39
Ενότητα 1 η : Μεταφορά θερμότητας Βασικές Αρχές ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Διδάσκων: Παπασιώπη Νυμφοδώρα Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ε.Μ.Π.

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Ενότητα 1η:

Μεταφορά θερμότητας

Βασικές Αρχές

ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ

Διδάσκων: Παπασιώπη Νυμφοδώρα Αναπληρώτρια Καθηγήτρια Ε.Μ.Π.

Page 2: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.

Άδεια Χρήσης

Page 3: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Οργάνωση - Περιεχόμενα

ΔΙΔΑΚΤΙΚΑ ΒΟΗΘΗΜΑΤΑ:

Δ. Ασημακόπουλος, Β. Λυγερού, Γ. Αραμπατζής. Μεταφορά Θερμότητας και

μάζας (Εκδόσεις Παπασωτηρίου).

Κωδικός βιβλίου στον Εύδοξο: 22769373

Δ. Πάνιας. Εναλλάκτες Θερμότητας και Μεταφορά Μάζας (ΕΜΠ)

ΑΛΛΑ ΔΙΔΑΚΤΙΚΑ ΒΟΗΘΗΜΑΤΑ:

Cengel Y.A. :Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση (Εκδ. Τζιόλα)

Β. Λυγερού, Δ. Ασημακόπουλος: Μεταφορά Μάζας (ΕΜΠ)

Brodkey & Hersey: Φαινόμενα Μεταφοράς (Εκδ. Τζιόλα)

Bird, Stewart, Lightfoot: Transport Phenomena (John Wiley & Sons, NY, 2001)

Μαρκόπουλος Ι: Μεταφορά Μάζας (University Studio Press)

A. L. Hines, R.N. Maddox. Mass Transfer. Fundamentals and Applications (PTR

Prentice Hall)

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Page 4: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

ΥΛΗ ΤΟΥ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ:

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

1. Βασικές Αρχές

Θερμοδυναμική και μεταφορά θερμότητας

Θερμότητα και άλλες μορφές ενέργειας

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Τρόποι μεταφοράς θερμότητας (Αγωγή, Συναγωγή, Ακτινοβολία)

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Οργάνωση - Περιεχόμενα

Page 5: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

1.1 Θερμοδυναμική και Μεταφορά Θερμότητας

ΘΕΡΜΟΤΗΤΑ: Μορφή ενέργειας που μεταφέρεται λόγω διαφοράς θερμοκρασίας

ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ: Συστήματα σε κατάσταση ισορροπίας

Ποσότητα θερμότητας που μεταφέρεται όταν ένα σύστημα μεταβαίνει από μία κατάσταση ισορροπίας σε άλλη

Σε πόσο χρόνο ;;;

ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ: Συστήματα που δεν βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας

Ρυθμός μεταφοράς θερμότητας

Π.χ. σχεδιασμός ενός συστήματος μόνωσης βασίζεται κυρίως στις γνώσεις μεταφοράς θερμότητας

1-1 Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Page 6: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Μικροσκοπικές μορφές ενέργειας:

σχετίζονται με τη μοριακή δομή ενός συστήματος και το βαθμό μοριακής δραστηριότητας

Εσωτερική ενέργεια, U: το άθροισμα των μικροσκοπικών μορφών ενέργειας

Η εσωτερική ενέργεια σχετίζεται με :

Την κινητική ενέργεια των μορίων αισθητή θερμότητα

Τις δυνάμεις μεταξύ των μορίων, δηλ. τη φάση (αέρια, υγρή στερεή) του

συστήματος λανθάνουσα θερμότητα

Τις δυνάμεις μεταξύ των ατόμων του κάθε μορίου χημική ενέργεια

Τις δυνάμεις μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων στον πυρήνα του κάθε ατόμου πυρηνική ενέργεια

1-2

1.2 Θερμότητα και άλλες μορφές ενέργειας (1/2)

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Page 7: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Εσωτερική ενέργεια, U, και Ενθαλπία, Η:

Στην ανάλυση συστημάτων που περιλαμβάνουν τη ροή ρευστού,

συναντάται συχνά ο συνδυασμός των ιδιοτήτων

• εσωτερικής ενέργειας, U, και

• του γινομένου, P⋅V (ενέργειας ροής)

