Luento 2 diat
Transcription
Luento 2 diat
1/20/2015 • Konvektiolla tarkoitetaan lämpövirtausta liikkuvasta nesteestä tai kaasusta kiinteään pintaan tai päinvastoin. • Vaikka lämmönsiirto yksittäisten partikkelien välillä tapahtuu johtumalla, hallitsee aineen mukana siirtyvä energia lämmönsiirtoa. Konvektion kuvaamiseksi matemaattisesti täytyy siis yhdistää aineensiirtoa ja lämmönjohtumista kuvaavat peruslait. • Konvektiota sanotaan pakotetuksi, jos nesteen tai kaasun virtaus aiheutuu ulkoisista syistä ja vapaaksi, jos virtaus tapahtuu itsestään, ts. virtaus aiheutuu tiheyseroista voimakentässä (painovoima tai keskipakovoimakenttä). • Määräävänä tekijänä konvektiossa on virtauksen nopeusrajakerros, jonka ulkopuolella nesteen tai kaasun virtausnopeuden voidaan katsoa saavuttaneen nopeuden, joka vallitsee äärettömän kaukana pinnasta • Laminaarisessa rajakerroksessa ei tapahdu sekoittumista, vaan virtaus on yhdensuuntaista. Turbulenttisessa rajakerroksessa tapahtuu virtausta myös pintaa vastaan kohtisuorassa suunnassa Etäisyys Etäisyys Etäisyys T Tpinta Nopeus Laminaari Nopeus Lämpötila Turbulentti 1 1/20/2015 v, T¥ v, T¥ q'' q'' dAs As, Ts dx As, Ts L Paikallinen lämpövuo q'' = a (Ts - T¥ ) Newtonin laki '' Kokonaislämmönsiirto q = ò q dAs 1 Pinnalle saadaan laskettua keskimääräinen konvektiokerroin a = ò adAs As A L Levyn tapauksessa a = 1 ò adx As s L 0 Tällöin kokonaislämmönsiirto on q = a As (Ts - T¥ ) Vapaa konvektio a = 3.5 ... 50 W/m2K Pakotettu konvektio, ilma a = 10 ... 500 W/m2K Pakotettu konvektio, neste a = 100 ... 5000 W/m2K Kiehumiskonvektio, vesi a = 1000 ... 100 000 W/m2K Lauhtuminen, höyry a = 500 ... 25 000 W/m2K 2 1/20/2015 • Konvektiolämmönsiirtoa analysoitaessa muutetaan sitä kuvaavat yhtälöt dimensiottomiksi yhdistämällä muuttujia siten, että lopputuloksena saadaan joukko dimensiottomia lukuja, joiden avulla ratkaistavien muuttujien kokonaismäärä pienenee • Konvektiokerroin esitetään dimensiottoman Nusseltin luvun (Nu) avulla, joka on määritelty Nu = aL l Tarkastellaan nestekerrosta, jonka paksuus on L ja jonka lämpötilaero on DT=T2-T1. '' • Konvektiolla siirtyvälle lämpövuolle pätee: qkonvektio = aDT DT ' =l • Johtumalla siirtyvälle lämpövuolle saadaan vastaavasti: q 'johtuminen L • Lämpövoiden suhde eri lämmönsiirtotavoilla on '' qkonvektio aDTL = = Nu '' q johtuminen lD T • Nusseltin luku kuvaa siten konvektio- ja johtumislämmönsiirron suhdetta tarkasteltavassa nestekerroksessa. Mitä suurempi on Nusseltin luku sitä enemmän lämpöä siirtyy konvektion avulla. 3 1/20/2015 • Tarkastellaan kuvan esittämää virtauksen nopeusrajakerrosta, joka on syntynyt nesteen virratessa litteän pinnan yli Laminaarinen rajakerros 0 Muutoskerros Turbulenttinen rajakerros xcr • Virtaus lähtee etenemään litteänä ja virtaviivaisena, mutta se muuttuu kaoottiseksi kuljettuaan etäisyyden xcr levyn reunalta. Virtausta, jonka liike on järjestynyttä kutsutaan laminaariseksi. Turbulenttinen virtaus on puolestaan erittäin epäjärjestynyttä ja on suunnaltaan hyvin vaihtelevaa. Virtaus ei muutu silmänräpäyksessä laminaarista turbulenttiseksi, vaan niiden välissä on muutoskerros, jonka aikana muutos tapahtuu • Virtauksen muuttuminen laminaarisesta turbulenttiseksi riippuu pinnan geometriasta ja karheudesta, virtausnopeudesta, pinnan lämpötilasta ja fluidista. Virtausalue riippuu pääasiassa fluidin massan ja viskositeetin aiheuttamien voimien suhteesta, jota kutsutaan Reynoldsin luvuksi ja määritellään yhtälöllä Re = vL n • Sitä Reynoldsin luvun arvoa, jolla virtaus muuttuu turbulenttiseksi sanotaan kriittiseksi Reynoldsin luvuksi (vaihtelee geometrian mukaan). • Esim. litteän pinnan yli kulkevan virtauksen tapauksessa kriittinen Reynoldsin luku on Re»5E5 4 1/20/2015 • • • Nesteen muodonmuutosta vastustava ominaisuus Kyky vastustaa nestepartikkelien välistä liikettä Aiheutuu nestemolekyylien välisestä kiinnevoimasta