Přenos tepla - Heat transfer
Přenos tepla je disciplína tepelné inženýrství která se týká vytváření, používání, přeměny a výměny Termální energie (teplo ) mezi fyzickými systémy. Přenos tepla se dělí na různé mechanismy, jako např tepelné vedení, tepelná konvekce, tepelné záření a přenos energie pomocí fázové změny. Inženýři také zvažují přenos hmoty různých chemických druhů, ať už studených nebo horkých, aby dosáhli přenosu tepla. I když tyto mechanismy mají odlišné vlastnosti, často se vyskytují současně ve stejném systému.
Vedení tepla, také nazývané difúze, je přímá mikroskopická výměna kinetické energie částic přes hranici mezi dvěma systémy. Když je objekt v jiném teplota z jiného těla nebo jeho okolí, teplo proudí tak, aby tělo a okolí dosáhly stejné teploty, ve které se nacházejí tepelná rovnováha. K takovému spontánnímu přenosu tepla vždy dochází z oblasti vysoké teploty do jiné oblasti s nižší teplotou, jak je popsáno v druhý zákon termodynamiky.
Konvekce tepla nastává, když hromadný tok tekutiny (plyn nebo kapalina) přenáší teplo spolu s tokem hmoty v tekutině. Tok tekutiny může být vynucen vnějšími procesy nebo někdy (v gravitačních polích) vztlakovými silami způsobenými, když tepelná energie tekutinu rozpíná (například v oblaku ohně), což ovlivňuje její vlastní přenos. Posledně jmenovaný proces se často nazývá „přirozená konvekce“. Všechny konvekční procesy také částečně přemisťují teplo difúzí. Další formou konvekce je nucená konvekce. V tomto případě je kapalina nucena protékat pomocí čerpadla, ventilátoru nebo jiných mechanických prostředků.
Tepelné záření probíhá prostřednictvím a vakuum nebo nějaký průhledný střední (pevný nebo tekutina nebo plyn ). Jedná se o přenos energie pomocí fotony v elektromagnetické vlny řídí se stejnými zákony.[1]
Přehled
Teplo je definován ve fyzice jako převod Termální energie přes dobře definovanou hranici kolem a termodynamický systém. The termodynamická volná energie je množství práce, které může termodynamický systém vykonat. Entalpie je termodynamický potenciál, označené písmenem "H", což je součet vnitřní energie systému (U) plus součin tlak (P) a objem (PROTI). Joule je jednotka k vyčíslení energie, práce nebo množství tepla.
Přenos tepla je a procesní funkce (nebo cesta funkce), na rozdíl od funkce státu; proto množství přeneseného tepla v a termodynamický proces který mění Stát a Systém záleží na tom, jak k tomuto procesu dochází, nejen čistý rozdíl mezi počátečním a konečným stavem procesu.
Termodynamické a mechanické přenos tepla se počítá pomocí součinitel přestupu tepla, proporcionalita mezi tepelný tok a termodynamická hnací síla pro tok tepla. Tepelný tok je kvantitativní, vektorové znázornění toku tepla povrchem.[2]
V technických kontextech, termín teplo je bráno jako synonymum tepelné energie. Toto použití má původ v historický výklad tepla jako tekutiny (kalorický) které lze přenést různými příčinami,[3] a to je také běžné v jazyce laika a každodenního života.
The doprava rovnice pro tepelnou energii (Fourierův zákon ), mechanická hybnost (Newtonův zákon pro tekutiny ) a hromadný přenos (Fickovy zákony šíření ) jsou podobní,[4][5] a analogie mezi těmito třemi transportními procesy byly vyvinuty s cílem usnadnit predikci konverze z jednoho na druhý.[5]
Tepelné inženýrství se týká výroby, použití, přeměny a výměny tepla. Přenos tepla jako takový je zapojen téměř do všech hospodářských odvětví.[6] Přenos tepla se dělí na různé mechanismy, jako např tepelné vedení, tepelná konvekce, tepelné záření a přenos energie pomocí fázové změny.
Mechanismy
Základní způsoby přenosu tepla jsou:
- Advekce
- Advection je transportní mechanismus a tekutina z jednoho místa na druhé a závisí na pohyb a hybnost té tekutiny.
- Vedení nebo difúze
- Přenos energie mezi objekty, které jsou ve fyzickém kontaktu. Tepelná vodivost je vlastnost materiálu vést teplo a hodnotí se primárně z hlediska Fourierův zákon pro vedení tepla.
- Proudění
- Přenos energie mezi objektem a jeho prostředím v důsledku pohybu tekutiny. Průměrná teplota je referenční pro hodnocení vlastností souvisejících s konvekčním přenosem tepla.
- Záření
- Přenos energie emisemi elektromagnetická radiace.
Advekce
Přenášením hmoty se energie - včetně tepelné energie - přenáší fyzickým přenosem horkého nebo studeného předmětu z jednoho místa na druhé.[7] Může to být stejně jednoduché jako vložení horké vody do láhve a ohřátí postele nebo pohyb ledovce při změně oceánských proudů. Praktickým příkladem je tepelná hydraulika.[Citace je zapotřebí ] To lze popsat vzorcem:
kde
- je tepelný tok (W / m2),
- je hustota (kg / m³),
- je tepelná kapacita při stálém tlaku (J / kg · K),
- je rozdíl teplot (K),
- je rychlost (m / s).
