1 / 49

Johdanto , lämpötaseet

Johdanto , lämpötaseet. LÄMMÖNSIIRRON PERUSTEET BH20A0300 Syksy 2013. Sisällys. Tekniset sovellukset Keskeiset käsitteet Perusmuuttujat ja -yksiköt Termistö ja Dimensiottomat ryhmät Lämmönsiirtotavat Johtuminen ( Conduction ) Konvektio ( Convection ) Säteily ( Radiation )

lanza
Download Presentation

Johdanto , lämpötaseet

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Johdanto, lämpötaseet LÄMMÖNSIIRRON PERUSTEET BH20A0300 Syksy 2013

  2. Sisällys • Tekniset sovellukset • Keskeiset käsitteet • Perusmuuttujat ja -yksiköt • Termistö ja • Dimensiottomat ryhmät • Lämmönsiirtotavat • Johtuminen (Conduction) • Konvektio (Convection) • Säteily (Radiation) • Säilymisyhtälöt, energiatase Incropera: Luku 1

  3. Sovellukset • Sähkölaitteiden jäähdytys • Lämmönsiirtimet • Rakennukset: lämmitys ja ilmanvaihto • Voimalaitokset • Jääkaapit, lämpöpumput • Ihmisruumis, jne. Suunnitteluongelmienluokittelu: • Suorituskyky:Lämpötehonjalämpötilaerojenmäärittelyolemassaolevillejärjestelmille • Mitoitus:Mittasuhteidenmäärittelylämmönsiirtimenpinnoillemäärätynlämmönsiirronsuorituskyvynsaavuttamiseksi – lämpötilaerotjalämpöteho

  4. Lämmönsiirronkäsitteet, termistö Lämmönsiirtoheattransfer on lämpöenergiansiirtymistälämpötilaerontähden. Lämpöenergiathermalenergy liittyyaineenmuodostavienatomienjamolekyylienliikkeeseen, pyörimiseen, värähtelyynjasähköisiintiloihin. Se edustaamikroskooppistentapahtumienkumulatiivistavaikutustaja on suoraanyhteydessäaineenlämpötilaan.

  5. Lämmönsiirronkäsitteet, termistö Lämpötilatemperature: T [K] • Keinoarvioidaepäsuorastiaineeseenvarastoituneenlämpöenergianmäärää • Mikroskooppisessamittakaavassalämpötilavoidaanmääritelläkeskimääräisenäenergianasysteeminhiukkastenjokaisessavapausasteessa. • Asteikot: Kelvin, Celsius, Fahrenheit, termodynaaminen, jne. Lämpöenergiaheat energy: Q [J] • Energiamuoto, jota voidaanlämpötilaeronseurauksenasiirtääsysteemienvälillä Lämpötehoheat rate: q [W] • Siirtyneenlämmönmääräaikayksikössä Lämpövirtaheat flux: q” [W/m2] • Lämpöteholämmönsiirronsuuntaankohtisuoraayksikköpinta-alaakohti

  6. Lämmönsiirronkäsitteet, termistö Energiaenergy: E [J], yksikkömassalle: e [kJ/kg] • Sisä-, liike-, potentiaalienergioiden summa. Entalpiaenthalpy: h [kJ/kg] • Määritelmä: • Virtaustyö, on nesteentyöntöönjavirtauksenylläpitoontarvittavaenergia, missä p on absoluuttinenpaineja v määrättytilavuus. • Entalpiaakäytetäänyleisestinestevirtaussysteemintarkastelussa, suure on siismääriteltykäyttökelpoisuudentähden. Sisäenergiainternal energy: U [J], yksikkömassalle: u [kJ/kg] • Havaittava, latentti, kemiallinen ja ydinkomponentti • Havaittava: aineen muodostavien molekyylien ja atomien siirtymis-, pyörimis- tai värähtelyliikettä. • Latentti: liittyy faasinmuutoksiin kaasun, nesteen ja kiinteän aineen välillä vaikuttaviin molekyylien välisiin voimiin. • Kemiallinen: atomien välisiin kemiallisiin sidoksiin varastoitunut energia. • Ydin: koossapitävät voimat ytimessä.

  7. Lämmönsiirronkäsitteet, termistö Lämpökapasiteettiheat capacity: C [J/K] • Lämpökapasiteetti on energia, jokatarvitaansysteeminlämpötilannostamiseksiyhdelläasteella Ominaislämpökapasiteettispecific heat: c [kJ/kgK] • Ominaislämpökapasiteetti on energia,jokatarvitaanyksikkömassanlämpötilannostamiseksiyhdelläasteellaja on lämpötilanjapaineenfunktio: • systeemillevakiotilavuudessa: cv • systeemillevakiopaineessa: cp • Ideaalikaasulle (matalissalämpötiloissakaikkikaasutmuistuttavatideaalikaasua): Sisäenergiajaentalpia • Kokoonpuristumattomilleaineille (kiinteätaineet, nesteet) systeemintarkkatilavuusei olepaineen tai lämpötilanfunktio :

  8. Dimensiottomatluvut Johtuminen • Biot, Fourier Konvektio • Reynolds, Nusselt, Prandtl,.. Massan- ja lämmönsiirron analogia • Colburnin tekijä,..

