Lösningsförslag uppgift 5: Luft (1 atm) med temperaturen 25°C strömmar med hastigheten 12 m/s ovan en plan slät yta med längden 10 m. Uppskatta den högsta temperaturen på ytan om ytan utsätts för ett konstant värmeflöde på 320 W/m2. Antaganden 1 Kritiskt Reynolds tal är Recr = 5105. 2 Värmestrålning från ytan till omgivning försummas. 3 Fluidparametrar tas vid 25C. Fluidparametrar Egenskaper f ör luft vid 25C (Table A-15) k  0.02551 W/m. C   1.562  10 -5 m 2 /s Pr  0.7296 Luft V = 12 m/s T = 25C Analys Den konvektiva värmeöverföringen från ytan är den samma som det konstanta värmeflödet, 320 W/m2, in mot ytan. Den högsta yttemperaturen beräknas med värmebalansen enligt: 320  q conv  hx (Ts  T )   Ts ( x)  T  q conv hx Den högsta yttemperaturen erhålls således där vi har lägsta värdet för det lokala h-värdet. Det kritiska Reynoldstalet ger att laminär strömning gäller från ytans framkant till: Re Crit  500000  [1.562  10 5 m 2 /s] x   0,65 m V 12 m/s Lokalt Nu-tal och därmed h-värdet vid laminär gränsskiktströmning ges av följande: hL 0.5  0.453 Re x Pr1 / 3  0.453(500000) 0.5 (0.7296)1 / 3  288,4 k k 0.02551 W/m. C h  Nu  (288,4)  11,32 W/m 2 .C L 0,65 m Nu  Vid omslaget från laminär till turbulent strömning ökar hvärdet som dock på nytt avtar med tillväxande turbulent gränsskikt. L=10m 320 W/m2 Det lägsta h-värdet erhålls vid ytans bakkant, dvs för x=L: Re x  L  V L   [12 m/s](10 m)  7.68  10 6 5 2 1.562  10 m /s Lokalt h-värde beräknas i detta fall med korrelationen för lokalt Nu-tal enligt: hL 0.8  0.0308 Re X Pr1 / 3  0.0308(7.68  10 6 ) 0.8 (0.7296)1 / 3  8940 k k 0.02551 W/m. C h  Nu  (8940)  22.8 W/m 2 .C L 10 m Nu  Den lokalt högsta yttemperaturen får vi således strax före omslaget från laminärt till turbulent strömning, h = 11,3 W/m2C enligt: 320  q conv  h(Ts  T )   Ts ( x  L)  T  q conv 320 W/m 2  25C +  53.3C h 11,3 W/m 2 .C Svar: högsta lokala yttemperatur fås före x = 0,65 m och den blir ca 53C. Kommentar: I början av ytan där lokalt extremt höga h-värden råder blir yttemperaturen identisk med den ostörda fluidens temperatur, T∞. Lösningsförslag uppgift 6: Härled, med utgångspunkt från lokalt Nu-tal, uttrycket för det genomsnittliga Nu-talet vid laminär strömning ovan en plan slät yta, som har konstant temperatur. Lokalt Nu-tal vid laminär strömning ovan en plan slät yta, som har konstant temperatur är hx x  Nu x  0,332  Re1x/ 2 Pr1 / 3 k Dvs värmeövergångskoefficienten, hx, kan uttryckas enligt: hx  k  0,332  Re1X/ 2 Pr1 / 3  x V  x  hx  k  0,332  Pr      1/ 2 1/ 3 V  hx  k  0,332  Pr     1/ 2 1  x 1 1/ 3 x1 / 2 Genomsnittlig värmeövergångskoefficient, h, definieras enligt: L 1 h   hx dx L0 Alltså det genomsnittliga Nu-talet vid laminär strömning ovan en plan slät yta, som har konstant temperatur erhålls genom följande analys: 1/ 2 L k V  h   0,332  Pr1 / 3   L   x dx   k V   0,332  Pr1 / 3   L   2  x1 / 2 1/ 2 k V  h   2  0,332  Pr1 / 3   L   1/ 2 hL  VL   2  0,332    k   1/ 2 0 1/ 2 h 1 Pr1 / 3 Dvs hL  Nu  0,664  Re1L/ 2 Pr1 / 3 k  L 0   L1 / 2  0  Lösningsförlag uppgift 7: I en industriprocess avser man att värma vatten från 20ºC till 90ºC med högtempererad luft (1 atm) vid 250ºC. Värmeväxlingen är tänkt att genomföras med en motströmsvärmeväxlare med 5 m2 värmeöverförande yta och värme-genomgångskoefficienten 220 W/m2ºC. Frågan du skall besvara är hur stort får vattenflödet vara om luftflödet är 1620 kg/timme. Cold Water 20C Hot Air 250C 0,45 kg/s Th,e 90C Eftersom vi inte kan bestämma vilkt av fluiderna som utgör Cmin och heller inte känner samtliga in- och utloppstemperaturer, så kan frågan inte besvaras genom att direkt tillämpa antingen LMTD- eller NTU-metoden. Vi får istället lösa problemet med antagande och sk “trial-and-error” beräkning. Exempelvis kan detta göras enligt följande: Analys korrektionsfaktorn, F = 1, eftersom vi har motströmsvärmeväxlare, dvs Q  UA  Tlm där Tlm  260  93  Th,e  20  260  93 ln    Th ,e  20  Vi kan även beräkna värmebalansen enligt följande:      250  90  Th ,e  20 Q  C Air 250  Th,e   CWater 90  20  C Air 250  Th,e   UA   250  90   ln      Th,e  20    I CAir, uppskattas CpAir (CpAir250 + CpAir20)/2 = 1020 J/kgK. Därmed kan CAir beräknas (0,45x1020) och luftens utloppstemperatur, Th,e, beräknas med passningsräkning eller “trialand-error”. Th,e blir ca 54,3ºC. Specifika värmekapaciteten för vattnet, CWater, medelvärdesbildas (90, 20)ºC och blir 4183 J/kgK. Massflödet av vatten beräknas slutligen ur värmebalansen: C Air 250  54,3  CWater 90  20  m Water  0,45  1020  250  54,3  0,307 kg / s 4183  90  20 Svar: massflödet vatten får vara ca 1100 kg/timme. Konstaterar också att Cmin = CAir .