Ο συνδυασμός ορίζεται ως Ενθαλπία:

H = U + P⋅V

1.2 Θερμότητα και άλλες μορφές ενέργειας (2/2)

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας 1-3

Page 8: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Μονάδες Θερμότητας

Μονάδα Σύμβολο Αντιστοιχία Σύστημα

joule J SI

British Thermal Unit BTU 1 BTU = 1.055 kJ British

Calorie cal 1 cal = 4.11868 J Τεχνικό

Μονάδες Θερμοκρασίας

Μονάδα Σύμβολο Αντιστοιχία Σύστημα

Κελσίου C SI

Kelvin K 1 Κ = 1 C T(K) = 273.15 + T(C)

Fahrenheit F 1 F = 1C/1.8 T(F) = 1.8 ⋅ T(C) + 32 British

1-4 Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.3 Μεταφορά Θερμότητας – Βασικές αρχές (1/2)

Page 9: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Ειδική θερμότητα: ενέργεια που απαιτείται για την αύξηση της

θερμοκρασίας της μονάδας μάζας μιας ουσίας κατά 1 βαθμό.

Στα αέρια :

• Ειδική θερμότητα υπό σταθερό όγκο CV kJ/(kg⋅°C)

• Ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση CP >>

Ιδανικά αέρια CP = CV + R

Στα υγρά και στα στερεά: CP=CV

Η τιμή της ειδικής θερμότητας στα αέρια: CP ή CV = f(P,T)

στα υγρά και τα στερεά: CP = f(T)

1.3 Μεταφορά Θερμότητας – Βασικές αρχές (2/2)

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας 1-5

Page 10: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (1/7)

Αρχή διατήρησης της ενέργειας

Ολική ενέργεια που εισέρχεται στο σύστημα

Ολική ενέργεια που εξέρχεται στο σύστημα

Μεταβολή της ολικής ενέργειας του σύστηματος

Καθαρή μεταφορά ενέργειας μέσω

θερμότητας έργου και μάζας

Μεταβολή της εσωτερικής, κινητικής,

δυναμικής κλπ ενέργειας

1-6

Page 11: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Ισοζύγιο Ενέργειας για Κλειστά Συστήματα (Σταθερή Μάζα)

Στάσιμο κλειστό σύστημα Στάσιμο κλειστό σύστημα χωρίς έργο

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (2/7)

1-7

Page 12: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Δεδομένα:

• Θέλουμε να θερμάνουμε 1.2 kg νερού από 15 oC σε 95 oC

• Η τσαγιέρα έχει ηλεκτρικό στοιχείο θέρμανσης 1200 W

• Τσαγιέρα: m=0.5 kg, Cp=0.17 kJ/(kgoC)

• Νερό: m=1.2 kg, Cp=4.18 kJ/kgoC)

Zητούνται:

• Σε πόσο χρόνο θα θερμανθεί το νερό (αγνοούνται οι απώλειες

θερμότητας)

Σχήμα 1.1. Σχηματική απεικόνιση

για το Παράδειγμα: Θέρμανση

νερού σε ηλεκτρική τσαγιέρα.

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (3/7)

Ισοζύγιο Ενέργειας για Κλειστά Συστήματα (Σταθερή Μάζα)

Παράδειγμα: Θέρμανση νερού σε ηλεκτρική τσαγιέρα

1-8

Ε𝜀𝜄𝜎−Ε𝜀𝜉=Δ𝑈=𝑚C𝑣ΔΤ

Page 13: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Παράδειγμα: Θέρμανση νερού σε ηλεκτρική τσαγιέρα

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (4/7)

Ισοζύγιο Ενέργειας για Κλειστά Συστήματα (Σταθερή Μάζα)

Σχήμα 1.1. Σχηματική απεικόνιση

για το Παράδειγμα: Θέρμανση

νερού σε ηλεκτρική τσαγιέρα.