  9. Lämmönsiirtotavat • Johtuminenconduction:lämmönsiirtoväliaineenhalki • Konvektioconvection:lämmönsiirtoliikkuvannesteenjapinnanvälillä • Säteilyradiation:pinnantietyssälämpötilassasäteilemiensähkömagneettistenaaltojenmuodossatapahtuvalämmönsiirto • Johtuminenjakonvektiovaativatlämpötilaerojenolemassaoloaväliaineessa. • Vaikkasäteily on lähtöisinaineesta, senetenemineneivaadiväliainettajatapahtuukaikkeintehokkaimmintyhjiössä.

  10. Säilymisyhtälöt Kontrollitilavuus Ominaisuuden virtaus ulos kontrollitilavuudesta Ominaisuuden pitoisuuden muutos Ominaisuuden virtaus sisään kontrolli- tilavuuteen Ominaisuuden lähde Kontrollipinta-ala Ominaisuuden nettovirtaus + Ominaisuuden lähde Muutos = Yleisimmät säilymisyhtälöt Massan säilyminen Liikemäärän säilyminen Energian säilyminen

  11. Termodynamiikan 1. laki “Kontrollitilavuuteenvarastoidunenergianmääränlisääntymisentäytyy olla yhtäsuurikuinkontrollitilavuuteentulevanenergianmäärävähennettynäkontrollitilavuudestapoistuvanenergianmäärällä.” Tärkeätyökalulämmönsiirrontarkastelussa, jokauseinantaalähtökohdanlämpötilanmäärittämiseensysteemissä. Aikaperusta: Systeemintyyppi: Ajanhetkellä Aikavälillä Kontrollitilavuus Kontrollipinta-ala

  12. Termodynamiikan 1. laki Pinnanilmiöt Lämpö- ja/tai mekaanisen energian siirron teho kontrollipinta-alan yli lämmönsiirron, nestevirtauksen ja/tai työnvuorovaikutusten seurauksena Tilavuudenilmiöt toisesta energiamuodosta muuntumalla syntyvän lämpöenergian tuottoteho (esim. sähkö-, ydin- tai kemiallinen); energian muunto prosessissa tapahtuu systeemin sisällä systeemin varastoidun energian määrän muutosnopeus Energiansäilyminen Aikavälillä

  13. Epästationääriprosessisuljetullesysteemille, jollamassa (M), oletetaanlämmönsiirto systeemiin (sisäänvirtaus) jasysteemintekemätyö (ulosvirtaus). Sisäinenlämpöenergia Termodynamiikan 1. laki 1. Aikavälillä 2. Ajanhetkellä Potentiaali- tai liike-energianmerkityksettömillemuutoksille = Systeemiinvarastoidunkokonaisenergianmuutos Q = Systeemiinsiirrettynettolämpö W = Systeemintekemänettotyö

  14. Termodynamiikan 1. laki Stationäärilleavoimellesysteemille, jossaei lämpöenergian tuottoa = Kysyttysisäenergia = Kysyttyvirtaustyö = Kysyttyliike-energia = Kysyttypotentiaalienergia Systeemeille, joissa merkittävää lämmönsiirtoa

  15. Termodynamiikan 1. laki Entalpia Jos myös systeemin tekemä nettotyö on merkityksetön

  16. Menetelmä 1. lain tarkasteluun Esimerkki • Esitetäänsysteeminkaavakuvassakatkoviivallakontrollitilavuus. • Valitaanoikeaaikaperusta. • Tunnistetaanoleellisetenergiansiirtymisen, tuotonja/tai varastoinnintermitkaavakuvaannimettyjennuolienavulla. • Kirjoitetaanvallitsevamuotoenergiansäilymisenlaista. • Sijoitetaanoikeatenergiansiirtymisen, tuotonja/tai varastoinnintermienlausekkeetenergianyhtälöntermienpaikalle. • Ratkaistaantuntematonsuure.

  17. Pinnanenergiatase Erikoistapaus: eitilavuutta tai massaakontrollipinta-alansisäpuolella. Energiansäilyminen (Ajanhetkellä): • Pätee stationääri- ja epästationääritilassa tilassa. • Massan ja tilavuuden puuttuessa energian varastointi ja tuotto eivät kuulu energiataseeseen, vaikka ne tapahtuisivatkin pinnan rajaamassa väliaineessa. Tarkastellaanjohtumis-, konvektio- jasäteilylämmönsiirtoaseinämänpinnassa.

