Gęstość strumienia ciepła
advertisement
Wymiana ciepła Wiadomości ogólne Definicja wymiany ciepła: Trzy sposoby, przy pomocy których może być wymieniane ciepło: a) przewodzenie i przenikanie – kondukcja (conduction), b) unoszenie lub przejmowanie – konwekcja (convection), c) promieniowanie – radiacja (radiation). Wymiana ciepła Podstawowe pojęcia Pole temperatur – zbiór temperatur w poszczególnych punktach rozpatrywanej przestrzeni. Ustalona wymiana ciepła – pole temperatur nie zmienia się 0) w czasie ( dT dτ Nieustalona wymiana ciepła – pole temperatur zmienia się w czasie np. podczas pożarów, ogrzewania lub chłodzenia 0) stalowych elementów ( dT dτ Powierzchnia izotermiczna – zbiór punktów o jednakowych temperaturach Wymiana ciepła Podstawowe pojęcia Strumień ciepła (natężenie przepływu ciepła lub moc ciepła) dla wymiany nieustalonej: dQ Q dτ [W] Strumień ciepła dla przypadku ustalonego: Q Q τ [W] Wymiana ciepła Podstawowe pojęcia Gęstość strumienia ciepła dla przypadku ustalonego: Q a) powierzchniowa q A q A [W/m2] b) objętościowa Q qV V [W/m3] c) liniowa Q qL L [W/m] Wymiana ciepła Przewodzenie Mechanizm wymiany ciepła przez przewodzenie: Rozprzestrzenianie się energii cieplnej wewnątrz ciała na drodze wymiany energii cieplnej bezpośrednio pomiędzy sąsiednimi cząstkami oraz dyfuzji drobin, atomów i swobodnych elektronów. Wymiana ciepła Przewodzenie Założenia: 1. Charakterystyki wszystkich procesów w danej objętości ciała są funkcjami ciągłymi, również w czasie. 2. Straty energii na deformację termiczną w ciele są bardzo małe w porównaniu ze zmianą energii wewnętrznej, tzn. proces zachodzi przy V=const. 3. Nie występuje w ciele konwekcja i promieniowanie cieplne. 4. Nie uwzględniono skończonej prędkości rozprzestrzeniania się ciepła w ośrodku. Wymiana ciepła Przewodzenie Prawo Bio-Fouriera: Wektor gęstości strumienia ciepła w przewodnictwie danego punktu ciała równomiernie nagrzanego, w danym momencie czasu – jest wprost proporcjonalny do wektora gradientu temperatury q - grad T T T T gdzie: grad T i j k x y z W/m2 Wymiana ciepła Przewodzenie Współczynnik przewodnictwa λ [W/mK] zależy od temperatury i jest podawany w literaturze dla określonego zakresu temperatur względnie ściśle określonej temperatury. Wartość współczynnika przewodnictwa waha się w granicach: - dla gazów od 5·10-3 do 0,5 W/mK i wzrasta z temperaturą, - dla cieczy od 8·10-3 do 0,6 W/mK i z reguły zmniejsza się ze wzrostem temperatury (nie zależy od ciśnienia), - dla metali od 7 do 360 W/mK i powoli zmniejsza się ze wzrostem temperatury a b T c T 2 gdzie: a, b i c – stałe zależne od materiału Wymiana ciepła Przewodzenie Prawo Bio-Fouriera uwzględniające skończoną prędkość rozchodzenia się ciepła w ośrodku: q q - grad T - r gdzie: τr – czas relaksacji (opóźnienia) Wymiana ciepła Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki płaskie Założenia: 1. Ściana płaska posiada grubość znacznie mniejszą od wymiarów pola jej powierzchni A. 2. Ściana jest wykonana z materiału o współczynniku przewodzenia ciepła . 3. Temperatura powierzchni ścianki z lewej strony równa Ts1 jest wyższa od temperatury powierzchni ścianki z prawej strony Ts2, czyli Ts1>Ts2 . 4. Temperatura ośrodka z lewej strony ścianki równa jest T1, zaś z prawej strony ścianki T2. 