Vedení
V mikroskopickém měřítku k vedení tepla dochází, když horké, rychle se pohybující nebo vibrující atomy a molekuly interagují se sousedními atomy a molekulami a přenášejí část své energie (tepla) na tyto sousední částice. Jinými slovy, teplo se přenáší vedením, když sousední atomy vibrují proti sobě, nebo když se elektrony pohybují z jednoho atomu na druhý. Vedení je nejvýznamnějším prostředkem přenosu tepla uvnitř tělesa nebo mezi tělesy v tělese tepelný kontakt. Kapaliny - zejména plyny - jsou méně vodivé. Tepelná kontaktní vodivost je studium vedení tepla mezi pevnými tělesy v kontaktu.[8] Proces přenosu tepla z jednoho místa na druhé bez pohybu částic se nazývá vedení, například při položení ruky na studenou sklenici vody - teplo se vede z teplé pokožky do studené sklenice, ale pokud je ruka drženo několik palců od skla, mohlo by dojít k malému vedení, protože vzduch je špatný vodič tepla. Rovnovážný stav vedení je idealizovaný model vedení, ke kterému dochází, když je teplotní rozdíl, který řídí vedení, konstantní, takže se prostorové rozložení teplot ve vodivém objektu po čase dále nemění (viz Fourierův zákon ).[9] Při ustáleném vedení se množství tepla vstupujícího do sekce rovná množství vycházejícího tepla, protože změna teploty (míra tepelné energie) je nulová.[8] Příkladem vedení v ustáleném stavu je tok tepla stěnami teplého domu za chladného dne - uvnitř domu se udržuje vysoká teplota a venku teplota zůstává nízká, takže přenos tepla za jednotku času zůstává blízko konstantní rychlost určená izolací ve stěně a prostorové rozložení teploty ve stěnách bude v průběhu času přibližně konstantní.
Přechodné vedení (vidět Tepelná rovnice ) nastává, když se teplota v objektu mění v závislosti na čase. Analýza přechodových systémů je složitější a analytická řešení rovnice tepla jsou platná pouze pro idealizované modelové systémy. Praktické aplikace jsou obecně zkoumány pomocí numerických metod, aproximačních technik nebo empirického studia.[8]
Proudění
Tok tekutiny může být vynucen vnějšími procesy nebo někdy (v gravitačních polích) vztlakovými silami způsobenými, když tepelná energie tekutinu rozpíná (například v oblaku ohně), což ovlivňuje její vlastní přenos. Posledně jmenovaný proces se často nazývá „přirozená konvekce“. Všechny konvekční procesy také částečně přemisťují teplo difúzí. Další formou konvekce je nucená konvekce. V tomto případě je kapalina nucena protékat pomocí čerpadla, ventilátoru nebo jiných mechanických prostředků.
Konvekční přenos tepla, nebo konvekce, je přenos tepla z jednoho místa na druhé pohybem tekutiny, proces, který je v podstatě přenosem tepla prostřednictvím hromadný přenos. Hromadný pohyb tekutiny zvyšuje přenos tepla v mnoha fyzických situacích, například (například) mezi pevným povrchem a tekutinou.[10] Konvekce je obvykle dominantní formou přenosu tepla v kapalinách a plynech. Ačkoli je někdy diskutována jako třetí metoda přenosu tepla, konvekce se obvykle používá k popisu kombinovaných účinků vedení tepla uvnitř tekutiny (difúze) a přenosu tepla proudem objemového proudu tekutiny.[11] Proces dopravy prouděním tekutin je známý jako advekce, ale čistá advekce je termín, který je obecně spojován pouze s hromadným transportem v tekutinách, jako je například oblázky v řece. V případě přenosu tepla v tekutinách, kde je transport pomocí advekce v tekutině vždy také doprovázen transportem prostřednictvím tepelné difúze (známé také jako vedení tepla), se procesem konvekce tepla rozumí součet přenosu tepla pomocí advekce a difúze / vedení.
Volná nebo přirozená konvekce nastává, když jsou pohyby kapaliny (proudy a proudy) způsobeny vztlakovými silami, které jsou výsledkem změn hustoty v důsledku změn teploty v kapalině. Nucený konvekce je termín používaný, když proudy a proudy v kapalině jsou indukovány vnějšími prostředky - jako jsou ventilátory, míchadla a čerpadla - vytvářející uměle indukovaný konvekční proud.[12]
Konvekční chlazení
Konvekční chlazení se někdy označuje jako Newtonův zákon chlazení:
Rychlost tepelných ztrát těla je úměrná teplotnímu rozdílu mezi tělem a jeho okolím.
Podle definice však platnost Newtonova zákona o chlazení vyžaduje, aby rychlost ztráty tepla z konvekce byla lineární funkcí („úměrně“) teplotního rozdílu, který řídí přenos tepla, a u konvekčního chlazení tomu tak někdy není. . Obecně není konvekce lineárně závislá na teplotních gradientech a v některých případech je silně nelineární. V těchto případech se Newtonův zákon nepoužije.
