Lappeenannan teknillinen ylipist Schl f Eney Systems Eneiatekniikan kulutushjelma B0A00 Eneiatekniikan kandidaatintyö Lämpövaastn eistys hyödyntäen tyhjiötä Insulatin f a heat stae utilizin vacuum cnditins yön takastaja: e ynjälä yön hjaaja: Je Ahla, Ai Piispanen Lappeenanta 8.5.0 Aap Vuinen
IIVISELMÄ Opinnäytetyön nimi: Lämpövaastn eistys hyödyntäen tyhjiötä Opiskelijan nimi: Aap Vuinen Schl f Eney Systems Eneiatekniikan kulutushjelma Opinnäytetyön hjaaja: Je Ahla, Ai Piispanen Kandidaatintyö 0 0 sivua, 8 kuvaa, 5 taulukka ja liitettä akusanat: kandidaatintyö, tyhjiö, peliitti, lämpövaast, eistys Eneian vaastinti n yksi yleinen atkaisuvaihteht tiettyjen uusiutuvien eneiähteiden tutannn tasaamiseen. ässä kandidaatintyössä käsitellään eneian vaastintia lämmöksi. yön tavitteena n suunnitella ptimainen seinämäakenne lämpövaastn eistykselle hyödyntämällä matia paineita eli tyhjiölsuhteita seinämässä. Optimainen seinämäakenne selvitetään laskemla ei akenteiden lämpöhäviöitä. yössä käytetään eisteenä pääasiassa tyhjiötilassa levaa peliittiä ja tyhjiökammiita. yössä takastellaan minkälaisin paintuksin näitä eistystapja kannattaa hyödyntää, ja missä jäjestyksessä eistekekset tulisi sijittaa seinämään. Eistyksen lämpöhäviöiden paineiippuvuuden takia lämpöhäviöt selvitetään laajla paineueella. Lämpöhäviöitä vetailemla vitaan ptimainen seinämäakenne tyhjiötiljen painetasn mukaan. Paas seinämäakenne vaastn eistykselle n lämpöhäviöiden peusteella yksinketainen peliittieistys, jssa ei käytetä lainkaan tyhjiökammiita. akenne sveltuu pahaiten paineueelle 5 00 Pa. ätä pienemmissä paineissa kannattaa hyödyntää tyhjiökammiita jk sellaisenaan tai peliitin kanssa. Yli 00 Pa painetta ei le jäkevää käyttää suuten lämpöhäviöiden takia. Optimainen seinämäakenne pystytään vitsemaan paineen mukaan. yön tavite n siis saavutettu. Eistysatkaisua vittaessa n syytä ensin selvittää tudellisesti jäkevästi saavutettava painetas, ja vita eistysatkaisu sen mukaan. Eistepaksuutta tai - mateiaeja kannattaa ptimida vasta paineen vitsemisen jälkeen.
SISÄLLYSLUEELO iivistelmä Sisällysluettel Symbli- ja lyhenneluettel Jhdant Lämpövaastn esittely. Lämpövaastn timintapeiaate, akenne ja tavitteet..... imintapeiaate..... akenne..... avitteet... 8. Lämpövaastn timintämpötila... 9. akasteltavat seinämämateiait... 0. akasteltavat eisteatkaisut... Lämpöhäviöiden ja lämpötiljen määitys. Lämmönsiin ilmiöt systeemissä.... Lämmönsiin suueiden atkaisemiseen tavittavat yhtälöt.... Alkuletukset... 8. Aineminaisuudet... 9.5 Laskenta statinääitilassa... 0.5. Alkuavt....5. Lämpövastuksien määitys....5. Lämpövian määitys....5. Lämpötiljen määitys ei khdissa seinämää... 5.5.5 Vapaa knvekti tyhjiökammiissa.... Avjen iippuvuus paineesta... 8. Ei tapauksien lämpöhäviöt ei paineilla... 0 ulsten aviinti. Alkuletuksien vaikutus laskentatakkuuteen.... yhjiökammiiden vaikutus eistykseen... 5. Käyttöympäistön vaikutus lämpöhäviöihin.... Eistysatkaisun vinta... 5 Yhteenvet 9 Lähdeluettel 0 Liite. Laskennassa käytetyt yhtälöyhmät Liite. Laskennassa käytetyt aineminaisuudet, jtka vat lämpötilan funktiita 9 Liite. Peliitin lämmönjhtavuuden määittäminen 5
SYMBOLI- JA LYENNELUEELO maiset aakkset A pinta-a [m ] D hkaisija [m] putamiskiihtyvyys [m/s ] h knvektilämmönsiitkein [W/m K] kkeus [m] k lämmönjhtavuus [W/mK] L paksuus [m] p paine [Pa] lämpövita [W] lämpövian tiheys [W/m ] lämpövastus [K/W] säde [m] lämpötila [K] U lämmönläpäisykein [W/m K] Keikkaiset aakkset α teminen diffuusikein [m /s] β lämpölaajenemiskein [/K] ε emissiviteetti [-] μ dynaaminen visksiteetti [Ns/m ] ρ tiheys [k/m ] σ Stefan-Bltzmannin vaki [W/m K ] Dimensittmat luvut a ayleihin luku Yläindeksit * mdifiitu
5 Alaindeksit -8 paikka seinämässä umiini c sylintei cnd kndukti cnv knvekti eff efektiivinen kaasu i sisäpuli L taslevy n nmaitila ulkpuli p peliitti ad säteily t ustumatn teäs Lyhenteet V P P P P P P P P P 0 villa peliitti tyhjiökammi tyhjiökammi, peliitti tyhjiökammi, tyhjiökammi, peliitti peliitti, tyhjiökammi peliitti, tyhjiökammi, tyhjiökammi tyhjiökammi, peliitti, tyhjiökammi tyhjiökammi, tyhjiökammi, peliitti, tyhjiökammi tyhjiökammi, peliitti, tyhjiökammi, tyhjiökammi tyhjiökammi, tyhjiökammi, peliitti, tyhjiökammi, tyhjiökammi tyhjiökammi 0 kesta
JODANO Uusiutuvan eneian tutant lisääntyy jatkuvasti, kun peinteisistä fssiilisista plttaineista pyitään en. Yksi mekittävimmistä hidastavista tekijöistä tiettyjen uusiutuvien eneiamutjen, kuten tuuli- ja auinkviman, lisäämiselle n niiden vaikeasti ennustettava tutant ja kyvyttömyys vastata hetkelliseen eneiantutanttapeeseen. Yksi yleisesti esillä leva atkaisuvaihteht n eneian vaastinti eilaisin menetelmin. ässä kandidaatintyössä käsitellään eneian vaastintia lämmöksi. Lämpövaast n sa pienen kklukan uusiutuvan eneian tutantjäjestelmää, ja vaastn takitus n timia lyhytaikaisena eneiavaastna. Lämpökapasiteetti n nin 5 0 kwh, vaastintiaineena käytetään sulasesta ja lämpötilatas seksella n nin 00 00 C. ämän kandidaatintyön tavitteena n suunnitella lämpövaastlle mahdllisimman tehkas eistysatkaisu. yössä vetaillaan eilaisia suuta ipainetta eli tyhjiötä hyödyntäviä eistysatkaisuja. akitus n ennen kaikkea selvittää ptimainen seinämäakenne lämpövaastlle. ästä syystä esimekiksi eistysmateiaeja ei vetailla keskenään, kska samja akenteita vidaan sveltaa ei mateiaeille. yö kstuu lämpövaastn esittelystä, ei eisteatkaisujen minaisuuksien laskennasta ja tulsten aviinnista. yhjiöön peustuva eistys lu tapeen takastella eityisesti paineen vaikutusta eistyksen timivuuteen, kska kauplisissa tutteissa n jäkevää tavitella vain khtuullisin kustannuksin saavutettavia painetasja. Lämpöhäviöiden laskenta peustuu pääsin kndukti- ja säteilylämmönsiitn. yössä käsitellään esimekiksi tyhjiökammiita, eli kahden suljetun pinnan välistä tilaa jssa säteilyn vaikutus n eityisen mekittävä. yhjiökammin käyttökelpisuus ja sen paikan vaikutus seinämässä n yksi täkeimmistä selvitettävistä tekijöistä. Knduktilämmönsiita eli lämmön jhtumista esiintyy kaikissa seinämän keksissa. Knvektilämmönsiin laskenta tässä työssä peustuu aviituihin timintalsuhteisiin, jten sen suus laskennassa n pieni.
