Technika ogrzewania pomieszczeń. Radiacja w akcji

zobacz artykuł w wersji pdf pdf  pdf

Jednym z praktycznych sposobów przekazywania energii jest ciepło. Do celów grzejnych w ogrzewnictwie pomieszczeń wykorzystuje się dwa, spośród trzech, podstawowe mechanizmy transportu ciepła. Są nimi: wzajemnie sprzężone, czyli zazwyczaj w konwencjonalnym ogrzewnictwie występujące wspólnie – promieniowanie cieplne, zwane też radiacyjną wymianą ciepła oraz konwekcyjna wymiana ciepła, zwana krótko konwekcją.

Przepływ ciepła od powierzchni grzejnej do otaczającego ją płynu nazywamy przejmowaniem ciepła. Zatem w warunkach typowych dla ogrzewnictwa przekazywanie ciepła od powierzchni grzejnej do otoczenia następuje zarówno przez konwekcję, jak i radiację.

Promieniowanie cieplne, zwane też promieniowaniem termicznym, polega na wysyłaniu fal elektromagnetycznych przez określone elementy grzejne i odbywa się bez pośrednictwa ośrodka materialnego wypełniającego ogrzewane pomieszczenie. Emisja fal elektromagnetycznych następuje kosztem energii wewnętrznej ciała wysyłającego to promieniowanie. Zgodnie z prawem Pierre’a Prevosta (1791 r.) promieniowanie cieplne emitują wszystkie ciała, których temperatura jest wyższa od zera bezwzględnego (0 K = -273,15oC), przy czym promieniowanie to nie zależy od obecności innych ciał.

Jeśli straty energii emitera, wynikające z promieniowania cieplnego, nie są równoważone przez dostarczanie dodatkowej energii z zewnątrz, temperatura ciała promieniującego stopniowo obniża się, a moc emitowanego promieniowania maleje. Promieniowanie cieplne padające na dowolne ciało zostaje przez nie częściowo pochłonięte (zaabsorbowane), częściowo przepuszczone, a częściowo odbite od jego powierzchni. Energia pochłoniętego promieniowania zwiększa energię wewnętrzną tego ciała.

Rodzaje promieniowania elektromagnetycznego w kolejności wzrastającej długości fali to: składowe kosmiczne, γ-jądrowe, X-Rőntgena, nadfioletowe, promieniowanie cieplne (składające się z fal widzialnych i podczerwonych), radarowe, telewizyjne, radiowe: ultrakrótkie, krótkie, średnie i długie, telefoniczne – prąd zmienny.

Interesujące nas promieniowanie utożsamiane jest z drganiami elektromagnetycznymi o rozmaitej długości fal (zwykle w zakresie od 0,4 do 1000 μm), rozprzestrzeniającymi się z prędkością światła (ok. 300 000 km/s). Zakres długości fali od 0,4 do 0,8 μm odpowiada światłu widzialnemu. Promieniowanie o fali dłuższej od fali światła widzialnego nazywa się podczerwonym. Promieniowanie cieplne zatem, oprócz podczerwonego, obejmuje również zakres światła widzialnego. Pełny zakres podczerwieni dzielimy na pasma, przy czym najczęściej używanym w Polsce jest podział:

* bliska podczerwień (ang. near infrared, NIR), o długości fali 0,7-5 μm,
* średnia podczerwień (ang. mid infrared, MIR), 5-30 μm,
* daleka podczerwień (ang. far infrared, FIR), 30-1000 μm.

W nauce o wymianie ciepła posługujemy się pojęciem strumienia ciepła. Strumień ciepła jest to ilość ciepła przekazana przez dowolną powierzchnię w ciągu jednostki czasu. Jednostką strumienia ciepła jest wat [W].

Strumień ciepła wypromieniowany przez powierzchnię dowolnego ciała zależy od fizycznych właściwości tej powierzchni i gwałtownie wzrasta ze wzrostem jej temperatury. Z kolei gęstość strumienia ciepła wyraża ilość ciepła przepływającą przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu. Jednostką gęstości strumienia ciepła jest wat na metr kwadratowy [W/m2].

W przypadku radiacyjnej wymiany ciepła gęstość strumienia ciepła określa prawo Stefana–Boltzmana (1879 r.). W przypadku pewnej idealizacji, czyli dla ciał doskonale czarnych, prawo to uzależnia gęstość strumienia ciepła od czwartej potęgi bezwzględnej temperatury ciała, czyli właśnie wyrażonej w kelwinach. Dla ciał rzeczywistych wprowadza się do tej zależności współczynnik proporcjonalności mniejszy od jedności, uwzględniający zdolności emisyjne powierzchni promieniującej, odbiegające od modelu ciała doskonale czarnego.

Natomiast mechanizm konwekcji sprowadza się do wywołania ruchu płynu w ogrzewanej przestrzeni, któremu towarzyszy transport ciepła. Jeśli przyczyną wywołującą ruch płynu są siły wyporu termicznego związane z różnicą temperatury występującą wewnątrz rozpatrywanego płynu, to mówimy o konwekcji swobodnej (naturalnej). Z kolei, gdy przyczyną wywołującą ruch płynu jest zewnętrzne wymuszenie, np. w postaci działania wentylatora, dmuchawy, sprężarki czy też pompy w przypadku cieczy, to mówimy o konwekcji wymuszonej. Spotykamy też przypadki konwekcji mieszanej, gdy na swobodny ruch konwekcyjny płynu w przestrzeni nakłada się dodatkowe oddziaływanie wymuszające ruch tego płynu.

Oczywiście konwekcja wymuszona charakteryzuje się wyższą intensywnością transportu ciepła niż w przypadku konwekcji swobodnej.

W przypadku konwekcyjnej wymiany ciepła gęstość strumienia wyraża prawo Newtona. Mówi ono, że gęstość strumienia ciepła przekazywanego konwekcyjnie jest proporcjonalna do różnicy temperatury pomiędzy powierzchnią ogrzaną a płynem odbierającym ciepło. W zależności tej pojawia się współczynnik proporcjonalności, zwany współczynnikiem przejmowania ciepła, który ogólnie mówiąc, ujmuje warunki przepływu ciepła. Wyznaczenie jego wartości to podstawowe zadanie dla konwekcyjnej wymiany ciepła.

Zwykle w ogrzewnictwie mamy do czynienia z sytuacją równoczesnej wymiany ciepła poprzez konwekcję i radiację. Dlatego często dla określenia gęstości strumienia przekazywanego ciepła od powierzchni grzejnej do otoczenia, do prawa Newtona, w charakterze współczynnika proporcjonalności między gęstością strumienia ciepła a różnicą temperatury, wprowadza się zastępczą wartość współczynnika proporcjonalności obejmującego zarówno wpływ radiacji, jak i konwekcji. Obejmuje on dwie składowe: składową konwekcyjną i radiacyjną. Składowa konwekcyjna ujmuje głównie wpływ warunków wymiany ciepła, zaś składowa radiacyjna silnie uwzględnia poziom temperatury powierzchni grzejnej.

W klasycznych grzejnikach konwekcyjnych świadomie kształtuje się ich powierzchnię zewnętrzną, niekiedy nawet rozwijając ją, tak by uzyskać wzmocniony efekt konwekcji swobodnej przy równoczesnym poważnym zaniedbaniu składowej radiacyjnej. Służy to bezpośredniemu, czyli konwekcyjnemu, ogrzewaniu powietrza od powierzchni takiego grzejnika. Natomiast w promiennikach tak kształtuje się ich powierzchnię grzejną, by uzyskać maksymalny efekt radiacyjny, by dopiero pośrednio od powierzchni pomieszczenia nagrzanych promieniowaniem mechanizmem konwekcyjnym ogrzewało się (zatem pośrednio) powietrze. Oczywiście w przypadku takich promienników również wystąpi składowa konwekcyjna transportu ciepła, ale o mniejszym znaczeniu praktycznym.

System grzewczy oparty na promiennikach cechuje się podstawową cechą promieniowania cieplnego. Powietrze, składające się głównie z tlenu i azotu, jako dwuatomowych gazów, jest przeźroczyste dla promieni cieplnych, przeto promieniowanie cieplne pada bezpośrednio i w miarę równomiernie na powierzchnie elementów stałych pomieszczenia, w tym i osoby. Dopiero przy bezpośrednim kontakcie promieniowania z przedmiotami, ścianami lub osobami następuje zamiana tej energii na ciepło. Promieniowanie podczerwone jest bowiem absorbowane przez ludzką skórę i tam zamieniane w ciepło. Powoduje to rozszerzanie naczyń krwionośnych, lepsze ukrwienie, a co za tym idzie – wyższe o ok. 2-3 K (kelwiny, równe stopniom Celsjusza) odczuwanie temperatury niż ta, która panuje w pomieszczeniu. Ta cecha promienników zapewnia więc komfort termiczny osobom znajdującym się w pomieszczeniu, nawet przy nieco niższej temperaturze powietrza niż przy ogrzewaniu z udziałem typowych grzejników konwekcyjnych. Prowadzi to w konsekwencji do energooszczędnego ogrzewania.

dr inż. Piotr Kubski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij