Soojus- ja massilevi I vastused (0)

Soojus ja massilevi I
1. Soojuse leviku viisid ja nende lühiiseloomustus.
Soojusjuhtivus – keha sisene või kehadevaheline soojuse levik. Mis on tingitud erinevatest temperatuuridest keha eri osades või kehade erinevast temperatuurist.
Konvektsioon – gaasi või vedelas keskkonnas. Näit. külma ja kuuma gaasi segunemine tiheduste erinevuse tõttu. Soe gaas /vedelik on hõredam ja tõuseb üles, kus jahtub ja vajub alla.
Soojuskiirgus – soojuse levik kiirguse abil.
Segajuhtivus – olemas nii konvektiivne kui kiirguslik soojusjuhtivus.
2.Soojuse, massi ja liikumishulga (impulsi) ülekande sarnasus.
Soojus ja massilevis kasutatakse sageli arvutuste tegemisel sarnasusteooriat ja sarnasusarve. Sarnasusarvud on näiteks Re ( Reynoldsi ) ja Nu (Nusseti). Massi ja soojuse levikut kirjeldatakse vahel kui elektri levikut, soojustakistus asendatakse elektrilise takistusega. Vahel ei saa seda meetodit kasutada. Nu=α *l/λ
3.Statsionaarne soojusjuhtivus läbi tasapinnalise seina.
Temperatuur muutub lineaarselt.
Temperatuur seinast eemal: , kus x – kaugus seinast, - seina paksus
Soojusvoo tihedus: []
Seina termiline takistus
[m2 * K/W]
Soojusläbikandetegur
[W/ (m2*K)]
4.Statsionaarne soojusjuhtivus läbi silindrilise seina.
Lineaarne termiline takistus
[m2*K/W]
Lineaarne soojusvoog
[W/m]
Soojusläbikandetegur
[W/ m2 * K]
5.Mitmekihilise tasapinnalise seina termiline takistus ja soojusläbikande mõiste.
Termiline takistus
[m2 * K/W]
Soojusläbikandetegur
[W/ m2 * K]
6.Mitmekihilise silindrilise seina termiline takistus ja soojusläbikande mõiste.
Termiline takistus
[m2 * K/W]
Lineaarne soojusvoog
[m2 * K/W]
Soojusläbikandetegur
[W/(m2 * K)]
7.Varda soojusjuhtivus ja ribitatud küttepind.
Lõpmata pika varda soojusvool
W
Ribitatud küttepinnalt ülekantav summaarne soojusvool:
W
[W/ (m2 * K)]
Fs – seina pindala
Fr – ribide pindala
αs – seina soojusülekandetegur
αr – ribide soojusülekandetegur
8. Soojusjuhtivustegur ning ainete jagunemine nende soojusjuhtivuse järgi.
Soojusjuhtivustegur λ – ainet läbiv soojuse hulk mingi teatud aja jooksul.
Soojusjuhtivuse sõltuvus temperatuurist on tavaliselt lineaarne.
Klaas – 0,745 W/ m * K ; Alumiinium 209 W/ m * K
Gaasid – väike soojusjuhtivustegur (sjt.), vedelikud – keskmine sjt, ehitusmaterjalid – väike sjt , metallid – suur sjt.
9.Põhimõisted mittestatsionaarsest soojusjuhtivusest. ???
Mittestats. – temp muutub, st. keha soojeneb või jahtub, III järku ääretingimused.
Keha suvaliselt valitud punkti temperatuur sõltub nii tema asukohast kui ka ajast.
Tasapinnaline sein – dimensioonita temperatuur plaadi igas punktis igal ajahetkel :
Silinder - keskmine dimensioonita temperatuur
Kera – dimensioonita temperatuur
Fourier ’i arv: μn – iseloomuliku võrrandi lahendid
Biot’ arv:
10.Konvektiivne soojuslevi tasapinnalise seina ääres.
Konvektiivne soojusülekanne on soojuse leviku viis, mis tekib teatava soojusesisaldusega vedeliku- või gaasiosakeste edasiliikumise ja segunemise tulemusel.
Newton -Richmanni valem W/m2
1) Sundkonvektsioon – mõjuvad välised jõud
2) Vabakonvektsioon – raskusjõu väljas tiheduse vahe tõttu
3) Segakonvektsioon - mõlemad
11.Hüdrodünaamilise ja termilise piirikihi mõiste.