LÄMPÖVAASON ESIELY ässä luvussa esitellään lyhyesti lämpövaastn akenne, käyttötakitus ja tavitteet lämpövaastn eistykselle. Myös takasteltavat akennevaihtehdt, laskennassa käytetyt mateiait ja lämpövaastn timintämpötilaan liittyvät tekijät esitellään tässä luvussa.. Lämpövaastn timintapeiaate, akenne ja tavitteet akasteltava lämpövaast n sa uusiutuvan eneian tutantjäjestelmää, ja vaasta vidaan käsitellä melk takasti itsenäisenä kmpnenttina. yössä käsitelty lämpövaast peustuu tdelliseen pttyyppilämpövaastn. ässä luvussa käsitellään lämpövaasta ja sen timintaa yleisellä taslla... imintapeiaate Lämpövaasta käytetään vaastimaan uusiutuvla eneila tutettua lämpöä. Lataukseen käytettävän eneiantutantlaitteistn nimellisteh mititetaan dtetun huipunkäyttöajan mukaan. avittavaan lataustehn vaikuttaa lunnllisesti myös lämpövaastn kapasiteetti ja käyttäjän tavitsema lämpöteh ja -eneia. Lämpövaastn lämpöä hyödynnetään suaan lämpönä tai välillisesti sähkönä. Lämpövaasta ja siihen liittyvää jäjestelmää n takitus hyödyntää eityisesti itsenäisenä eneiajäjestelmänä, kun ulkpulista sähköä tai lämpöä ei le käytettävissä. Kapasiteetti ja latausteh mititetaan lämpöhäviöiden avulla niin, että jäjestelmää vidaan käyttää nmaisti useita päiviä ilman latausta... akenne Lämpövaast n sylintein mutinen säiliö, jssa sulases n sylintein sisällä. Eistyskekset sijitetaan sisäkkäisten sylinteeiden väliin. ässä työssä kansi ja phja jätetään humitta ja sylintei letetaan ääettömän pitkäksi. Kuvassa. n esitetty eäs työssä tutkittava sylinteiakenne hkaistuna.
8 Kuva.: Lämpövaastn seinämä hkaistuna. Kuvan. tapauksessa esitetty eistys kstuu sisäpulen peliittikeksesta ja ulkpulen kahdesta tyhjiökammista, jtka n etettu tisistaan ääettömän huella säteilykilvellä. Seinämän akenne muuttuu takasteltavan tapauksen mukaan, jten kuvassa esitetty akenne pätee vain yhdelle tapaukselle. Käsiteltävät tapaukset ja mateiait n esitelty takemmin luvuissa. ja.... avitteet Lämpövaastn eistykselle lennaisimmat tavitteet vat mahdllisimman pienet vmistuskustannukset, pieni seinämäpaksuus ja maksimissaan suuuusluktaan nin 50 00 W/m lämpöhäviöt. Pienet vmistuskustannukset saavutetaan susimla yksinketaisia akenteita ja edullisia mateiaeja. Esimekiksi sylinteiakenne n helpp vmistaa, ja eisteenä käytetty peliitti n hinntaan kilpailukykyinen eiste. Lämpövaastn kapasiteetti n suunniteltu pieneksi, jtta sitä vidaan liikutella ja hyödyntää justavasti. Siksi lämpövaastn kkn ja massaan täytyy kiinnittää eityistä humita. Lämpövaastn massaan vidaan mekittävästi vaikuttaa lähinnä muuttamla sulan tilavuutta, kska se mudstaa vtasan lämpövaastn massasta. Kkn taas vidaan sulan tilavuuden lisäksi vaikuttaa seinämän paksuudella, jka pyitään minimimaan mahdllisimman tehkkala eistyksellä.
9 Pienet lämpöhäviöt saavutetaan muiden tavitteiden hella vitsemla ptimainen seinämäakenne lämpövaastlle. Myös sylinteimut n lämpöhäviöiden kannta edullinen, kska tilavuuden suhde lämmönsiitpinta-aan n suui. Eisteatkaisut n laskettu vain yhdellä eistepaksuudella, jlla päästään huttuun suuuuslukkaan, kska paineen vaikutus lämpöhäviöihin n suui. Saavutettavissa leva painetas ja ptimainen seinämäakenne kannattaa selvittää ennen kuin seinämäpaksuutta etaan ptimida.. Lämpövaastn timintämpötila Lämpövaastn vidaan sita lämpöä lämmittämällä vaastintiainetta tai muuttamla aineen faasia jk sulattamla tai höyystämällä ainetta. ässä työssä käsitellään vaastintiaineena kiumnitaatin KNO ja natiumnitaatin NaNO sulasesta. Seksen sulamislämpötila n nin C, jten tavittavan käyttölämpötilan mukaan ses n yleensä jk faasimuutsueella sin kiinteässä ja sin nestemäisessä lmudssa, tai pelkästään nestettä Chieuzzi et. 0, 5. Faasimuutksen hyödyntäminen lämmön vaastinnissa mahdllistaa usein suuemman kapasiteetin kuin vastaavan kkinen nestefaasissa timiva lämpövaast, kska seksen minaissulamislämpö n humattavasti suuempi kuin sen minaislämpökapasiteetti Chieuzzi et. 0, 5. Faasimuutsueella vidaan timia matammilla lämpötililla kuin nestefaasin tapauksessa, jten myös lämpöhäviöt vat pienemmät. Seksen lämpötila pysyy faasimuutksen aikana vakina, jten vaastn lämpöä kulutettaessa lämpöteh n helpmpi pitää vakina. Faasimuutksen aikana sulases tiivistyy ensin lämpövaastn seinille tai vaastn lämmön käyttöön suunnitellun lämmönvaihtimen pinnille, kska lämpövian suunta n kuumemmasta seksesta khti kylmempää ulktilaa tai käyttökhdetta. iivistyminen vaastn seinille pienentää lämpöhäviöitä, kska sulases timii itsessään eisteenä. Vapaa knvekti ei mahdllista kiinteässä faasissa enää lämpötilan tasaantumista kuten nestefaasissa, jten myös tiivistynyt aine kaa jäähtyä pienentäen lämpöhäviöitä entisestään. Sulan tiivistyminen lämmönvaihtimen pinnille lisää samla peiaatteella lämpövastusta käyttökhteen ja lämpövaastn välillä, jten myös lämpöteh laskee.
0 Nestefaasin tapauksessa tavitaan yleensä ismpi vaast kuin faasimuutstapauksessa vastaavla kapasiteetilla, ja myös lämpöhäviöt vat kkeammista lämpötilatasista jhtuen suuemmat. isata lämpöä kulutettaessa n mahdllista saavuttaa suuempi lämpöteh ja kkeammat lämpötilat, kska vaastn lämpötilatas n kkeampi. Lämmönsiit n muutenkin tehkkaampaa nesteen ja seinämän, kuin kiinteän sulan ja seinämän välillä. Kun lämpöä kulutetaan, pienenee käytettävissä leva lämpöteh ja lämpötilat. Nestefaasitapaus ei le käyttäjälle siis yhtä vakaa lämpötehltaan kuin faasimuutstapaus, mutta käytettävissä leva teh n aina suuempi. dellisessa tilanteessa timitaan luultavasti sittain faasimuutsueella ja sittain nestefaasissa. Kska lämpövaasta ladataan uusiutuvla eneila, tutanta n hanka ennustaa, jten laaja lämpötilan timinta-ue maksimi vaastitavan ja kulutettavan eneian määän, kun latausteha n tai ei le käytössä. Vaastn kk ja massa saadaan samla minimitua, kun lämpökapasiteetin suhde tilavuuteen n mahdllisimman suui.. akasteltavat seinämämateiait ässä työssä lasketaan ei seinämäakenteiden lämpöhäviöt käyttäen samja eiste- ja akennemateiaeja. ukiakenteet, eli säiliön seinät vat ustumatnta teästä. Eistemateiaina käytetään peliittiä, jka n pääsin piidiksidista SiO ja umiiniksidista AlO kstuva amfinen ja aemainen aine Demhate 0, 5. yhjiökammin seinät jk kiilltetaan tai päällystetään jllain hyvin säteilyä heijastavla mateiailla, kuten umiiniflilla tässä työssä. Vetailukhtana takastellaan peinteistä mineaivillla eistettyä vaasta. yössä ei vetailla eilaisten mateiaien tai aineiden keskinäistä suituskykyä eisteenä. Käyttämällä esimekiksi pyeenistä piidiksidia peliitin sijaan lisi ipaineen mekitys humattavasti vähäisempi, ja hyvä eistys pystyttäisiin vielä saavuttamaan pjn kkeammilla paineilla kuin peliitin tapauksessa Fuchs, fbeck & Faulstich 0, 5. Kvaamla ilma paemmin lämpöä eistävällä kaasulla n mahdllista paantaa sekä tyhjiökammin että peliittieisteen eistyskykyä Demhate 0, 09-. Eistyskykyä n siis mahdllista tehstaa useilla keinilla, mutta tämän työn tavitteena n ve-
tailla ennemmin eisteakenteita kuin eilaisia mateiaeja tai aineita. ämän työn tulksia vi sveltaa ei mateiaeille kuavja ja aineminaisuuksia muuntamla, jllin ei aineiden suituskykyjä n tavittaessa helpp vetailla.. akasteltavat eisteatkaisut ässä työssä takastellaan useaa peliittiin ja tyhjiökammin peustuvaa seinämäakennetta. ustumattman teäksen paksuus n kaikissa tapauksissa mm ja tyhjiökeksen paksuus n 5 mm. yhjiö- ja teäskesten paksuudet n vittu niin pieniksi kuin mahdllista, mutta iittävän paksuiksi, että akenne n mahdllista vmistaa. Peliitin paksuus n vittu niin, että seinämän yhteenlaskettu paksuus ilman ustumattman teäksen keksia n 50 mm taulukn. mukaisesti. Seinämän paksuus pyitään pitämään näin likimain vakina, jtta eistysatkaisujen tehkkuutta n helpmpi veata keskenään. Laskennassa käytetään vetailutapauksena yksinketaista mineaivillaan peustuvaa eistysatkaisua, jssa villakes n kahden ustumattman teässeinän välissä. ästedes tämän ktaiseen akenteeseen viitataan lyhenteellä V. Lyhenteet mudstetaan eistekesten kijainlyhenteillä jäjestyksessä, kaen sisäpulelta. ustumatnta teästä ei mainita lyhenteessä eikseen, kska mnimutkaisempien akenteiden lyhenteet lisivat tällöin epäkäytännöllisiä. Eäs peliittiin, tyhjiökammiihin ja säteilykilpeen peustuva eisteatkaisu n esitetty kuvassa.. Kuva.: Peliittiin ja tyhjiökammiihin peustuvan eisteatkaisun seinämän pikkileikkaus.