5. Powierzchnie izotermiczne są równoległe do powierzchni ścianki. Wymiana ciepła Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki płaskie a) λ = const Ts1 - Ts2 T(x) Ts1 x b) λ = λ0∙(1+b∙T) 2 1 2qx 1 T(x) Ts1 b 0 b b Wymiana ciepła Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki płaskie Gęstość strumienia przenikającego przez n-warstwową ściankę płaską: q z T1 T2 gdzie: współczynnik przenikania ciepła λz 1 z 1 r 1 i 1 1 i 1 i 2 n W/(m2K) Wymiana ciepła Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki walcowe 1. Ścianka walcowa posiada długość l, która jest znacznie większa od średnicy. 2. Wewnętrzna powierzchnia o promieniu rw posiada temperaturę Tsw. 3. Zewnętrzna powierzchnia o promieniu rz posiada temperaturę Tsz. 4. Temperatura ośrodka na zewnątrz ścianki walcowej wynosi Tz. 5. Temperatura ośrodka wewnątrz ścianki walcowej wynosi Tw. 6. Rozważamy gęstość liniową strumienia ciepła przenikającego przez ściankę walcową Wymiana ciepła Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki walcowe a) λ = const Tsw Tsz r T(r) Tsw ln rz rw ln rw b) λ = λ0∙(1+b∙T) 2 1 ql r 1 T(r) Tsw ln b 0 b rw b Wymiana ciepła Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki walcowe Gęstość strumienia przenikającego przez n-warstwową ściankę walcową: q l z Tw Tz gdzie: współczynnik przenikania ciepła λz z 1 rw w 2 n ri 1 1 1 ln ri rz z i 1 i Wymiana ciepła Nieustalone przewodzenie ciepła przez ścianki płaskie qv dT 2 a T d c pρ 2 2 2 T T T 2 gdzie: T 2 2 2 – laplasjan temperatury x y z λ – współczynnik wyrównywania temperatury a c pρ qv – wydajność źródła ciepła Wymiana ciepła Nieustalone przewodzenie ciepła przez ścianki płaskie Jeżeli qv=0, wówczas równanie nieustalonego przewodnictwa ma postać: T T T T a 2 2 2 x y z 2 2 2 Najczęściej zakłada się przewodnictwo jednowymiarowe, wówczas powyższe równanie można przekształcić do następującej najprostszej postaci: T 1 dT 2 x a d 2 Wymiana ciepła Nieustalone przewodzenie ciepła przez ścianki płaskie Nadwyżka T temperatury ciała T nad temperaturą płynu Tp wynosząca w chwili początkowej wartość T0, zmienia się w czasie wg następującego równania: a A l ΔT T Tp ΔT0 exp τ ΔT0 exp Bi Fo V c ρ L p αl aτ - liczba Biota Fo 2 - liczba Fouriera λ l l – charakterystyczny wymiar liniowy równy połowie grubości płyty lub promieniowi walca albo kuli, L=V/A – stosunek objętości ciała do pola powierzchni, V – objętość ciała, A – pole powierzchni, - gęstość, cp – ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, - czas bieżący Bi l/L=1 – nieograniczona płyta l/L=2 – nieskończenie długi walec l/L=3 – kula l/L=6 – sześcian Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Mechanizm wymiany ciepła przez unoszenie: Rozprzestrzenianie się ciepła drogą wymiany jego w czasie ruchu cząstek względem siebie. Zjawisko to może mieć miejsce tylko w ciałach, których cząsteczki przemieszczają się względem siebie a więc: w gazach, cieczach i sproszkowanych ciałach stałych. Konwekcja naturalna - zjawisko unoszenia powstające samoistnie Konwekcja wymuszona - ciecz lub gaz omywa powierzchnię ciała stałego wskutek działania wymuszenia np. wentylacji mechanicznej Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Ilość ciepła (gęstość strumienia) wymienianego na drodze unoszenia (przejmowania) można określić przy pomocy empirycznego związku podanego przez Newtona: Q A Ts Tp [J] lub q Ts Tp [W/m2] gdzie: Ts – temperatura powierzchni ścianki [K], Tp – temperatura płynu [K], α – współczynnik przejmowania lub oddawania ciepła, A – omywana powierzchnia [m2], τ – czas wymiany ciepła przez unoszenie [s] Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Założenia: 1. Wszystkie charakterystyki procesów wymiany ciepła przez unoszenie w określonej objętości traktuje się jako funkcje ciągłe. 