Přenos tepla konvekcí - Odbor termomechaniky a techniky prostředí
Transkript
FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. TERMOMECHANIKA 17. Přenos tepla konvekcí OSNOVA 17. KAPITOLY ● Základní typy konvekce ● DR energie pro konvekci ● DR kontinuity ● DR pohybové ● OP pro konvekci ● Řešení úloh přenosu tepla konvekcí ● Podobnost při nucené konvekci ● Podobnost při přirozené konvekci y x ● Postup při aplikaci teorie podobnosti ● Vizualizace teplotních polí 1 ZÁKLADNÍ TYPY KONVEKCE ROZLIŠUJEME KONVEKCI: ● Nucenou - vyvozenou ventilátorem, kompresorem, větrem, čerpadlem ● Přirozenou - vyvozenou rozdílem hustot (v důsledku rozdílu teplot…) g w Tepelná mezní vrstva příčně obtékaného válce Měnící se konvekce Tepelná mezní vrstva v okolí horizontálního válce Zdroj: Eckert, Drake 1972 w 2 DR ENERGIE PRO KONVEKCI Vyjdeme z obecné DR vedení tepla bez vnitřních zdrojů (1. zákon termodynamiky) 2T 2T 2T dT a 2 2 2 dτ y z x a za totální diferenciál dT/d dosadíme dT T T T T w x w y w z dτ τ x y z T Pro stacionární konvekci je 0 τ Teplotní pole plamene, konvekce s vnitřními zdroji DR energie pro stacionární konvekci bez vnitřních zdrojů bude mít tvar 2T 2T 2T T T T wx w y w z a 2 2 2 x y z y z x 3 DR KONTINUITY - 1 Diferenciální rovnice kontinuity pro 3D proudění stlačitelných tekutin: z dmz+dz dm x dmy dmy+dy Hmotnostní tok [kg.s-1] do elementu vstupující dm x dm y dm z Hmotnostní tok vystupující dm x dx dm y dy dm z dz Pro směr x platí y x dmx+dx dmz Element dV = dx.dy.dz dm x ρ w x dy dz dm x dx dm x dm x dx x Změna hmotnostního toku [kg.s-1] v elementu při proudění ve směru x dm x dx - ρ w x dx dy dz dm x dm x dx x x 4 DR KONTINUITY - 2 Změna hmotnostního toku [kg.s-1] v elementu při proudění ve směru y dm y dy - ρ w y dx dy dz dm y dm y dy y y Změna hmotnostního toku [kg.s-1] v elementu při proudění ve směru z dm z dm z dz - dm z dz - ρ w z dx dy dz z z CELKOVÁ ZMĚNA HMOTNOSTNÍHO TOKU v elementu dV při proudění dm ρ w x ρ w y ρ w z dx dy dz y z x Pro celkovou změnu hmotnostního ρ dm dx dy dz toku v elementu dV též platí τ DR KONTINUITY pro 3D proudění stlačitelných tekutin má tvar ρ w x ρ w y ρ w z ρ 0 x y z τ 5 DR KONTINUITY - 3 Vektorový zápis DR kontinuity pro 3D proudění stlačitelných tekutin ρ div ρw 0 τ DR KONTINUITY pro 2D proudění stlačitelných tekutin ρ w x ρ w y ρ 0 x y τ ● Stacionární proudění plynů ρw x ρw y 0 x y ● Stacionární proudění kapalin w x w y 0 x y Zdroj: Emco Klimatechnik 1997 Zdroj: Emco Klimatechnik 1997 6 DR POHYBOVÉ - 1 DR pohybové (Navier - Stokesovy) 2D laminární proudění v mezní vrstvě w∞ dy dx Síly na element dV = dx.dy.