Kuvassa. kaikki eistekekset n etettu tisistaan ustumattmla teäksellä. Ensimmäinen eistekes n peliittiä P, ja seuaavat kekset vat tyhjiökammiita. yhjiökammiiden välissä esiintyvä hut etin n säteilykilpi, jta käsitellään ääettömän huena metlikeksena. Säteilykilpeä ei mainita akenteen lyhenteessä, kska säteilykilven ei leteta slistuvan eistykseen muulla tavla kuin ettamla kaksi tyhjiökammita tisistaan. ämän akenteen lyhenne n edellä esitetyllä peiaatteella P. Kaikki takasteltavat eisteatkaisut n esitetty mittineen taulukssa.. aulukk.: akasteltavat tapaukset ja eistekesten paksuudet. Lyhenne L [mm] L [mm] L [mm] L [mm] L5 [mm] Yhteensä [mm] apaus V 50 - - - - 50 apaus P 50 - - - - 50 apaus P 5 5 - - - 50 apaus P 5 5 0 - - 50 apaus 5 P 5 5 - - - 50 apaus P 0 5 5 - - 50 apaus P 5 0 5 - - 50 apaus 8 P 5 5 5 5-50 apaus 9 P 5 5 5 5-50 apaus 0 P 5 5 0 5 5 50 apaus 0 5 seinämässä 0 yhtä paksua kesta 50 aulukssa. n esitetty kaikki laskettavat eisteatkaisut. Viimeinen takasteltava akenne, tapaus n lyhennetty pikkeavla tavla sen akenteen takia. apauksessa käytetään eisteenä pelkästään useita peäkkäisiä tyhjiökammiita, jten lyhenteenä käytetään tyhjiökammiiden määää ja tyhjiökammin lyhennettä. ässä työssä takastellaan vain lämmönsiita seinämässä, eli kannen tai phjan vaikutusta lämpöhäviöihin ei teta humin. Laskettuja seinämäakenteita vi hyödyntää kannen ja phjan suunnittelussa, mutta mni lämpövian tai lämpövastuksen yhtälö pikkeaa sylinteitapauksesta. Kannen ja phjan lämpöhäviöiden laskennassa täytyisi siis mudstaa vastaavat yhtälöyhmät taslevyakenteelle. Lisäksi phjan ja eityisesti kannen tapauksessa lämpöhäviöt saattavat kasvaa kannen ja seinämän ajapinnan metlikeksissa tapahtuvan lämmön jhtumisen seuauksena.
LÄMPÖÄVIÖIDEN JA LÄMPÖILOJEN MÄÄIYS ässä luvussa käsitellään lämpöhäviöihin liittyviä lämmönsiin ilmiöitä ja keskitytään eityisesti eistykseen liittyvien suueiden laskentaan esimekkitapauksen kautta. Myös laskennassa käytetyt kuletukset ja aineminaisuudet, eistyksen paineiippuvuus ja ei tapauksien lämpöhäviöt käsitellään tässä luvussa. Laskenta tässä työssä peustuu lämmönsiin teiaan ja kijlisuudesta saataviin avihin. Laskentaa vaten ei le hyödynnetty tdellista mittausdataa pttyyppilämpövaaststa. ämän työn tulksia n takitus veata sveltuvin sin tdellisen pttyyppivaastn mittaustulksiin.. Lämmönsiin ilmiöt systeemissä Lämpövaastn lämpöhäviöt kstuvat kaikista lämmönsiittavista: knvektista, knduktista eli lämmön jhtumisesta ja säteilystä. Knvektita tapahtuu ei lämpötilissa levien liikkuvan fluidin ja kiinteän pinnan välillä Incpea & DeWitt 00,. Vaastssa knvekti ilmenee lämpövaastn sisällä sulaseksen ja vaastn sisäseinämän välillä, sekä lämpövaastn ulkpulella ympäistön ja vaastn ulkseinämän välillä. Laskennassa takastellaan myös, ilmeneekö seinämän tyhjiökammiissa lämpötilaesta jhtuvaa vapaata knvektita. Js tyhjiökammissa vlitsisi tdellinen tyhjiö, jssa ei le yhtään ainepatikkeleita, ei knvekti lisi mahdllista. dellisuudessa patikkeleita jää myös tyhjiökammin, jten knvektin mahdllisuus täytyy ttaa humin. Knduktita eli lämmön jhtumista tapahtuu kaikissa aineen lmudissa ei lämpötilissa levien patikkeleiden välisen vuvaikutuksen takia Incpea & DeWitt 00,. Knduktita tapahtuu siis knvektin hella vaastn sisä- ja ulkpulella sekä knvektin yhteydessä selitetyin eunaehdin tyhjiökammiissa. Kndukti n aina lämmönsiitmut kiinteissä aineissa, eli vaastn tapauksessa ustumattmassa teäksessä, peliitissä ja mineaivillassa. Peliitti ja mineaivilla vat hukisia mateiaeja, jihin jää pjn tilaa ilmle. dellisuudessa sa lämmönsiista tapahtuu tämän takia knvektina tai säteilynä. Näiden lämmönsiitmutjen vaikutus lämmön siitymiseen peliitissä ja mineaivillassa n humiitu lämmönjhtavuuksien avissa, jten aineiden lämmönsiit-minaisuuksia vidaan takastella puhtaasti lämmönjhtavuuksien avulla.
Säteily n kiinteän, nestemäisen tai kaasumaisen aineen emittimaa eneiaa. Säteilyeneia siityy sähkömaneettisena atliikkeenä, eikä sen siityminen vaadi väliainetta. Incpea & DeWitt 00, 9. Säteily n lämpövaastn tapauksessa leellinen ainastaan tyhjiökammiissa ja vaastn ulkseinämällä. dellisessa tyhjiössä säteily n aina lämmönsiitmut, ja tyhjiökammiissa pyitään pääsemään mahdllisimman lähelle tämän ktaista tilaa. Lämpövaastn tapauksessa muula kuin tyhjiökammiissa lämpötilaet vat niin pieniä, että säteilyn vaikutus n luultavasti pieni. Js ympäistön efektiivinen lämpötila n humattavasti seinämän pintämpötilaa suuempi tai pienempi, kasvaa säteilyn mekitys ulkseinämällä. ämän ktainen tilanne lisi mahdllista esimekiksi kikkala pakkassäällä. Incpea & DeWitt 00, 50. Vastaavasti auinnpaisteella säteilyn lämmittävä vaikutus vi lla mekittävä. Suunnittelun kannta hutaan ennemmin tutkia säästä iippumatnta tilannetta, jten eikistilanteita ei teta humin.. Lämmönsiin suueiden atkaisemiseen tavittavat yhtälöt Lämpöhäviöitä määitettäessä lennaisin laskettava suue n lämpövita seinämän läpi. Kun tunnetaan lämpötilat seinämän sisä- ja ulkpulella, vidaan lämpövita seinämän läpi laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 9. UA i missä U lämmönläpäisykein [W/m K] A pinta-a [m ] lämpötila [K] Lämpövita n aina lämpötilista iippuva suue, jten usein seinämäakenteiden eistyskykyä vetaillaan lämmönläpäisyketimella, jka pysyy useimmissa tapauksissa líkimain vakina. Lämmönläpäisykein vidaan laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 9.
