základy procesního inženýrství - Vysoká škola báňská - Technická ...

4 Sdílení tepla
Víceatomové plyny také v ovzduší zdržují přenos tepla podobně jako vrstva skla - proto jsou
označovány jako skleníkové(vedle H 2 O je to CO 2 , CH 4 , O 3 , NOx, aj.).
(Slunce ve dne zaujímá asi 0,0011 % oblohy a má teplotu okolo 6000 K; tepelný přítok směrem k Zemi
odtud je za jasného počasí 1,35 kW na 1m 2 kolmo orientované plochy; do zbytku oblohy, jemuž lze
přičíst teplotu 0°K, však je podle aktuální teploty zemského povrchu zpět ve dne i v noci vyzařováno
okolo 0,4 kW/m 2 . Přívod i odvod tepla je zpomalován mračny a skleníkovými plyny, které navíc
propouštějí vysokoenergetické záření ze Slunce snáze než slabší vyzařování Země. Na kolísání teploty
povrchu Země má klíčový význam především dynamická rovnováha kolísání doby osvitu: den-noc a
poměru tohoto osvitu: zima-léto. Navíc, menší sluneční ohřev v polárních oblastech souvisí s úhlem,
pod kterým paprsek na povrch Země dopadá.)
4. Vratná přeměna teplo - mechanická energie
K vratné přeměně tepla musíme přihlížet tam, kde se výrazně mění tlak a objem plynů a par.
Při tom se mění součin tlaku a objemu pV a část vnitřní energie přechází na teplo. Tímto způsobený
teplotní rozdíl ∆T se dá odhadnout jako
∆p
∆ T = ; (4-13)
ρ c P
je-li to významné, musíme pro úvahy použít exaktních instrumentů termodynamiky. Vratná přeměna
se týká tepelných strojů, ke kterým řadíme stroje pro přeměnu tepelné energie na práci (Carnotův
cyklus), ve kterých se získává mechanická energie při přenosu tepla z teplejšího zásobníku do
chladnějšího. Dnes je hlavní aplikace v oblasti parních turbín. Dále pak tepelná čerpadla, ve kterých
se obráceně dodáváním mechanické energie přenáší teplo z chladnějšího prostoru do teplejšího. V
procesním inženýrství se tepelná čerpadla uplatňují ve dvou hlavních aplikacích: jako stroje pro
hluboké chlazení (zkapalňování plynů, lednice atd.) a jako stroje pro zvyšování enthalpie par a plynů,
užívaných při ohřevu (například zvyšování teploty nízkoenergetické brýdové páry stlačením). Získaná
tepelná energie se dá vypočítat jako rozdíl mezi energií na izozermní a adiabatické stlačení (viz
kompresory).
5. Nevratná přeměna mechanické energie na teplo
Přestože jsme ukazovali, že změny mechanické energie jsou v tepelných procesech zpravidla méně
významné, existují situace, kde s nimi musíme počítat. Při nevratné změně energie třením například
při brzdění celou kinetickou energii vozidla přeměníme na teplo lokalizovaně v malém prostoru brzdy
a částečně na běhounu pneumatiky. Vzrůst teploty je zde velmi významný. Na hnětení vysoce
viskózních a plastických materiálů potřebujeme také velké množství energie, přeměňované nevratně
na teplo. Hnětení bývá při tavení polymerů ve zpracovatelských strojích často hlavním zdrojem tepla.
6. Zjevné teplo teplonosného media
Nejběžnější způsob sdílení tepla v procesních technologiích využívá chlazení jednoho proudu k
ohřevu druhého proudu. Někdy je možno množství tepla přinášeného teplonosným mediem vypočítat
z bilance známého vstupu a výstupu. Je nutno znát měrnou tepelnou kapacitu c PA media A, při
vsádkovém uspořádání dále jeho hmotnost m A , jeho, měrné enthalpie /(J kg -1 ) počáteční h 1A a
konečnou h 2A . Při kontinuálním procesu bilancujeme zpravidla časovou jednotku, takže nás zajímá
hmotnostní průtok m' A teplonosného media; enthalpie h 1A a h 2A odpovídají pak vstupu a výstupu.
Q = m A (h 1A -h 2A ), (4-14)
a protože v tomto konkrétním případě jde enthalpie pouze na účet zjevného tepla, tak platí
Q = m A c PA (T 1A -T 2A ) (4-15)
kde T 1A je teplota počáteční a T 2A konečná. Pokud je v materiálu teplota rozložena nerovnoměrně,
musíme za tyto teploty brát průměrné teploty podle vzorce (4-8).
Rychlost předávání tepla z průtočného systému se vypočítá jako
Q' = m' A (h 1A -h 2A ) (4-16)
a obdobně
Q' = m' A c PA (T 1A -T 2A ), (4-17)
80