(dz) τ * dy dx dz τ * y Tlaková p dy dz Setrvačná dy ˆ xw xdy dz m ˆ ˆ m w m w dy y x y y x dx dz p p dx dy dz x ˆ ˆ m w m w dx x x x x x dy dz dx τ* dx dz Třecí síla * [Pa] je tečné napětí Setrvačná y x mˆ y w xdx dz mˆ x , mˆ y [kg.s-1.m-2] hustoty hmotnostního toku Pro směr x platí: ˆ ˆ τ * p mxw x dx dy dz myw x dx dy dz dx dy dz - dx dy dz x y y x Nárůst setrvačných sil = Výsledná třecí a tlaková síla 7 DR POHYBOVÉ - 2 ˆ ˆ τ * p mxw x dx dy dz myw x dx dy dz dx dy dz - dx dy dz x y y x V uvedené rovnici vypustíme dx dy dz, za smykové napětí dosadíme τ *μ w x y (kde [Pa.s] je dynamická viskozita) a dostaneme ˆ ˆ w x p mxw x myw x μ x y y y x Následně vyjádříme viskozitu pomocí kinematické viskozity [m2.s-1], ˆ w a můžeme psát rozepíšeme derivace součinů m ˆy ˆx m p w m w w x x x ˆx ˆy m wx m wx ν ρ x x y y y y x Z dříve uvedené rovnice kontinuity platí: ρw x ρw y 0 x y a proto také ˆy ˆ x m m 0 x y 8 DR POHYBOVÉ - 3 Po aplikaci rovnice kontinuity a po rozepsání hustoty hmotnostního ˆ ρ w obdržíme toku m w x w x w x p ρ w x ρ w y ν ρ x y y y x Podělením rovnice hustotou dostaneme Navier - Stokesova pohybová DR w x w x w x 1 p pro 2D stacionární nucenou wx wy ν 2 x y y ρ x konvekci v laminární dynamické mezní vrstvě pro směr x Pro 2D stacionární nucenou konvekci v rovině platí: 2 Pro směr x : Pro směr y : 2w x 2w x w x w x wx w y ν 2 2 x y x y 2w y 2w y w y w y wx w y ν 2 2 x y x y 1 p ρ x 1 p ρ y 9 DR POHYBOVÉ - 4 NAVIER - STOKESOVY DR pro 3D laminární nestacionární konvekci Pro 2D stacionární nucenou konvekci 2w x 2w x 2w x w x w x w x w x wx w y w z ν 2 2 2 x y z τ y z x 2w y 2w y 2w y w y w y w y w y wx w y w z ν 2 2 2 x y z τ x y z 2w z 2w z 2w z w z w z w z w z wx w y w z ν 2 2 2 x y z τ x y z Zrychlení stacionárních setrvačných sil Pro 1D stacionární nucenou konvekci Zrychlení tíhových sil 1 p g x ρ x 1 p g ρ y y 1 p g z ρ z Zrychlení třecích sil - [m2s-1] je kinematická viskozita Zrychlení nestacionárních setrvačných sil Zrychlení tlakových sil 10 OP PRO KONVEKCI Okrajové podmínky pro konvekci jsou mnohdy obdobné, jako u vedení: Stěnové vytápění ● OP 1. druhu, Dirichletova Tw = konst ● OP 2. druhu, Neumannova qw = konst ● OP 3. druhu, Newtonova = konst U konvekce může též být: 2 T 0 2 y T Tw Podlahové vytápění na povrchu desky T 1 T 0 r 2 r r 2 na povrchu válce T T y ● aj. včetně PODMÍNEK PRO RYCHLOSTI Počáteční podmínky se při stacionární konvekci neuvažují. 11 ŘEŠENÍ ÚLOH PŘENOSU TEPLA KONVEKCÍ PŘENOS TEPLA KONVEKCÍ JE SLOŽITĚJŠÍ, NEŽ PŘENOS VEDENÍM Je třeba řešit současně: DR energie + kontinuity + pohybové + OP teplotních a rychlostních polí Pro řešení přestupu tepla se následně používá DR přestupu tepla METODY ŘEŠENÍ: ● Exaktní řešení DR pro konvekci tepla (jen pro jednoduché úlohy) ● Přibližné řešení DR pro konvekci (předpoklad teplotních profilů ve tvaru polynomu, exponenciální funkce …, Chlazení PC učebny vhodné pro mezní vrstvy) ● Numerické řešení DR pro konvekci (i složité úlohy, aplikace počítačů) ● Experimentální řešení přenosu tepla konvekcí včetně využití analogových metod (přesné, složité, drahé) ● Teorie podobnosti pro řešení DR konvekce (nutná znalost podobného řešení vyjádřeného pomocí podobnostních čísel) aj. 12 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 1 Teorie podobnosti při konvekci umožní velice jednoduše, inženýrským způsobem získat rozložení teplotních polí, nebo přímo součinitel přestupu tepla . Potřebná podobnostní čísla při nucené konvekci odvodíme: ● Z DR energie ● Z DR