2  Tw1  Tw1  Tw 2  
r1
ln
r2
po podstawieniu stałych otrzymujemy zależność na rozkład temperatury w ściance
cylindrycznej:
ln r 
T r   Tw1  Tw1  Tw 2  
 r2 
ln  
 r1 
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Z równania Fouriera można obliczyć ilość ciepła przewodzonego przez ściankę:
dT
Qh    Ar 
dr
gdzie
Ar  2    r  L
długość przewodu
Ponieważ przyj eto w rozważaniach przewód o nieskończonej długości , dogodniej
jest wyrazić strumień cieplny na jednostkę długości:
Qh
dT
   2    r 
L
dr
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Inżynieria Chemiczna i Procesowa
pochodna dT/dr wynosi dla tego przypadku:
dT C1 1 Tw1  Tw 2

 
dr
r r ln r1
r2
stąd strumień:
Qh
Tw1  Tw 2
   2  
r2
L
ln
r1
Wykład nr 9 : Procesy cieplne. Wymiana Ciepła – pojęcia podstawowe
Download