Hmotnostní průtok a přenos tepla: Efekt, vztah, problémy

Při přenosu tepla zvyšující se hmotnostní průtok zesiluje přenos tepla konvekcí, podle vztahu q = ṁCpΔT, kde q je rychlost přenosu tepla, ṁ je hmotnostní průtok, Cp je měrné teplo a ΔT je teplotní rozdíl. Například 30% nárůst hmotnostního průtoku může vést k 30% nárůstu rychlosti přenosu tepla za předpokladu konstantních Cp a AT. Tento lineární vztah platí zejména ve scénářích nucené konvekce.

Hmotnostní průtok nebo objemový průtok mění přenos tepla s přímým vztahem. Při přenosu tepla konvekcí hraje zásadní roli hmotnostní průtok.

Zlepšení přenosu tepla konvekcí je výhodné zvýšením hmotnostního průtoku nebo objemového průtoku systému. Hmotnostní průtok je funkcí hustoty, rychlosti a plochy průřezu, kterou tekutina prochází.

m° = ρ A v

Kde,

hmotnostní průtok a přenos tepla
Hmotnostní průtok
Kredit Wikipedia
  • ρ = Hustota kapaliny v kg/m3
  • A = plocha průřezu vm2
  • v = rychlost tekutiny v m/s

Vztah k hmotnostní průtok a rychlost přenosu tepla je vyjádřena níže,

AQ = m° Cp AT

kde,

  • ΔQ = rychlost přenosu tepla (kW)
  • m° = hmotnostní průtok (kg/s nebo LPM)
  • ΔT = teplotní rozdíl v Kelvinech

Jak průtok ovlivňuje přenos tepla

Vyšší průtoky zvyšují přenos tepla díky zvýšené rychlosti tekutiny, což snižuje tloušťku tepelné mezní vrstvy, což vede k vyššímu teplotnímu gradientu. Tento efekt, kvantifikovaný Nusseltovým číslem (Nu), ukazuje přímou korelaci s Reynoldsovým číslem (Re) a Prandtlovým číslem (Pr), což naznačuje, že 10% zvýšení průtoku může zlepšit přenos tepla až o 15 %, v závislosti na specifická dynamika tekutin a tepelné vlastnosti systému. Empiricky, pro turbulentní proudění v potrubí, Dittus-Boelterova rovnice (Nu = 0.023Re^0.8Pr^0.4) ilustruje tento vztah.

Jak hmotnostní průtok ovlivňuje přenos tepla?

Projekt přenos tepla závisí na mnoha faktorech, jako je teplotní rozdíl, rychlost atd.

Přenos tepla rychlost ΔQ je přímo úměrná hmotnostnímu průtoku m°. To znamená, že přenos tepla se zvyšuje se zvyšujícím se hmotnostním průtokem

Hmotnostní průtok m° nebo objemový průtok V° je skutečná hmotnost (m) nebo objem (v) cirkulující systémem za jednotku času. Udává se v kg/s nebo LPM (litr za minutu).

Rovnice přenosu tepla ve vztahu k hmotnostnímu průtoku je,

AQ = m° Cp AT

kde,

  • ΔQ = rychlost přenosu tepla (kW)
  • m° = hmotnostní průtok (kg/s nebo LPM)
  • ΔT = teplotní rozdíl v Kelvinech
  • Cp = měrné teplo při konstantním tlaku (kJ/kg K)

Tato rovnice je elementární v termodynamice pro výpočet přenosu tepla.

Přenos tepla může být zvýšen zvýšením hmotnostního průtoku systému.

Například :

Předpokládejme, že chladivo cirkuluje přes výparník a kondenzátor při specifickém hmotnostním průtoku X.

Nyní se zvyšují požadavky na chlazení. Pokud nastavíme chladničku na maximum, hmotnostní průtok chladiva se zvýší. Změna hmotnostního průtoku m° může zvýšit výkon systému při přenosu tepla.

V každém výměník teplapřenos tepla může být zvýšen zvýšením hmotnostního průtoku chladiva nebo pracovní tekutiny.

Jak vypočítat hmotnostní tok z tepla?

Hmotnostní průtok se vypočítá z rovnice přenosu tepla

Hmotnostní průtok lze vypočítat pomocí rovnice přenosu tepla ΔQ = m° Cp ΔT. Měří se také pomocí průtokoměru.