kontinuity žádné číslo ● Z DR pohybových ● Z DR přestupu tepla při řešení Nucená konvekce u stropu místnosti 2T 2T T T wx w y a 2 2 x y y x ρ w x ρ w y 0 x y 2w x 2w x 1 p w x w x wx w y ν 2 2 x y y ρ x x dT α TW T - λ dy W 13 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 2 dT α TW T - λ dy W Zavedeme indexy D pro dílo M pro model Zavedeme měřítko délek cL yD = cL . yM, LD = cL . LM, a další měřítka c D = c . M cT TD = cT . TM c D = c . M dTD αD TW T D - λD DR přestupu tepla pro dílo dy D W PODOBNOSTNÍ ČÍSLO Z DR PŘESTUPU TEPLA Upravená rovnice pro dílo DR přestupu tepla pro model cT dTM c α αM cT TW T M - c λ λM c L dy M dTM αM TW T M - λM dy M W W Upravenou rovnici pro dílo podělíme rovnicí pro model a dostaneme 14 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 3 Upravená rovnice pro dílo podělená rovnicí pro model má tvar c αcT c λ cT cL c αc L 1 cλ αD LD Po dosazení αD LD αM LM αM LM za měřítka 1 λ λD λM dostaneme D λM Podobný přestup tepla je pro L / α L Nu stejné na modelu i díle. Tento podíl je λ označován jako Nusseltovo číslo [W.m-2K-1] součinitel přestupu tepla L [m] charakteristický rozměr [W.m-1K-1] tepelná vodivost tekutiny Zjednodušené odvození Nusseltova čísla z DR přestupu tepla Zdroj: Universum W. Nusselt 1882-1957 Nu je bezrozměrné vyjádření dT α TW T - λ dy L W 15 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 4 PODOBNOSTNÍ ČÍSLA Z DR POHYBOVÝCH 2w x 2w x w x w x wx w y ν 2 2 x y x y Z levé strany rovnice a z prvního členu na pravé straně dostaneme Reynoldsovo číslo w [m.s-1] rychlost L [m] charakteristický rozměr [m2s-1] kinematická viskozita Z levé strany rovnice a z druhého členu na pravé straně dostaneme Eulerovo číslo p [Pa] tlakový rozdíl [kg.m-3] hustota tekutiny w [m.s-1] rychlost Re 1 p ρ x w L ν Re je bezrozměrná rychlost Δp Eu ρ w 2 Zdroj: Universum O. Reynolds 1842-1912 Eu je bezrozměrný tlakový rozdíl 16 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 5 PODOBNOSTNÍ ČÍSLO Z DR ENERGETICKÉ Z levé strany rovnice a z pravé strany rovnice dostaneme Pecletovo číslo w [m.s-1] rychlost L [m] charakteristický rozměr a [m2s-1] teplotová vodivost 2T 2T T T wx w y a 2 2 x y x y w L Pe a Pe je poměrem přenosu tepla prouděním a vedením při konvekci Výsledky řešeni DR nebo experimentů se vyjadřují prostřednictvím KRITERIÁLNÍCH ROVNIC Obecná kriteriální rovnice Nu f Re, Eu, Pe, X, Y, Z pro nucenou konvekci X x L Y y L Z z L Rychlost je obsažena v Re a Pe, a proto je vhodné jedno z těchto kritérií vyloučit. Platí: jsou bezrozměrné souřadnice w L w L ν Pe Re Pr a ν a 17 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 6 Je zřejmé, že Reynoldsovo číslo a Pecletovo číslo jsou navzájem vázány, tzv. Prandtlovým číslem [m2s-1] a [m2.s-1] kinematická viskozita teplotová vodivost Pr je fyzikální vlastnost, jelikož je funkcí jen fyzikálních vlastností a lze jej nalézt v tabulkách. ● Pro plyny Pr ≈ 1, PrVZDUCHU = 0,72 ● Pro kapaliny Pr > 1 ● Pro tekuté kovy Pr << 1 ν Pr a Pr je měřítkem podobnosti rychlostních a teplotních polí Zdroj: Universum L. Prandtl 