teoria Wymiany ciepla opracowanie

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
1.
Wymień i krótko opisz podstawowe oraz złożone mechanizmy wymiany ciepła.
Proste
Przewodzenie ciepła (dyfuzja ciepła)
Prawo Fouriera
q
∇
λ
= λ
T
q [W/m
2
K] – strumień ciepła
λ [W/mK]- współczynnik przewodności f(ρ,c,w,l)
gradT – gradient temperatury
unoszenie (konwekcja)
> wymuszona
> swobodna
(zewnętrzne pole typu masowego, zależność gęstości temperatury lub stężenia składników)
q
k
= w u = W(u
od
+ ρcT)
Zastosowanie: ruchome ciecze lub gazy w kierunku ich ruchu
- promieniowanie cieplne
q
r
=Ф(geometria, własności)[T
1
4
- T
2
4
]
zastosowanie: ciała przeźroczyste i połprzeźroczyste
Złożone
- przejmowanie ciepła (przewodzeni+unoszenie)
q
A
= α
q
α
(
T
A
−
T
fod
)
- przenikanie ciepła (przejmowanie – przewodzenie – przejmowanie)
)
q
=
k
(
T
f
T
1
−
f
2
- przejmowanie ciepła i promieniowanie ciepła
q
α
q
r
- przenikanie ciepła i promieniowanie cieplne (przejm-przew.+prom-przejm)
q
α
⇒ ,
q
r
q
λ
⇒
q
α
2.
Zdefiniuj pojęcie sprawności żeber. Wymień wielkości od jakich ona zależy oraz określ do czego jest wykorzystywana.
Dodatkowo: kryterium stosowalności żeber
•
Q
η
=
( )
ż
α
A
T
−
T
ż
w
f
α – wsp. przejmowania
A
ż
– powierzchnia żeber
T
w
– temperatura
T
f
– temperatura
Jest to stosunek ciepła ciepła przejmowanego od zebra przy rzeczywistym rozkładzie temperatury do ciepła
przejmowanego od żebra przy stałej temperaturze żebra wzdłuż jego wysokości. Jest ona wykorzystywana do określenia
skuteczności stosowania żebra.
Kryteria stosowalności żeber.
•
Q
(
żebra
)
α
l
R
>
1
=
Bi
=
λ
<
1
•
λ
R
Q
(
bez
_
żebra
)
α
3.
Narysuj rozkład temperatury w stanie nieustalonym w kilku chwilach czasowych dla przypadku małej liczby Biota.
Zdefiniuj liczby podobieństwa Biota i Fouriera oraz podaj ich interpretację fizyczną.
l
2
λ
∆
T
•
Q
a
⋅
t
Q
l
Fo
=
=
=
λ
=
przewodzon
e
_
przez
_
ciałi
λ
∆
T
•
Q
3
l
ρ
c
Q
gromadzone
t
c
⎝
1
⎠
α
l
λ
l
2
R
opór
_
przew
_
przez
_
ciałi
Bi
=
=
=
λ
=
λ
⎛
1
⎞
R
opór
_
przejm
_
c
_
na
_
jego
_
pow
_
zewn
⎝
⎠
α
α
l
2
4.
Opisz wpływ kształtu, wymiarów, właściwości fizycznych płynu oraz innych czynników na wartość współczynnika
przejmowania ciepła przy przepływie płynu przez kanały.
5.
Narysuj krzywą wrzenia. Opisz proces kryzysu wrzenia pęcherzykowego i przejściowego. Podaj wielkości wpływające na
wartość gęstości strumienia ciepła przy I kryzysie wrzenia. Omów znaczenie praktyczne krytycznego strumienia ciepła q
kr
Kryzys wrzenia pęcherzykowego i
przejściowego: w zakresie B-C na
powierzchni grzejnej powstają pęcherzyki
pary, które odrywają się i poruszają w górę
do powierzchni swobodnej. Przy Tw-
Tn=30K gęstość str. Ciepła i α osiągają
max. Przy dalszym wzroście Tw-Tn
wrzenie przebiega niestatecznie. Rośnie
liczba pęcherzyków pary na powierzchni
grzejnej.
⎛
⎞
6.
Podaj definicję jasności powierzchni, jej jednostkę, sposób wyznaczania oraz opisz sposób wyznaczania strumienia ciepła
wymienianego na drodze promieniowania w ośrodku przeźroczystym otoczonym ściankami szarymi, dyfuzyjnymi i
nieprzeźroczystymi.