Konvekce vs. vedení
V těle tekutiny, která se ohřívá zpod nádoby, lze uvažovat o vedení a konvekci, které soutěží o nadvládu. Pokud je vedení tepla příliš velké, kapalina pohybující se dolů konvekcí se ohřívá vedením tak rychle, že se její pohyb dolů zastaví kvůli jeho vztlak, zatímco kapalina pohybující se nahoru konvekcí je chlazena vedením tak rychle, že její hnací vztlak se sníží. Na druhou stranu, pokud je vedení tepla velmi nízké, může se vytvořit velký teplotní gradient a konvekce může být velmi silná.
The Rayleighovo číslo () je produktem společnosti Grashof () a Prandtl () čísla. Jedná se o opatření, které určuje relativní sílu vedení a proudění.[13]
kde
- G je gravitační zrychlení,
- ρ je hustota s je rozdíl hustoty mezi dolním a horním koncem,
- μ je dynamická viskozita,
- α je Tepelná difuzivita,
- β je objem tepelná roztažnost (někdy označeno α někde jinde),
- T je teplota,
- ν je kinematická viskozita, a
- L je charakteristická délka.
Rayleighovo číslo lze chápat jako poměr mezi rychlostí přenosu tepla konvekcí a rychlostí přenosu tepla vedením; nebo ekvivalentně poměr mezi příslušnými časovými měřítky (tj. časovým měřítkem vedení děleným časovým rozsahem konvekce), a to až do číselného faktoru. To lze vidět následovně, kde jsou všechny výpočty až do numerických faktorů v závislosti na geometrii systému.
Vztlaková síla pohánějící konvekci je zhruba , takže odpovídající tlak je zhruba . v ustálený stav, toto je zrušeno smykovým napětím v důsledku viskozity, a proto je zhruba stejné , kde PROTI je typická rychlost kapaliny způsobená konvekcí a pořadí jeho časového harmonogramu.[Citace je zapotřebí ] Časový harmonogram vedení je naproti tomu v řádu .
Konvekce nastává, když je Rayleighovo číslo nad 1 000–2 000.
Záření
Tepelné záření dochází prostřednictvím a vakuum nebo nějaký průhledný střední (pevný nebo tekutina nebo plyn ). Jedná se o přenos energie pomocí fotony v elektromagnetické vlny řídí se stejnými zákony.[1]
Tepelné záření je energie vyzařovaná hmotou jako elektromagnetické vlny v důsledku skupiny Termální energie ve všech věcech s teplotou nad absolutní nula. Tepelné záření se šíří bez přítomnosti hmoty skrz vakuum prostoru.[14]
Tepelné záření je přímým důsledkem náhodných pohybů atomů a molekul v hmotě. Protože tyto atomy a molekuly jsou složeny z nabitých částic (protony a elektrony ), jejich pohyb má za následek emise elektromagnetická radiace, který odvádí energii z povrchu.
The Stefan-Boltzmann rovnice, který popisuje rychlost přenosu radiační energie, je pro objekt ve vakuu následující:
Pro radiační přenos mezi dvěma objekty je rovnice následující:
kde
- je tepelný tok,
- je emisivita (jednota pro a černé tělo ),
- je Stefan – Boltzmannova konstanta,
- je faktor zobrazení mezi dvěma povrchy a a b,[15] a
- a jsou absolutní teploty (v kelvinů nebo stupně Rankin ) pro dva objekty.
Záření je obvykle důležité pouze pro velmi horké předměty nebo pro objekty s velkým teplotním rozdílem.
Záření ze slunce, nebo sluneční záření, lze získat pro teplo a energii.[16] Na rozdíl od vodivých a konvekčních forem přenosu tepla může být tepelné záření - přicházející pod úzkým úhlem, tj. Přicházející ze zdroje mnohem menšího než je jeho vzdálenost - koncentrováno na malém místě pomocí odrazných zrcadel, které se využívá v soustředění solární energie generace nebo hořící sklo.[17] Například sluneční světlo odražené od zrcadel ohřívá Solární věž PS10 a během dne může ohřívat vodu na 285 ° C (545 ° F).[Citace je zapotřebí ]
Dosažitelná teplota v cíli je omezena teplotou horkého zdroje záření. (T.4-law umožňuje zpětný tok záření zpět ke zdroji.) (na jeho povrchu) o něco více než 4000 K. slunce umožňuje dosáhnout hrubě 3000 K (nebo 3000 ° C, což je asi 3273 K) na malé sondě v zaostřovacím místě velké konkávní, koncentrační zrcadlo Mont-Louis solární pec ve Francii.[18]
Fázový přechod
Fázový přechod nebo fázová změna, probíhá v a termodynamický systém z jedné fáze nebo stav hmoty do jiného pomocí přenosu tepla. Příklady fázových změn jsou tání ledu nebo var vody Masonova rovnice vysvětluje růst vodní kapky na základě účinků přenosu tepla na vypařování a kondenzace.
Fázové přechody zahrnují čtyři základní stavy hmoty:
- Pevný - Usazování, zmrazování a transformace pevných látek na pevné látky.
- Plyn - Vaření / odpařování, rekombinace / deionizace, a sublimace.
- Kapalný - Kondenzace a tavení / fúze.
- Plazma – Ionizace.
Vařící
The bod varu látky je teplota, při které tlak páry kapaliny se rovná tlaku obklopujícímu kapalinu[20][21] a kapalina odpařuje se což má za následek náhlou změnu objemu páry.
V uzavřený systém, teplota nasycení a bod varu znamenat totéž. Teplota nasycení je teplota pro odpovídající tlak nasycení, při kterém se kapalina vaří do své parní fáze. Lze říci, že kapalina je nasycena tepelnou energií. Jakékoli přidání tepelné energie má za následek fázový přechod.
Při standardním atmosférickém tlaku a nízké teplotynedochází k varu a rychlost přenosu tepla je řízena obvyklými jednofázovými mechanismy. Jak se zvyšuje povrchová teplota, dochází k lokálnímu varu a bubliny par nukleují, rostou do okolní chladnější tekutiny a zhroutí se. Tohle je podchlazený vroucí nukleát, a je velmi účinným mechanismem přenosu tepla. Při vysokých rychlostech vytváření bublin začnou bubliny interferovat a tepelný tok se již rychle nezvyšuje s povrchovou teplotou (to je odklon od varu nukleátů nebo DNB).
Při podobném standardním atmosférickém tlaku a vysoké teploty, hydrodynamicky tišší režim film varu je dosaženo. Toky tepla napříč stabilními vrstvami par jsou nízké, ale s teplotou pomalu stoupají. Jakýkoli kontakt mezi tekutinou a povrchem, který lze vidět, pravděpodobně vede k extrémně rychlé nukleaci čerstvé vrstvy par („spontánní nukleace "). Při stále vyšších teplotách je dosaženo maxima tepelného toku (hodnota kritický tepelný tok nebo CHF).
The Efekt Leidenfrost ukazuje, jak nukleační var zpomaluje přenos tepla v důsledku plynových bublin na povrchu ohřívače. Jak již bylo zmíněno, tepelná vodivost v plynné fázi je mnohem nižší než tepelná vodivost v kapalné fázi, takže výsledkem je druh „tepelné tepelné bariéry“.
Kondenzace
Kondenzace nastává, když je pára ochlazována a mění svou fázi na kapalinu. Během kondenzace latentní výparné teplo musí být propuštěn. Množství tepla je stejné jako množství absorbované během odpařování při stejném tlaku tekutiny.[22]
Existuje několik typů kondenzace:
- Homogenní kondenzace, jako při tvorbě mlhy.
- Kondenzace v přímém kontaktu s podchlazenou kapalinou.
- Kondenzace při přímém kontaktu s chladicí stěnou výměníku tepla: Toto je nejběžnější režim používaný v průmyslu:
- Kondenzace po filmech je, když se na podchlazeném povrchu vytváří kapalný film, a obvykle k němu dochází, když kapalina povrch smáčí.
- Kondenzace po kapkách je, když se na podchlazeném povrchu tvoří kapky kapaliny, a obvykle k ní dochází, když kapalina povrch nenavlhčí.
- Kondenzaci po kapkách je obtížné spolehlivě udržet; průmyslová zařízení jsou proto běžně konstruována pro provoz ve filmově kondenzovaném režimu.
Tání
Tání je tepelný proces, jehož výsledkem je fázový přechod látky z a pevný do a kapalný. The vnitřní energie látky se zvyšuje, obvykle teplem nebo tlakem, což vede ke zvýšení její teploty na bod tání, při kterém se uspořádání iontových nebo molekulárních entit v pevné látce rozpadne na méně uspořádaný stav a pevná látka zkapalní. Roztavené látky mají obecně sníženou viskozitu při zvýšené teplotě; výjimkou z této zásady je prvek síra, jehož viskozita se v důsledku zvyšuje na bod polymerizace a poté klesá s vyššími teplotami v roztaveném stavu.[23]
Modelovací přístupy
Přenos tepla lze modelovat různými způsoby.
Tepelná rovnice
The rovnice tepla je důležité parciální diferenciální rovnice který popisuje distribuci tepla (nebo kolísání teploty) v dané oblasti v čase. V některých případech jsou k dispozici přesná řešení rovnice;[24] v ostatních případech musí být rovnice řešena numericky pomocí výpočetní metody jako jsou modely založené na DEM pro tepelné / reagující částicové systémy (kriticky přezkoumané Peng et al.[25]).
Analýza soustředěného systému
Analýza soustředěného systému často snižuje složitost rovnic na jednu lineární diferenciální rovnici prvního řádu, přičemž v takovém případě jsou ohřev a chlazení popsány jednoduchým exponenciálním řešením, často označovaným jako Newtonův zákon chlazení.