5 U A missä lämpövastus [K/W] Lämmönläpäisykein ei tdellisuudessa le täysin lämpötilista iippumatn, kska aineminaisuudet vat useimmiten lämpötiljen funktiita. ässä työssä selvitettäviä lämmönläpäisyketimia ei vi sveltaa suaan ei lämpötilille, kska aineminaisuuksien lisäksi säteilylämmönsiit n eityisen hekkä lämpötilan muutksille. Yhtälöiden ja peusteella vidaan mudstaa lämpövile yhtälö lämpötiljen ja lämpövastuksen funktina. i Lämpöviat n tässä työssä helpinta laskea käyttämällä lämpövastuksia lämmönläpäisyketimien sijaan, kska kijlisuudessa esitetään useimmiten yhtälöt lämpövastuksille. Knduktilämpövastus sylintein seinälle c,cnd vidaan laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 0. ln / i c, cnd k missä säde [m] k kkeus [m] lämmönjhtavuus [W/mK] Knduktilämpövastuksien lisäksi knvektilämpövastukset vat mekityksellisiä eityisesti vaastn sisä- ja ulkpinnilla. Knvektilämpövastus cnv vidaan laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 5. cnv ha 5 missä h knvektilämmönsiitkein [W/m K]
ässä työssä mnissa yhtälöissä esiintyvä pinta-a lasketaan aina sylinteiakenteelle. Lämmönsiissa leellinen lämmönsiitpinta-a lasketaan seinämän pinta-ana, jka vidaan laskea sylinteille yhtälöllä Ac D missä D hkaisija [m] Säteily n eittäin täkeä lämmönsiitmut tyhjiökammiissa. Säteilylämpövita ad kahden pitkän, sisäkkäisen sylintein välillä vidaan laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 8. Ai i ad i i missä σ Stefan-Bltzmannin vaki 5, 0-8 [W/m K ] ε emissiviteetti [-] Säteilyn tapauksessa ei vida laskea suaan lämpövastusta, kska lämpötilat vat lämpövian yhtälössä neljännessä ptenssissa. Js esimekiksi yhtälöiden ja avulla mudstettaisiin lämpövastukselle yhtälö, lisi myös lämpövastus lämpötiljen funkti. Lämpötilat vat tässä vaiheessa tuntemattmia, jten ensin täytyisi selvittää lämpövita, jtta lämpövastus vitaisiin atkaista. Laskennan kannta lämpövastuksien laskenta ei siis le mahdllista ennen kuin lämpöviat tai lämpötilat n atkaistu. Kun vaastn seinämäpinta-a n ympäistöön veattuna lemattman pieni, vidaan säteilylämpövita ympäistöön laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 8. ad i A ε i 8 Lämpöhäviöitä n hanka veata muihin kijlisuudessa esiintyviin avihin, js lämmönsiitpinta-a ei le samaa kklukkaa. ämän vuksi kaikille tapauksille lasketaan lämmönläpäisykein ja lämpövian tiheys, jka vidaan laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 5.
'' 9 A yössä lasketaan lämmönsiita tyhjiökammiissa, jtka vat suljettuja tilja. Lämpötilaesta jhtuen tämän ktaisissa tilanteissa vi esiintyä vapaata knvektita, jta vaten täytyy selvittää ayleihin luku a. Sisäkkäisille sylinteeille ayleihin luku a * c vidaan laskea yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 55. a * c L D ln D / 5 i / D D i / 5 5 a L 0 missä L eistekeksen paksuus [m] Sisäkkäisten sylinteien tapauksessa ayleihin luku n mdifiitu yleisemmästä ayleihin luvusta kahden taslevyn välille al. ayleihin luku vidaan laskea taslevyjen välille yhtälöllä Incpea & DeWitt 00, 5. β i L ρ a L αμ missä putamiskiihtyvyys 9,8 [m/s ] β lämpölaajenemiskein [/K] ρ tiheys [k/m ] α teminen diffuusikein [m /s] μ dynaaminen visksiteetti [Ns/m ] ässä kappeessa esitetyillä yhtälöillä vidaan selvittää kaikki leellisimmat eistyskykyyn liittyvät suueet. Laskentaa vaten täytyy esitellyistä yhtälöistä jhtaa eilaisia yhtälöitä ja yhtälöyhmiä, jtka n esitetty takemmin luvussa.5. ja liitteessä.
8. Alkuletukset Laskentaa vaten n tehty useita kuletuksia laskennan helpttamiseksi ja tiettyjen yhtälöiden käyttöehtjen tteuttamiseksi. Jillain letuksilla n suuempi vaikutus laskujen ikeellisuuteen kuin tisilla. Alkuletuksien aiheuttamia viheitä aviidaan luvussa.. Lämpövaastn letetaan levan statinääitilassa. Laskennassa tämä letus n välttämätön, kska esimekiksi lämpövitaa ei vi atkaista esitellyillä yhtälöillä, js systeemi ei le statinääitilassa. dellisuudessa vaast ei le statinääitilassa kuin eikistapauksissa, kska lämpöhäviöiden ja käyttötehn täytyisi lla yhtä suui kuin lataustehn tdella pitkään, että systeemi saavuttaisi tasapaintilan. Kaikki säteilypinnat letetaan hamaiksi ja diffuuseiksi. Pintjen säteilyminaisuudet eivät siis muutu lämpövian suunnan tai alnpituuden mukaan. ämä letus täytyy tehdä, jtta säteilylämpövita vidaan määittää yhtälöillä ja 8. Pintjen säteilyminaisuudet letetaan myös lämpötilaiippumattmiksi, eli laskennassa vidaan pitää emissiviteetit vakina. Lisäksi letetaan, että säteilyä tapahtuu vain tyhjiökammiissa ja vaastn ulkpinnla, eikä väliaine vaikuta säteilyyn. yhjiökammiissa käytetään jissain tilanteissa säteilykilpiä, jtka letetaan ääettömän huiksi. Säteilykilville ei siis lasketa eikseen lämmön jhtumista, vaan ne ainastaan ettavat kaksi tyhjiökammita tisistaan. Likavastukset tai likaantuminen letetaan mekityksettömiksi. Likavastuksilla lisi tdellisuudessa tdella pieni vaikutus lämmön jhtumiseen, kska eistekesten lämpövastukset vat eittäin suuia veattuna mahdllisiin likavastuksiin. Säteilyn kannta likaantuminen saattaisi vaikuttaa pintjen emissiviteetteihin tai absptiviteetteihin, jten ilman likaantumisen vaikutusta nämä minaisuudet vidaan pitää vakina. Seinämä letetaan ääettömän pitkäksi sisäkkäisten sylinteien akenteeksi. ämä vaikuttaa esimekiksi säteilylämmönsiissa näkyvyysketimiin, jtka vat tällä letuksella kaikissa tapauksissa. yössä ei lasketa phjan tai kannen lämpöhäviöitä tai niiden vaikutusta seinämän häviöihin.