Dynaaminen viskositeetti μ t =m Liikkuva levy du dy u u(y) dy Fluidi y du Paikallaan pysyvä levy • Leikkausjännityksen suhde leikkauskulman muuttumisnopeuteen selvemmin leikkausvoiman t suhde nopeusgradienttiin du/dy. tai m Kinemaattinen viskositeetti n = r • Viskoosivoiman suhde painovoimaan T¥ T¥ Ts +0.99( T¥ - T s) T¥ Terminen rajakerros dt x Ts • Sitä pinnan yläpuolella olevaa virtauskerrosta, jossa tapahtuu lämmönsiirtoa pinnan normaalin suunnassa sanotaan termiseksi rajakerrokseksi. Termisen rajakerroksen paksuus dt kaikkialla pintaa pitkin kuljettaessa on määritelty sinä etäisyytenä pinnasta, jossa lämpötilaero on 0.99( T¥ - Ts ). Termisen rajakerroksen paksuus kasvaa virtaussuunnassa, koska fluidipartikkelien väliset lämmönsiirtoilmiöt tapahtuvat kauempana pinnasta. 5 1/20/2015 • Fluidin virratessa jäähdytettävän pinnan yli kehittyvät sekä terminen- että nopeusrajakerros samaan aikaan. Koska fluidin nopeus vaikuttaa suoraan lämpötilaprofiiliin, vaikuttaa kehittyvien rajakerrosten suhde voimakkaasti konvektiolämmönsiirtoon. • Nopeusrajakerroksen ja termisen rajakerroksen suhde kuvataan Prandtlin luvun avulla, joka määritellään Pr = mc p l Fluidi Nestemäiset metallit Kaasut Vesi Kevyet orgaaniset nesteet Öljyt Glyseriini Pr 0.004 – 0.03 0.7 – 1.0 1.7 – 13.7 5 - 50 50 – 100 000 2 000 – 100 000 Keskimääräinen Nusseltin luku Nu = CRe mL Pr n Filmin lämpötila Tf = Ts + T¥ 2 Levyn pinnan ja vapaan virtauksen lämpötilojen aritmeettinen keskiarvo Laminaarinen virtaus (Re<5E5 ja Pr³0.6) 1 1 Nu = 0.664Re L2 Pr 3 4 1 Turbulenttinen virtaus (0.6£Pr£60 ja 5E5£Re£E7) Nu = 0.037Re L5 Pr 3 Yhdistetty laminaarinen ja turbulenttinen virtaus 4 ö 1 æ Nu = çç 0.037Re L5 - 871÷÷Pr 3 ø è 6 1/20/2015 Geometeria Fluidi Ympyräsylinteri Re luvun pätevyysalue Nusseltin luku 0.4 - 4 4 - 40 40 - 4000 4000 - 40000 40000 - 400000 Nu = 0.989 Re 0.330 Pr 1/3 Nu = 0.911 Re 0.385 Pr 1/3 Nu = 0.683 Re 0.466 Pr 1/3 Nu = 0.193 Re 0.618 Pr 1/3 Nu = 0.027 Re 0.805 Pr 1/3 Kaasu 5000 - 100000 Nu = 0.102 Re 0.675 Pr 1/3 Kaasu tai neste 5*105 - 107 Kaasu tai neste D Neliösylinteri Litteä levy 0 - 5*10 5 Nu = 0.664 Re 1/2 Pr 1/3 Nu = (0.037 Re 4/5 - 871) Pr 1/3 L Pystyssä oleva levy Kaasu 4000 - 15000 Nu=0.228 Re0.731 Pr 1/3 L • Laske filmin lämpötila ja määritä fluidin aineominaisuudet filmin lämpötilassa • Määritetään Reynoldsin luku • onko virtaus laminaarinen vai turbulenttinen • Valitaan korrelaatioyhtälö Nusseltin luvulle • Lasketaan keskimääräinen konvektiokerroin yhtälöstä • Lämmönsiirtoteho saadaan lopulta yhtälöstä Nu = aL l q = a As (Ts - T¥ ) 7 1/20/2015 • Virtaavan fluidin nopeus putkessa vaihtelee putken pinnalla olevasta nollanopeudesta putken keskipisteessä olevaan maksiminopeuteen. • Laskuissa määritetään keskimääräinen nopeus v massan säilymisen lain avulla yhtälöllä qm = rvAc • Virtaavaan fluidiin siirtyvä lämpöteho on q = qm cp (Te - Ti ) • 2 tapausta: Lämpövuo putken pinnalla on vakio vakio tai putken pintalämpötila on vakio • Mikäli lämpövuo putken pinnalla on vakio, on fluidiin siirtyvä lämpöteho q = q'' A = qm cp (Te - Ti ) • Tällöin putkesta lähtevän fluidin lämpötila on Te = Ti + q'' A qm cp Fluidin lämpötila kasvaa lineaarisesti • Putken pintalämpötilan ollessa vakio, on lämmönsiirtoteho putkesta fluidiin Newtonin lain mukaisesti q = aA(Ts - Tm )average • Putkesta lähtevän fluidin lämpötila Te = Ts - (Ts - Ti )e - aA qm cp • Putkessa virtauksen aikana syntyvä paine-ero Dp = f Putken ja fluidin lämpötilojen erotus pienenee eksponentiaalisesti virtaussuunnassa L rv 2 D 2 • Tarvittava pumppausteho Ppumppu = q v Dp = q m Dp r 8 1/20/2015 Putken poikkileikaus Sivusuhde Ympyrä Nusseltin luku Ts = vakio q'' = vakio 3.66 4.36 2.98 3.39 3.96 4.44 5.14 5.60 7.54 3.61 4.12 4.79 5.33 6.05 6.49 8.24 2.98 3.61 D Re < 2300 laminaari Suorakaide 2300 < Re < 4000 muutosalue Re>4000 turbulentti b a a/b 1 2 3 4 6 8 ääretön Neliö 9