Transcript wyklad IV
WYMIANA CIEPŁA Dr inż. Piotr Bzura Konsultacje: PIĄTEK godz. 10-12, pok. 602 f ZADANIE OBLICZYĆ TEMPERATURY W OSI i NA POWIERZCHNI WALCA ZE STALI STOPOWEJ O ŚREDNICY 0,3 m i DŁUGOŚCI 0,6 m W GODZINĘ PO UMIESZCZENIU GO Z TEMPERATURĄ 20°C W PIECU O TEMPERATURZE 1020°C. WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA NA POWIERZCHNI WALCA WYNOSI 230 W/m2·K, PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA STALI STOPOWEJ: 35 W/m·K, CIEPŁO WŁAŚCIWE: 0,7 kJ/kg·K, A GĘSTOŚĆ: 7800 kg/m3. Dane: Szukane: = 35W/mK T1 c = 0,7kJ/kgK T2 = 7800kg/m3 T3 = 230W/m2K T4 = 7800 kg/m3 = 3600s 0,6m PLAN WYKŁADÓW Wykład 4: NIEUSTALONE PRZEWODZENIE CIEPŁA • WPROWADZENIE •PRZEWODZENIE W STANIE NIEUSTALONYM– ROZWIĄZANIE ANALITYCZNE • OBLICZENIA PRAKTYCZNE NIEUSTALONEGO PRZEWODZENIA CIEPŁA WPROWADZENIE 1. ZMIANA TEMPERATURY W WYNIKU OGRZEWANIA LUB CHŁODZENIA. TA SYTUACJA DOTYCZY RÓWNIEŻ NAGŁEJ ZMIANY TEMPERATURY Na przykład przedmiot o temperaturze t1 umieszczony (nagle) w płynie o temperaturze wyższej tf > t1 będzie przejmował ciepło od płynu wskutek tej różnicy temperatur. 2. OKRESOWA ZMIANA TEMPERATURY PŁYNU OMYWAJĄCEGO POWIERZCHNIĘ PRZEWODZENIE W STANIE NIEUSTALONYM W PŁUCIE NIESKOŃCZONEJ – ROZWIĄZANIE ANALITYCZNE RÓWNANIE RÓŻNICZKOWE NIEUSTALONEGO PRZEWODZENIA CIEPŁA WRAZ Z WARUNKAMI JEDNOZNACZNOŚCI ROZWIĄZANIA JEST ANALITYCZNYM MODELEM ROZPATRYWANEGO ZJAWISKA T T T T a 2 T a 2 2 2 y z x T 2T a 2 x dla 0 t t 0 (T T0 ) T 0 T dla x Tw Tf 2 x T f ( x ) g( ) T f ( x ) g( ) dla 2T x 2 x0 g ( ) 2 x 2 f (x) PRZEWODZENIE W STANIE NIEUSTALONYM W PŁUCIE NIESKOŃCZONEJ – ROZWIĄZANIE ANALITYCZNE 1 2 1 2 f (x) g () f ( x ) x a g() 2 1 dg 2 g() A'e a g() d 1 d 2f 2 2 f ( x ) B' cosx C' sinx f ( x ) dx Te a 2 A cosx T x x a 2 e A sin ctg 2 2 2 Bi 2 liczba Biota: Bi 2 PRZEWODZENIE W STANIE NIEUSTALONYM W PŁUCIE NIESKOŃCZONEJ – ROZWIĄZANIE ANALITYCZNE ctg 2 2 Bi Nieskończenie wiele rozwiązań Uzyskana z powyższego równania wartość n daje rozwiązanie szczególne ze stałą An. T e a n A n cos n x A n 2 n 1 n x n / 2 T e n Fo , sin cos n n n n 1 Q To A a 2TO sin n 2 n sin n cos n 2 2 2 2TO sin n cos n i 1 liczba Fouriera: Fo 2 sin2 n 1 e n Fo n n sin n cos n , dla : n a 2 2 n 2 OBLICZENIA PRAKTYCZNE NIEUSTALONEGO PRZEWODZENIA CIEPŁA W praktyce korzysta się z gotowych rozwiązań otrzymanych na drodze analitycznej (jak wyżej), ale przedstawionych bezwymiarowo w postaci wykresów dla nieskończenie długich płyt i walców oraz dla kul. Temperaturę bierze się zazwyczaj jako jej nadwyżkę ponad temperaturą otaczającego płynu: (T - Tf ). T Tf x m f Bi, Fo, T0 Tf 0 0 l Ilość ciepła wyznacza się z wykresów funkcji: Q Q f (Bi, Fo) Qo * dla walca : Q 0 c r02 T0 Tf 4 dla kuli: Q 0 c r03 T0 Tf 3 OBLICZENIA PRAKTYCZNE NIEUSTALONEGO PRZEWODZENIA CIEPŁA Dla ciał, których kształt powstaje z przecięcia płyty, walca i kul, otrzymuje się rozwiązanie metodą A. B. Newmana. W szczególności stosuje się ją dla płyt i walców o skończonych rozmiarach - jako że przedstawione wyżej zależności graficzne ważne są dla tworów nieskończenie rozciągniętych. Na przykład dla walca o długości L bierzemy temperatury dla walca o nieskończonej długości i dla płyty o grubości 2=L i mnożymy przez siebie: T Tf T Tf T0 Tf T0 Tf x x l 2 T Tf T T f WALEC 0 PLYTA WYKRES DO OKREŚLANIA TEMPERATURY W ŚRODKU SYMETRYCZNIE OGRZEWANEJ LUB CHŁODZONEJ NIEOGRANICZONEJ PŁYTY WYKRES DO OKREŚLANIA TEMPERATURY W DOWOLNYM PUKCIE SYMETRYCZNIE OGRZEWANEJ LUB CHŁODZONEJ NIEOGRANICZONEJ PŁYTY LUB WALCA WYKRES DO OBLICZANIA ILOŚCI CIEPŁA WYMIENIONEGO NA POWIERZCHNI SYMETRYCZNIE OGRZEWANEJ LUB CHŁODZONEJ NIEOGRANICZONEJ PŁYTY WYKRES DO OKREŚLANIA TEMPERATURY W OSI SYMETRYCZNIE OGRZEWANEGO LUB CHŁODZONEGO NIEOGRANICZONEGO WALCA WYKRES DO OBLICZANIA ILOŚCI CIEPŁA WYMIENIONEGO NA POWIERZCHNI SYMETRYCZNEGO OGRZEWANEGO LUB CHŁODZONEGO NIEOGRANICZONEGO WALCA ZADANIE OBLICZYĆ TEMPERATURY W OSI i NA POWIERZCHNI WALCA ZE STALI STOPOWEJ O ŚREDNICY 0,3 m i DŁUGOŚCI 0,6 m W GODZINĘ PO UMIESZCZENIU GO Z TEMPERATURĄ 20°C W PIECU O TEMPERATURZE 1020°C. WSPÓŁCZYNNIK PRZEJMOWANIA CIEPŁA NA POWIERZCHNI WALCA WYNOSI 230 W/m2·K, PRZEWODNOŚĆ CIEPLNA STALI STOPOWEJ: 35 W/m·K, CIEPŁO WŁAŚCIWE: 0,7 kJ/kg·K, A GĘSTOŚĆ: 7800 kg/m3. Dane: Szukane: = 35W/mK T1 c = 0,7kJ/kgK T2 = 7800kg/m3 T3 = 230W/m2K T4 = 7800 kg/m3 = 3600s 0,6m PROCEDURA ROZWIĄZANIA: 1. WYZNACZYĆ LICZBY BEZWYMIAROWE DLA WALCA: 1/Bi i Fo 2. Z WYKRESU ODCZYTAĆ NIEOGRANICZONEGO WALCA TEMPERATURĘ TM Tf T T f 0 W OSI SYMETRII TM ...... WALEC 3.Z WYKRESU WYZNACZYĆ TEMPERATURĘ NA POWIERZCHNI WALCA TX Tf T T f 0 TW ......... WALEC 4. WYZNACZYĆ LICZBY BEZWYMIAROWE DLA PŁYTY: 1/Bi DLA =1.5L i Fo 5.Z WYKRESU WYZNACZYĆ TEMPERATURĘ DLA ŚRODKA POWIERZCHNI NIEOGRANICZONEJ PŁYTY TM Tf T T f 0 TM ...... PLYTA 6. WYZNACZYĆ TEMPERATURĘ NA POWIERZCHNI NIEOGRANICZONEJ PŁYTY TX Tf T T f 0 TW ......... PLYTA PROCEDURA ROZWIĄZANIA: 7. MNOŻĄC ODPOWIEDNIE STOSUNKI DLA WALCA i PŁYTY OTRZYMUJEMY W ODPOWIEDNICH MIEJSCACH TEMPERATURY: T1 Tf T T f 0 TX Tf T T f 0 TX Tf WALEC T0 Tf T1 ...... PLYTA T2 Tf T T f 0 TM Tf T T f 0 TX Tf WALEC T0 Tf T2 ...... PLYTA T3 Tf T T f 0 TX Tf T T f 0 TM Tf WALEC T0 Tf T3 ...... PLYTA T4 Tf T T f 0 TM Tf T T f 0 TM Tf WALEC T0 Tf T4 ...... PLYTA