9. Aineminaisuudet Laskennassa tavitaan useiden ei aineiden minaisuuksia. Lähes kaikki käytetyt aineminaisuudet löytyvät taulukituina lämpötilan funktiina. Peliitin ja ilman lämmönjhtavuudet vat lisäksi laskettavissa paineen funktina. Aineminaisuudet saattavat hieman vaihdella iippuen käytetyistä lähteistä. Eistyksen kannta aineminaisuuksien leellisimmat muuttujat vat peliitin ja ilman lämmönjhtavuudet. Peliitin ja muiden vastaavien aineiden lämmönjhtavuuksia n selvitetty kkeellisesti Demhate 0; Fuchs, fbeck & Faulstich 0, 5. Myös käytetty mineaivillan lämmönjhtavuus peustuu mittaustulksiin Winc-SPI 0. Peliitin efektiivinen lämmönjhtavuus kp,eff määitetään säteilyn, kaasun ja kiinteän aineen jhtumisen sekä liitsvaikutuksen avulla yhtälöllä Demhate 0, 0. k p, eff k säteily k kiinteä k kaasu k liits Yhtälön mukaisen peliitin efektiivisen lämmönjhtavuuden satekijät n selstettu liitteessä. Ilman lämmönjhtavuus k vidaan määittää ei paineissa nmaipaineisen ilman lämmönjhtavuuden k,n avulla yhtälöllä Kwn et. 009, 559. k k,n L 0,0 / p missä p paine [Pa] Yhtälöiden ja avulla lämmönjhtavuudet vidaan määittää sekä peliitille että ilmle kaikissa käsitellyissä lämpötilissa ja paineissa. Eityisesti peliitin lämmönjhtavuuden lutettavuuteen täytyy suhtautua vaauksella, kska paine- ja lämpötilaiippuvuutta ei le tutkittu yhtä kattavasti kuin mnilla muilla aineilla, ja tässä työssä käytetyt yhtälöt peustuvat yhteen mittausjäjestelyyn Demhate 0. Ilman, peliitin ja mineaivillan lämmönjhtavuudet n esitetty paineen funktina kuvassa.. Ilman lämmönjhtavuus n määitetty systeemin keskimäääisessä lämpötilassa ja käytetyllä tyhjiökammin eistyspaksuudella. Peliitin lämmönjhtavuus n määitetty samassa lämpötilassa, tiheydellä 00 k/m ja väliaineena n käytetty ilmaa. Mineaivillan lämmönjhtavuus n määitetty samassa lämpötilassa, mutta paineen vaikutusta ei le humiitu.
0 Kuva.: Ilman, peliitin ja mineaivillan lämmönjhtavuudet paineen funktina. Kuvan. mukaisesti sekä ilman että peliitin lämmönjhtavuudet kasvavat mekittävästi paineen kasvaessa. Peliitin lämmönjhtavuus n pienempi kuin ilmla painevälillä 5 00 Pa, muissa paineissa ilman lämmönjhtavuus n pienempi. dellisuudessa mineaivillan lämmönjhtavuus letettavasti muuttuu paineen muuttuessa, mutta tässä työssä mineaivillaa takastellaan vain nmaipaineisena, jten sen lämmönjhtavuuden painekäyä yksinketaistetaan vaakasuaksi. Peliitin lämmönjhtavuus n painetta 000 Pa kkeammissa paineissa suuempi kuin mineaivillla, mutta ilman lämmönjhtavuus ei le missään paineessa suuempi kuin mineaivillla. Käytetyt aineminaisuudet ilmle, ustumattmle teäkselle ja mineaivillle, jtka vat lämpötilan funktiita, n esitetty liitteessä..5 Laskenta statinääitilassa ämän luvun esimekkilaskut n laskettu Pa paineessa tapaukselle P, eli akenteelle jssa n peliittieistys sekä kaksi säteilykilvellä etettua tyhjiökammita. Kaikki tapaukset vidaan laskea esimekkilaskuja mukaillen. apauksen P lämpövastusvekk n esitetty kuvassa..
Kuva.: apauksen P lämpövastusvekk. Kuvasta. nähdään, että lämpövastukset vat tyhjiökammiita ja ulkpintaa lukuun ttamatta sajassa. yhjiökammissa esiintyy sekä lämmön jhtumista ilmassa, että säteilylämmönsiita. Ulkpinnla lämpö siityy knvektilla ja säteilyllä ympäistöön..5. Alkuavt Laskenta suitetaan käyttäen kuavina taulukn. avja. Kaikille tapauksille svelletaan samja kuavja. aulukk.: Laskennassa käytettävät kuavt. Knvektilämmönsiitkein sisällä hi [W/m K] 000 Knvektilämmönsiitkein ulkna h [W/m K] 5 Sisälämpötila i [ C] 55 Ulklämpötila [ C] 5 Sisähkaisija Di [mm] 0 Kkeus [mm] 00 Peliitin tiheys ρp [k/m ] 00 aulukssa. n esitetty knvektilämmönsiitketimet ja lämpötilat vaastn sisä- ja ulkpulella, peliitin tiheys sekä vaastn sisähkaisija ja kkeus. Knvektiläm-
mönsiitketimet iippuvat lsuhteista, jten niille käytetään tyypillisiä vapaan knvektin avja, sisäpulella nesteelle ja ulkpulella kaasulle Incpea & DeWitt 00, 8. Mlempien knvektilämmönsiitkeinten avt n vittu suuiksi, jten laskentatilanne vastaa hunja käyttölsuhteita. Ympäistön lämpötila eli ulklämpötila n vittu vastaamaan vaastn käyttöympäistölle tyypillisiä lämpimiä lsuhteita. Sisälämpötila n vittu niin, että sulases n nesteenä eikä faasimuutsueella. Vaastn dimensit n vittu tdellista pttyyppivaasta mukaillen. Peliitin tiheys vaihtelee useimmiten välillä 0 0 k/m, ja kuavksi vittu tiheys 00 k/m n peliitille yleinen ja tyypillinen Demhate 0,. Laskenta suitetaan paineen avilla Pa 00 kpa, mutta esimekkilaskut n tehty vain paineella Pa..5. Lämpövastuksien määitys Lämpövitjen määittämiseen tavittavat lämpövastukset vidaan atkaista tunnettujen aineminaisuuksien ja dimensiiden peusteella. Knvektilämpövastus vaastn sisäpinnla n yhtälön 5 ja sylintein pinta-an yhtälön mukaisesti cnv 000 W/m K 0,0 m 0,00 m 0,000 K/W Knduktilämpövastus n ensimmäisen ustumattman teäksen keksen läpi yhtälön mukaisesti ln0, m / 0,0 m 0,00 m,59 W/mK c, cnd 0,000 K/W Kndukti- ja knvektilämpövastukset vidaan atkaista muissa seinämän pisteissä samilla yhtälöillä. Säteilylämmönsiin tapauksessa ei lasketa lämpövastuksia samla tavla kuin knduktin ja knvektin tapauksessa. Säteilylämpövastukset vidaan atkaista vasta kun lämpövita ja sitä vastaavat lämpötilat n atkaistu.