Hüdrodünaamiline piirikiht on tingitud sellest et vedelik või gaas hõõrdub toru seina vastu ja sellepärast seina juures olevad kihid on aeglasema voolamisega kui toru keskel olevad kihid.
Termiline piirikiht on kiht gaasi või vedeliku mis tekib näiteks välisõhu ja maja seina vahele ...mida rohkem õue poole seda külmemaks kiht läheb, mida lähemale majale seda soojemaks.
12.Vaba- ehk termogravitatsiooniline konvektsioon.
Konvektsioon on põhjustatud sellest et vedeliku või gaasi osakesed liiguvad kuumutamisel ülespoole.
Grasshoffi arv:
Nusseti arv:
Laminaarne voolamine vertikaalse plaadi ääres
Turbulentne voolamine vertikaalse plaadi ääres
Laminaarne voolamine ümber toru
Peenete traatide (d=0,2....2mm) soojusülekanne, kui
Vaba konvektsioon kitsastes piludes:
13.Konvektiivne soojuslevi voolamisel torudes ja kanalites.
Viskoosne voolamine Re Turbulentne voolamine (keeristega) :
Parandustegur hüdrodünaamilisele algosale:
14.Konvektiivne soojuslevi voolamisel torukimpudes.
malekorras kimp C=0,41 ja n=0,6
koridoorne kimp C=0,26 ja n=0,65
15.Konvektiivne soojuslevi voolamisel ümber üksiku toru
16.Soojuslevi keskkonna kondenseerumisel vertikaalsetele pindadele .
17.Piisk- ja kelmelise kondensatsiooni mõiste.
Piiskkondensatsiooni korral tekivad pinnale kondensaadi piisad – see on vedelike mittemärgamise korral. Piiskkondensatsiooni esineb praktikas harva ja sellele on iseloomulikud soojusülekande teguri suured väärtused (20000- 200 000).
Kui pind on märgav ja kondensaat moodustab pinnale õhukese vedelikukelme, esineb kelmeline kondensatsioon - aur kondenseerub, kui soojusvahetuspinna temperatuur on madalam antud rõhule vastavast küllastustemperatuurist.
18.Soojuslevi keskkonna keemisel suures ruumis
kriitiline soojuskoormus vee keemisel suures mahus arvutatakse valemiga
* - mulli
Re*kr=68Ar4/9 *Prk-1/3
Kus Archimedese arv: Ar=( l*3 / υ2 )*(ρ´ - ρ“/ ρ“ )
Kriitiline Reynoldsi arv: Re*kr=qkr*l */(rρ“υ)
Nu=C*Re*n*Pr1/3
Kui Re*0,01, siis C=0,0625; n=0,5
Kui Re*>0,01 siis C=0,125; n=0,65
19. Keemine voolamisel torudes
alfa/alfa(w) =4*alfa(w)- alfa(k)/ (5*alfa(w)+ alfa(k))
kus alfa – soojusülekandetegur keeva vedeliku voolamisel torus W/ m2*K
alfa(k) – soojusülekandetegur mullilisel keemisel suures ruumis, mis on määratud valemiga: Nu=C*Re*n*Pr1/3
Kui Re*0,01, siis C=0,0625; n=0,5
Kui Re*>0,01 siis C=0,125; n=0,65
alfa(w) – soojusülekandetegur ühefaasilise vedeliku turbulentsel voolamisel torus W/m2*K
20. Aurumulli tekke ja arengu mehhanism. Keemise režiimid
Keemisrežiimid on mulliline ja kelmeline.
Reynoldsi arv, mille puhul toimub üleminek mulliliselt kelmelisele režiimile:
Mulli raadius, mille korral ta lendub:
kus ’ tähistab vedelikku ja ’’ auru.
21. Soojusvahetite klassifikatsioon ja tüübid. Soojusvaheti arvutuse võrrandisüsteem
Soojusvahetid on:
1) pindsoojusvahetid
2) küttepinnata soojusvahetid e. segunemistüüpi soojusvahetid
Tööprintsiibi järgi jagunevad soojusvahetid
1) Rekuperatiivseteks- töötavad kindla soojusvoolu suunaga
2) Regeneratiivseteks- soojusvoolu suund küttepinnas muutub perioodiliselt
Küttepinnata soojusvahetites ülekantav soojushulk avaldub võrrandiga:
Q=αV∆t V ( W)
αV - mahuline soojusülekande tegur W/(m3*K)
∆t – keskmine temp vahe soojuskandjate vahel K
V- soojusvaheti maht m3
Kuumutav soojuskandja:
Kuumutatav soojuskandja:

