Promieniowanie

temperatura
[°C]
moc
[W/dm2]
0 3.1
20 4.2
100 11
300 61
500 200
800 750
900 1070
1000 1500
1100 2000
1200 2700
1400 4400
2000 15000

Promieniowanie cieplne jest wysyłane przez każde ciało. Rodzaj promieniowania zależy od temperatury. W temperaturze pokojowej jest to tzw. daleka podczerwień. Przedmioty bardziej rozgrzane emitują w bliskiej podczerwieni. W zakresie 500-800°C pewien udział zaczyna mieć również światło widzialne w czerwonym zakresie barw (tzn. większość energii jest emitowana w podczerwieni, ale jest też pewna ilość światła czerwonego). Około 1000°C widzimy już kolor pomarańczowy. Żarówka ma 3000°C i świeci kolorem ciepłym białym. Słońce ma temperaturę powierzchni 6000°C i świeci kolorem czysto białym. Dopiero w tej temperaturze większość emitowanej energii to światło widzialne. Jeszcze cieplejsze ciała, np. niektóre gwiazdy, świecą na niebiesko.Sumaryczna ilość wypromieniowanej energii bardzo szybko rośnie wraz ze wzrostem temperatury, jest proporcjonalna do T4(temperatury wyrażonej w Kelwinach do potęgi 4). Tabela 1 pokazuje ilość ciepła emitowanego przez ciało doskonale czarne dla przykładowych temperatur. „Ciało doskonale czarne” jest wyidealizowanym obiektem emitującym ciepło najlepiej, jak się da. Większość ciał emituje niewiele mniej, wyjątkiem są wypolerowane metale, dla których tzw. współczynnik emisyjności wynosi kilka procent.

Rys. 1) Powstawanie rosy lub szronu na odsłoniętej stronie samochodu.

W zakresie temperatur pokojowych emisja promieniowania cieplnego ma umiarkowany wpływ na życie codzienne. Termos stygłby znacznie szybciej, gdyby nie był wewnątrz posrebrzany. Wyraźnym efektem jest spadek temperatury zewnętrznej w nocy, przy bezchmurnym niebie, który zachodzi przez promieniowanie. Można to zaobserwować na przykładzie przedmiotu, przykładowo samochodu, stojącego w pobliżu budynku. Cała karoseria samochodu promieniuje ciepło. Po stronie przeciwnej do budynku ciepło ucieka w kosmos. Od strony budynku promieniowanie jest pochłaniane przez budynek. Istotna różnica polega na tym, że budynek również emituje ciepło, z grubsza z podobnym natężeniem jak samochód. To ciepło dogrzewa samochód z jednej strony. Natomiast z drugiej strony samochód emituje ciepło, ale nie jest niczym dogrzewany, za wyjątkiem pewnej ilości promieniowania emitowanego przez ziemię. Dlatego po jednej stronie wyraźnie stygnie i w chłodnych porach roku możemy obserwować osiadanie rosy lub szronu. Ilustruje to rys. 1. Jeżeli są chmury, to znacznie zmniejszają nocny spadek temperatury, gdyż blokują emisję ciepła w kosmos.Ilość emitowanego ciepła raptownie rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Już w przypadku rozgrzanej płyty kuchenki elektrycznej emitowane ciepło można bezpośrednio odczuć ręką lub twarzą. W zakresie temperatur płomienia przenoszenie ciepła przez promieniowanie staje się równie ważne, jak przez przewodzenie. Rozważmy następujący przykład. Niech jednym „ciałem” będzie brzeg świecącego frontu płomienia o temperaturze 1100°C, a drugim metalowa ścianka pieca chłodzonega wodą do temp. 100°C, oddalona od płomienia o 0.5 cm. Ilość ciepła wypromieniowanego przez płomień w kierunku ścianki to 2 kW/dm2. Ciepło emitowane ze ścianki z powrotem do płomienia to 11 W/dm2 , co można pominąć. Ilość ciepła przenoszonego przez przewodzenie przez 0.5cm warstwę powietrza wynosi (dla uproszczenia biorąc przewodnictwo cieplne powietrza w temp. średniej) ok. 1.3kW/dm2, czyli jest porównywalna z ciepłem przenoszonym przez promieniowanie. Istotną różnicą pomiędzy oboma mechanizmami jest to, że promieniowanie przenosi ciepło na dowolne odległości, może to być 0.5cm, jak i 1 metr. Natomiast przenoszenie ciepła przez przewodzenie działa jedynie na małych odległościach. Do liczb z tabeli 1 należy podejść z ostrożnością, gdyż należy uwzględnić tzw. gęstość optyczną sadzy. Mówiąc inaczej sadza może być w płomieniu w różnej ilości. Czarny dym, czyli wystygnięta sadza, może być całkiem czarny, albo półprzejrzysty. Ilość emitowanego ciepła w tym drugim przypadku jest odpowiednio mniejsza. Nie znalazłem konkretnych danych na temat gęstości optycznej sadzy w konkretnych, bliskich życiu przypadkach. Jeżeli będziemy obserwować cień rzucany przez płomień świeczki oświetlonej silnym bocznym światłem, to można zauważyć, że działa ona jako soczewka rozpraszająca ze względu na mniejszy współczynnik załamania rozgrzanego gazu, ale cienia sadzy raczej nie widać. Natomiast niekiedy czarny dym bywa całkiem czarny.

Rys. 2) Stygnięcie płomienia przez promieniowanie. Osłony na prawym rysunku powodują brak stygnięcia i dokładniejsze spalanie.