.5. Lämpövian määitys Esimekkilaskujen tapauksessa P lämpövita vidaan määittää 5 yhtälön yhtälöyhmästä. Säteilylle ei kannata tässä tapauksessa mudstaa lämpövastusta, kska lämpövastus n säteilykammin pintämpötiljen funkti. Pintämpötilja ei tunneta, jten psessi lisi iteatiivinen. Mudstamla yhtälöyhmä eneiataseista ei sissa seinämää vidaan atkaista lämpövian ja tuntemattmien pintämpötiljen avt. Yhtälöyhmä n kuvan. mekinnöin ja yhtälöiden,, ja 8 mukaisesti muta i 5 5 5 5, 5 5 5 5 5, t 8 8, Yhtälöyhmässä tuntemattmia vat lämpövita sekä lämpötilat, 5, ja. Yhtälöissä esiintyvä ε n umiiniflin emissiveetti, jka n nin 0,05 Incpea & DeWitt 00, 9. Alumiiniflita käytetään tyhjiökammiiden pinnissa minimimaan säteilylämpövitaa. Viimeisessä yhtälössä esiintyvä εt n puhtaan tai kiilltetun ustumattman teäksen pinnan emissiveetti, jnka n aviitu levan nin 0, Incpea & DeWitt 00, 9. Yhtälöyhmässä ensimmäinen yhtälö n yksinketainen lämpövian yhtälö, jssa lämpövastukset vat sajassa. Lämpövastus - humii knvektin vaastn sisäpinnla sekä
lämmön jhtumisen kahdessa ensimmäisessä ustumattman teäksen keksessa ja peliitissä. inen ja klmas yhtälö kuvaavat lämpövitaa tyhjiökammiissa. Ensimmäinen temi n säteilylämpövita sisäkkäisten sylinteien välillä, ja tinen temi kuvaa lämmön jhtumista ilmassa. Neljäs yhtälö n yksinketainen lämmön jhtumisen yhtälö ulimmle ustumattman teäksen kekselle. Viimeinen yhtälö humii ensimmäisessä temissä knvektin vaastn ulkpinnta ympäistöön, sekä tisessa temissä säteilyn vaastn pinnta ympäistöön. Vastaavat yhtälöyhmät muille työssä lasketuille tapauksille n esitetty liitteessä. Yhtälöyhmää judutaan iteimaan, kska ilman ja peliitin lämmönjhtavuudet vat eistekeksien pintämpötiljen funktiita. Mlemmille lämmönjhtavuuksille esitetään ensin kuavaus ja yhtälöyhmästä atkaistaan lämpövita ja lämpötilat. Lämpötiljen peusteella vitaan uudet lämmönjhtavuuden avt. Iteintia jatketaan, kunnes avt knveituvat. Yhtälön 5 mukaisesti lämpövita tyhjiökammin ensimmäisessä sassa Pa paineessa n iteiduilla lämpötililla 5, 0 8 9K - 9 K, K/W W/m K 8,58 W 0, m 0,00 m 0,05 0,05 0, m 0,05 0,9 m 9K 9 K Lämpövian tiheys n vaastn sisäpinnla yhtälön 9 ja sylintein pinta-an yhtälön mukaisesti '' 8,58 W 0,0 m 0,00 m 5,8 W/m Vastaavasti lämmönläpäisykein vaastn sisäpinnla n yhtälön ja sylintein pintaan yhtälön mukaisesti U 8,58 W 0,W/m K 0,0 m 0,00 m 55 C 5 C
5 Kaikkien tapauksien lämpöviat, lämpövitjen tiheydet ja lämmönläpäisyketimet n esitetty Pa paineessa taulukssa.. Kaikki lämpövitjen tiheydet ja lämmönläpäisyketimet n laskettu sisäpinta-aa khden. aulukk.: Lämpöviat, lämpövitjen tiheydet ja lämmönläpäisyketimet Pa paineessa. [W] i'' [W/m ] Ui [W/m K] apaus V 8,59 5,80,09 apaus P, 8,0 0,9 apaus P,0 9,8 0, apaus P 8,05 55, 0,0 apaus P 0,,0 0,0 apaus P 8,58 5,8 0, apaus P 8,8 5,5 0, apaus P,8 5,9 0, apaus P, 5, 0, apaus P 5, 8,8 0,09 apaus 0 0,8,8 0,5 aulukn. mukaisesti pienin lämpövita, lämpövian tiheys ja lämmönläpäisykein saavutetaan tapauksella 0, eli pelkkiä tyhjiökammiita hyödyntävällä akenteella. Vetailutapaukseen V veattuna tutkituilla eistysatkaisuilla saavutetaan nin 8 ketaa pienemmät lämpöhäviöt, jten tutkitut tapaukset vat eittäin tehkkaita eisteitä..5. Lämpötiljen määitys ei khdissa seinämää Lämpötilat ei khdissa seinämää vidaan määittää, kun tunnetaan iittävästi seinämäkesten lämpövastuksia ja pintämpötilja, sekä lämpövita. Lämpövita n vaki kaikissa seinämän keksissa. ilanteissa jissa lämpövastuksia ei le laskettu, vidaan käyttää yhtälöyhmistä atkaistuja lämpötilja. Esimekiksi tilanteessa P lämpötilat - n selvitetty yhtälöyhmää atkaistaessa ja lämpötilat - vidaan atkaista sisälämpötilan, lämpövian ja lämpövastuksien avulla. Esimekiksi pisteessä eli lämpövaastn sisäpinnla lämpötila n yhtälön mukaisesti i 58,5K 8,58 W 0,000K/W 5,85K
apauksen P seinämän lämpötilajakauma n esitetty kuvassa., jssa lämpötila n etäisyyden funkti. Kuva.: apauksen P seinämän lämpötilajakauma Pa paineessa. austla n esitetty kuvan. mukainen seinämän akenne. Kuvasta. vidaan määittää taustle piietyn seinämän akenteen avulla ei keksien vaikutus lämpötilaan. ustumattman teäksen khdla, esimekiksi kuvaajan vasemmassa eunassa, lämpötila ei laske lähes llenkaan. eti ustumattman teäksen jälkeen n peliittikes, jssa lämpötila laskee selvästi. yhjiökammissa lämpötila laskee tdella npeasti. Lämpövastuksia ei le määitetty etukäteen tilille jissa esiintyy säteilyä, kska säteilyn lämpövastus lisi yhtälöiden, ja 8 mukaisesti iippuvainen lämpötilista. Lämpötiljen selvittämisen jälkeen vidaan laskea lämpövastukset myös tyhjiökammiille ja vaastn ulkpinnille yhtälön mukaisesti. ilanteen P kaikki lämpövastukset paineessa Pa n esitetty taulukssa.. aulukk.: apauksen P lämpövastukset paineessa Pa. [K/W] [K/W] [K/W] [K/W] 5 [K/W] [K/W] [K/W] 8 [K/W] 0,000 0,000,8 0,0008,, 0,0000 0,08
Vetaamla taulukn. lämpövastuksia kuvan. mekintöihin havaitaan, että peliitin ja tyhjiökammiiden lämpövastukset vat selvästi mekittävimpiä. Peliitin lämpövastus n suuempi kuin tyhjiökammiiden, mutta eistepaksuutta khden tyhjiökammiiden eistyskyky n paempi. Ensimmäisen tyhjiökammin lämpövastus 5 n hieman tisen tyhjiökammin lämpövastusta pienempi. ämä jhtuu suuemmista lämpötilista ensimmäisen tyhjiökammin pinnilla, mikä heikentää tyhjiökammin eistyskykyä..5.5 Vapaa knvekti tyhjiökammiissa yhjiökammiissa ilma n suljetussa tilassa, jnka seinämillä n lämpötilae. ämän ktaisissa tilanteissa n syytä ttaa humin vapaan knvektin mahdllisuus, kska vapaan knvektin esiintyessä lämpövita kasvaa tyhjiökammiissa. ayleihin luvulla vidaan yhtälöiden 0 ja avulla aviida, syntyykö kammiissa vapaata knvektita. Incpea & DeWitt 00, 5-55. ayleihin luku taslevyille ensimmäisessä tyhjiökammissa n yhtälön mukaan 9,8 m/s 9 9 K 0,005 m 0,95 k/m 0 K a L, 0 m /s,0 0 Ns/m 8, Laskettu ayleihin luku n takitettu suakulmaisille, suljetuille tilille. Kaikki käytetyt ilman aineminaisuudet n vittu keskilämpötilassa 0 K. Sisäkkäisten sylinteien tapauksessa ayleihin luku vidaan laskea sijittamla laskettu ayleihin luku yhtälöön 0. ayleihin luku sisäkkäisille sylinteeille n * ln0,8 m/0,58 m a c 5 / 5 0,005 m 0,58 m 0,8 m / 5 8,, Js ayleihin luku n sisäkkäisten sylinteien tapauksessa pienempi kuin 00, vidaan ilman efektiivinen lämmönjhtavuus lettaa yhtä suueksi kuin lämmönjhtavuus nmaitilassa Incpea & DeWitt 00, 55. Efektiivinen lämmönjhtavuus humii vapaan knvektin suljetussa tilassa, jten lasketun avn mukaisesti tyhjiökammissa ei esiinny vapaata knvektita.
8 yössä ayleihin lukua n seuattu kaikilla tapauksilla ja kaikissa paineissa. ayleihin luku sisäkkäisille sylinteeille n suuimmillaan nin,5, jten vapaata knvektita ei tapahdu missään tilanteessa. Pienet ayleihin luvut selittyvät khtuullisilla lämpötilaeilla ja tdella pienellä tyhjiökammin paksuudella kaikissa tapauksissa.. Avjen iippuvuus paineesta Eistyksen timivuus n eittäin iippuvainen tyhjiökammiissa vlitsevista paineista. Peliitin ja ilman lämmönjhtavuudet laskevat npeasti paineen laskiessa kuvan. mukaisesti, muut aineminaisuudet letetaan levan paineen suhteen likimain vakiita. Lämpövita ja lämpövian tiheys vidaan laskea ei paineissa samla peiaatteella kuin kappeessa.5., mutta peliitin ja ilman lämmönjhtavuudet muuttuvat tilissa, jissa vlitsee tyhjiö. apauksen P lämpövian tiheys ja ulkpinnan lämpötila n esitetty paineen funktina kuvassa.. Kuva.: apauksen P lämpövian tiheys ja ulkpinnan lämpötila paineen funktina. Kuvan. mukaisesti lämpövian tiheys ja ulkpinnan lämpötila kasvavat paineen kasvaessa. Muuts n mekittävä eityisesti pienissä paineissa ja takasteltava paineue n
9 laaja, jten paineakseli n esitetty laitmisena. Lämpövian tiheyden kasvu paineen kasvaessa jhtuu ilman ja peliitin lämmönjhtavuuksien paineiippuvuudesta. Lämpötilan kuvaaja nudattaa kuvan. mukaisesti samanktaista muta kuin lämpövian tiheyden kuvaaja, kska yhtälön mukaisesti lämpövita n suaan veannllinen lämpötilaen, kun pinta-a pysyy vakina. Ympäistön ja sulaseksen lämpötila sekä knvektilämmönsiitketimet vat vakiita, jten lämpövian kasvaessa lämpötilaen täytyy kasvaa ainakin vaastn sisä- ja ulkseinämillä. Vastaavasti seinämän sisäisen lämpötilaen täytyy laskea. Kuvassa.5 n esitetty lämpötilajakauma tapaukselle P paineissa Pa, 0 Pa, 00 Pa, 000 Pa, 5000 Pa ja 00 000 Pa. Kuva.5: apauksen P seinämän lämpötilajakauma paineissa Pa, 0 Pa, 00 Pa, 000 Pa, 5000 Pa ja 00 000 Pa. Kuvan.5 vasemmassa laidassa sisäpinnan lämpötila pysyy likimain vakina kaikilla paineen avilla, kska sisäpulinen knvektilämmönsiitkein n suui. Oikeassa
0 eunassa ulkpinnla lämpötilae ei paineilla n selkeämmin havaittavissa, kska knvektilämmönsiitkein n humattavasti pienempi. Kuvan.5 mukaisesti lukuunttamatta painetta Pa paineen kasvaessa lämpötilae kasvaa tyhjiökammiissa ja laskee peliittieisteessä. Ilmiö n selitettävissä lämmönjhtavuuksien paineiippuvuuksilla. Peliitin lämmönjhtavuus kasvaa npeammin paineen kasvaessa kuin tyhjiökammiissa vlitsevan ilman lämmönjhtavuus. Säteilylämmönsiitn paine ei vaikuta, js väliaine ei slistu säteilyyn. yhjiökammin lämpövastus ei siis laske yhtä npeasti kuin peliitin lämpövastus, ja tästä syystä paineen kasvaessa tyhjiökammin mekitys eisteenä kasvaa veattuna peliittiin. Nin Pa paineissa tyhjiökammiiden eistyskyky n j vmiiksi paempi kuin peliitin, jten paineen Pa kuvaaja pikkeaa muista tapauksista.. Ei tapauksien lämpöhäviöt ei paineilla Kaikki ei tapaukset n laskettu painevälillä 00 000 Pa luvuissa.5 ja. esitetyllä tavla. Ei tilanteissa yhtälöyhmät vat lunnllisesti eilaisia, ja kaikkien tapauksien atkaisussa käytetyt yhtälöyhmät n esitetty liitteessä. Kaikkien tapauksien lämpövitjen tiheydet n esitetty paineissa Pa, 0 Pa, 00 Pa, 000 Pa ja 5000 Pa taulukssa.. aulukk.: Lämpövitjen tiheydet paineissa Pa, 0 Pa, 00 Pa, 000 Pa ja 5000 Pa. Pa 0 Pa 00 Pa 000 Pa 5000 Pa apaus V 5,80 5,80 5,80 5,80 5,80 apaus P 8,0 9,8,0 5,55 9, apaus P 9,8 08, 88,8 9, 0,8 apaus P 55, 85, 5,0,9 9,50 apaus P,0 8, 9,8,00 85,90 apaus P 5,8 85,0 5,8,8,0 apaus P 5,5 85, 5,50,0, apaus P 5,9 88, 5, 0, 59, apaus P 5, 88,8 5,9,5,9 apaus P 8,8 9,,0,8 50, apaus 0,8,80 85, 9,5 98,5
auluksta. havaitaan, että paineissa Pa, 000 Pa ja 5000 Pa pienimmät lämpöhäviöt saavutetaan tapauksilla, jissa hyödynnetään tyhjiökammiita mahdllisimman pjn, kuten tapauksissa 0, P, P ja P. 0 Pa ja 00 Pa paineilla pienimmät lämpöhäviöt saavutetaan tapauksilla, jissa käytetään mahdllisimman pjn peliittiä, kuten tapauksissa P, P, P ja P. Vaikka tyhjiökammit vmistetaan mahdllisimman huiksi, ne eivät silti le yhtä tehkkaita paksuutta khden kuin peliitti näissä paineissa. Lämpöhäviöiden peusteella vidaan myös asettaa yläaja takasteltaville painetasille. J paineessa 000 Pa tapaukset vat niin lähellä vetailutapausta V, että tätä suuempia paineita ei le jäkevää takastella. Ainastaan tapauksen 0 lämpöhäviöt pysyvät selvästi pienemmissä lukemissa näin suuissa paineissa. Vetailemla tapauksia P ja P tapauksien P ja P kanssa havaitaan myös, että tyhjiökammiiden eistyskyky n keskimääin paempi, js ne sijitetaan seinämässä peliittieisteen jälkeen. Et vat pieniä, mutta säteilypinnan emissiviteetin lämpötilaiippuvuus, jta ei tässä työssä käsitellä, vi vahvistaa myös tyhjiökammin lämpötilaiippuvuutta. dellisuudessa peliittieisteen sisäpulella levat tyhjiökammit saattavat siis lla laskettuja hunmpia eistyskyvyltään. Näistä syistä tyhjiökammit n syytä sijittaa peliittieisteen ulkpulelle. Lähempää takastelua vaten vitaan pahaiten timivia eitysatkaisuja. Lämpövitjen tiheyksien peusteella vitaan takasteluun tapaukset P, P, P, P ja 0. apaukset P ja P jätetään pis takastelusta aiemmin peustelluin syin, kska näissä tapauksissa tyhjiökammit n sijitettu peliittieisteen sisäpulelle. Vittujen tapauksien ja vetailutapauksen V lämpövitjen tiheydet n esitetty paineen funktina painevälillä 000 Pa kuvassa..
Kuva.: apauksien V, P, P, P, P ja 0 lämpövitjen tiheydet paineen funktina. Kuvasta. havaitaan, että peliitin eistyskyky n paempi kuin tyhjiökammiilla painevälillä 00 Pa. Näissä paineissa pienimmät lämpöhäviöt saavutetaan siis peliittiä eniten hyödyntävillä akenteilla, kuten tapauksilla P ja P. ätä suuemmissa tai pienemmissä paineissa useita tyhjiökammiita hyödyntävät tapaukset, kuten P ja 0 eistävät pahaiten. Lämpövitjen tiheyksiä phditaan takemmin luvuissa. ja..
ULOSEN AVIOINI ässä luvussa aviidaan laskennassa saatuja tulksia, mahdllisia vihetekijöitä ja muita tulksiin vaikuttavia tekijöitä. ulsten ja phdinnan peusteella vitaan paineen mukaan ptimainen seinämäakenne eistykselle.. Alkuletuksien vaikutus laskentatakkuuteen Laskennassa käytetyt kuletukset aiheuttavat epätakkuutta laskentatakkuuteen. Statinääitila ei le mahdllinen käytännössä missään tilanteessa, kska lämpöhäviöiden ja käyttötehn pitäisi lla yhtä suui kuin lataustehn niin pitkään, että systeemi saavuttaa tasapaintilan. Statinääitilaletus n siis tdennäköisesti kuletuksiin liittyvistä vihetekijöistä mekittävin. Lähimmäs statinääitilaa päästään luultavasti tilanteissa, jissa vaasta ei ladata eikä lämpöä käytetä, jllin aina muuts aiheutuu lämpöhäviöistä. ämän ktaisissa tilanteissa statinääitilaletus ei aiheuta kvin suuta vihettä, kska lämpötiljen muutsnpeus n eittäin pieni. Säteilypintjen letus diffuuseiksi ja hamaiksi tuskin aiheuttaa kvin mekittävää vihettä. Säteilypintjen minaisuudet pitäisi tuntea takemmin, jtta viheen suuuutta pystyttäisiin aviimaan lutettavammin. Väliaineen letus mekityksettömäksi tyhjiökammiissa ei le mekittävä vihelähde. Ilma kstuu pääsin plittmista kaasuista, typestä ja hapesta, jtka eivät vaikuta säteilyyn Incpea & DeWitt 00, 8. Säteilykilpien lettaminen ääettömän huiksi ei käytännössä vaikuta laskennan takkuuteen. Säteilykilpi vidaan vmistaa tdellisuudessakin eittäin hueksi, kska siihen ei khdistu käytännössä minkäänlaista asitusta. Paine n sama säteilykilven mlemmilla pulilla, eikä tyhjiökammiissa le mitään ainesta mikä visi mahdllisen mekaanisen asituksen vuksi ikka säteilykilven. ustumattmien teäslevyjen lämpövastukset n laskettu kappeessa, ja myös ne vat käytännössä mekityksettömiä eistyksen kannta. Säteilykilpien paksuuden vuksi niiden mekitys lisi vielä humattavasti teäslevyjä pienempi, eli käytännössä lematn. Säteilykilpinä käytetään tässä työssä umiiniflita, jnka lämmönjhtavuus vi lla jpa 0-ketainen veattuna ustumattmaan teäkseen, mikä pienentää lämpövastusta entisestään Incpea & DeWitt 00, 8.
