HŐSUGÁRZÁS A hősugárzás két test között úgy valósul meg, hogy a testek között elhelyezkedő teret kitöltő anyag nem vesz részt a hőátvitelben. A sugárzó energia a testek felületéhez érve, az anyagi tulajdonságnak megfelelően: • visszaverődhet, reflektálódhat ΦR • elnyelődhet, abszorbeálódhat ΦA • áthaladhat, transzmittálódhat ΦTr ΦÖssz. = ΦR + ΦA + ΦTr
HŐSUGÁRZÁS ΦÖssz. = ΦR + ΦA + ΦTr 1 = R + A + Tr visszaverőképesség átbocsátóképesség elnyelőképesség
1
HŐSUGÁRZÁS Spektrális emisszióképesség: e (ν ν,T ) A T hőmérsékletű test egységnyi felülete által egységnyi idő alatt a ν körüli egységnyi frekvenciatartományban kisugárzott elektromágneses energia. Anyagfüggő. [teljesítménysűrűség / frekvencia] Spektrális abszorpcióképesség: a (ν ν, T) Megadja, hogy a T hőmérsékletű test a ν körüli egységnyi frekvencia-tartományban a ráeső elektromágneses sugárzás hányad részét nyeli el. Anyagfüggő. 0 < a (ν, T) < 1 ( nincs dimenziója ) KIRCHHOFF törvény:
E (υ , T ) =
e(υ , T ) a (υ , T )
E(ν, T) : anyagi minőségtől független univerzális függvény.
HŐSUGÁRZÁS Az abszolút fekete test modellje:
A legjobb modell egy üreg falán lévő lyuk. Az üregbe a lyukon belépő sugárzás a szemközti falon szóródva igen kis eséllyel tud a lyukon visszamenni. A modell akkor jó, ha a lyuk mérete igen kicsi az üreghez képest. Még tökéletesebb a modell, ha az üreg fala maga is jó sugárzás elnyelő, például kormozott.
Izzítsuk a testet T2 hőmérsékletre.
2
HŐSUGÁRZÁS A fekete test által kibocsátott összenergia ( egységnyi felület által kibocsátott összes energia ):
E (T ) = ∫ e(υ , T ) dυ = σ T 4 ∞
0
Stefan - Boltzmann törvény
ϕf =σT 4 σ = 5,67 ⋅10 −8
W m 2K 4
HŐSUGÁRZÁS A szürke test felületi sugárzási intenzitásának megoszlása olyan jellegű, mint a fekete testé, az azonos hullámhosszon és hőmérsékleten kisugárzott energiamennyiség azonban arányosan kisebb. A színes felület szelektív abszorpciót mutat, tehát sugárzása is szelektív. Szürke test által kibocsátott összenergia ( egységnyi felület által kibocsátott összes energia ):
ϕ sz = εϕ f = εσ T 4 ϕ ε feketeségi fok ε = sz ϕf
3
HŐSUGÁRZÁS Két test hősugárzásos energiakiegyenlítődése:
T1 4 T2 4 ϕ = C − 100 100
C sugárzási szám
szürke test esetén:
Két párhuzamos egyenlő nagyságú felület esetén:
1 C= 1 1 1 + − C1 C 2 C f
Cf =
σ 100 4
C f = 5,67
W m 2K 4
C = Cfε
Az első testet a második test teljesen körülzárja:
1 1 A1 1 1 + − C1 A2 C 2 C f
C=
ÖSSZVESZTESÉG KONVEKCIÓ (SZABAD) + SUGÁRZÁS
Φveszt. = ΦK + ΦS = (α K + α S ) ⋅ A ⋅ (tsz − t környezet ) ΦS = α S ⋅ A ⋅ (tsz − t környezet )
αS = =
ΦS = A ⋅ (tsz − t környezet )
(t
εσ sz
− t környezet
[) (T
sz
)4 − (Tkörnyezet )4 ]
4
HŐCSERÉLŐ BERENDEZÉSEK Hőcserélő:
Két tér, amelyekben a meleg és a hideg közeg áramlik (fizikailag egy fémfal választja el) Hőátbocsátás:
Φ = k ⋅ A ⋅ ∆t
}
- hőáram - anyagáram
hőcserélők jellemzése
Technológiai fegyelem! Azonos körülmények fenntartása: a hőcserélő paramétereinek meghatározására vonatkozó összefüggések ismerete
HŐCSERÉLŐ BERENDEZÉSEK Hőcserélők teljesítménye:
Φ = G ⋅ c p ⋅ ∆t
A, hőcserélő felülete
Φ = k ⋅ A ⋅ ∆tköz
ellenáram
egyenáram
Amin Gmin, ell.
nagy A, kis G kis A, nagy G
Gmin, egy.
BERUHÁZÁS NAGY KICSI
G, fűtővíz tömegárama
ÜZEMELTETÉS KICSI NAGY
5
HŐCSERÉLŐK MŰVELETTANI MÉRETEZÉSE
Feladat: adott anyagmennyiség adott hőkezelése
1. Hőmérleg felírása hőenergiaszükséglet, ki- és belépő hőmérséklet, anyagáram
2. Hőcserélő típus kiválasztása szempontok: kivitelezhetőség, gyártási és üzemeltetési költségek, helyigény, automatizálhatóság 3. Hőcserélő keresztmetszetének meghatározása áramlási sebesség számításához
HŐCSERÉLŐK MŰVELETTANI MÉRETEZÉSE 4. Nu-függvények alkalmazása α, ill. ∆tköz meghatározása 5. Φ = k A ∆tköz alapján az A hőátadó felület számítása hossz, magasság 6. Számítások eredményeinek ellenőrzése, szükség esetén iteráció A művelettani méretezést a gépészeti (szilárdságtani, kivitelezési stb.) tervezés követi
6
HŐCSERÉLŐ BERENDEZÉSEK Tartályszerű hőkezelő berendezések erjesztők (mikrobiológiai folyamatok) Főzők Dezinfektorok állati, növényi eredetű hulladékok hasznosítása, feldolgozása Duplikátorok előmelegítés; állati, növényi eredetű anyagok főzése; készételek, mártások, felöntőlevek ömlesztésére, olvasztására Kígyócsöves főzők erjedés-, tej-, növényolajiparban alkalm.
HŐCSERÉLŐ BERENDEZÉSEK Áramlásos hőcserélők folyadékok, emulziók, szuszpenziók pasztőrözése, sterilezése; tej, sör, bor, üdítőitalok, sűrítmények, krémek gyártásánál Lemezes hőcserélők Csőköteges hőcserélők Csigás hőcserélők Spirálcsöves hőcserélők Lemez-spirál hőcserélők
7