  18. Stationäärijohtuminen LÄMMÖNSIIRRON PERUSTEET BH20A0300 Syksy 2012

  19. Sisällys • Yleiskatsaus johtumiseen • Fourierin laki • Termiset aineominaisuudet • Lämmönjohtavuus & riippuvuus lämpötilasta • Energiatase – Lämmön diffuusioyhtälö • Lämpötilaprofiilin & johtumistehon ratkaisut • Johtumisen käsitteet • Terminen resistanssi • Lämmönläpäisykerroin • Terminen piiri • Sisäinen lämmönlähde • Incropera: Luvut 2-3.5

  20. Tavoitteet

  21. Sovellukset/esimerkit • Lämpötilaprofiilit T(x,y,z,t) • Lämpövirrat • Lämpövarasto • Lämpölaajeneminenjamuodonmuutos • Lämpörasitus • Kuumuudenkestävänmateriaalinpaksuudenoptimointi • Pinnoitusmateriaalinvalinta

  22. Johtuminen – Fourierin lakiConduction – Fourier’sLaw Fourierinlakilämmönjohtumiselle lämmönsiirto korkeammasta matalampaan lämpötilaan = Lämmönjohtavuus = Lämmönsiirtoa kohtisuoraan oleva pinta-ala = Lämpötilagradientti

  23. LämmönjohtavuusThermal Conductivity Johtuminen Kiinteät aineet • Hilan molekyylien värähtelyt ja • Vapaidenelektroniensiirtämäenergia Kaasut ja nesteet • Törmäykset ja • Molekyyliendiffuusiosatunnaistenliikkeidensämyötä. energiansiirtymistäkorkeaenergisemmistähiukkasistamatalaenergisempiinhiukkasiinatomien ja molekyylien vuorovaikutusten ansiosta [W/mK] Terminendiffusiviteetti, α Materiaalinlämmönjohtavuudensuhdeyksikkötilavuuteenvarastoituunlämpöön.

  24. Johtuminen – Fourierin lakiConduction – Fourier’sLaw Fourierinlakilämmönjohtumiselle Johtumisenlämpövirransuunta on ainavakiolämpötilassaolevanpinnan, isotermisenpinnannormaali= pienenevän lämpötilan suunta Yleinen muoto 2-ulotteinen muoto 3-ulotteinen muoto

  25. Esimerkki: Lämmönjohtavuus TUNNETAAN:Määrätynpaksuisenpuulevynlämpövirtajapintalämpötilat. SELVITETTÄVÄ:Puunlämmönjohtavuus k. OLETUKSET: Yksiulotteinenjohtuminen x-suunnassa Stationääritila Vakiotaineominaisuudet. TARKASTELU: Lämmönjohtavuus (Fourierinlaki).

  26. LämmönjohtavuusThermal Conductivity Mittaaaineenkykyäsiirtäälämpöenergiaajohtumisenavulla. Aineominaisuustaulukot: Kiinteätaineet: TaulukotA.1 – A.3 Kaasut: TaulukotA.4 Nesteet: TaulukotA.5 – A.7

  27. Lämmönjohtavuus Tapaus: Tulipesän seinä (ruostumaton teräs) Suurin piirtein – suuruusluokka q”= 16W/mK * (400-300)K/0.01m = 16W/mK * 10000K/m = 160 kW/m2

  28. Lämmönjohtavuus Nesteet Kaasut

  29. LämmönjohtavuusThermal Conductivity Isotrooppiset materiaalit • kon sama kaikissa suunnissa Anisotrooppiset materiaalit • kuten puu ja kerroksittaiset materiaalit, kon merkittävästi suurempisyitätai kerroksia pitkinkuin niitä kohtisuoraan. • anisotrooppisilla materiaaleillakvoi riippua paljonsuunnasta.

  30. Lämmönjohtavuus Tärkeitä: Vaihteluvälit • Jää 1.88 W/mK • Kivi 2-5 W/mK • Iho 0.37 W/mK • Tiili 0.72 W/mK • Puu 0.05-0.17 W/mK

  31. JohtuminenConduction

  32. Energiataseetjohtumiselle Ratkaisu Lämpötilaprofiilille ja johtumisen lämpöteholle • Lämpöenergiatase • suljetuille systeemeille • Lämmön diffuusioyhtälö Reunaehdot ja alkuehto

  33. Yleinen 1-ulotteinen lämmöndiffuusioyhtälö Suljettusysteemikarteesisissakoordinaateissa Johtumisenlämpötehotvastakkaisillapinnoilla x-suunta: Lämpöenergianmuutoskontrollitilavuudessa Energialähdetermi Energiantuottotehoyksikkötilavuudessa