Keskmise logaritmilise temperatuuride vahe mõiste.

• Keskmine temperatuuride vahe: K
  

Kus indeks s tähistab suurimat ja indeks v väikseimat temperatuuride vahet soojuskandjate vahel soojusvaheti otstel. See valem kehtib nii päri- kui ka vastuvoolu skeemi korral.

Päri- ja vastuvoolu soojusvahetid, nende võrdlus

• Keskkondade lõpptemperatuurid pärivoolu korral:
  

ja
kus
C1,C2 – soojuskandjate kulu soojusmahtuvused W/K

• Soojuskandjate lõpptemperatuurid vastuvoolu korral
  

ja
kus
PLUS joonised lk 41 (Soojus- ja massilevi I osa. Põhikursus)

Soojuskiirguse mõiste ja spektripiirkond

• Soojuskiirgus on kehade poolt kiiratav, temperatuurist sõltuv elektromagnetkiirgus .
  

Spektripiirkond – mingi lainepikkuse vahemik, mis omab kindlat valgusspektrit. 0,4....0,8*10-3mm on nähtav valgus
Ultraviolettkiirguse piirkond, nähtava valguse piirkond, lähisinfrapunane piirkond, infrapunapiirkond, mikrolainepiirkond ja raadiolainepiirkond.

Kiirgusseadused

• Kirchoffi seadus (absoluutselt musta keha kiirgusvõime) :
  

 - lainepikkus
T – temperatuur

• Plancki seadus (absoluutselt musta keha kiirgusvõime) :
  

C1=3.7418*10-16 W*m2
C2=1.438786*10-2 m*K
T – keha absoluutne temperatuur (Kelvinites)

• Wieni nihkeseadus (lainepikkus, millele langeb energia maksimum max, on pöördvõrdeline absoluutse temperatuuriga T):
  

C’=0.28976*10-2 m*K

• Stefan -Boltzmanni seadus (absoluutselt musta keha kiirgusvoog on võrdeline tema temperatuuri neljanda astmega) :
  

0 = 5.67032*10-8 W(m2*K)

• Wieni II seadus (absoluutselt musta keha maksimaalne kiirgusvõime B(m,T) kasvab koos temperatuuri 5-nda astmega). :
  

C’’= 1.301*10-5 W/(m3*K5)

Absoluutselt musta keha mõiste ja Kirchoffi seadus

• Absoluutselt mustaks kehaks nim keha, mis neelab vaklikuta kogu kiirguse, mis talle väljaspoolt langeb.
  

Kirchoffi seadus – keha kiirgamisvõime ja neelamisvõime suhe on kõikide kehade puhul ühesugune keha temperatuuri ja kiirguse lainepikkuse funktsioon.
 - lainepikkus
T - temperatuur
27. Kiirgus kahe keha vahel