408.1 kJ

1.2 kW=1.2 kJ/s

1-9

Ε𝜀𝜄𝜎−Ε𝜀𝜉=Δ𝑈

Page 14: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (5/7)

Ισοζύγιο Ενέργειας για συστήματα μόνιμης σταθεροποιημένης ροής

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Σχήμα 1.2. Κάτω από σταθερές συνθήκες, ο

καθαρός ρυθμός μεταφοράς ενέργειας ενός

υγρού σε έναν όγκο ελέγχου ισούται με τον

ρυθμό αύξησης της ενέργειας της συνεχούς

ροής του υγρού που ρέει μέσω του όγκου

ελέγχου.

1-10

Page 15: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Παράδειγμα: Απώλεια θερμότητας από αγωγό θέρμανσης

Δεδομένα:

• Αγωγός θέρμανσης μήκους 5m και ορθογώνιας διατομής 20 cm

25cm

• Θερμός αέρας εισέρχεται σε P=100 kPa και T = 60 oC, με μέση

ταχύτητα v = 5 m/s

• H θερμοκρασία πέφτει λόγω απωλειών θερμότητας και είναι

στην έξοδο του αγωγού 54 oC

Ζητούνται:

• Ρυθμός απώλειας θερμότητας (kJ/s)

Παραδοχές:

• Δεν έχουμε πτώση πίεσης στον αγωγό

• Ο αέρας συμπεριφέρεται σαν τέλειο αέριο

• Η πυκνότητα (ρ) και η ειδική θερμότητα Cp του αέρα δεν μεταβάλλονται.

Σχήμα 1.3. Σχηματική απεικόνιση

για το Παράδειγμα: Απώλεια

θερμότητας από αγωγό θέρμανσης.

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (6/7)

Ισοζύγιο Ενέργειας για συστήματα μόνιμης σταθεροποιημένης ροής

1-11

Page 16: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Παράδειγμα: Απώλεια θερμότητας από αγωγό θέρμανσης

1.4 Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής (7/7)

Ισοζύγιο Ενέργειας για συστήματα μόνιμης σταθεροποιημένης ροής

Δεδομένα:

• Μήκου 5m, διατομή 20 cm 25cm

• P=100 kPa και Tεισ = 60 oC, v = 5 m/s, Τεξ = 54 oC

Σταθερές και ιδιότητες

R= 8.314 kPa m3/(kmolK), Cp= 1.005 kJ/(kg C) Σχήμα 1.3. Σχηματική απεικόνιση

για το Παράδειγμα: Απώλεια

θερμότητας από αγωγό θέρμανσης.

1-12 Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Page 17: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Τρεις βασικοί μηχανισμοί

Μεταφορά με αγωγή

Από το ένα μόριο της ύλης στο γειτονικό του. Χωρίς μακροσκοπική

μετακίνηση του υλικού. Ισχύει κυρίως σε στερεά και σε ακινητοποιημένα

ρευστά

Μεταφορά με συναγωγή

Οφείλεται σε μετακίνηση μάζας ρευστού. Ρευστό που μετακινείται μεταφέρει

την ενέργειά του στο χώρο που καταλήγει

Μεταφορά με ακτινοβολία

Όταν η ενέργεια μεταφέρεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα

Στην πράξη οι τρεις μηχανισμοί δρουν παράλληλα

Για απλούστευση πολλές φορές εξετάζουμε μόνον τον κυρίαρχο

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5 Τρόποι μεταφοράς θερμότητας

1-13

Page 18: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Μεταφορά με αγωγή

Από το ένα μόριο της ύλης στο γειτονικό του. Χωρίς μακροσκοπική

μετακίνηση του υλικού. Ισχύει κυρίως σε στερεά και σε ακινητοποιημένα

ρευστά

Ο ρυθμός μεταφοράς με αγωγή μέσα από ένα σώμα εξαρτάται από:

• η γεωμετρία του σώματος,

• το πάχος του,

• το υλικό,

• τη διαφορά θερμοκρασίας στις δύο πλευρές του σώματος

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.1 Αγωγή (1/8)

1-14

Page 19: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Αγωγή θερμότητας

διαμέσου επίπεδου τοίχου

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.1 Αγωγή (2/8)

Σχήμα 1.4. Αγωγή θερμότητας σε επίπεδο τοίχωμα,

(α) φυσικό σύστημα, (β) διάγραμμα θερμοκρασίας.

1-15

Page 20: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.1 Αγωγή (3/8)

Σχήμα 1.5. Αγωγή θερμότητας σε επίπεδο

τοίχωμα, διάγραμμα θερμοκρασίας.

1-16

Page 21: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Θερμική αγωγιμότητα, λ

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Σχήμα 1.6. Οι τιμές θερμικής αγωγιμότητας

διαφόρων υλικών σε θερμοκρασία δωματίου.

1.5.1 Αγωγή (4/8)

Σχήμα 1.7. Οι μηχανισμοί αγωγής της

θερμότητας στις διάφορες φάσεις μίας ουσίας.

1-17

Page 22: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Πίνακας 1.1. Η θερμική αγωγιμότητα ενός

κράματος είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη

από την θερμική αγωγιμότητα του κάθε

μετάλλου από τα οποία αποτελείται

Σχήμα 1.8. Η μεταβολή της θερμικής

αγωγιμότητας διαφορών στερεών, υγρών και

αερίων ανάλογα με την θερμοκρασία.

1.5.1 Αγωγή (5/8)

1-18

Page 23: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.1 Αγωγή (6/8)

Θερμική διαχυτότητα, α Πίνακας 1.2. Θερμικές διαχυτότητες

ορισμένων υλικών σε θερμοκρασίας

δωματίου

1-19

Page 24: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Δεδομένα:

• Δύο κυλινδρικά δοκίμια διαμέτρου D=5cm

• Ηλεκτρική θερμαντική αντίσταση: V=220V, I=0.2Α

• Μέτρηση διαφοράς θερμοκρασίας σε απόσταση L=3cm.

• Μετά την αποκατάσταση μόνιμων συνθηκών

μετριέται: ΔT=15C

Παράδειγμα: Μέτρηση θερμικής αγωγιμότητα ενός υλικού

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.1 Αγωγή (7/8)

Σχήμα 1.9. Συσκευή για την μέτρηση της

θερμικής αγωγιμότητας ενός υλικού που

χρησιμοποιεί δύο πανομοιότυπα δείγματα και

θερμάστρα με λεπτό στρώμα αντίστασης.

1-20

Page 25: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Σχήμα 1.9. Συσκευή για την μέτρηση της

θερμικής αγωγιμότητας ενός υλικού που

χρησιμοποιεί δύο πανομοιότυπα δείγματα και

θερμάστρα με λεπτό στρώμα αντίστασης.

Παράδειγμα: Μέτρηση θερμικής αγωγιμότητα ενός υλικού

D=5cm

V=220V, I=0.2Α

L=3cm ΔT=15C

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

Λύση:

• Ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνει η θερμάστρα

• Ρυθμός ροής θερμότητας μέσα από κάθε δείγμα

1.5.1 Αγωγή (8/8)

1-21

Page 26: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Μεταφορά θερμότητας μεταξύ στερεάς επιφάνειας και ρευστού που

βρίσκεται σε κίνηση

Εξαναγκασμένη και φυσική συναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.2 Συναγωγή (1/2)

Σχήμα 1.10. Η ψύξη ενός βρασμένου αυγού

με εξαναγκασμένη και φυσική συναγωγή.

Σχήμα 1.11. Ανάπτυξη οριακού στρώματος θερμοκρασίας και

ταχύτητας κατά την ροή ρευστού πάνω από θερμαινόμενη επιφάνεια.

Σχήμα 1.12. Η μεταφορά θερμότητας από

μία θερμή επιφάνεια στον αέρα με συναγωγή.

1-22

Page 27: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Νόμος ψύξης του Newton

Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας,

h (W/(m2 oC)

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.2 Συναγωγή (2/2)

Πίνακας 1.3. Τυπικές τιμές συντελεστή μεταφοράς θερμότητας

με συναγωγή

1-23

Page 28: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Θερμότητα που εκπέμπει η ύλη με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων

• Δεν απαιτεί την ύπαρξη υλικού μέσου.

• Μεταφέρεται με την ταχύτητα του φωτός

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (1/8)

1-24

Page 29: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

λ: μήκος κύματος

ν : συχνότητα

c: ταχύτητα του φωτός

e : ενέργεια φωτονίου

h=6.625 .10-34J.s

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (2/8)

Σχήμα 1.13. Φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.

1-25

Page 30: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Νόμος μετατόπισης

του Wien

• Κάθε σώμα εκπέμπει θερμική

ακτινοβολία σε ένα φάσμα

συχνοτήτων που εξαρτάται απόλυτα

από τη θερμοκρασία του και όχι από

τη χημική του σύσταση

• Το μέγιστο της καμπύλης που

περιγράφει την κατανομή των

συχνοτήτων ακολουθεί το νόμο

μετατόπισης του Wien

• Τη μορφή της καμπύλης συχνοτήτων

περιέγραψε ο Plank εισάγοντας την

έννοια του κβάντου

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (3/8)

Σχήμα 1.14. Καμπύλη φάσματος συχνοτήτων θερμικής ακτινοβολίας.

1-26

Page 31: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (4/8)

Σχήμα 1.15. (α) Σχηματική απεικόνιση ακτινοβολίας, (β) ολικός συντελεστής εκπομπής (ε) διαφόρων υλικών.

1-27

Page 32: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Ανταλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία

(α) Μεταξύ δύο επιφανειών

(β) Μεταξύ μιας επιφάνειας και του περιβάλλοντος

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (5/8)

Σχήμα 1.16. Ανταλλαγή θερμότητας με

ακτινοβολία (α) Μεταξύ δύο επιφανειών

(β) Μεταξύ μιας επιφάνειας και του

περιβάλλοντος χώρου.

1-28

Page 33: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Ταυτόχρονη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή και ακτινοβολία

Πλασματικός συντελεστής μεταφοράς με ακτινοβολία, hr

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (6/8)

1-29

Page 34: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

σταθερά Stefan Boltzman

σ =5,67x10-8

W/(m2

K4

)

Δεδομένα:

• Αγωγός μεταφοράς ατμού διαμέτρου do=10 cm

• θS=100C, θπ=25C

• Συντελεστής εκπομπής ε=0.8

• Συντελεστής μεταφοράς με συναγωγή

h=15W/(m2⋅K)

Ζητούνται:

• Θερμικές απώλειες ανά τρέχον μέτρο

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (7/8)

Παράδειγμα: Ταυτόχρονη μεταφορά με συναγωγή και ακτινοβολία

Σχήμα 1.17. Σχηματική απεικόνιση αγωγού

μεταφοράς ατμού.

1-30

Page 35: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Φαινόμενα Μεταφοράς ΙΙ. Μεταφορά Θερμότητας και Μάζας

1.5.3 Ακτινοβολία (8/8)

Παράδειγμα: Ταυτόχρονη μεταφορά με συναγωγή και ακτινοβολία

Σχήμα 1.17. Σχηματική απεικόνιση αγωγού μεταφοράς ατμού.

1-31

Page 36: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων (1/2)

Σχήμα 1.1. Σχηματική απεικόνιση για το Παράδειγμα: Θέρμανση νερού σε ηλεκτρική τσαγιέρα., Cengel Y.A.:

Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.2. Κάτω από σταθερές συνθήκες, ο καθαρός ρυθμός μεταφοράς ενέργειας ενός υγρού σε έναν όγκο

ελέγχου ισούται με τον ρυθμό αύξησης της ενέργειας της συνεχούς ροής του υγρού που ρέει μέσω του όγκου

ελέγχου., Cengel Y.A.: Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.3. Σχηματική απεικόνιση για το Παράδειγμα: Απώλεια θερμότητας από αγωγό θέρμανσης., Cengel

Y.A.: Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.4. Αγωγή θερμότητας σε επίπεδο τοίχωμα, (α) φυσικό σύστημα, (β) διάγραμμα θερμοκρασίας.,

Κουμούτσος Ν., Λυγερού Β., Σημειώσεις «Μεταφορά θερμότητας», Εκδόσεις ΕΜΠ, 1982.

Σχήμα 1.5. Αγωγή θερμότητας σε επίπεδο τοίχωμα, διάγραμμα θερμοκρασίας., Κουμούτσος Ν., Λυγερού Β.,

Σημειώσεις «Μεταφορά θερμότητας», Εκδόσεις ΕΜΠ, 1982

Σχήμα 1.6. Οι τιμές θερμικής αγωγιμότητας διαφόρων υλικών σε θερμοκρασία δωματίου., Cengel Y.A.:

Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.7. Οι μηχανισμοί αγωγής της θερμότητας στις διάφορες φάσεις μίας ουσίας., Cengel Y.A.: Μεταφορά

Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.8. Η μεταβολή της θερμικής αγωγιμότητας διαφορών στερεών, υγρών και αερίων ανάλογα με την

θερμοκρασία., Cengel Y.A.: Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.9. Συσκευή για την μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας ενός υλικού που χρησιμοποιεί δύο

πανομοιότυπα δείγματα και θερμάστρα με λεπτό στρώμα αντίστασης., Cengel Y.A.: Μεταφορά Θερμότητας

Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Page 37: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Κατάλογος Αναφορών Σχημάτων (2/2)

Σχήμα 1.10. Η ψύξη ενός βρασμένου αυγού με εξαναγκασμένη και φυσική συναγωγή., Cengel Y.A.:

Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.11. Ανάπτυξη οριακού στρώματος θερμοκρασίας και ταχύτητας κατά την ροή ρευστού πάνω από

θερμαινόμενη επιφάνεια., Κουμούτσος Ν., Λυγερού Β., Σημειώσεις «Μεταφορά θερμότητας», Εκδόσεις ΕΜΠ,

1982.

Σχήμα 1.12. Η μεταφορά θερμότητας από μία θερμή επιφάνεια στον αέρα με συναγωγή., Cengel Y.A.:

Μεταφορά Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Σχήμα 1.13. Φάσμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας., Δ. Ασημακόπουλος, Β. Λυγερού, Γ. Αραμπατζής.

Μεταφορά Θερμότητας και μάζας (Εκδόσεις Παπασωτηρίου), 2012.

Σχήμα 1.14. Καμπύλη φάσματος συχνοτήτων θερμικής ακτινοβολίας., Δ. Ασημακόπουλος, Β. Λυγερού, Γ.

Αραμπατζής. Μεταφορά Θερμότητας και μάζας (Εκδόσεις Παπασωτηρίου), 2012.

Σχήμα 1.15. (α) Σχηματική απεικόνιση ακτινοβολίας, (β) ολικός συντελεστής εκπομπής (ε) διαφόρων υλικών.,

Δ. Ασημακόπουλος, Β. Λυγερού, Γ. Αραμπατζής. Μεταφορά Θερμότητας και μάζας (Εκδόσεις Παπασωτηρίου),

2012.

Σχήμα 1.16. Ανταλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία (α) Μεταξύ δύο επιφανειών (β) Μεταξύ μιας επιφάνειας

και του περιβάλλοντος χώρου., Κουμούτσος Ν., Λυγερού Β., Σημειώσεις «Μεταφορά θερμότητας», Εκδόσεις

ΕΜΠ, 1982.

Σχήμα 1.17. Σχηματική απεικόνιση αγωγού μεταφοράς ατμού., Κουμούτσος Ν., Λυγερού Β., Σημειώσεις

«Μεταφορά θερμότητας», Εκδόσεις ΕΜΠ, 1982.

Page 38: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Κατάλογος Αναφορών Πινάκων

Πίνακας 1.1. Η θερμική αγωγιμότητα ενός κράματος είναι συνήθως πολύ χαμηλότερη από την θερμική

αγωγιμότητα του κάθε μετάλλου από τα οποία αποτελείται., Cengel Y.A.: Μεταφορά Θερμότητας Μια

Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Πίνακας 1.2. Θερμικές διαχυτότητες ορισμένων υλικών σε θερμοκρασίας δωματίου, Cengel Y.A.: Μεταφορά

Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Πίνακας 1.3. Τυπικές τιμές συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή, Cengel Y.A.: Μεταφορά

Θερμότητας Μια Πρακτική Προσέγγιση, Εκδόσεις Τζιόλα, 2005.

Page 39: ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΙΙ Ενόηα 1 Μαφορά … › modules › document › file.php › METAL...Εξαναγκαμένη και φυική υναγωγή

Χρηματοδότηση

• Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια

του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα.

• Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα Ε.Μ.Π.» έχει

χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του

εκπαιδευτικού υλικού.

• Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού

Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και

συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση

(Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.