Podstawowe pojęcia i wzory w ciepłownictwie

Podstawowe pojęcia i wzory w
ciepłownictwie
Mgr inż. Andrzej Jurkiewicz
[email protected]
Strata ciepła przez przegrodę
Q =8,64*10-5*Sd*A/R
Ilość energii cieplnej w GJ, która przeniknie przez
ścianę przegrody budowlanej wielowarstwowej
o powierzchni A [m2] i oporze cieplnym R
[m2*K/W] w ciągu jednego roku, przeliczona
na średniomiesięczną temperaturę powietrza
zewnętrznego w formie stopniodni przyjętych
dla danej stacji meteorologicznej na terenie
Polski, za okres 10 lat, w odniesieniu do
założonej temperatury wewnętrznej
pomieszczeń ogrzewanych oraz
normatywnego czasu trwania sezonu
grzewczego.
Po co tu jesteśmy?
- Aby zostać audytorem
- Czym jest energia (promieniowanie,
temperatura-ciepło, praca mechaniczna, reakcja
chemiczna)
- Po co jest energia
- 1 cal = 4,19 J (1g H20 od 14,5 do 15,5 st.C przy
ciśnieniu 1 atm)
- Zrzucać kalorie czyli dieta „1000 cal” (kcal)
Praca i ciepło
Zadanie:
Ile razy należy podnieść 1 kg cukru na
wysokość 1 m, aby się napić 1 szklanki
herbaty?
Szklanka herbaty
N = F * s (siła * droga) - praca
F = m*a (masa * przyspieszenie)
Podnosimy:
1kG = m*g=1 kg * 9,81m/s^2=9,81J
Ncukru=9,81J przyjmujemy 10 J
Uwaga 1J=1Ws
Podnosimy 1kg na wysokość 1m w czasie 1
sekundy, czyli z mocą 10W (9,81W)
Ciepło właściwe
Ilość energii cieplnej (w J) jaką należy
dostarczyć do 1 kg substancji aby podnieść
jej temperaturę o 1 stopień
Substancja
Aluminum/stal
Polipropylen/PCV
Woda/lód/para
Powietrze
Ciepło właściwe J/(kg*K)
900/460
2000/980
4190/2050/1900
1224
Gorąca szklanka herbaty
Q=m*c*(q1-q2)=
=0,5 [dm3=kg]*4190[J/(kg*K)]*(100-10)[K]
=188.550[J]
Ncukru= 10 J
Odpowiedz: ok. 19 tys. razy w czasie 5,5
godziny należy podnieść 1kg cukru aby
zasłużyć na jedną szklankę herbaty
Moc
Ilość energii dostarczonej w danym czasie mówi nam o mocy układu
Zadanie1
Jaką moc potrzebujemy dla:
a)
podgrzania 1000 litrów wody (1m3) w jedną minutę z temperatury
10 do 50 st.C
b)
J.w. lecz w godzinę
Q=m*c*(q1-q2)= 1000 kg * 4,19 kJ/(kg*K)* 40K =
= 167.600 kJ (kWs) =168 MJ = 0,168 GJ [GWs]
F(1min) = 168.000 kWs/60s
F(1godz) = 168.000 kWs/3600s
= 2.800 kW = 2,8 MW
= 46,6 kW
Zadanie 2
Grzałki w bojlerach 200 litrów – 2,8 kW
(1000)
Ile czasu potrzebujemy aby ogrzać 1000 litrów wody z 10 do 50 st.C w
takim bojlerze?
1MWh = 3,6 GJ (GWs)
Topnienie i parowanie
Zadanie:
Ile ciepła należy doprowadzić do 1 kg
lodu o temp 73K aby otrzymać parę o
temperaturze 400K (p=1,013 bar)
Ciepło topnienia i parowani
Substancja Topnienie
Stopnie
Celcjusza
Lód
Woda
Para
0
Miedź
Azot
Ciepło
Temp
topnienia/
wrzenia
krzepnięcia
kJ/kg
Stopnie
Celcjusza
Ciepło
Ciepło
parowania/ właściwe
kondensacji
kJ/kg
kJ/(kg*K)
333
333
100
2256
2256
2,1
4,19
2
1083
188
2595
4647
390
-210
25,5
-196
199
?
KRYSZTAŁ
faza
WODA
faza
PARA
127C=400K
100C=373K
2256 kJ/kg*K
100C
0C=273K
273K
333kJ/kg
Q=2,1*200+333+4,19*100+2256+27*2
-200C=73K
=3482 kJ/kg w tym ok. 65% parowanie
Ciśnienie a temperatura wrzenia
M.Everest
Ciśnienie mbar Temperatura
(absolutne)
wrzenia wody
393
75,4
Bałtyk
1013
100
szybkowar
1200
104
Gdzie
Instalacja
2000
grzewcza
Sieć wys. Param. 10 000
120
Para
?
40 000
165
Wymiana ciepła - promieniowanie
Słońce, „słoneczko”, promiennik gazowy
Ciepło rozprzestrzenia się przez fale
elektromagnetyczne
Przenoszenie ciepła nie zależy od materiału,
ale jego „przyjmowanie” zależy od własności
materiału (kolor, pojemność cieplna)
Wymiana ciepła - przewodzenie
Ściana, pręt metalowy, ścianka kotła
Rozprzestrzenianie się ciepła od cząsteczki
materii do cząsteczki materii
Cząsteczki materii są nieruchome
(przewodzenie w ciałach stałych) –
nagrzewanie pręta metalowego
Wymiana ciepła – konwekcja
(unoszenie ciepła)
Spaliny w kotle, powietrze w pokoju, woda
grzewcza
Rozprzestrzenianie ciepła przez unoszenie
ogrzanych cząsteczek materii
Przenoszenie ciepła przez „wędrujące”
cząsteczki materii – ruch powietrza w pokoju
Przewodzenie ciepła w materiałach
budowlanych
Przewodność cieplna: l [W/K*m]
Strumień cieplny przechodzący przez 1m2
substancji o grubości 1m przy różnicy
temperatur 1K (st.C) w czasie 1s
Opór przenikania ciepła: R=d/l [m2*K/W]
Współczynnik przenikania ciepła: U=1/R
Strumień ciepła (moc)
F= l*A(Tsi-Tse)/d
l – stała materiału (przewodność cieplna)
Tsi – temperatura wewnętrzna
Tse – temperatura zewnętrzna
d – grubość przegrody
Przewodności cieplne
Substancja
l
Miedź/stal
380/50
Szkło/tynk
1/0,51
Woda
0,6
[W/m*K]
Wełna mineral./styropian 0,035 (0,028-0,04)
Powietrze
0,025
Przenikanie ciepła przez przegrodę
Opór przenikania ciepła:
[m2*K/W]
RT = Rsi + Rse + SR
Rsi – opór ściany wewnętrznej przed przejęciem ciepła z
powietrza do ściany
Rse – jw. lecz ściany zewnętrznej
SR – opór przegród
U=1/RT
F = A*U*DQ [Wat]
A – powierzchnia ściany (przegrody) m2
U – współczynnik przenikania ciepła dla przegrody
[W/m2*K]
DQ – różnica temperatur po jednej i drugiej stronie
przegrody
Opory przejmowania ciepła
Opór
przejmowania ciepła
W/m2*K
Kierunek
strumienia
cieplnego
W górę
Kierunek
strumienia
cieplnego
poziomo
Kierunek
strumienia
cieplnego
W dół
Rsi – wewn 0,10
opór
0,13
0,17
Rsi – zewn. 0,04
opór
0,04
0,04
F= A*U*DQ [Wat]
Tynk wap.2 cm, cegła 36 cm, styropian 10 cm, tynk cem. 3 cm
A = 10m*20m=200 m2; Qsi
= 20 st.C; Qse = 2 st.C
R=Rsi+Rse+(dtw/ltw+dc/lc+ds/ls+dtc/ltc) =
=0,13+0,04+(0,02/0,71+0,36/0,77+0,1/0,04+0,03/1) = 3,20 m2*K/W
F=200[m2]*(20-2)[K]/3,2[m2*K/W] = 1125 W
Q = F*t = 1125 W * 5000h*3600s = 20.250.000.000 Ws =
= 5.625.000 Wh = 5,65 MWh = 20,25 GJ/rok
Strata w PLN = 20,25 * (od 20 do120) zł/GJ = 400 do 2400 zł
Sd = S[two – te(m)]*Ld(m)
two – temperatura wewnętrzna
te(m) – temperatura średnia wieloletnia miesięczna
Ld(m) – liczba dni ogrzewania w danym miesiącu
Strata ciepła przez przegrodę
Q =8,64*10-5*Sd*A/R
Ilość energii cieplnej w GJ, która przeniknie przez
ścianę przegrody budowlanej wielowarstwowej o
powierzchni A [m2] i oporze cieplnym R [m2*K/W]
w ciągu jednego roku, przeliczona na
średniomiesięczną temperaturę powietrza
zewnętrznego w formie stopniodni przyjętych, dla
danej stacji meteorologicznej na terenie Polski,
za okres 10 lat, w odniesieniu do przyjętej
temperatury wewnętrznej pomieszczeń
ogrzewanych oraz normatywnego czasu trwania
sezonu grzewczego.
Strata ciepła przez przegrodę
Q =8,64*10-5*Sd*A/R
Q=8,64*3707*200/(3,2*10^5)
Q = 20,02 GJ
Poprzednią metodą: 20,25 GJ