2. Czynnik przylega do powierzchni nagrzewania. 3. Nie uwzględnia się wymiany ciepła przez promieniowanie. 4. Rozpatruje się tylko procesy przy stałym ciśnieniu. 5. Parametry fizyczne płynu nie zależą od temperatury. 6. Ciepło wynikłe z tarcia lepkiego płynu w strumieniu jest pomijalnie małe w porównaniu ze zmianą entalpii. 7. Energia kinetyczna strumienia jest mała i pomijalna w porównaniu ze zmianą entalpii strumienia. 8. „Termiczny opór styku” płynu z powierzchnią nagrzewania jest pomijany. Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Warunki brzegowe przyjmowane na granicy płyn-ciało stałe wynikają z: a) zasady zachowania energii na rozpatrywanych powierzchniach, b) ciągłości rozkładu temperatur, c) przyjęcia liniowej zależności wymiany ciepła między ciałem stałym i strumieniem płynu. Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Liczby podobieństwa mechanicznego (pierwotne): g d w2 a) liczba Froude’a Fr b) liczba Hoodsona wτ Ho d c) liczba Eulera d) liczba Reynoldsa Eu Re p ρ w2 w d ν Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Liczby podobieństwa mechanicznego (wtórne): a) liczba Galileusza Ga Fr Re 2 g d3 2 b) liczba Grashoffa g d 3 ΔT Gr Ga ΔT 2 gdzie: β - współczynnik rozszerzalności objętościowej, ΔT – różnica temperatur między płynem a ścianką Charakteryzują oddziaływanie sił ciążenia (dynamiczne) Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Liczby podobieństwa cieplnego (pierwotne): a) liczba Fouriera aτ Fo 2 d b) liczba Pecleta w d Pe a c) liczba Nusselta d Nu d) liczba Prandtla Pe ν c p Pr Re a λ Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Zasada podobieństwa: Rozpatrywane zjawisko będzie pod względem geometrycznym, kinematycznym, dynamicznym i cieplnym podobne do zjawiska modelowego, jeżeli liczby Eu, Fr, Re, Pe, Nu i Fo będą miały dla obu rozpatrywanych zjawisk te same wartości. Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Ogólna postać równań podobieństwa: Nu f 1 (Re,Gr, Pr) - przepływ ustalony i uśredniony - ruch konwekcyjny swobodny Nu f 2 (Gr, Pr) Nu f 3 (Re, Pr) lub laminarny - ruch konwekcyjny burzliwy L Nu const Re Pr d a c b gdzie: const, a, b i c – stałe określone na drodze eksperymentalnej Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Ruch swobodny w przestrzeni nieograniczonej: Nu = C (Gr Pr) n Gr Pr od 10-2 do 5·102 od 5·102 do 2·107 od 2·107 do 1013 - równanie Michiejewa C 1,18 0,54 0,135 n 0,125 0,250 0,333 Tod = 0,5 (Ts + T p ) - temperatura odniesienia Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Ruch wymuszony w rurze: a) ruch laminarny (L > 50d) Nu 0,15 Re 0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 Pr Prs 0,25 b) ruch turbulentny (2300<Re<10000, mała lepkość płynu) Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,4 c) ruch turbulentny (Re>10000, duża lepkość płynu) Nu = 0,023 Re0,8 Pr 0,33 Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Ruch wymuszony prostopadły do rury lub pęku rur: a) pojedyncza rura lub pęk rur ułożonych szeregowo (Re > 2000) Nu = 0,26 Re Pr 0,6 0,33 b) pęk rur ułożonych w szachownicę (Re > 2000) Nu = 0,33 Re Pr 0,6 4f dh o - średnica hydrauliczna 0,33 Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Przepływ ciepła podczas ruchu obu ośrodków wymieniających energię cieplną (wymienniki ciepła) Rozróżnia się trzy zasadnicze przypadki wzajemnego przepływu obu ośrodków płynnych wymieniających energię cieplną; a) współprąd - ruch obu ośrodków płynnych odbywa się w tym samym kierunku, b) przeciwprąd - ruch ośrodków odbywa się w kierunkach przeciwnych, c) przepływ skrzyżowany - ruch ośrodków odbywa się w kierunkach przecinających się pod kątem. Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Strumień ciepła przepływającego od gorącego ośrodka do chłodniejszego Q = z F ΔT gdzie: λz - współczynnik przenikania ciepła przez ścianki [W/(m2K] F – powierzchnia, przez którą jest wymieniane ciepło [m2] ΔT – różnica temperatur przyjmowana jako uśredniona wartość wyznaczana z zależności podanych na kolejnych slajdach [K] Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) ΔT ΔT ΔT ΔT ' ln ΔT '' ' '' - średnia logarytmiczna różnica temperatur dla przepływów współprądowego i przeciwprądowego ∆T = 0,5(∆T’ + ∆T”) - średnia różnica temperatur dla przepływu skrzyżowanego gdzie: ∆T’ – różnica temperatury na wlocie , ∆T’’ – różnica temperatury na wylocie Wymiana ciepła Unoszenie (konwekcja) Sprawność wymiennika ciepła η gdzie: m 2 c 2 ΔT2 m1 c1 ΔT1 – natężenia przepływu obu strumieni przepływających m1 m2 przez wymiennik [k/s], c1 , c2 – ciepła właściwe obu czynników [J/(kgK)], ∆T1, T2 – różnice temperatur obu czynników [K] , Przy dobrej izolacji wymienników ich sprawności wynoszą od 98 do 99 %. Wymiana ciepła Promieniowanie (radiacja) Mechanizm wymiany ciepła przez promieniowanie: Przenoszenie energii cieplnej za pośrednictwem fal elektromagnetycznych rozprzestrzeniających się prędkością światła (300000 km/s) w paśmie promieniowania o dugości od 0,4 do 1000 μm (pasmo promieniowania widzialnego i podczerwieni). Rodzaje promieniowania w kolejności wzrastającej długości fali to: składowe kosmiczne, γ-jądrowe, X-Rőntgena, nadfiołkowe, promieniowanie cieplne (składającej się z widzialnych i podczerwonych), radarowe, telewizyjne, radiowe: ultrakrótkie, krótkie, średnie i długie, telefoniczne – prąd zmienny Wymiana ciepła Promieniowanie (radiacja) Promieniowanie cieplne podlega podstawowym prawom optyki: 1. Promieniowanie cieplne rozchodzi się prostoliniowo w ciele jednorodnym. 2. Strumień emisji padający na jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku promieniowania jest: a) odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości od źródła promieniowania, b) wprost proporcjonalny do cosinusa kąta, jaki tworzy kierunek emisji z normalną do powierzchni opromieniowywanej (prawo Lamberta). 3. Zdolność wysyłania (emisji) promieniowania każdego ciała jest równa jego zdolności pochłaniania (absorpcji) energii promienistej (prawo Kirchhoffa). 4. Promieniowanie cieplne podlega tym samym prawom odbicia i załamania, co promieniowanie świetlne, może być więc skupione (soczewkami) lub kierowane (wklęsłym zwierciadłem). Wymiana ciepła Promieniowanie (radiacja) Gęstość strumienia emisji lub emisyjność: E Q e A τA gdzie: E - strumień emisji wypromieniowywany we wszystkich kierunkach [W] A - powierzchnia, która wypromieniowała energię w ilości Q [m2] , τ - czas trwania emisji ilości energii Q [s]. Wymiana ciepła Promieniowanie (radiacja) e = eR + eA + eD Dzieląc równanie przez e otrzymamy: 1 R A D gdzie: R= eR/e – zdolność odbijania lub refleksyjności, A= eA/e – zdolność pochłaniania lub absorpcyjności, D = eD/e – zdolność przepuszczania (przepuszczalnością ) ciała lub diatermicznością ciała. Wymiana ciepła Promieniowanie (radiacja) Rozważmy następujące przypadki: 1. Gdy R=1 to A=D=0 i ciało nie pobiera energię. Takie ciało nazywamy zwierciadlanym, gdy odbicie nie jest rozproszone lub doskonale białym, gdy odbicie jest rozproszone. Polerowane metale osiągają R = 0,95 do 0,97. 2. Gdy A = 1 =A0, to R=D=0 i ciało pochłania wszystkie promienie. Nazywamy je doskonale czarnym. W przyrodzie takich ciał nie ma. Najbardziej czarnym ciałem jest sadza naftowa, dla której A = 0,9 do 0,96. 3. Gdy D = 1, to A=R=0 i ciało jest doskonale przeźroczyste diatermiczne. Czyste powietrze jest praktycznie całkowicie przeźroczyste. Ciała stałe i ciecze są mniej lub bardziej przeźroczyste. Na przykład szkło okienne przepuszcza światło widzialne w dużym stopniu, a jest prawie nieprzejrzyste dla ultrafioletu i podczerwieni (infraczerwieni). Kwarc natomiast jest przeźroczysty dla światła widzialnego i ultrafioletu, a nie przepuszcza podczerwieni. Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale czarnego de0 e0λ dλ C1 C2 5 λ exp 1 λT równanie Maxa Plancka Po scałkowaniu w granicach (0,+∞) i rozwinięciu w szereg otrzymujemy równanie Stefana-Boltzmana: e0 = 0 T 4 [W/m2] 0 = 5,67 10-8 W/m2K4 =5,67 10-12 W/cm2K4 = 2,06210-4 J/m2hK4 stała Boltzmana Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale czarnego Prawo przesunięć Wiena: „Iloczyn długości fali najintensywniejszego promieniowania oraz absolutnej temperatury jest stały i dla ciała doskonale czarnego wynosi on 2886 mdeg” Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Ciałem doskonale szarym nazywamy takie ciało, u którego rozkład energii widma na całej rozpiętości od 0 do ∞ w stosunku do krzywej ciała doskonale czarnego jest obniżony proporcjonalnie o ε = A = e/e0 Prawo Stefana-Boltzmana dla ciała doskonale szarego: e = ε e0 = ε σ0 T 4 Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Emisyjność promieniowania w obszarze ograniczonym kątami φ1 i φ2: 2 e B cos d 1 gdzie: B – maksymalna wartość emisyjności promieniowania w kierunku prostopadłym do powierzchni ciała promieniującego φ – kąt zawarty pomiędzy aktualnym kierunkiem a kierunkiem maksymalnego promieniowania π np. dla półsfery e 2π B sin cos d π B 0 Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Rzeczywiste ciało nie ma ciągłego widma, szczególnie gazy wieloatomowe. Gazy praktycznie nie wykazują dużego promieniowania. Jedno i dwuatomowe, a tym bardziej trójatomowe promieniują i absorbują tylko w wąskich przedziałach. Jest to widmo promieniowania selektywnego. Gazy nie spełniają ściśle prawa Stefana-Boltzmana. Podane wzory stosuje się dla przybliżonych obliczeń. Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego W przypadku ciał rzeczywistych współczynnik czarności ε jest wielkością uśrednioną dla całego widma. Wartości współczynnika czarności ε podaje się w tablicach w zależności od temperatury i stanu powierzchni np. a) dla folii aluminiowej przy T=80K ε= 0.043 do 0,065, zaś przy T=366 do 811K, ε= 0,2 do 0,33 b) dla miedzi mechanicznie polerowanej przy T=4 K ε=0,0147, zaś przy T=300K, ε=0,04 do 0,05 c) dla betonu chropowatego przy T=311K ε=0,94 d) dla drewna (dąb) przy T=293K ε=0,9 Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Prawo Kirchhoffa: Stosunek emisyjności (zdolności wypromieniowania energii cieplne) do jego