Analýza systému společností model soustředěné kapacity je běžná aproximace v přechodném vedení, kterou lze použít, kdykoli je vedení tepla v objektu mnohem rychlejší než vedení tepla přes hranici objektu. Jedná se o metodu aproximace, která redukuje jeden aspekt systému přechodného vedení - ten uvnitř objektu - na ekvivalentní systém ustáleného stavu. To znamená, že metoda předpokládá, že teplota v objektu je zcela stejná, i když se její hodnota může časem měnit.
V této metodě je poměr vodivého tepelného odporu v objektu k odporu konvekčního přenosu tepla přes hranici objektu, známý jako Biot číslo, se vypočítá. U malých čísel Biot aproximace prostorově rovnoměrná teplota v objektu lze použít: lze předpokládat, že teplo přenášené do objektu má čas se rovnoměrně distribuovat, a to kvůli nižšímu odporu vůči tomu ve srovnání s odporem vůči teplu vstupujícímu do objektu.[26]
Klimatické modely
Klimatické modely prostudujte si přenos sálavého tepla pomocí kvantitativních metod k simulaci interakcí atmosféry, oceánů, povrchu pevniny a ledu.
Inženýrství
Přenos tepla má široké uplatnění na fungování mnoha zařízení a systémů. Principy přenosu tepla lze použít k uchování, zvýšení nebo snížení teploty za nejrůznějších okolností.[Citace je zapotřebí ] Metody přenosu tepla se používají v mnoha oborech, jako je např automobilové inženýrství, tepelná správa elektronických zařízení a systémů, klimatizace, izolace, zpracování materiálů, a elektrárna inženýrství.
Izolace, záření a odpor
Tepelné izolátory jsou materiály speciálně určené ke snížení toku tepla omezením vedení, konvekce nebo obojím. Teplotní odolnost je tepelná vlastnost a měření, kterým předmět nebo materiál odolává tepelnému toku (teplo za časovou jednotku nebo tepelný odpor) teplotnímu rozdílu.
Záře nebo spektrální záření jsou měřítkem množství záření, které prochází nebo je emitováno. Sálavé bariéry jsou materiály, které odrážet záření, a proto snižují tok tepla ze zdrojů záření. Dobří izolátoři nemusí být nutně dobrými sálavými bariérami a naopak. Například kov je vynikajícím reflektorem a špatným izolátorem.
Účinnost sálavé bariéry je indikována jejím odrazivost, což je zlomek odraženého záření. Materiál s vysokou odrazivostí (při dané vlnové délce) má nízkou emisivitu (při stejné vlnové délce) a naopak. Při jakékoli konkrétní vlnové délce, odrazivost = 1 - emisivita. Ideální radiační bariéra by měla odrazivost 1, a proto by odrážela 100 procent přicházejícího záření. Vakuové baňky, nebo Dewars, jsou postříbřený přiblížit se tomuto ideálu. Ve vesmírném vakuu používají satelity vícevrstvá izolace, který se skládá z mnoha vrstev pohliníkovaných (lesklých) Mylar výrazně snížit přenos radiačního tepla a řídit teplotu satelitu.[Citace je zapotřebí ]
Zařízení
A tepelný motor je systém, který provádí převod toku Termální energie (teplo) do mechanická energie vystupovat mechanické práce.[27][28]
A termočlánek je zařízení pro měření teploty a široce používaný typ teplotního senzoru pro měření a regulaci a lze jej také použít k přeměně tepla na elektrickou energii.
A termoelektrický chladič je elektronické zařízení v pevné fázi, které při průchodu elektrického proudu pumpuje (přenáší) teplo z jedné strany zařízení na druhou. Je založen na Peltierův efekt.
A tepelná dioda nebo tepelný usměrňovač je zařízení, které přednostně proudí teplo v jednom směru.
Tepelné výměníky
A výměník tepla se používá pro efektivnější přenos tepla nebo pro odvod tepla. Výměníky tepla jsou široce používány v chlazení, klimatizace, vytápění místností, výroba elektřiny a chemické zpracování. Jedním běžným příkladem výměníku tepla je radiátor automobilu, ve kterém je horký chladicí kapalina je chlazen proudem vzduchu přes povrch chladiče.[Citace je zapotřebí ][29]
Mezi běžné typy toků tepelného výměníku patří paralelní tok, protiproud a křížový tok. V paralelním toku se obě tekutiny pohybují ve stejném směru při přenosu tepla; v protiproudu se tekutiny pohybují v opačných směrech; a v příčném toku se tekutiny pohybují v správné úhly navzájem. Mezi běžné typy tepelných výměníků patří skořápka a trubice, dvojitá trubka, extrudovaná žebrovaná trubka, spirálová trubková trubka, u-trubka a skládaná deska. Každý typ má oproti jiným typům určité výhody a nevýhody.[je třeba další vysvětlení ]
A chladič je složka, která přenáší teplo generované v pevném materiálu na tekuté médium, jako je vzduch nebo kapalina. Příkladem chladičů jsou výměníky tepla používané v chladicích a klimatizačních systémech nebo radiátory v automobilech. A tepelná trubka je další zařízení pro přenos tepla, které kombinuje tepelnou vodivost a fázový přechod k efektivnímu přenosu tepla mezi dvěma pevnými rozhraními.
Aplikace
Architektura
Efektivní využití energie je cílem snížit množství energie potřebné k vytápění nebo chlazení. V architektuře kondenzace a vzdušné proudy může způsobit kosmetické nebo strukturální poškození. An energetický audit může pomoci posoudit provádění doporučených nápravných postupů. Například vylepšení izolace, vzduchové těsnění strukturálních netěsností nebo přidání energeticky účinných oken a dveří.[30]
- Chytrý měřič je zařízení, které zaznamenává spotřebu elektrické energie v intervalech.
- Propustnost tepla je rychlost přenosu tepla strukturou dělená rozdílem teplot v celé struktuře. Vyjadřuje se ve wattech na metr čtvereční na kelvin nebo W / (m2K). Dobře izolované části budovy mají nízkou tepelnou propustnost, zatímco špatně izolované části budovy mají vysokou tepelnou propustnost.
- Termostat je zařízení pro monitorování a řízení teploty.
Klimatické inženýrství
Klimatické inženýrství skládá se z odstranění oxidu uhličitého a řízení slunečního záření. Od výše oxid uhličitý určuje radiační rovnováha zemské atmosféry lze použít techniky odstraňování oxidu uhličitého ke snížení radiační působení. Řízení slunečního záření je pokusem absorbovat méně slunečního záření k vyrovnání účinků skleníkové plyny.
Skleníkový efekt
The skleníkový efekt je proces, při kterém je tepelné záření z planetárního povrchu absorbováno atmosférickými skleníkovými plyny a je znovu vyzařováno do všech směrů. Protože část tohoto opětovného záření je zpět k povrchu a nižší atmosféře, vede ke zvýšení průměrné povrchové teploty nad to, co by bylo v nepřítomnosti plynů.
Přenos tepla v lidském těle
Principy přenosu tepla v technických systémech lze aplikovat na lidské tělo za účelem určení, jak tělo přenáší teplo. Teplo je v těle produkováno nepřetržitým metabolizmem živin, který dodává energii systémům těla.[31] Lidské tělo musí udržovat stálou vnitřní teplotu, aby udržovalo zdravé tělesné funkce. Proto musí být z těla odváděno přebytečné teplo, aby nedošlo k jeho přehřátí. Když se člověk věnuje zvýšené úrovni fyzické aktivity, tělo potřebuje další palivo, které zvyšuje rychlost metabolismu a rychlost produkce tepla. Tělo pak musí použít další metody k odstranění dodatečného vyprodukovaného tepla, aby udržovalo vnitřní teplotu na zdravé úrovni.
Přenos tepla konvekcí je poháněn pohybem tekutin po povrchu těla. Tato konvekční tekutina může být buď kapalina, nebo plyn. Při přenosu tepla z vnějšího povrchu těla je konvekční mechanismus závislý na povrchu těla, rychlosti vzduchu a teplotním gradientu mezi povrchem kůže a okolním vzduchem.[32] Normální teplota těla je přibližně 37 ° C. K přenosu tepla dochází snadněji, když je teplota okolí výrazně nižší než normální teplota těla. Tento koncept vysvětluje, proč se člověk cítí chladný, když není vystaven dostatečnému krytí, když je vystaven chladnému prostředí. Oblečení lze považovat za izolátor, který poskytuje tepelný odpor proti proudění tepla přes zakrytou část těla.[33] Tento tepelný odpor způsobí, že teplota na povrchu oděvu bude nižší než teplota na povrchu kůže. Tento menší teplotní gradient mezi povrchovou teplotou a teplotou okolí způsobí nižší rychlost přenosu tepla, než kdyby pokožka nebyla pokryta.
Aby bylo zajištěno, že jedna část těla nebude výrazně teplejší než jiná část, musí být teplo rovnoměrně rozloženo tělesnými tkáněmi. Krev protékající krevními cévami působí jako konvekční tekutina a pomáhá předcházet hromadění přebytečného tepla uvnitř tkání těla. Tento tok krve cévami lze modelovat jako tok potrubí v inženýrském systému. Teplo přenášené krví je určováno teplotou okolní tkáně, průměrem cévy a tloušťka tekutiny, rychlost toku a koeficient přenosu tepla v krvi. Rychlost, průměr krevních cév a tloušťka tekutiny mohou souviset s Reynoldsovo číslo, bezrozměrné číslo používané v mechanice tekutin k charakterizaci toku tekutin.
Latentní teplo ztráta, známá také jako ztráta tepla odpařováním, představuje velkou část tepelných ztrát z těla. Když se teplota jádra těla zvýší, tělo spouští potní žlázy v pokožce, aby přivedlo na povrch pokožky další vlhkost. Kapalina se poté přemění na páru, která odvádí teplo z povrchu těla.[34] Rychlost ztráty tepla odpařováním přímo souvisí s tlak páry na povrchu kůže a množství vlhkosti přítomné na pokožce.[32] Maximum přenosu tepla proto nastane, když je pokožka úplně mokrá. Tělo neustále ztrácí vodu odpařováním, ale k nejvýznamnějším ztrátám tepla dochází během období zvýšené fyzické aktivity.