Promieniowanie jest jednym z głównych czynników powodujących szybkie wychłodzenie powierzchni frontu spalania i w efekcie złe dopalenie. Dlatego stosuje się różne ekrany i osłony, które podnoszą temperaturę otoczenia „widzianego” przez płomień i poprawiają spalanie. Ilustruje to symbolicznie rys. 2. W ogólności stygnięcie radiacyjne lub jego brak ma szerszy wpływ na spalanie, jak to jest przedstawione w dyskusji ostatniego zdjęcia na stronie o froncie płomienia.

W zakresie osłon mogą być rozwiązania mniej lub bardziej udane. Często osłony mają postać zwykłej płyty umieszczonej nad paleniskiem. Natomiast na filmie po prawej pokazany jest materiał reklamowy pewnego pieca zgazowującego drewno. Piec ten ma ceramiczną kształtkę o przekroju „U”. Taka kształtka tworzy pseudokomorę mieszania i dopalania płomienia. Promieniowanie cieplne nie ucieka na zewnątrz. Widzimy, że wewnętrzne ścianki tej kształtki są rozgrzane do pomarańczowości. Można też zauważyć, że objętość tej kształtki jest nieco za mała i pomarańczowe jęzory, czyli niedopalona sadza, wypływają z kształtki i gasną poza nią.

Poniżej zamieszczam link do jeszcze jednego filmiku przedstawiającego płomień w rozgrzanym otoczeniu. Jest to kocioł na pellet wykonany przez użytkownika forów muratordom.pl i info-ogrzewanie.pl o pseudonimie zorzk7. Jest to konstrukcja wzorowana na piecach rakietowych. Pionowy kanał jest nieco przewymiarowany w stosunku do mocy i dlatego jest rozgrzany jedynie w dolnej części, którą obserwujemy od góry. Aby poprawić czystość spalania konstruktor testował różne zawirowacze i filmik przedstawia finalny kształt. Można mieć wątpliwość co do znacznej ucieczki ciepła przez promieniowanie wysyłane w stronę patrzącego, ale wygląd płomienia i brak zapachu spalin (wg. opisu konsruktora) wskazują na dobrą jakość spalania. Polecam obejrzeć filmik w zwolnieniu 0.25 (dostępne w menu ustawień w prawym dolnym rogu).  Płomień „rozpuszcza” się w otaczającym powietrzu i resztki paliwa nawet mocno rozciągnięte przez zawirowanie ulegają utlenieniu „na gorąco”, bez stygnięcia. W ostatnim sezonie grzewczym konstruktor zwiększył przepływ gazu i całkowicie pozbył się płomienia w dopalaczu. Natomiast ten filmik ładnie ilustruje sytuację płomienia, który „nie marznie”.


 08.03.2017

Rys. 3) Ewolucja kotłów. a) Klasyczny kocioł węglowy z metalową komorą spalania chłodzoną wodą (zaznaczoną na niebiesko), b) kocioł z ekranami, c) piec z izolowanym paleniskiem, komorą dopalania i osobnym wymiennikiem.

 

Obecnie wskutek nacisku na ekologię producenci pieców przechodzą z rozwiązania a) do rozwiązania b) wprowadzając ceramiczne ekrany. W stosunku do komory spalania otoczonej chłodzonym metalem jest to oczywiście krok w dobrym kierunku. Jednak po pierwsze jest to rozwiązanie połowiczne, gdyż wygląda na to, że z punktu widzenia praw podstawowych można oczyścić spaliny ze szkodliwych niedopalonych węglowodorów dowolnie dokładnie. Po drugie, z inżynierskiego punktu widzenia jest to rozwiązanie nijakie. Najpierw tworzymy kosztowną powierzchnię wymienną, aby ją potem zasłonić ekranami. Interesującym punktem jest miejsce tych rozwiązań w kontekście dyskusji stal vs. żeliwo. Żeliwo jako materiał konstrukcyjny pieca ma wiele zalet z trwałością na czele. Stal umożliwia łatwiejsze wykonanie praktycznie dowolnego kształtu komory spalania i, o ile się zorientowałem, to jest faktyczną przyczyną jej dominacji. Natomiast po rozdzieleniu funkcji, kiedy komora spalania będzie komorą spalania, a wymiennik wymiennikiem, to możliwe, że stal ponownie uzyska godnego konkurenta.


06.04.2018
Do powyższego rysunku konieczna jest aktualizacja komentarza. Wykonałem go ponad rok temu, kiedy na rynku dominowały konstrukcje typu a), głównie  kotły górnego spalania i to często z instrukcją użytkowania zalecającą palenie w tzw. przeciwprądzie (powodujące maksymalne zadymienie otoczenia). Od tamtego czasu weszło rozporządzenie eliminujące te konstrukcje ze sprzedaży. Bardzo słusznie, gdyż od dawna powinno się je oglądać wyłącznie na wystawach muzealnych. Natomiast co do części c), to  chciałbym zaznaczyć, że jest to rysunek poglądowy. Tak jak to wyjaśniam na pozostałych stronach, krytyczna jest temperatura w miejscu, w którym płomień się kończy, czyli w dopalaczu. Natomiast chłodzenie komory, w której zachodzi odgazowanie paliwa, nie jest samo w sobie wadą. Należy je rozpatrywać kompleksowo biorąc pod uwagę trwałość materiałów, zarządzanie ciepłem w całej konstrukcji i inne czynniki.

Dodaj komentarz

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