Máme-li hodnoty rychlosti přenosu tepla (kW), měrného tepla při konstantním tlaku (kJ/kg K) a teplotního rozdílu v K.

Hmotnostní průtok se obecně měří spíše než výpočet z tepla. Měří se pomocí přístrojů na měření průtoku, jako je rotametr, Coriolisův měřič, clonový měřič, venturimetr atd.

Projekt hmotnostní průtok má lineární vztah s rychlostí. Pokud změníme rychlost pracovní tekutiny, změní se hmotnostní průtok.

Variace na hmotnostní průtok je potřeba, když nemůžeme změnit další parametr, jako je teplotní rozdíl nebo měrné teplo. Jako standardní práce se používá voda kapalina ve většině systémů přenosu tepla.

m° = AQ/Cp AT

Hmotnostní průtok systému se měří nebo vypočítává, když systém začíná pracovat s ustáleným průtokem.

Hmotnostní průtok a součinitel prostupu tepla

Součinitel prostupu tepla (h) je funkcí konvekčního tepla.

Součinitel prostupu tepla se zvyšuje s rostoucí rychlostí pracovní tekutiny. The hmotnostní průtok má přímý vztah s rychlostí.

Podle Newtonova zákona chlazení, The konvekční přenos tepla ΔQ je přímo úměrné součiniteli prostupu tepla.

ΔQ = h A AT

Kde,

  • h = součinitel prostupu tepla ve W/m2 K
  • A = plocha průřezu vm2
  • ΔT = teplotní rozdíl mezi teplou a studenou stranou v K (Kelvin)
  • ΔQ = Rychlost přenosu tepla konvekcí v kW

Nusseltovo číslo je vyjádřeno jako přestup tepla s konvekcí dělený přestupem tepla s vedením

Nu = hl/k

Kde

  • h = součinitel prostupu tepla W/m2 K
  • l = efektivní délka pro přenos tepla vm
  • k = Tepelná vodivost (W/mK)

Přenos tepla konvekcí se obecně udává Nusseltovým číslem. Nusseltovo číslo je také ztotožňováno ve funkci Reynoldsovo číslo Re a Prandtlovo číslo Pr.

Reynoldovo číslo je funkcí rychlosti. Hmotnost průtok systému je funkcí rychlosti tekutiny.

Existuje tedy lineární variace m° a součinitel prostupu tepla (h).

Celkový součinitel prostupu tepla a hmotnostní průtok

Různé vrstvy systému přenosu tepla mají tepelný odpor.

Celkový přenos tepla je závislý na geometrii systému a různém tepelném odporu.

Celkový součinitel prostupu tepla se uvádí jako U-faktor. Rychlost prostupu tepla ΔQ je přímo úměrná celkovému součiniteli prostupu tepla.

ΔQ = UA ΔT

Jedná se o nestabilní přenos tepla. Celkový součinitel prostupu tepla lze formulovat jako lepší výměnu tepla prostřednictvím tepelného odporu. Existují tři (3) režimy, jak je uvedeno níže.

  • Vedení
  • proudění
  • Záření
hmotnostní průtok a přenos tepla
Způsoby přenosu tepla
Kredit Wikipedia

Přenos tepla stěnou je vedením. Výměna tepla mezi povrchem objektu a vzduchem cirkulujícím v okolí je přenos tepla konvekčního typu. Přenos tepla z povrchu stěny do atmosféry nebo jiného tělesa prostřednictvím elektromagnetických vln je přenos tepla zářením.

Celková rychlost přenosu tepla je uvažována hlavně pro studium různé geometrie pro přenos tepla. Jedná se o součet součinitele prostupu tepla vedením a součinitele prostupu tepla konvekcí (h). Je to celkový součet jednotlivých rychlostí přenosu tepla.

Je užitečné identifikovat problém individuálního přenosu tepla a upravit systém. Pokud je průtok vysoký, rychlost generuje vyšší víry v systému. Vyšší víry jsou zodpovědné za zlepšení přenosu tepla.

Zvyšuje se přenos tepla s průtokem?

Tyto tři způsoby přenosu tepla tělem

Rychlost přenosu tepla ΔQ se mění lineárně s průtokem. Průtok může být buď hmotnostní průtok (m°) nebo objemový průtok (m°). Přenos tepla se vždy zvyšuje s rostoucím průtokem.

Přenos tepla má přímou souvislost s průtokem. Tak se zvýší nebo sníží odpovídající změna průtoku.