  34. Yleinenlämmöndiffuusioyhtälö Termiensijoittaminenenergiataseeseen 1-ulotteinen muoto suljetulle systeemille: (Lämmön diffuusioyhtälö) 3-ulotteinen yhtälövoidaanpäätelläsamallatavoin, 3-ulotteisella johtumisella. 3-ulotteinen lämmön diffuusioyhtälö:

  35. Menetelmäjohtumisentarkasteluun • Määritetäänlämpöyhtälönsopivamuotojareunaehdot. • Yksinkertaisintapaus: Yksiulotteinen, stationäärijohtuminenilmanlämpöenergiantuottoa. 2. Ratkaistaanlämpötilajakauma. 3. SovelletaanFourierinlakialämpövirranmäärittämiseen. tai yleisessä tapauksessa

  36. 1-ulotteinen stationäärinenjohtuminen1-D Steady-state Conduction Lämmöndiffuusioyhtälönyleinenmuotokarteesisissakoordinaateissa: • Vakio k Stationäärissä, yksiulotteisessatilassa kun eilämmöntuottoa: • Lämpöyhtälö Lämpövirta on riippumatonx:stä. Lämpöteho on riippumatonx:stä. 1-ulotteinen approksimaatiopätee, kun

  37. 1-ulotteinen stationäärinenjohtuminen1-D Steady-state Conduction Reunaehdot Analyyttinenratkaisulämpöyhtälölle 2. x = L: T = Ts,2 1. x = 0: T = Ts,1 Yleinenratkaisu Lämpötilajakauma reunaehdoilla: Lämpötilagradientti Lämpöteho- Fourierinlaki

  38. FourierinjaOhminlakienanalogia Fourierin lain alkuperä Havaintoihin perustuva • johdettu havaituista ilmiöistä • pikemminkin kuin aiemmista fysiikan laeista. Useita tärkeitä analogioita: • Ohmin ja Fickin lait ovat esimerkkejä sähköisistä ja aineensiirron analogioista.

  39. Terminen resistanssi (1)ThermalResistance Analoginen sähkövirrankanssa Johtumislämmönsiirtotasoseinämänyli Terminenresistanssijohtumiselletasoseinämässä Terminenresistanssikonvektiolle jasäteilylle

  40. Terminen resistanssi (2)ThermalResistance Kokonaisresistanssi SarjassaRinnan In series In Parallel Lämmönläpäisykerroin Overall heat transfer coefficient Vastaavaterminenpiiri Johtumisenlämpöteho

  41. Lämmönläpäisykerroin (U) Newtoninjäähtymislainmuoto, joka on muokattukäsittämäänuseitavastuksia lämmönsiirrossa. Yhdistelmäseinämä jossamitätönkontaktiresistanssi

  42. Terminenpiiri, esimerkki Sarjassa– Rinnan Yhdistelmäseinämä: Käytännönapproksimoinnit: Vaihtoehto a) x:n suhteen kohtisuorat pinnat ovat isotermisiä Vaihtoehto b) x:n suhteen samansuuntaiset pinnat ovat adiabaattisia

  43. KontaktilämpövastusContactHeatResistance Kontaktilämpövastusyksikköpinta-alalle Kokeellisesti määritetty ja taulukoitu erilaisille • rajapinnan nesteille, • kontaktissa oleville materiaaleille • ja pinnan karheuksille Huom. Erikuin kontaktivastus Sileillekeskenäänkontaktissaolevillepinnoille, joilla pieni, leveyden L suuruinenkarakteristinenväli

  44. Yhdistelmäseinämä jossakontaktiresistanssia

  45. Säteittäisen johtumisen lämpöyhtälö Lämpöyhtälö: 1-ulotteinen, stationääritila, eilämmöntuotantoa Reunaehdot r = r1: T = Ts,1 =>Ts1 = C1lnr1+C2 r = r2: T = Ts,2 =>Ts,2 = C1lnr2+C2  Yleinenratkaisu: Ratkaisemalla vakiot C1 ja C2 saadaan

  46. Putkiseinämä Johtumisenlämpöteho Kokonaislämpövastus Johtumisteho

  47. Pallomainen kuori Lämpöyhtälö pallokoordinaateissa tai kuviostajohtaen vakio => Lämpötilajakaumavakiolle k Lämpövirta, lämpötehojaterminenresistanssi

  48. Yleisiäratkaisujalämpöyhtälölle

  49. Yhteenveto • Termiset aineominaisuudet • Lämmönjohtavuus & riippuvuus lämpötilasta Fourierin laki lämmönjohtumiselle • Johtumisen käsitteet • Terminen resistanssi • Lämmönläpäisykerroin • Terminen piiri • Energiatase– Lämmön diffuusioyhtälö • Lämpötilaprofiilin & johtumistehon ratkaisut

More Related