Kahe keha vahelise kiirguse arvutamisel lihtsustub ülesanne, kui eeldada, et
kehade pinnad on difuussed ( alluvad Lambert’i seadusele), et neeldumis- ja
peegeldumistegurid A ja R ei muutu mitmekordse peegelduse käigus ning et üks
pindadest pole nõgus. Sel juhul on vahetatav resulteeruv soojushulk suletud
süsteemile esitatav kujul
kus indeks 1 vastab mittenõgusa keha pinnale ja indeks 2 nõgusa keha pinnale.
Paljudel juhtudel võib kiirgavaid tahkeid kehi vaadelda ligikaudu hallidena, millede
A= ε, ja võrrand (5.9) lihtsustub kujule
Võrrandi (5.10) edasine lihtsustumine saadakse piirjuhtudel F1/F2=0 ja F1/F2=1.
Viimasele juhule vastab näiteks kahe paralleelse seina vaheline kiirgus
(5.11)
28. Nurktegurid ja vastastikused pinnad
Nurktegur . ik väljendab tõenäosust, et pinnalt i väljunud footon satub pinnale k.
Kui i on lõpmata väike pinnaelement (punkt), siis saadakse lokaalne nurktegur.
Lõplike mõõtmetega pinna Fi puhul saadakse keskmine ehk integraalne
nurktegur.
Korrutist Fi·. ik=hik nimetatakse vastastikuseks pinnaks. Difuussete pindade
juhule on kirjanduses [31…36] toodud nurktegurite kohta arvukalt andmeid. Suurel
määral hõlbustub nende leidmine, kasutades järgmisi nurktegurite ja vastastikuste
pindade põhiomadusi.

