Wymiana ciepła i masy

Moduł zapoznaje z poszczególnymi rodzajami ustalonej i nieustalonej wymiany ciepła: przewodzeniem, konwekcją naturalną i wymuszoną oraz promieniowaniem cieplnym. Wszystkie one są przybliżane przez ćwiczenia obliczeniowe i pomiary laboratoryjne wykonywane m.in. na stanowiskach służących celom naukowym, a także przez symulacje numeryczne wybranych zagadnień.

Treści kształcenia

- 1. Przewodzenie - prawo Fouriera . Równanie nieustalonego przewodzenia ciepła jedno i wielowymiarowego ze źródłami ciepła w różnych układach współrzędnych, szczególne przypadki. Przewodność cieplna materiałów; 2. Przejmowanie ciepła. Krytyczna średnica izolacji. 3. Przewodzenie 2-wymiarowe - rozwiązanie analityczne-przykład. Współczynniki kształtu. 4. Nieustalone przewodzenie ciepła - system skupiony z akumulacją; 5. Nieustalona wymiana ciepła dla ciał z konwekcyjnym warunkiem brzegowym - przypadki: półprzestrzeni, nieskończonej płyty i walca oraz kuli. wykresy Heislera i Grobera i kombinacje rozwiązań; 6. Konwekcja wymuszona - prawo Newtona dla konwekcji Równanie Bernouliego dla przepływu nielepkiego i równanie energii dla płynów ściśliwych. Konwekcja wymuszona przy płaskiej płycie. 7. Laminarna warstwa przyścienna: r.ciągłości masy, r. pędu. rozwiązanie na prędkość i grubość warstwy granicznej dla dp/dx = 0, przykład wartości; 7. Równie energii dla laminarnej warstwy granicznej przy płaskiej płycie. Termiczna warstwa graniczna - określenie, całkowe ogólne r. energii. Grubość termicznej warstwy granicznej, miejscowa i średnia liczba Nuselta; 8. Konwekcyjna wymiana ciepła w rurce przy przepływie laminarnym ; 9. Konwekcja swobodna przy pionowej płytce: siły masowe, równanie ruchu, równanie energii, liczba Grashofa, rozwiązanie na liczbę Nusselta, przykłady zależności empirycznych; 10. Promieniowanie cieplne: mechanizm fizyczny, właściwości ciał , prawo Stefana-Boltzmana, tożsamość Kirchhoffa, prawo rozkładu energii Plancka, reguła przesunięć Wiena, ciała szare. Współczynnik kształtu dla promieniowania; prawo wzajemności; 11. Intensywność promieniowania: prawo Lamberta.Zależność między współczynnikami kształtu. Promieniowanie gazów. Promieniowanie przez medium absorbujące i przepuszczające 12. Wymienniki ciepła: typy wymienników ciepła, problemy konstrukcyjne; 13. Wymiana masy.

- Ogólne równanie transportu dowolnej zmiennej: dyfuzja, konwekcja, generacja, akumulacja. Metoda różnic skończonych: dyskretyzacja w przestrzeni, szereg Taylora, błąd obcięcia, warunki brzegowe. Metoda objętości skończonych: dyskretyzacja w przestrzeni, zasada zachowania dowolnej zmiennej, dyskretyzacja pochodnych, warunki brzegowe. Metoda elementów skończonych: dyskretyzacja w przestrzeni, funkcje kształtu, rodzaje i rząd elementów, dyskretyzacja równań, metoda pozostałości ważonej, funkcje wagi, metoda Galerkina, układ równań liniowych w postaci macierzowej, warunki brzegowe.

- 1. Ustalone przewodzenie przez ścianki płaskie i cylindryczne; 2. Ustalone przenikanie ciepła przez ścianki płaskie i cylindryczne; 3. Ustalona wymiana ciepła za pośrednictwem żeber; 4. Nieustalona wymiana ciepła systemu skupionego i półprzestrzeni; 5. Konwekcja wymuszona bez zmiany fazy; 6. Konwekcja swobodna bez zmiany fazy; 7. Promieniowanie cieplne

- 1. Pomiar strat ciepła przez przegrody za pomocą miernika typu ścianka pomocnicza; 2. Wyznaczanie dyfuzyjności cieplnej metodą stanu uporządkowanego; 3. Doświadczalne określenie współczynnika przejmowania ciepła w warunkach nieustalonej wymiany ciepła w ciele stałym; 4. Wyznaczanie współczynnika wymiany masy / ciepła techniką elektrolityczną

- Wyznaczanie współczynnika wymiany masy / ciepła metodą sublimacji naftalenu

- Symulacje numeryczne zagadnień wymiany ciepła w środowisku ANSYS Mechanical. Reprezentacja geometrii 1D, 2D i 3D. Warunki brzegowe pierwszego i drugiego rodzaju. Warunek brzegowy symetrii. Rodzaje elementów w ANSYS Mechanical. Reprezentacja 2D osiowosymetryczna. Konfiguracja domeny o kilku regionach. Zagadnienia nieliniowe: właściwości materiałowe i warunki brzegowe zależne od temperatury. Objętościowa generacja ciepła. Opór kontaktowy. Zagadnienie wymiany ciepła w stanie nieustalonym. Zagadnienie proste i odwrotne wymiany ciepła. Promieniowanie do otoczenia i pomiędzy powierzchniami domeny. Wyniki symulacji - całkowita moc cieplna wymieniana przez powierzchnię. Zagadnienie konwekcji wymuszonej z pełnym rozwiązaniem pola prędkości w ANSYS Fluent.

Literatura wykorzystywana podczas zajęć wykładowych

J. Madejski - Teoria wymiany ciepła; wyd II - Wyd. Uczeln. Pol. Szczecińskiej. - 1998

S. Wiśniewski - Wymiana ciepła - PWN. - 2002

B. Staniszewski - Wymiana ciepła - WNT. - 2000

R.W. Lewis, P. Nithiarasu, K.N. Seetharamu - Fundamentals of the Finite Element Method for Heat and Fluid Flow - Wiley & Sons. - 2004

Literatura wykorzystywana podczas zajęć ćwiczeniowych/laboratoryjnych/innych

F. Wolańczyk - Wymiana ciepła. Przykłady i zadania. Materiały pomocnicze - Oficyna Wydawn.Pol. Rzesz.. - 2002

B. Bieniasz - red. - Wymiana ciepła i masy. Laboratorium - Oficyna Wydawn. Pol. Rzesz.. - 2001

J. Wilk, R. Smusz - Wymiana ciepła. Tablice i wykresy. Materiały pomocnicze - Oficyna Wydawn. Pol. Rzesz.. - 2003

ANSYS, Inc. - ANSYS Fluent User’s Guide, Release 18.2 - . - 2018

ANSYS, Inc. - ANSYS Mechanical User’s Guide, Release 18.2 - . - 2018

Literatura do samodzielnego studiowania

J. Madejski - Wymiana ciepła w turbinach cieplnych - Ossolineum. - 1988

T. Hobler - Ruch ciepła i wymienniki; Wyd. 6 - WNT. - 1986

Literatura uzupełniająca

P. Furmański, R. Domański - Wymiana ciepła. Przykłady obliczeń i zadania - Oficyna Wydawn. Pol. Warsz.. - 2004

R. Domański, M. Jaworski, T.S. Wiśniewski - Wymiana ciepła. Laboratorium dydaktyczne - Oficyna Wydawn. Pol. Warsz.. - 2002