∑
n
H
=
A
e
(
T
)
+
r
ϕ
H
i
i
i
i
i
j
jasność = promieniowanie własne + promieniowanie odbite.
i
|
|
∑
n
A
h
=
A
e
(
T
)
+
r
ϕ
−
A
h
i
i
i
i
i
ij
j
j
j
|
Dla jedn. powierzchni
|
∑
n
h
i
=
e
i
(
T
)
+
r
i
ϕ
ij
h
j
•
j
Q
=
A
h
ϕ
−
A
h
ϕ
=
A
ϕ
(
h
−
h
)
-str. Ciepła wym. pomiędzy pow i-tą a
ij
i
i
ij
j
j
ji
i
ij
i
j
j-tą na drodze promieniowania
Dla ścianek szarych, dyfuzyjnych:
e
=
ε
T
4
i
i
Dla pow. nieprzeźroczystych:
r
= 1
1
−
α −
i
=
ε
i
7.
Podaj Prawo Fouriera. Omów sytuacje kiedy jest wykorzystywane. Opisz wpływ różnych czynników na przewodność
cieplną oraz podaj jej jednostkę.
q
λ
=
−
λ
gradT
q
λ
=
−
λ
∇
T
Zastosowanie:
- nieprzeźroczyste ciała stałe
λ
=
1
- nieruchome ciecze i gazy
Przewodność cieplną charakteryzuje współczynnik przewodności – λ [W/mK].
∑
ρ
w
l
3
i
i
i
i
i
Współczynnik ten zależy od następujących wielkości:
- gęstość ρ [kg/m
3
]
- ciepło właściwe c [J/kgK]
- prędkości nośników energii w [m/s]
- drogi swobodnej nośników energii [m]
8.
Zdefiniuj pojęcie oporu cieplnego. Podaj jego jednostkę oraz omów zakres stosowalności. Napisz wyrażenia na różne
rodzaje oporu cieplnego.
R
=
(
T
1
−
T
2
[
K
/
W
]
¾
zagadnienia jedno- i wielowymiarowe
o
dwie charakterystyczne, stałe temperatury zadane na fragmentach powierzchni
zewnętrznej ciała
o
pozostałe fragmenty powierzchni zewnętrznej ciała izolowane cieplnie
¾
zagadnienia ustalone i quasi ustalone w czasie bez wewn. Źródeł ciepła
- przewodzeni ciepła
c
•
Q
1
R
=
λ
λ
⋅
S
- przewodzeni ciepła przez ścianki
R
=
1
λ
λ
⋅
A
- przejmowanie ciepła
z
R
=
1
- kontaktowy
α
α
⋅
A
R
=
1
k
α
⋅
A
c
9.
Zdefiniuj liczbę podobieństwa Fouriera. Podaj jej interpretację fizyczną i opisz gdzie jest ona wykorzystywana. Narysuj
rozkład temperatury w ciele przy małej wartości liczby Fouriera.
l
2
λ
∆
T
•
Q
a
⋅
t
Q
l
Fo
=
=
=
λ
=
przewodzon
e
_
przez
_
ciałi
λ
∆
T
•
Q
l
3
ρ
c
Q
gromadzone
t
c
Liczbę Fouriera wykorzystujemy rozpatrując przewodzenie ciepła w stanie nieustalonym.
Nie mam pojecia o co chodzi z tym wykresem – cos mam ale nie wiem czy to to (str 34 w wykładzie Furmana)
10.
Zdefiniuj współczynnik przejmowania ciepła. Podaj jego jednostkę i rząd wielkości dla różnych procesów wymiany ciepła.
Omów pojęcie temperatury odniesienia dla płynu.
α
=
( )
q
;
α
=
f
(
ρ
,
c
,
µ
,
,
T
,
p
)
⎡
W
⎤
⎣
⎦
T
−
T
m
2
K
s
p
Gdzie Ts temperatura ścianki, Tp - temperatura płynu
Rodzaj płynu
Konwekcja swobodna Konwekcja wymuszona
Gaz
Woda
Olej
Ciekłe metale
Wrząca woda
Kondensacja pary wodnej
5 - 30
30 - 300
5 - 100
50 - 500
2*10
3
- 2*10
4
3*10
3
- 3*10
4
30 – 500
300 – 2*10
4
30 - 3000
500 - 2*10
4
3*10
3
- 10
5
3*10
3
- 2*10
5
Temp. odniesienia - średnia arytmetycznej temperatury płynu oraz średniej temperatury powierzchni ścianki kanału..