Suletavus: suletud süsteem, mis koosneb n pinnast
2. Vastastikkus
3. Liidetavus: kui pind k moodustub kahest osast Fk=Fk1+Fk2, siis
4. Varjutatavus: kui kahe keha vahele jääb läbipaistmatu keha, siis nende
pindade vaheline nurktegur .φ ik=0.
5. Asendatavus: kui pind Fk asendada mingi teise pinnaga Fm, mis toetub äärtega
samale ruumilisele kõverale kui pind Fk, siis . φ ik=. φ im.
Omadusi 3 … 5 võib kasutada kiirgava süsteemi lihtsustamiseks, et kergendada
nurktegurite määramist. Omadused 1 ja 2 sobivad aga võrranditesse, mille abil
võib arvutada nurktegureid. Kui suletud süsteem koosneb n pinnast (tsoonist), siis
tema indeksitel võivad olla kõik väärtused 1-st kuni n- ni ja seega on süsteemi
iseloomustavate nurktegurite (vastastikuste pindade) üldarv n 2 . Suletavuse
omadusest saab n võrrandit ja vastastikkuse omadusest (jättes kõrvale n
triviaalset tingimust hii=hii) (n 2 -n)/2 võrrandit. Seega võimaldavad omadused 1 ja 2
määrata (n 2 +n)/2 suurust.
29.Kiirguseekraanid
Valem (5.11) kehtib ka juhul, kui kahe seina vahele on paigutatud kiirguse vähendamiseks ekraanid kiirgusomadustega vastavalt AE, RE ja εE. Selleks vaadeldakse valemi (5.11) nimetajat kahe pinnatakistuse
ja
summana. Igal ekraanil on kaks pinda. Juhul kui ekraani mõlemad pinnad on ühesuguste omadustega ning väikese termilise takistuse tõttu neil temperatuurilangu ei esine, võib resulteeruvale soojusvoole saada valemi
W/m2
(5.12)
kus summeerimine toimub indeksi i järgi ekraanide koguarvuni n.
Ideaalselt (optiliselt) peegeldavate pindadega kehad kujutavad teist piirjuhtu, võrreldes difuussete pindadega. Et optilise peegelduse puhul on kiirte käik süsteemi geomeetriaga rangelt ette määratud, siis on mitmekordsete peegelduste arvessevõtt sellises süsteemis väga keeruline. Kolmest kehast koosnev optiliselt peegelduvate pindadega süsteem on lihtsa valemiga arvutatav kolmel erijuhul, kui on a) kaks paralleelset seina, b) kaks lõpmata pikka kontsentrilist silindrilist pinda, c) kaks kontsentrilist sfäärilist pinda. Neil juhtudel võib valemi (5.9) asemel kasutada valemit
W
(5.13)
Kui ε=A, siis lihtsustub valem nagu valemid (5.10) ja (5.11).
30. Häguse keskkonna mõiste. Kiirenõrgenemise tegur. Bougueri seadus
Poolläbipaistva keskkonna mustsusaste oleneb kihi optilisest tihedusest vastavalt Bougueri seadusele
(6.1)
kus kλ ja k on monokromaatilise ja integraalse kiire nõrgenemise tegurid. Nende konstantsuse (lainepikkusest sõltumatuse) korral saab valem (6.1) integreerimisel lihtsa eksponetsiaalvormi, mis väljendab gaasikihti paksusega l läbivat suhtelise kiirguse hulka. Seega integraalsele kiirgusele
(6.2)
Kuna gaasikihtide tagasipeegeldus (albeedo) on suhteliselt väike, siis võetakse tehniliste ülesannete puhul tagasipeegeldustegur R=0 ja kihi neeldumistegur ning mustsusaste leitakse valemiga
(6.3)
Valem (6.3) on rakendatav hallile kiirgusele. Selektiivse kiirguse puhul on (6.2) ja (6.3) rakendatavad ainult monokromaatilises vormis ning kiire nõrgenemise tegur kλ muutub olenevalt lainepikkusest väga suurtes piirides ( ribaspekter ). Peale selle tuleb arvestada, et kiire nõrgenemine toimub kahe nähtuse - hajumise (β) ja neeldumise (α) koosmõjul. Seega väljendub kiire nõrgenemise tegur summana
31. Suitsugaaside kiirgusomadused
Kui gaasisegu sisaldab komponenti, mille kiirgusribad praktiliselt ei kattu CO2 ja H2O kiirgusribadega spektris (näiteks SO2), siis Δε=0. Teine piirjuhus on komponendi spektri täielik kattumine gaaside spektriga (näiteks hall tolm εt), siis Δε=εg⋅εt. Gaaside kiirguse selektiivsuse tõttu võivad mustsusaste εg ja neeldumistegur Ag tunduvalt erineda. Kuna neeldumistegur sõltub ka kiirgusallika temperatuurist T0, siis soovitatakse teda CO2 ja H2O segudele (suitsugaasid) arvutada järgmiselt:
(6.10)
kus εg määratakse nomogrammide abil vastavalt kiirgusallika temperatuurile T0 ( kollete puhul neelavad gaasid seinte kiirgust, seega tuleb allika temperatuuriks võtta seina temperatuur).
Tolmuse keskkonna mustsusastme määramiseks soovitatakse A. Blohhí [33,34]
andmetel valemit (6.3), kus lendtuha jaoks leitakse optiline paksus, kui
(6.11)
μt -
tolmu kontsentratsioon gaasisegus g/m3 temperatuuril 273 K ja rõhul 0.1 MPa;
-
lendtuha osakese keskmine mõõde μm;
T -
gaasisegu temperatuur K;
b -
tegur, mille väärtus võetakse hea reaktsioonivõimega kütustele (lendtuharikkad kivisöed, põlevkivi) b=5 ja väikese reaktsioonivõimega kütustele (antratsiit, lahja kivisüsi) b=3.7.
Osakese keskmiseks mõõtmeks soovitatakse võtta tabelis 6.1 toodud väärtused.
Leegi tahmaosakeste kiirguse arvutamiseks katelseadmete kolletes soovitatakse valemit
(6.12)
kus α - liigõhutegur;
C ja H - süsiniku ja vesiniku osamass kütuses.
32. Kiirgusülekande arvutus kiirgava ja neelava keskkonna korral
Kiirguse ja konvektsiooni teel toimuva liitsoojusülekande arvutamisel võib lihtsamatel juhtudel lähtuda nende kahe protsessi vastastikuse sõltumatuse eeldusest. Sel juhul Q=Qkiirg+Qkonv ja kiirgava soojushulga arvutuse võib taandada kiirgussoojuse ülekandeteguri määramisele võrranditest (6.21)...(6.23).
(6.21)
Kiirguslik soojusülekandetegur avaldub seega kui
(6.22)
Juhul kui Tg≈Ts≈Tkesk, siis
(6.22)
Kogu soojusvoog liitsoojusülekande korral leitakse järgmiselt: