MÁM ZÁJEM O VLASTNÍ ŘEŠENÍ »
Přenos tepla – teoretické pozadí
K přenosu (sdílení) tepla dochází v zásadě třemi způsoby:
- vedením (kondukcí),
- přestupem (konvekcí),
- sáláním (radiací).
Pro přenos tepla je nutné, aby dvě různá místa v jedné látce měla různou teplotu, nebo aby dvě různé látky měly různou teplotu. Hovoří se o tzv. teplotním spádu ∆t. Tato zpráva se zabývá výhradně stacionárním (ustáleným) sdílením tepla, tzn. teplotní spád je v čase neproměnný. [1]
Kondukce – vedení tepla
Vedení tepla je zprostředkováno pohybem molekul uvnitř látky, kterou je teplo sdíleno. Čím jsou molekuly dané látky blíž u sebe (pevné látky), tím je vedení tepla intensivnější. Stacionární vedení tepla je popsáno Fourierovým zákonem:
$$Q=λ⋅A⋅(\frac{dt}{dx})$$
kde A je plocha kolmá ke směru tepelného toku Q a teplotní gradient je záporný, neboť teplota ve směru toku klesá. Pro výše uvedený výpočet jsou stěžejní pro vedení tepla kovy, pro něž se jako pro všechny tuhé látky součinitel tepelné vodivosti podle druhu materiálu značně liší. Největší je u čistých kovů a s jejich znečištěním klesá. Vedení tepla jednoduchou rovinnou stěnou (např. deskou, viz obr.) neproměnného průřezu A lze vyčíslit snadnou integrací:
$$Q=\frac{λ}{δ}⋅A⋅(t_1-t_2)$$
kde δ je tloušťka uvažované stěny.
Součinitel přestupu tepla uvažovaný ve výpočtu byl dle [1] zvolen: ocel → λ = 52 W/m/°C, hliník→ λ = 186W/m/°C.
Konvekce – přestup tepla
K přestupu tepla dochází pohybem makroskopických částic, tzn. tento jev je charakteristický pouze pro tekutiny, tj. kapaliny a plyny. Konvekci lze rozdělit na přirozenou a nucenou. Výše uvedený výpočet se zabývá sdílením tepla ze stěny teploty ts do okolí teploty tok, které popisuje Newtonův zákon:
$$Q=α⋅A⋅(t_s-t_{ok})$$
kde α je součinitel přestupu tepla, který ovšem závisí na všech veličinách určujících fyzikální vlastnosti. Je tedy velmi obtížné určit jeho velikost výpočtem. Součinitel přestupu tepla pro vzduchem chlazený disk byl uvažován dle [1] α = 8 W/m2/°C.
Chladící disky
V technické praxi je někdy třeba zjistit rozložení teplot v hřídeli, která je na jednom konci ohřívána, pro dimenzování dalších strojních součástí jako jsou např. ložiska, spojky, klínové nebo řemenové převody apod. Jedná se např. o pohon čerpadel, pump, kompresorů a jiných dmýchacích strojů, které pracují s horkými tekutinami, tj. kapalinami i plyny. V případě, že je teplota příliš vysoká pro použití konvenčních strojních součástí, je nutné hřídel chladit. Toho lze docílit např. umístěním chladícího disku, který je schopen potřebné množství tepla z hřídele odvádět. Chladící disk lze s hřídelí spřáhnout např. spojením pero – drážka, které však nezajišťuje dokonalý přenos tepla mezi hřídelí a chladícím diskem. Pro tuto aplikaci je lepší použít chladící disky na hřídel nalisované. Chladících disků existuje více druhů. Při volbě typu chladícího disku je ovšem třeba mít na paměti, že jakýkoli disk, který není hladký, bude nutně mít také zvýšený akustický výkon, který může být srovnatelný nebo i větší než stroj, který je přes hřídel poháněn. Akustická isolace obvykle představuje i isolaci tepelnou, což její použití znemožňuje, neboť by se tím značně snížil tepelný tok z chladícího disku a jeho funkce by tím byla omezena nebo úplně eliminována.
Druhy chladících disků:
- hladké,
- žebrované,
- olopatkované,
- vícenásobné.
Literatura:
[1] Černoch, S.: Strojně technická příručka. Svazek 1, Praha: SNTL, 12. vydání, 1968.
