BMEGEENATMH Hőátadás

Összetett folyamat Hővezetés, hőszállítás és hősugárzás szimultán játszódik le

Hőátadási folyamatok Halmazállapot változás nélküli Halmazállapot változásos Természetes áramlás (Ffelh. dominál) - határolt térben - határolatlan térben Nu=f(Ra, geom.)·ΦT·Φg Nu=f(Gr, Pr, geom.)·ΦT·Φg Kényszerített áramlás (Ftehetet. dominál) - testek körül - csövekben / csatornákban Nu=f(Re, Pr, geom.)·ΦT·Φg Forrás Kondenzáció ΦT= hőmérséklet szerinti korrekció, az anyagjell. Hőmérséklet függését veszi figyelembe Φg= geometriai korrekció

Hőátadás halmazállapot-változás nélkül Természetes és kényszerített áramlás

Hőátadás - Határréteg szerkezete és a hőátadási tényező http://www.youtube.com/watch?v=e1TbkLIDWys Hőátadás: 𝑞 =𝛼⋅ 𝑡 𝑤 − 𝑡 ∞ 𝛼= −𝜆⋅ 𝑑𝑡 𝑑𝑦 𝑦≠0 𝑡 𝑤 − 𝑡 ∞ 𝑞 =−𝜆⋅ 𝑑𝑡 𝑑𝑦 𝑦≠0 Vezetés a lam. határrétegben: Nuselt egyenlet

Hőátadást leíró egyenletek Nusselt egyenlet α definiálása, de T(x,y,z,τ) !!! Hővezetés általános differenciál egyenlete (E megmaradás) + áramló közeg: Kontinuitás (tömeg megmaradás) Navier-Stokes (impulzus megmaradás, térerő (felhajtóerő), súrlódó erő, nyomásgradiensből származó erő viszonya) ------------------------- MO: T(x,y,z,τ), p(x,y,z,τ) w(x,y,z,τ)ú + Boussinesq közelítések időben állandósult és hőforrásmentes eset anyagjellemzők állandók, hőmérséklettől függetlenek -------------------- Hasonlósági számok: Nusselt egyenletből: Nu Hővezetés általános differenciál egyenletéből: Pe Navier-Stokes egyenletből: Re, Gr

Grashof-szám (néha Grasshoff) Hasonlósági számok Nusselt-szám: Hőátadás hasonlósági száma. Grashof-szám (néha Grasshoff) A felhajtóerő(+térerő) és súrlódóerő viszonya. Franz Grashof (1826-1893) német mérnök

𝑃𝑟= 𝑃𝑒 𝑅𝑒 = 𝜐 𝑎 = 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑧𝑢𝑠á𝑡𝑎𝑑á𝑠 ℎőá𝑡𝑎𝑑á𝑠 Prandtl-szám: Hasonlósági számok 𝑃𝑟= 𝑃𝑒 𝑅𝑒 = 𝜐 𝑎 = 𝑖𝑚𝑝𝑢𝑙𝑧𝑢𝑠á𝑡𝑎𝑑á𝑠 ℎőá𝑡𝑎𝑑á𝑠 Prandtl-szám: A termikus és hidraulikus határréteg egymáshoz való viszonya. 𝑃𝑒= 𝑤∙𝐿 𝑎 Peclet-szám: Hőmérséklet mező hasonlósági száma. 𝑅𝑒= 𝑤∙𝐿 𝜐 Reinolds-szám: Áramkép, impulzus transzport hasonlósági száma.

ha Ra<Rakrit, akkor domináns a hővezetés, egyébként a konvekció Hasonlósági számok Rayleigh-szám: ha Ra<Rakrit, akkor domináns a hővezetés, egyébként a konvekció Lord Rayleigh (John Strutt, 1842-1919) Nobel-díjas angol fizikus

Hőátadás halmazállapot-változás nélkül Természetes (szabad) áramlás http://www.youtube.com/watch?v=Db4UOHC8WEc

Mach-Zehnder-féle interferogram Hőátadás - Természetes áramlás - Hőmérséklet és sebességprofil Mach-Zehnder-féle interferogram http://www.youtube.com/watch?v=obhMMsY6v6I http://www.youtube.com/watch?v=Zr8WbV8F_5g

Szabad áramlások - áramlási akadály hatása

Szabad áramlások - Ferde sík lemez

Szabad áramlások - Vízszintes sík lap http://www.youtube.com/watch?v=Rw2GOqNh7iY

Szabad áramlások - Tárcsa (lapos henger) körüli áramlás http://www.youtube.com/watch?v=mA98ZBdkW0M

Szabad térben Határolt térben Vízszintes henger Szabad térben Határolt térben http://www.youtube.com/watch?v=MFr1FrJI0x0

Vízszintes henger - Bordázattal ellátva

Ferdén álló henger

Hőátadás határolt térben állandó hőmérséklet különbség az alsó és a felső lap között

Hőátadás határolt térben Alulról fűtött Felülről fűtött

Rayleigh-Bénard cella hűtött lap/felszín fűtött lap http://www.youtube.com/watch?v=5ApSJe4FaLI

Hőátadás halmazállapot-változás nélkül Kényszerített áramlás

Hőátadás - Csőben történő áramlás jellemzői

Hőátadás – Kényszerített áramlás csőben Nu=f(Re) függvény

Hőátadás - Csőköteg körüli áramlás http://www.youtube.com/watch?v=YySR-CL6rZU

Hőátadás halmazállapot-változással Forrás és kondenzáció

a folyadék hőmérséklete nagyobb legyen, Forrásos hőátadás Forrás feltétele: a folyadék hőmérséklete nagyobb legyen, mint a nyomásához tartozó telítési hőmérséklet. http://www.youtube.com/watch?v=UJyZoe2E2Ug Forrás esetei: nagy térfogatban történő forralás aláhűtött folyadék fűtő felületen forrás csőben áramlás során forrás csőköteg külső felületein expanziós kigőzölgés (nem hőközlés)

Forrást befolyásoló tényezők - p, T - Folyadék jellegzetességei (felületi feszülstég) - Felület minősége gőzképződési pontok http://www.youtube.com/watch?v=JS9gWzzDYvA R

folyadék hőmérséklet Nagy térfogatban történő forralás x T-Ts x cm Gőz 10 5 x cm K zavart zóna Gőz Folyadék x T-Ts 10 5 x cm K zavart zóna Gőz Folyadék Gőz Folyadék

Nukiyama-kisérlet - Nagy térfogatban történő forrás Fűtött ellenálláshuzal és hőmérő egyben: króm-nikkel és platina huzal, telített víz (1 bar) Inside the kettle: http://www.youtube.com/watch?v=eoPvbDMGBn0

Nagy térfogatban történő forrás Nukiyama-diagram – Nagy térfogatban történő forrás lg⁡( 𝑞 ) lg⁡( 𝑞 𝑚𝑎𝑥 ) A: természetes áramlás B: buborékos forrás B1: egyedülálló buborékok B2: összefüggő buborék láncok, oszlopok C: átmeneti, v. istabil film forrás D: stabil film forrás D C B2 B1 A lg⁡( 𝑞 𝑚𝑖𝑛 ) A B C D lg⁡( 𝑇 𝑤 − 𝑇 𝑠 )

A forrás fázisai - Természetes áramlás nincsenek buborékok, túlhevítettség alacsony

A forrás fázisai - Buborékos forrás 1. különálló buborékok

A forrás fázisai - Buborékos forrás 2. intenzív buborékos forrás összeálló „buborékcsövek” „gőz jet”

Átmeneti vagy instabil filmforrás A forrás fázisai – Átmeneti vagy instabil filmforrás leszakadó/újraképződő gőzfilm hősokk a felületen

A forrás fázisai – stabil filmforrás folyamatos gőzfilm, sugárzás

A forrás fázisai izopropanol (C3H8O) Ø6,1 mm rézborda http://www.youtube.com/user/mawerickmc/videos izopropanol (C3H8O) Ø6,1 mm rézborda szabad enyhe buborékos átmenti film áramlás forrás

Forrás micro-gravitációnál Gravitáció hatása http://www.youtube.com/watch?v=rNTPP2G8W8o Forrás micro-gravitációnál http://www.youtube.com/watch?v=jcXVLMjWvsc http://www.youtube.com/watch?v=zp3j1mT5bTc

Forrás - függőleges csőben áramlásnál buborékos áramlás dugós habzó gyűrűs permet

Forrás - függőleges csőben áramlásnál 7 6 5 4 3 2 1

Forrás - Vizszintes csőben áramlásnál buborékos, gyöngyös gőzdugós áramlás http://www.youtube.com/watch?v=fRMpoLF1S5E sima felszínű rétegezett hullámos felszínű rétegezett hullámos, tajtékos, torlódó gyűrűs áramlás permetes áramlás http://www.youtube.com/watch?v=E6vHrAYEhso

α = 2,656⋅ p0,176 ⋅ qw0,7 , Mihejev összefüggések: Példák empirikus formulákra – Víz nagy térfogatban történő forrása Mihejev összefüggések: q<qkrit és ps = 0.2 - 100 [bar] esetén alkalmazhatók α = 2,656⋅ p0,176 ⋅ qw0,7 , Rohsenow-féle képlet (buborékos forrás)

Filmkondenzáció Rf Rhf Rg Hőmérséklet a filmtől távol Gőz H Lamináris sima felületű film (30>Re) Felület hőmérséklete 𝑞 = 𝜆 𝑓 𝛿 𝑦 ( 𝑡 𝑠 − 𝑡 𝑤 ) 𝑞 =𝛼( 𝑡 𝑠 − 𝑡 𝑤 ) 𝛿 𝑦 𝛼= 𝜆 𝑓 𝛿 𝑦 Folyadék 𝛿 𝑦 =f(H, ( 𝑡 𝑠 − 𝑡 𝑤 )) Lamináris hullámos felületű film (30<Re<1800) y 𝑅𝑒= 4 𝑚 𝑈 𝜇 ′ Turbulens film (Re>1800) Nedvesített kerület x

Hőmérséklet viszonyok a filmben Filmkondenzáció – Hőmérséklet viszonyok a filmben - Filmre ható erők: Tiszta telített gőz Keverék kondenzációja súrlódási súrlódási felhajtó Ts súlyerő Tg = Ts Pössz Tf Tw Tw Pgőz Pgáz csak keverékeknél folyékony fém, kis nyomás (p<0,02bar)

Kondenzáció Áramlási jelleg és hőátadási tényező

Kondenzáció - csőköteg csövein

Nagyzh felkészülést segítő kérdések I. Az alábbi eddig nem számon kért fejezetek (7-8-9) kérdéseire tudni kell a választ az elméleti feladatok helyes megoldásához 7..1. Ellenőrző kérdések 1. Írja fel a borda hőmérsékleteloszlásának meghatározására szolgáló differenciálegyenletet állandó keresztmetszetű rúd esetére! Adja meg a peremfeltételeket különböző esetekre! 2. Értelmezze a bordaparaméter fogalmát! 3. Definiálja a bordahatásfok fogalmát! 4. Definiálja a borda hőellenállását! 5. Mikor nevezünk két fizikai (hőtani) jelenséget hasonlónak? 6. Vázlattal és egyenlettel ismertesse a hővezetés általános differenciálegyenletének megoldása során alkalmazott elsőfajú peremfeltételt! 7. Vázlattal és egyenlettel ismertesse a hővezetés általános differenciálegyenletének megoldása során alkalmazott másodfajú peremfeltételt! 8. Vázlattal és egyenlettel ismertesse a hővezetés általános differenciálegyenletének megoldása során alkalmazott harmadfajú peremfeltételt! 9. Definiálja a FOURIER-számot! Milyen fizikai értelmezése van ennek a hasonlósági számnak? 10. Definiálja a BIOT-számot! Milyen fizikai értelmezése van ennek a hasonlósági számnak? 8..1. Ellenőrző kérdések 1. Definiálja a hőátviteli tényezőt (U) és adja meg kiszámításának módját! 2. Milyen módszerekkel, mely helyeken történő beavatkozásokkal fokozható a hőátvitel intenzitása? 3. Értelmezze a BOŠNJAKOVIĆ -féle hatásosság fogalmát és adja meg a –tényező kiszámítására szolgáló összefüggést egy tetszőleges hőcserélő esetére! 4. Ismertesse a hőcserélők típusait és az egyes típusok főbb jellegzetességeit! 5. Rajzolja fel a hőfokeloszlást hőmérséklet-felület diagramban többféle (véges és végtelen felületű), tetszőleges egyen- és ellenáramú hőcserélő készülék esetére (a két közeg hőkapacitásárama egyenlő / nem egyenlő esetekre)

Nagyzh felkészülést segítő kérdések II. 9..1. Ellenőrző kérdések 1. Írja fel és értelmezze a hőátadás NEWTON-féle alapegyenletét! 2. Írja fel és értelmezze a hőátadási tényező NUSSELT-féle definiáló egyenletét! 3. Definiálja a REYNOLDS-féle hasonlósági kritériumot! Milyen fizikai tartalom rendelhető e kritériumhoz? 4. Definiálja a PRANDTL-féle hasonlósági kritériumot! Milyen fizikai tartalom rendelhető e kritériumhoz? 5. Definiálja a PECLET-féle hasonlósági kritériumot! Milyen fizikai tartalom rendelhető e kritériumhoz? 6. Definiálja a GRASSHOFF-féle hasonlósági kritériumot! Milyen fizikai tartalom rendelhető e kritériumhoz? 7. Definiálja a NUSSELT-féle hasonlósági kritériumot! Milyen fizikai tartalom rendelhető e kritériumhoz? 8. Rajzolja fel nagy térfogatban történő forralás esetére a felületi hőáramsűrűség értékét a felületi hőmérséklet és a telítési hőmérséklet különbségének függvényében (NUKIYAMA-diagram)! Mutas-sa meg és részletesen jellemezze e diagramban a forrás különböző szakaszait! 9. Ismertesse a lamináris filmkondenzáció mechanizmusát! Mely tényezők és hogyan befolyásolják a hőátadási tényező értékét lamináris filmkondenzáció esetén? A számpéldák megoldásához tudniuk kell válaszolni a 1-6. fejezetek lapvető kérdéseire is! A számpéldák megoldásához a 1-11. heti gyakorlatokon megoldott, illetve a 11. hét végéig elmagyarázott HF példák adnak támpontot.