Likavastuksilla vi lla tyhjiökammiissa yllättävän suui mekitys, js säteilypinnat pääsevät jstain syystä likaantumaan. yhjiökammin seinämien pintjen emissiviteettien tulisi lla yhtälön mukaisesti mahdllisimman pieniä, jtta lämpövita tyhjiökammiissa saadaan minimitua. Käytännössä pienimmät emissiviteetit saavutetaan hyvin heijastavilla ja kiiltävillä pinnilla. Pintjen likaantuminen vi kasvattaa emissiviteettien avja, mikä vastaavasti lisää lämpöhäviöitä. Myös vaastn ulkpinnan likaantuminen vi samla peiaatteella nstaa lämpöhäviöitä. Säteilyn mekitys ulkpinnta n kuitenkin niin vähäinen, että likaantumisen vaikutus lisi tdella pieni. Kntaktilämpövastukset tai muut likavastukset tisata kasvattavat seinämän lämmön jhtumisen lämpövastusta, mikä n eistyksen kannta edullista. yössä n kuitenkin kyse eittäin hyvin eistetystä systeemistä, jllin likavastusten tuma lisä lämpövastuksiin n mitätön. Käytetyt aineminaisuudet peliitille, ilmle, ustumattmle teäkselle ja vuivillle vat lämpötilan funktiita. Laskennassa n pääsin käytetty aineminaisuuksia keskimäääisessä lämpötilassa, mikä n laskettu sulaseksen ja ympäistön lämpötilan peusteella. Villla keskilämpötilan avi n hyvä, kun taas ustumattmla teäksellä useat ei lämpötilassa levat kekset vat keskiavltaan lähellä keskilämpötilaa. ustumattman teäksen vaikutus n muutenkin pieni, jten lämmönjhtavuuden lämpötilaiippuvuudesta syntyvä vihe n pieni. yhjiökammiissa ja peliittikeksissa keskimäääinen lämpötila n laskettu iteiden, jten niissä aineminaisuuksien lämpötilaiippuvuuden aiheuttama vihe n käytännössä nlla. Säteilypintjen emissiviteetit n letettu lämpötilaiippumattmiksi, mikä letettavasti aiheuttaa vihettä. dellisuudessa peliitin sisäpulella levien tyhjiökammiiden eistyskyky n tästä syystä luultavasti heikmpi veattuna ulkpulisiin tyhjiökammiihin. Useista vihetekijöistä hulimatta laskennan viheet eivät le kvin haitlisia työn tavitteen kannta. Vaikka lukuavt tuskin vat kvin takkja, päästään tulksilla ikeaan suuuuslukkaan. yön täkein tehtävä n veata eilaisia seinämäakenteita tisiinsa, ja lpullinen mititus ja ptiminti vidaan tehdä muutenkin vasta kemittausten peusteella. yössä laskettujen avjen peusteella akenteita vidaan veata ja vita paas vaihteht, jllin työn täkein tavite tteutuu.
5. yhjiökammiiden vaikutus eistykseen aulukn. mukaisesti tyhjiökammiiden lämpövastukset vat isja veattuna esimekiksi ustumattmaan teäkseen, mutta selvästi pienempiä kuin peliittieisteellä. yhjiökammiiden suus seinämäpaksuudesta n kuitenkin tdella pieni, mikä tekee siitä tehkkaan eistyskeinn. Ei eistysatkaisujen lämpöhäviöitä vetaamla vidaan päätellä, että seinämäpaksuutta khden tyhjiökammi timii eittäin hyvin eisteenä veattuna myös peliittiin, kun painetas n spiva. yhjiökammit kannattaa useimmiten sijittaa seinämässä peliitin ulkpulelle. Laskennan mukaan ulkpuliset tyhjiökammit vat lämpöhäviöiden kannta keskimääin paempia kuin sisäpuliset tyhjiökammit. Lisäksi säteilypinnan emissiviteetin lämpötilaiippuvuutta ei le humiitu, mikä paantaa ulkpulisten tyhjiökammiiden eistyskykyä veattuna sisäpulisiin. Sisäpulisissa tyhjiökammiissa pintämpötilat vat kkeampia, mikä letettavasti kasvattaa pintjen emissiviteettiä ja lämpövitaa. Js eistyksessä käytetään tyhjiökammiita, kannattaa ne sijittaa peäkkäin. ällöin vidaan hyödyntää huita säteilykilpiä ustumattmien teäskeksien sijaan ja vmistus n helpmpaa kuin eillisten tyhjiökammiiden tapauksessa. yhjiökammiiden eistyskyky n kuvan. mukaisesti eittäin paineiippuvainen. Painevälillä 00 Pa peliitti timii paemmin eisteenä, jten näissä paineissa tyhjiökammiita ei kannata käyttää. Js vaast kuitenkin suunnitellaan tälle paineueelle, mutta paineen pysyvyydestä ei le vamuutta, vidaan eistystä tehstaa tyhjiökammiilla. Eittäin pienillä paineilla ja yli 00 Pa paineilla tyhjiökammit eistävät peliittiä paemmin. Näissä paineissa kannattaa käyttää mahdllisimman mntaa kesta tyhjiökammiita. ieman le Pa paineissa n syytä kuitenkin käyttää tyhjiökammiiden lisäksi peliittiä, kska käytön myötä paine luultavasti pääsee nusemaan hieman. Yli 00 Pa paineilla peliitin käytölle ei le samanlaista käyttöpeustetta, kska tyhjiökammiiden eistyskyky ei käytännössä enää heikkene näissä paineissa, mutta peliitillä lämmönjhtavuus kasvaa vielä vimakkaasti.
Lisäetuna tyhjiökammiiden vähäisemmälle paineiippuvuudelle yli 00 Pa paineissa n mahdllisuus vmistaa ne jpa nmaipaineisiksi. ällöin kyseessä lisi ennemmin säteilykammi. utkituilla tapauksilla, jissa käytetään sekä peliittiä että tyhjiökammiita, nmaipaineiset säteilykammit kasvattaisivat lämpöhäviöitä enintään vain muutamia psentteja tyhjiökammiihin veattuna, kun peliitin painetas n 00 Pa tai suuempi. Jpa nmaipaineessa säteilykammiiden eistyskyky n khtuullisen hyvä, jten vmistettavuuden kannta ylimäääiset säteilykilvet lämpövaastn ulkpinnla lisivat edullinen ja helpp tapa tehstaa eistyksen timivuutta. Nmaipaineiset säteilykammit helpttavat säteilypintjen puhdistusta, js sille n tavetta, jllin likaantumisen mahdlliset haittavaikutukset saadaan minimitua. Säteilykammiistakin n syytä tehdä suljettuja, kska näin saadaan estettyä ulkpulisten aineiden pääsy säteilytilaan tai sen pinnille, eikä knvektita pääse syntymään pintjen välille yhtä helpsti.. Käyttöympäistön vaikutus lämpöhäviöihin Lämpövaastn käyttöympäistöllä n lunnllisesti suui vaikutus lämpöhäviöihin. Ympäistön lämpötila vaikuttaa suaan lämpöhäviöihin: kylmemmässä ympäistössä lämpöhäviöt vat suuemmat. Lämpövaastn sijainnin sujaisuus n myös täkeä tekijä. Js lämpövaast n tuulisella ueella, knvektilämmönsiit kasvaa vaastn ulkpinnta. Sujaisa ue, esimekiksi jku ulkakennus tai sisätilat laskevat knvektilämmönsiitkeinta. Js vaast n avimessa paikassa ttiina ympäistön säteilylle, iippuvat lämpöhäviöt säälsuhteista. Kikkala pakkassäällä säteilyn mekitys ja samla lämpöhäviöt kasvavat, mutta auinkisella kelillä säteily vi jpa lämmittää vaasta. Myös ympäistön ksteus vaikuttaa lämpöhäviöihin. Js vaast n esimekiksi ttiina vesisateelle tai pinta pääsee muulla tavla kastumaan, situtuu veden haihtumiseen pjn lämpöä vaastn pinnasta. Yleisesti ttaen lämpöhäviöiden kannta lämpövaast kannattaa sijittaa mahdllisimman lämpimään paikkaan, tuulensujaan ja useimmiten vajn. Auinnpaiste tai sua