PROCESY V TECHNICE BUDOV 12

Transkript

1 UNIVERZITA TOMÁŠE BATI VE ZLÍNĚ FAKULTA APLIKOVANÉ INFORMATIKY PROCESY V TECHNICE BUDOV 12 Dagmar Janáčová, Hana Charvátová, Zlín 2013 Tento studijní materiál vznikl za finanční podpory Evropského sociálního fondu (ESF) a rozpočtu České republiky v rámci řešení projektu: MODERNIZACE VÝUKOVÝCH MATERIÁLŮ A DIDAKTICKÝCH METOD

2 2 Obsah Základní pojmy Úvod do sdílení tepla sáláním Emisivita Zákony platné pro sdílení tepla zářením Model dokonale černého tělesa Výpočet výměny tepla Seznam symbolů Použitá literatura... 8

3 3 STRUČNÝ OBSAH PŘEDNÁŠKY: Případy sdílení tepla sáláním Zákony platné pro sdílení tepla sáláním, model dokonale černého tělesa Výpočtové vztahy pro zářivý tok MOTIVACE: V této přednášce se seznámíme s mechanismem sdílení tepla sáláním (synonymem sdílení tepla sáláním je sdílení tepla zářením nebo-li radiace). Seznámíme se Stefan-Boltzmannovým zákonem, Planckovým vyzařovacím zákonem, Wienovým posunovacím zákonem a Kirchhoffovými zákony pro záření. Tato problematika je v technické praxi, kde dochází přenosu tepla při vysokých teplotách. CÍL: Pochopení mechanismu sdílení tepla sáláním a příprava studentů na řešení úloh z technické praxe, které jsou spojeny se sdílením tepla sáláním. 1. Základní pojmy Teplo: míra změny vnitřní energie, kterou systém vymění (tj. přijme nebo odevzdá) při styku s jiným systémem, aniž by přitom docházelo ke konání práce. Jedná se o tepelnou výměnu. Teplota: skalární intenzivní veličina, která je vhodná k popisu stavu ustálených makroskopických systémů. Teplota souvisí s kinetickou energií částic látky. Tepelný tok: podíl tepla procházejícího danou plochou a doby, po kterou teplo prochází. Tepelná bilance: při řešení tepelné rovnováhy dvou látek můžeme bilanční rovnici zapsat ve tvaru, kdy velikost tepla dodaného jedné látce je rovna velikosti tepla odevzdaného druhé látce : energie předávána tepelným zářením v celém rozsahu vlnových délek

4 4 2. Úvod do sdílení tepla sáláním Podstatou tohoto způsobu sdílení tepla je tzv. tepelné záření. Hmotný objekt, např. tuhé těleso nebo nějak ohraničený objem tekutiny či disperzního prostředí, jako je plamen, zahřátý na teplotu T, přeměňuje část své vnitřní energie v elektromagnetické vlny. Ty mají schopnost procházet tzv. průteplivým neboli diatermním prostředím (čistý vzduch, kosmický prostor, vakuum). Při dopadu na jiný hmotný objekt, který vlny pohlcuje, se dopadající energie elektromagnetických vln alespoň částečně změní ve vnitřní energii zasaženého objektu. 3. Obecně platí, že každé těleso, jehož teplota je vyšší než absolutní 0 (T = 0 K tj. -273,15 C), vydává záření, jehož složení závisí na teplotě tělesa. Základním zdrojem zajišťujícím přes 99,98 % záření a tedy energie, která rozhodující mírou ovlivňuje nejen klima, ale prakticky život na naší planetě, je Slunce. Ostatní zdroje jako zemské nitro, kosmická radiace, radioaktivní záření apod. jsou naprosto zanedbatelné ve srovnání se sluncem. Centrální teplota slunce je asi 14 mil. Kelvinů. Povrchová teplota je asi 5800 Kelvinů. Slunce vyzařuje všesměrově a jen malá část dopadá na hranici naší atmosféry.

5 5 4. Emisivita

6 6 5. Zákony platné pro sdílení tepla zářením Planckův vyzařovací zákon vyjadřuje závislost intenzity záření E absolutně černého tělesa na frekvenci ω. Intenzitu záření E o frekvenci ω je třeba chápat tak, že spektrum je rozděleno na nekonečně malé a stejně velké intervaly frekvencí a intenzita záření I o frekvenci ω pak znamená intenzitu záření o frekvencích z intervalu, který obsahuje frekvenci ω. Wienův posunovací zákon je fyzikální zákon, který konstatuje, že v záření absolutně černého tělesa je maximální energie vyzařována na vlnové délce, která se s rostoucí termodynamickou teplotou snižuje (tj. čím teplejší je těleso, tím vyzařuje na kratších vlnových délkách, tj. vyšších frekvencích) kde λ max je vlnová délka maxima vyzařování, T je teplota tělesa a b je tzv. Wienova konstanta, jejíž hodnota je přibližně b = 2,898 mmk.,

7 7 6. Model dokonale černého tělesa 7. Výpočet výměny tepla

8 8 8. Seznam symbolů Symbol Název veličiny Jednotka A Poměrná pohltivost 1 C 0 Emisní konstanta dokonale černého tělesa 5,669 Wm -2 K -4 W.m -2.K -4 c Rychlost světla m.s -1 D Poměrná propustnost 1 E Intenzita vyzařování W.m -2 E o Intenzita vyzařování dokonale černého tělesa W.m -2 h Planckova kostanta J.s -1 q Hustota tepelného toku W.m -2. Q Zářivý tepelný tok W Q Teplo J R Poměrná odrazivost 1 S Plocha m 2 T Teplota K T o Teplota dokonale černého tělesa K T 1 Teplota povrchu 1 K T Teplota povrchu 2 K 2 ε Emisivita (relativní sálavost) 1 ω Frekvence Hz σ Boltzmannova konstanta σ = 5, Wm -2 K -4 Wm -2 K -4 ϕ Úhlový součinitel osálání 1 Přednáškový text se vztahuje k této otázce: 9. Použitá literatura [1] Jahoda, M.: Sdílení tepla, pracovní materiály,všcht Praha, ÚCHI, 2003 [2] Kolomazník, K.: Teorie technologických procesů III, VUT Brno, FT Zlín, 1978 [3] Michejev, M. A.: Základy sdílení tepla, Praha, Průmyslové vydavatelství, 1952 [4] Míka, V. a kol: Chemické inženýrství II, VŠCHT Praha, III. vydání, 1998 [5] Dvořák, Z.: Sdílení tepla a výměníky, ČVUT Praha, FS, 1992