Techniky chlazení
Chlazení odpařováním
Chlazení odpařováním se stane, když se do okolního vzduchu přidá vodní pára. Energie potřebná k odpaření vody je odebírána ze vzduchu ve formě citelného tepla a přeměněna na latentní teplo, zatímco vzduch zůstává konstantní entalpie. Latentní teplo popisuje množství tepla, které je potřebné k odpaření kapaliny; toto teplo pochází ze samotné kapaliny a okolního plynu a povrchů. Čím větší je rozdíl mezi těmito dvěma teplotami, tím větší je účinek odpařovacího chlazení. Pokud jsou teploty stejné, nedochází k žádnému čistému odpařování vody ve vzduchu; neexistuje tedy žádný chladicí účinek.
Laserové chlazení
v kvantová fyzika, laserové chlazení se používá k dosažení teplot blízkých absolutní nula (-273,15 ° C, -459,67 ° F) atomových a molekulárních vzorků, aby bylo možné pozorovat jedinečné kvantové efekty k tomu může dojít pouze při této úrovni tepla.
- Dopplerovo chlazení je nejběžnější metoda laserového chlazení.
- Sympatické chlazení je proces, při kterém částice jednoho typu chladí částice jiného typu. Atomové ionty, které mohou být přímo chlazeny laserem, se obvykle používají k chlazení blízkých iontů nebo atomů. Tato technika umožňuje chlazení iontů a atomů, které nelze přímo ochladit laserem.[Citace je zapotřebí ]
Magnetické chlazení
Magnetické odpařovací chlazení je proces snižování teploty skupiny atomů po předchlazení metodami, jako je laserové chlazení. Magnetické chlazení vychladne na méně než 0,3 tis magnetokalorický účinek.
Radiační chlazení
Radiační chlazení je proces, při kterém tělo ztrácí teplo radiací. Odchozí energie je důležitým účinkem v Energetický rozpočet Země. V případě zemsko-atmosférického systému se jedná o proces, při kterém je emitováno dlouhovlnné (infračervené) záření za účelem vyrovnání absorpce krátkovlnné (viditelné) energie ze Slunce. Termosféra (vrchol atmosféry) se ochladí do vesmíru primárně infračervenou energií vyzařovanou oxidem uhličitým (CO2) při 15 µm a oxidem dusnatým (NO) při 5,3 µm[35]Konverzní transport tepla a odpařovací transport latentního tepla jak odvádějí teplo z povrchu, tak jej znovu distribuují v atmosféře.
Skladování tepelné energie
Skladování tepelné energie zahrnuje technologie pro sběr a skladování energie pro pozdější použití. Může být použit k vyrovnání energetické poptávky mezi dnem a nocí. Tepelná nádrž může být udržována na teplotě nad nebo pod teplotou okolního prostředí. Mezi aplikace patří vytápění místností, systémy pro domácnost nebo přípravu teplé vody nebo výroba elektřiny.
Viz také
- Kombinovaná nucená a přirozená konvekce
- Tepelná kapacita
- Fyzika přenosu tepla
- Stefan – Boltzmannův zákon
- Tepelná kontaktní vodivost
- Tepelná fyzika
- Tepelný odpor v elektronice
- Tepelná věda
- Vylepšení přenosu tepla
Reference
- ^ A b Geankoplis, Christie John (2003). Principy transportních procesů a separace (4. vydání). Prentice Hall. ISBN 0-13-101367-X.
- ^ "B.S. Chemické inženýrství". Technologický institut v New Jersey, oddělení chemického inženýrství. Archivovány od originál dne 10. prosince 2010. Citováno 9. dubna 2011.
- ^ Lienhard, John H. IV; Lienhard, John H. V (2019). Učebnice přenosu tepla (5. vydání). Mineola, NY: Dover Pub. str. 3.
- ^ Welty, James R .; Wicks, Charles E .; Wilson, Robert Elliott (1976). Základy přenosu hybnosti, tepla a hmoty (2. vyd.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-93354-0. OCLC 2213384.
- ^ A b Faghri, Amir; Zhang, Yuwen; Howell, John (2010). Pokročilý přenos tepla a hmoty. Columbia, MO: Global Digital Press. ISBN 978-0-9842760-0-4.
- ^ Taylor, R. A. (2012). „Socioekonomické dopady výzkumu přenosu tepla“. Mezinárodní komunikace v přenosu tepla a hmoty. 39 (10): 1467–1473. doi:10.1016 / j.icheatmasstransfer.2012.09.007.
- ^ „Hromadný přenos“. Thermal-FluidsPedia. Tepelné kapaliny centrální.
- ^ A b C Abbott, J.M .; Smith, H.C .; Van Ness, M.M. (2005). Úvod do termodynamiky chemického inženýrství (7. vydání). Boston, Montreal: McGraw-Hill. ISBN 0-07-310445-0.
- ^ "Vedení tepla". Thermal-FluidsPedia. Tepelné kapaliny centrální.
- ^ Çengel, Yunus (2003). Přenos tepla: Praktický přístup (2. vyd.). Boston: McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-245893-0.
- ^ „Konvekční přenos tepla“. Thermal-FluidsPedia. Tepelné kapaliny centrální.
