Promieniowanie, Studia, Inżynieria chemiczna, Wykłady inżynieria chemiczna

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
PROMIENIOWANIE
Wymiana ciepła z otoczeniem przez promieniowanie cieplne.
Przekształcanie energii cieplnej na promienistą – promieniowanie cieplne,
proces odwrotny to pochłanianie (absorpcja ciepła). Promieniowanie
cieplne ma tą samą naturę, co promieniowanie świetlne, podlega tym
samym prawom.
PROMIENIE WIDZIALNE MAJĄ DŁUGOŚĆ OD
0,4 DO 0,8
μ
m
ZAŚ PROMIENIE CIEPLNE (PODCZERWONE) OD
0,8 DO 40
μ
m
.
Na powierzchni każdego ciała lub w jego wnętrzu zachodzi
nieprzerwanie proces zamiany energii cieplnej na promienistą i
odwrotnie. Promienie padające na ciało są częściowo pochłonięte,
częściowo zaś odbite, a częściowo mogą przechodzić przez ciało bez
zmian.
Ta część energii, która została odbita natrafia na inne ciała, gdzie w/w
proces się powtarza. Także promieniowanie pochłonięte zostaje
wyemitowane np. ciało doskonale czarne pochłania i emituje
promieniowanie cieplne bardzo dobrze
(
a
=
ε
=1).
Podstawowe zależności:
natężenie promieniowania cieplnego
]
=
Q
A

τ=
φ
A
[
W
m
2
gdzie:
Q – energia promieniowania [J],
A – powierzchnia z której następuje promieniowanie [m
2
],
τ
- czas promieniowania [s]
τ
-
moc promieniowania cieplnego
,
E
φ
Q
=
Q
=
Q
A
+
Q
R
+
Q
T
/:Q
1=Q
A
/Q+Q
R
/Q+Q
T
/Q czyli
1=a+r+t
a
= współczynnik absorpcji (pochłanianie) =
Q
Q
A
Q
R
t
= współczynnik transmisji (przepuszczanie) =
Q
r
= współczynnik refleksji (odbicie)
=
Q
Q
T
1=a+r+t -
CIAŁO SZARE
najczę
ś
ściej dla cia
ł
ł szarych
a+r=1
CIAŁO DOSKONALE CZARNE
– a=1; r=0 i t=0
CIAŁO DOSKONALE PRZEŹROCZYSTE
– t=1; a=0 i r=0
CIAŁO DOSKONALE BIAŁE
– r=1; t=0 i a=0
Wartości współczynników
a, r
i
t
zależą od rodzaju ciała (struktury,
rodzaju wiązań chemicznych), długości fal padających promieni, barwy
ciała i charakteru powierzchni.
PRAWA PROMIENIOWANIA:
1.
Plancka,
2.
Wiena,
3.
Przesunięć Wiena,
4.
Kirchoffa,
5.
Stefana – Boltzmana
PRAWO STEFANA-BOLTZMANA
Rozwiązanie prawa Plancka daje prawo Stefana-Boltzmana, które
głosi, że natężenia promieniowania ciała doskonale czarnego jest
proporcjonalne do czwartej potęgi temperatury bezwzględnej tego ciała.
4
E


T
0
0
gdzie:
σ
O
- stała promieniowania 5,6697 10
-8
W/m
2
·
K
4
4
E

=
(
T
100
)
0
0
dla ciał szarych
E
= ε
C

(
T
100
)
4
=
C

(
T
100
)
4
0
C
gdzie:
ε
- stopień czarności ciała czyli emisyjność,


10
8
0
0
EMISYJNOŚĆ CAŁKOWITA

stosunek natężenia promieniowania
ciała szarego do natężenie promieniowania ciała doskonale czarnego w
temperaturze T
C
(
T
100
)
4
ε
E
=
E
0
C
(
T
100
)
4
0
Emisyjność (stopień czarności) przybiera wartości 0<
ε
<1 zatem C wynosi
od 0 do 5,67 [W/m
2
·K
4
].
Zgodnie z prawem
Stefana–Boltzmana
można wyznaczać ilość
wymienionego ciepła (natężenie przepływu ciepła) między
powierzchniami dwóch ciał zależnie od położenia tych powierzchn
i:
Powierzchnia
A
1
jest
zamknięt
a w powie
rzchni
A
2
Powierzchnie
A
1
i
A
2
tworzą
jedną powierzchnię zamkniętą
A
2
>A
1
zatem:


T

4

T

4

Q
ε
=

C

A


1



2


[W]
*

2
1

2
0
1
100
100


ZASTĘPCZY STOPIEŃ CZARNOŚCI
ε
1-2
ε
=
1
wzór ogólny:
1

2
1
ε
+
A
A

(
ε

1
1
1
2
2
gdy
A
2
>>A
1
wtedy
ε ≅
1

2
ε
1
Dla równoległych dostatecznie dużych płyt położonych blisko siebie
zastępczy stopień czarności oblicza się z wg poniższego wzoru, gdyż
wtedy A
1
=A
2
:
ε
=
1
1

2
1
ε
+
1
ε

1
1
2
1
 ZADANIE 1
1000mm
W kanale ceglanym o przekroju
1000x1000mm znajduje się
rurociąg stalowy o średnicy
zewnętrznej 300mm. Temperatura
zewnętrznej powierzchni rurociągu
wynosi 227
°
C, a temperatura
wewnętrznej powierzchni ścianek
kanału 30
°
C. Obliczyć straty cieplne
wskutek promieniowania 1 metra
bieżącego rurociągu (L=1m).
Stopień czarności wynosi dla stali
ε
1
=0,80; dla cegły
ε
2
=0,93.
1000mm
1000mm
ZADANIE 2
W dużej hali fabrycznej znajduje się rurociąg stalowy o średnicy
zewnętrznej 120mm i długości 20m. Temperatura zewnętrznej
powierzchni rurociągu wynosi 300
°
C, zaś temperatura ścian hali jest
równa 17
°
C. Obliczyć straty cieplne rurociągu na drodze
promieniowania, jeżeli stopień czarności stali
ε
1
=0,80.
ZADANIE 3
Dwie jednakowej wielkości płyty stalowe o wymiarach 2x2m są
umieszczone równolegle, blisko siebie tak, iż wpływ promieniowania na
boki można pominąć. Pierwsza z nich ma temperaturę 500
°
C a druga
80
°
C. Obliczyć natężenie przepływu ciepła na drodze promieniowania
między płytami. Podać temperaturę ekranu stalowego wstawionego
między płyty o identycznych wymiarach. Stopień czarności stali
ε
1
=0,82.
O ile % pierwotnej wartości zmniejszy się natężenie przepływu po
wstawieniu ekranu.
ZADANIE 4
Ściana pieca ma wysokość 3m. Temperatura ściany wynosi 80
°
C,
natomiast temperatura otoczenia 40
°
C. Obliczyć straty ciepła i porównać
na sposób konwekcji i promieniowania. Parametry powietrza dla
temperatury 60
°
C: Pr=0,722;
η
=20·10
-6
Pa·s;
ρ
=1,0 kg/m
3
;
λ
=0,028
W/m·K. Ponadto wiadomo, że stopień czarności ściany (emisyjność)
wynosi 0,8 zaś czynnik kształtu f=1.
ZADANIE 5
Grzałka szamotowa o średnicy 30mm jest umieszczona wewnątrz
stalowej rury o średnicy 350mm. Obliczyć ilość ciepła wymienianego
między grzałką i rurą przez promieniowanie jeżeli temperatura
wewnętrznej powierzchni rury wynosi 80
º
C a temperatura grzałki wynosi
320
º
C.
Dane do zadania:
stopnie czarności: szamot
ε
=0,6; stal
ε
=0,77
Zakładamy długość rury i grzałki L=1m
ZADANIE 6
Przeanalizować zależność ciepła traconego wskutek promieniowania
przez powierzchnię nieizolowanego odcinka stalowego rurociągu
(
ε
=0,77) o średnicy równej 25mm i długości wynoszącej 5m o
temperaturze otoczenia 0
º
C, jeżeli rurociągiem przepływa para wodna o
ciśnieniu 4,7
·
10
5
Pa i temperaturze 423K.
Wyznaczyć ciepło tracone dla innych temperatur otoczenia (-20; -10;
10; 20; 30 i 40
º
C) i porównać.
ZADANIE 7
Obliczyć ile ciepła w ciągu godziny otrzymuje opromieniowania
powierzchnia 1m
2
stalowych rur kotła parowego, jeżeli źródłem
promieniowania jest ścianka paleniska (materiał cegła szamotowa).
Temperatura ścianki wynosi 1100
º
C a temperatura powierzchni
stalowych rur 300
º
C. Stopnie czarności wynoszą odpowiednio: cegła
szamotowa
ε
=0,75; rura stalowa
ε
=0,7.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]