1875-1953 Pozn.: Při laminárním režimu proudění přibližně platí δ δT Pr , takže pro Pr = 1 je tloušťka dynamické a tepelné mezní vrstvy T stejná 3 w = f (p), p = f (w) z dalších úvah lze vynechat Eulerovo číslo, jelikož Eu = f (Re) 18 PODOBNOST PŘI NUCENÉ KONVEKCI - 7 ● Pro laminární proudění m = 0,5 ● Pro turbulentní proudění m = 0,8 Nu f Re, Pr, X, Y, Z Nu f Re, Pr Nu C Re m Pr n Nu C Re m log Nu Kriteriální rovnice pro nucenou konvekci přejde nyní do tvaru: Kriteriální rovnice pro nucenou konvekci pro podobné geometrické útvary má tvar Kriteriální rovnici vyjadřujeme často pomocí mocninné funkce Pro stejnou tekutinu pak platí Konstanty C, m, n (nebo také konstanty pro jiný typ funkce) jsou výsledkem řešení DR nebo předmětem experimentálního výzkumu a lze je obvykle nalézt pro konkrétní geometrické útvary v literatuře. Pr2 = konst Pr1 = konst log Re 19 PODOBNOST PŘI PŘIROZENÉ KONVEKCI - 1 Při přirozené konvekci jsou DR přestupu tepla, energetická a kontinuity stejné. Do DR pohybové je třeba definovat zrychlení od vztlakových sil. Pro vztlakovou sílu na jednotku objemu G [N.m-3] lze psát ρ G ρ ρ g ρ 1 g ρ Pro izobarický děj ideálního plynu platí = p / (rT) , = p / (rT) a pak bude 1 T G ρ 1 g ρ T T g T T Pro zrychlení G [N.m-3] / [kg.m-3] od vztlakové síly platí vztah Pulzní ohřev horizontální desky kde 1 / T = [K-1] je objemová roztažnost G g γ ΔT ρ 20 PODOBNOST PŘI PŘIROZENÉ KONVEKCI - 2 Zrychlení od vztlakové síly dosadíme do DR pohybové a dostaneme 2w x 2w x w x w x wx w y ν 2 2 x y x y Z levé strany rovnice pohybové a z posledního členu vpravo dostaneme Archimédovo číslo 1 p g γ ΔT ρ x g γ ΔT L Ar w2 Při přirozené konvekci nelze využívat rychlost proudění (je velice malá), proto je třeba Ar vynásobit Re2, které je rovněž obsaženo v DR pohybové Ar vyjadřuje poměr 2 2 g γ ΔT L w L 2 Ar Re 2 2 w ν vztlakových, třecích a setrvačných sil Výsledkem je Grashofovo číslo (F. Grashof 1826-1893) sil vztlakových a setrvačných Gr vyjadřuje vztah Gr Zdroj: Universum Archimédes 287-212 př.n.l. g γ Tw T L3 ν2 21 PODOBNOST PŘI PŘIROZENÉ KONVEKCI - 3 Obecná kriteriální rovnice pro přirozenou konvekci má tvar Nu f Re, Eu, Pe, Gr, X, Y, Z ● Po nahrazení Pe čísla číslem Re a Pr (Pe = Re.Pr), ● po vynechání Eu čísla, které je funkce Re, ● po vynechání bezrozměrných souřadnic při řešení podobné geometrické konfigurace, ● a po vynechání Re čísla, které je funkcí Gr čísla (rychlost proudění je funkcí teplotního rozdílu) dostaneme kriteriální rovnici pro přirozenou konvekci ve tvaru: Nu f Gr, Pr Často platí Nu C Gr m Pr n Zdroj: Universum J.W.S. Rayleigh 1842-1919 Pro stejnou tekutinu lze psát Nu f Ra kde Ra je tzv. Rayleighovo číslo Ra Gr Pr Pozn.: Konstanty C, m, n lze obvykle pro konkrétní geometrické útvary nalézt v literatuře. 