- ^ "Konvekce - přenos tepla". Inženýři Edge. Citováno 20. dubna 2009.
- ^ Incropera, Frank P .; et al. (2012). Základy přenosu tepla a hmoty (7. vydání). Wiley. str. 603. ISBN 978-0-470-64615-1.
- ^ "Záření". Thermal-FluidsPedia. Tepelné kapaliny centrální.
- ^ Howell, John R .; Menguc, M.P .; Siegel, Robert (2015). Přenos tepla tepelným zářením. Taylor a Francis.
- ^ Mojiri, A (2013). "Spectral beam splitting for efficient conversion of solar energy—A review". Recenze obnovitelné a udržitelné energie. 28: 654–663. doi:10.1016/j.rser.2013.08.026.
- ^ Taylor, Robert A.; Phelan, Patrick E.; Otanicar, Todd P.; Walker, Chad A.; Nguyen, Monica; Trimble, Steven; Prasher, Ravi (March 2011). "Applicability of nanofluids in high flux solar collectors". Journal of Renewable and Sustainable Energy. 3 (2): 023104. doi:10.1063/1.3571565.
- ^ Megan Crouse: This Gigantic Solar Furnace Can Melt Steel manufacturing.net, 28 July 2016, retrieved 14 April 2019.
- ^ Vidět Flashes in the Sky: Earth's Gamma-Ray Bursts Triggered by Lightning
- ^ David.E. Goldberg (1988). 3,000 Solved Problems in Chemistry (1. vyd.). McGraw-Hill. Section 17.43, page 321. ISBN 0-07-023684-4.
- ^ Louis Theodore, R. Ryan Dupont and Kumar Ganesan (Editors) (1999). Pollution Prevention: The Waste Management Approach to the 21st Century. CRC Press. Section 27, page 15. ISBN 1-56670-495-2.CS1 maint: další text: seznam autorů (odkaz)
- ^ Tro, Nivaldo (2008). Chemistry: A Molecular Approach. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall. str. 479.
When a substance condenses from a gas to a liquid, the same amount of heat is involved, but the heat is emitted rather than absorbed.
- ^ C. Michael Hogan (2011) Síra, Encyclopedia of Earth, eds. A. Jorgensen and C. J. Cleveland, National Council for Science and the environment, Washington DC
- ^ Wendl, M. C. (2012). Theoretical Foundations of Conduction and Convection Heat Transfer. Wendl Foundation.
- ^ Peng, Z .; Doroodchi, E .; Moghtaderi, B. (2020). „Modelování přenosu tepla v simulacích tepelných procesů založených na metodě diskrétních prvků (DEM): teorie a vývoj modelu“. Pokrok ve vědě o energii a spalování. 79,100847: 100847. doi:10.1016 / j.pecs.2020.100847.
- ^ "How to simplify for small Biot numbers". Citováno 21. prosince 2016.
- ^ Fundamentals of Classical Thermodynamics, 3. vyd. str. 159, (1985) by G. J. Van Wylen and R. E. Sonntag: "A heat engine may be defined as a device that operates in a thermodynamic cycle and does a certain amount of net positive work as a result of heat transfer from a high-temperature body and to a low-temperature body. Often the term heat engine is used in a broader sense to include all devices that produce work, either through heat transfer or combustion, even though the device does not operate in a thermodynamic cycle. The internal-combustion engine and the gas turbine are examples of such devices, and calling these heat engines is an acceptable use of the term."
- ^ Mechanical efficiency of heat engines, str. 1 (2007) by James R. Senf: "Heat engines are made to provide mechanical energy from thermal energy."
- ^ "What is a Heat Exchanger?". Lytron Total Thermal Solutions. Citováno 12. prosince 2018.
- ^ "EnergySavers: Tips on Saving Money & Energy at Home" (PDF). Americké ministerstvo energetiky. Citováno 2. března 2012.
- ^ Hartman, Carl; Bibb, Lewis. (1913). "The Human Body and Its Enemies". World Book Co., p. 232.
- ^ A b Cengel, Yunus A. and Ghajar, Afshin J. "Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications", McGraw-Hill, 4th Edition, 2010.
- ^ Tao, Xiaoming. "Smart fibres, fabrics, and clothing", Woodhead Publishing, 2001
- ^ Wilmore, Jack H .; Costill, David L.; Kenney, Larry (2008). Physiology of Sport and Exercise (6. vydání). Lidská kinetika. str. 256. ISBN 9781450477673.
- ^ The global infrared energy budget of the thermosphere from 1947 to 2016 and implications for solar variabilityMartin G. Mlynczak Linda A. Hunt James M. Russell III B. Thomas Marshall Christopher J. Mertens R. Earl Thompson https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/2016GL070965
externí odkazy
- A Heat Transfer Textbook - (free download).
- Thermal-FluidsPedia - An online thermal fluids encyclopedia.
- Hyperphysics Article on Heat Transfer - Overview
- Interseasonal Heat Transfer - a practical example of how heat transfer is used to heat buildings without burning fossil fuels.
- Aspects of Heat Transfer, Cambridge University
- Thermal-Fluids Central
- Energy2D: Interactive Heat Transfer Simulations for Everyone