Temp. odniesienia płynu - średnia arytmetycznej ekstremalnych średnich temperatur płynu.
Temp. odniesienia ścianki - średnia arytmetycznej ekstremalnych temperatur ścianki kanału.
11.
Opisz warunki występowania procesu skraplania oraz czynniki wpływające na współczynnik przejmowania ciepła w tym
procesie.
Skraplaniewystępuje w sytuacji gdy spełnione są warunki:
-T
w
(T
f
)<T
n
- zarodki zmiany fazy
12.
Podaj definicje pojęć natężenia panchromatycznego i monochromatycznego promieniowania oraz podaj ich jednostki.
Opisz co to jest ciało czarne oraz wymień i omów prawa promieniowania ciała czarnego.
panchromatyczne natężenie promieniowania:
e = Energia wyemitowana we wszystkich kierunkach półsfery w pełnym zakresie widma/czas*powierzchnia
monochromatyczne natężenie promieniowania:
de
⎡
W
⎤
∞
e
Λ
=
⇒
e
=
∫
e
Λ
Λ
d
⎣
⎦
d
Λ
m
3
0
Ciało czarne to takie ciało, dla którego współczynnik pochłaniania (absorpcji) a równe jest a
lambda_duza
i równe jeden
Prawa promieniowania ciał czarnego:
13.
Podać wartości wsp. przewodzenia ciepła dla powietrza, cegły, mosiądzu, stali stopowej, stali węglowej, duralu i miedzi.
14.
Powietrze: 0.02-0.09
Cegła 0.77-0.91
Mosiądz 105-195
Stal stopowa
Stalwęglowa 25.1-91.2
Dural 165-194
Miedź 389-356
15.
Jaką ogólną postać mają zależności kryterialne określające liczbę Nuselta w przypadku konwekcji wymuszonej i
konwekcji naturalnej?
Nu
f
f
=
(Re Ψ
f
,
Pr
f
,
)
16.
Podać prawo Kirchoffa, prawo wzajemności i prawo zamkniętości. Nazwać wielkości w nich występujące.
ε
(
T
)
=
e
(
T
)
∑
=
n
- Prawo Kirhoffa
h
=
εσ
T
4
+
(
−
ε
)
ϕ
h
i
1
i
ij
j
j
1
ij
A
ϕ
1
ϕ =
j
ji
- Prawo wzajemności
∑
=
n
ϕ
- prawo zamkniętości
ik
=
k
1
Gdzie:
ε
– emisyjność powierzchni
e
– gęstość strumienia emisji [W/m
2
]
h
– gęstość strumienia jasności [W/m
2
]
σ
– stała promieniowania ciała doskonale czarnego – Stefana Bolzman’a 6.6644*10
8
[W/m
2
K
4
]
φ
– współczynnik konfiguracji powierzchni
A
– pole powierzchni [m
2
]
17.
Jaką zmianę w rozkładzie temperatury spowoduje spadek wartości współczynnika przejmowania z jednej strony ścianki?
18.
Zdefiniować pojęcie stanu ustalonego i nieustalonego przewodzenia ciepła. Podać def. Bi i Fo.
Stan ustalony przewodzenia ciepła ma miejsce wtedy, gdy temperatura jest stała w czasie całego rozpatrywanego procesu
dT
2
=
0
dx
2
Stan nieustalony mam miejscu w sytuacji, gdy następuje zmiana warunków oddziaływania otoczenia w czasie lub
przemieszczenie ciała w obszar o innych warunkach oddziaływania otoczenia. Zmiany T
ot
, q
A
, α
l
2
λ
∆
T
•
Q
a
⋅
t
Q
l
Fo
=
=
=
λ
=
przewodzon
e
_
przez
_
ciałi
λ
∆
T
•
Q
3
Q
l
ρ
c
gromadzone
t
c
⎝
1
⎠
α
λ
l
2
R
opór
_
przew
_
przez
_
ciałi
Bi
=
=
=
λ
=
λ
⎛
1
⎞
R
opór
_
przejm
_
c
_
na
_
jego
_
pow
_
zewn
⎝
⎠
α
α
l
2
⎛
⎞
l
[ Pobierz całość w formacie PDF ]