22 POSTUP PŘI APLIKACI TEORIE PODOBNOSTI CÍLEM POUŽITÍ TEORIE PODOBNOSTI JE URČIT ● Z literatury zjistíme kriteriální rovnici (graf) pro daný objekt - pro danou geometrii, pro lokální či střední hodnoty, pro laminární nebo turbulentní proudění, pro žádaný rozsah Re nebo Gr či Ra ● Z literatury zjistíme charakteristický rozměr L a určující teplotu T* . Pr, , , = f (T*) T* = (Tw + T) / 2 nebo i T* = Tw, T* = T Tw T Interferogram teplotního pole mezi deskami otopných těles Nub Rab.b/h ● ● ● ● Z definic vypočteme Re, Gr či Ra Z kriteriální rovnice (grafu) určíme Nu Z Nusseltova čísla vypočteme Z lze počítat tepelný tok konvekcí 23 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 1 Interferogramy tepelné mezní vrstvy v okolí vertikální desky Tw = konst Interferogramy teplotních polí ve vertikálních štěrbinách Tw12 = konst Přenos tepla v řezu A-A je minimální Izotermy paralelní s povrchem Teplotní profily A A Izotermy Tw1 = Tw2 Tw1 Tw2 Izotermy Tw1 > Tw2 24 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 2 Interferogramy teplotních polí nad horizontální deskou (uprostřed a na okraji desky) Proužky jsou izotermy Teplotní profily mezi deskami Ohřev horní desky Zdroj: Hauf 1970 Teplotní pole mezi deskami Ohřev spodní desky Zdroj: Hauf 1970 25 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 3 Interferogramy teplotních polí v okolí horizontálního válce Proužky jsou izotermy Proužky jsou místa T/x = konst Proužky jsou místa T/y = konst Součinitel přestupu tepla je největší v místech s nejhustšími izotermami u povrchu - v dolní části válce na obrázku vlevo. 26 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 4 Interferogramy teplotních polí v okolí vertikální desky zobrazující přibližně derivace teplot ve směru horizontálním a ve směru vertikálním Proužky jsou místa T/x = konst Proužky jsou místa T/y = konst 27 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 5 Teplotní pole v okolí vyhřívaného válce v chladné trubce Interferogram teplotního pole žárovky Zdroj: Hauf 1970 Interferogram teplotního pole mezi třemi podélně obtékanými válcovými povrchy Zdroj: Uni Hannover 1977 28 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 6 Výzkum teplotních polí a přenosu tepla ze skořepinových forem Nálitek v klidném prostředí Nálitek v běžném prostředí Oblast krčku v klidném prostředí s aplikací moaré techniky 29 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 7 Interferometrický výzkum teplotních polí plamenů plynových hořáků Teplotní pole hořícího válce Izotermy v plameni plynového hořáku Zdroj: Panknin 1977 Teplotní profily v plameni hořáku 30 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 8 Interferometrický výzkum teplotních polí ve vytápěných místnostech. Cílem je stanovit energeticky úsporné způsoby vytápění, aniž by byla narušena tepelná pohoda v místech pobytu osob. Vývoj teplotního pole v místnosti při zátopu pomocí stěnového vytápění Teplotní pole v místnosti při stěnovém vytápění a ochlazování protilehlé stěny 31 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 9 Interferometrický výzkum teplotních polí ve vytápěné cisterně. Cílem je ohřát a promíchat tekutinu tak, aby nedocházelo k jejímu zamrzávání v okolí odtokového otvoru v dolní části cisterny. Zdroj: SVÚSS 1977. Symetrické vytápění (špatné promíchávání) Nesymetrické vytápění (lepší promíchávání) 32 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 10 Interferometrický výzkum přestupu tepla v soustavě rotujících disků. Cílem je proměřit teplotní pole u vyhřívaných rotujících disků a stanovit Nusseltovo číslo pro různá Reynoldsova čísla. Teplotní pole v soustavě dvou vyhřívaných rotujících disků Teplotní pole v soustavě dvou vyhřívaných rotujících disků a stojícího disku (vpravo) 33 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 11 Výzkum přestupu tepla z vibrujícího horizontálního válce (f = 0,5 až 6 Hz) Gr = 14700, Re = 4,5, f = 1,8 Hz, A/D = 0,166 Lokální Nu čísla na spodní straně válce v závislosti na fázi pohybu =2 ( - *)0 34 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 12 Základní schéma MZI LA D1 Z2 r C3 p C4 L y z Z1 C1 C2 M D2 C5 F Model pro výzkum vytápěných prostorů Machův – Zehnderův interferometr na EÚ FSI VUT v Brně 35 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 13 Další vizualizační metody pro zviditelňování teplotních polí v tekutinách Horizontální válec Termovize pro vizualizaci teplotních polí Štěrbinová vyústka Zdroj: Jedelský 2005 Zdroj: Hauf 1970 Stínová metoda pro vizualizaci součinitele přestupu tepla PLIF pro vizualizaci teplotních polí Spray ve vzduchu 36 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 14 Vizualizace teplotních gradientů šlírovou metodou na TU v Budapešti Šlírogram teplotního pole v okolí konvice Šlírogram teplotního pole v okolí obličeje 37 VIZUALIZACE TEPLOTNÍCH POLÍ - 15 Výzkum teplotních polí ve vytápěných místnostech pomocí sítě termočlánků. Cílem je stanovit energeticky úsporné způsoby vytápění, aniž by byla narušena tepelná pohoda v místech pobytu osob. Teplotní pole v místnosti při zátopu konvektorem s přirozenou konvekcí Teplotní pole v místnosti při zátopu článkovým otopným tělesem 38
Podobné dokumenty
termodynamika Cengel řešení
● Každý plyn se chová ve směsi ideálních plynů tak, jako by byl v celém prostoru sám
● řídí se svou stavovou rovnicí
● ze stavové rovnice lze určit jeho tlak (parciální tlak) pomocí teploty a celko...
PUBLIKACE KFY ZA ROK 2008 Odborné časopisy
B., Balestra, F., Ball, J., Barth, J., Baum, G., Bedfer, Y., Bernet, C., Bertini, R., Bettinelli, M., Birsa,
R., Bisplinghoff, J., Bordalo, P., Bradamante, F., Bravar, A., Bressan, A., Brona, G., B...
Cvičebnice stavební mechaniky II
2) kolmá síla na osu nosníku – v konstrukci vyvozující posunutí průřezu (smykové napětí),
tzv. posouvající síla s označením V
3) ohybový moment – v konstrukci vyvolávající ohybové napětí, u horních...
PUBLIKACE KFY ZA ROK 2013 Odborné časopisy
N. Kolosov, K. Kondo, K. Königsmann, I. Konorov, V. F. Konstantinov, A. M. Kotzinian, O.
Kouznetsov, M. Krämer, Z. V. Kroumchtein, N. Kuchinski, F. Kunne, K. Kurek, R. P.
Kurjata, A. A. Lednev, A. ...
PUBLIKACE KFY ZA ROK 2014 Odborné časopisy
Koivuniemi, V. N. Kolosov, K. Kondo, K. Koenigsmann, I. Konorov, V. F. Konstantinov, A.
M. Kotzinian, O. Kouznetsov, Z. Kral, M. Kraemer, Z. V. Kroumchtein, N. Kuchinski, F.
Kunne, K. Kurek, R. P. ...