zdolności pochłaniania (stopnia czarności) nie zależy od fizycznych własności danego ciała i dla wszystkich ciał jest równy gęstości strumienia energii cieplnej wypromieniowanej przez ciało doskonale czarne przy tej samej temperaturze e1 e2 4 ... e0 σ0T ε1 ε 2 Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Prawo Kirchhoffa: e = f(T) A e A= = e0 stosunek emisyjności do absorpcyjności (stopnia czarności) zależy tylko od absolutnej temperatury ciała stopień pochłaniania ciała równoważny stopniowi czarności jest równy stosunkowi emisyjności ciała szarego do emisyjności ciała doskonale czarnego Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Promieniowanie cieplne dwóch równoległych ciał doskonale szarych: q1-2 = eef1 - ef2 gdzie: eef1 – całkowita gęstość strumienia energii cieplnej promieniowania ciała 1-szego eef2 – całkowita gęstość strumienia energii cieplnej ciała 2-giego Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Emisyjności efektywne strumieni wypromieniowywanych z ciała 1-szego i 2-giego: ef1 = e1 + (1 - 1 ) eef2 eef2 = e2 + (1 - 2 )ef1 Po rozwiązaniu układu równań ze względu na ef1 i ef2 otrzymano : e2 1 2 e1 e1 1 ε1 e2 eef2 eef1 1 1 1 1 2 1 1 ε1 1 ε 2 Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Po podstawieniu do równania na gęstość strumienia q1-2 otrzymano: 2 e1 1 e2 q12 1 2 1 2 1 2 1 2 Po uwzględnieniu, że emisyjności promieniowania własnego obu ciał są równe e1 = ε1 σ0T14 i e2 = ε2 σ0 T24 otrzymano następujące wyrażenie: ε σ T T 4 4 12 z 0 1 2 gdzie: εz – zredukowany współczynnik stopnia czarności układu q 1 εz 1 1 1 ε1 ε 2 Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Ogólna postać równania na gęstość strumienia energii cieplnej przekazywana na drodze promieniowania dwóch ciał o różnych konfiguracjach: q1-2 = ε z σ0 ( T1 - T2 ) ψ1-2 4 4 gdzie: ψ1-2 - współczynnik kątowy opromieniowania między powierzchnią promieniującą a opromieniowywaną Uwzględniający wzajemną konfigurację obu powierzchni Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Zależność służąca do wyznaczania bezpiecznej odległości zagrożonego obiektu (człowiek, materiał łatwopalny) od źródła promieniowania (pożar, nagrzana powierzchnia): q1-2 = ε z σ0 ( T1 Tdop ) ψ12 β qkryt 4 4 gdzie: β - współczynnik bezpieczeństwa, założony lub narzucony przez przepisy prawne, qkryt.- krytyczna gęstość strumienia energii cieplnej dla danego materiału lub skóry człowieka, T1 - temperatura źródła promieniowania, Tdop - dopuszczalna temperatura na powierzchni opromieniowanego materiału palnego lub skóry człowieka, Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Krytyczne gęstości strumienia energii cieplnej dla niektórych materiałów wg Kaszmirowa : qkryt w W /m2 - przy okresie MAT E R IAŁ 3 min napromieniowania 5 min 15 min Drewno (sosna o 12% wilgotności 20 600 17 500 12 900 i powierzchni chropowatej) 26 700 23 300 17 500 Drewno polakierowane 31 500 24 500 13 300 Brykiety torfu 16 600 14 300 9 800 Kawałki torfu 11 000 9 700 7 500 Bawełna – w postaci włókien 18 000 15 200 10 800 Karton 19 400 18 600 15 300 Plastyk 22 600 19 200 14 800 35 000 35 000 Guma Węgiel( w kawałkach) -- Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Wartość qkryt. dla skóry ludzkiej w długotrwałym opromieniowaniu przyjmuje się równą 560 W/m2 , a w przypadku krótkotrwałego działania promieniowania 1120 W/m2. Temperaturę Tdop na powierzchni skóry ludzkiej można przyjąć 313 K (40oC) Przyjmuje się dopuszczalne temperatury na powierzchniach palnych ciał stałych lub powierzchni zbiorników gazów i cieczy palnych równe temperaturom samozapalenia tych materiałów np. dla drewna sosnowego Tdop = 679 K, bawełny 680 K, benzyny 573 K i spirytusu 681 K. Wymiana ciepła Promieniowanie ciała doskonale szarego Na podstawie badań eksperymentalnych przyjmuje się następujące wartości średnich temperatur powierzchni płomieni T1 tworzonych przez palące się materiały: a) dla ciał szybko zapalających się i cieczy palnych T1 = 1150 K, b) dla drewna i przedmiotów z niego wykonanych T1 = 1300 K, c) dla gazów sprężonych i gazów skroplonych T1 = 1500 K. Wymiana ciepła Ekrany cieplne Rodzaje ekranów: a) odblaskowe – osłabiają efekt promieniowanie dzięki dużej zdolności odbijania. Przykładem jest cienka metalowa blacha stalowa dla ochrony przed zapaleniem konstrukcji budowlanych lub ludzi oraz technicznych środków przy gaszeniu pożarów b) Pochłaniające – osłabiają promieniowanie dzięki dużej zdolności pochłaniania (duży opór termiczny). Przykładami takich ekranów mogą być: ścianki przeciwpożarowe, przegrody, przykrycia, kurtyny w teatrach, okładziny (zasłony) itp. Wymiana ciepła Ekrany cieplne q1-e = ε z1 σ0 (T1 - Te ) 4 4 qe-2 = ε z2 σ0 (Te - T2 ) 4 gdzie: 1 ε z1 1 1 1 ε1 ε e 1 ε z2 1 1 1 εe ε2 4 Wymiana ciepła Ekrany cieplne Gęstość strumienia ciepła płynącego od ciała 1-szego do 2-giego: e 1 2 q ε z1 ε z2 4 4 σ 0 (T1 T2 ) ε z1 ε z2 1 ε z1 1 1 1 ε1 ε e 1 ε z2 1 1 1 εe ε2 Temperatura ekranu: Te 4 ε z1 T ε z2 T ε z1 ε z2 4 1 4 2 Wymiana ciepła Ekrany cieplne Gęstość strumienia w przypadku jednakowych stopni czarności obu ciał i ekranu: a) dla jednego ekranu q 0,5 q12 e 12 b) Dla n ekranów e 1 2 q q12 n 1 Wymiana ciepła Ekrany cieplne W praktyce pożarniczej wzór na gęstość strumienia przy istnieniu ekranu może być wykorzystany przy określaniu bezpiecznej odległości wynikającej z krytycznej wielkości strumienia qkryt dla ludzi lub materiałów palnych. Jeżeli gęstość strumienia cieplnego przy zastosowaniu ekranu jest większa lub równa krytycznej , to albo przyjmuje się ekran o mniejszym współczynniku czarności ε, lub też zwiększa się ilość ekranów „n”. Jako temperaturę T2 przyjmuje się w tym przypadku temperaturę dopuszczalną dla opromieniowywanych powierzchni. Określając temperaturę ekranu Te możemy przy pomocy wzoru na qe-2 = β qkryt określić bezpieczną odległość ludzi od ekranu lub materiałów palnych od ekranów. Wymiana ciepła Ekrany cieplne Osobliwością obliczeń przy wykorzystaniu ekranów pochłaniających jest różna temperatura na obu powierzchniach ścian ekranu. W celu określenia tych temperatur ekranu należy dodatkowo wykorzystać równania przewodnictwa cieplnego oraz wymiany konwekcyjnej. Tego typu ekranowanie jest skuteczniejsze, bo niższa temperatura drugiej strony ekranu w czwartej potędze wpływa na wielkość strumienia cieplnego wypromieniowanego przez ekran. Jeżeli takie ekrany metalowe będą miały odprowadzenie ciepła na drodze przewodnictwa (końce są umieszczane w ośrodku o niskiej temperaturze), to wtedy mamy do czynienia z wielowarstwową izolacją cieplną tzw. odprowadzającą tj. najbardziej skuteczną izolacją cieplną. A gdy izolacja ta jest dodatkowo umieszczona w przestrzeni próżniowej – jak to ma miejsce w technice niskich temperatur – to jest ona nazywana superizolacją. Tego typu izolacje próbuje się stosować w ubraniach żaroodpornych dla pożarnictwa.
