Bij warmteoverdracht verbetert het verhogen van de massastroom de convectieve warmteoverdracht, volgens de relatie q = ṁCpΔT, waarbij q de warmteoverdrachtsnelheid is, ṁ de massastroomsnelheid, Cp de soortelijke warmte en ΔT het temperatuurverschil is. Een stijging van het massadebiet met 30% kan bijvoorbeeld leiden tot een stijging van de warmteoverdrachtssnelheid met 30%, uitgaande van constante Cp en ΔT. Deze lineaire relatie geldt vooral in scenario's met gedwongen convectie.
Het massadebiet of het volumedebiet varieert de warmteoverdracht met directe relatie. Bij convectiewarmteoverdracht speelt het massadebiet een cruciale rol.
De verbetering van de convectieve warmteoverdracht is handig door het massadebiet of het volumedebiet van het systeem te verhogen. De massastroomsnelheid is een functie van de dichtheid, snelheid en dwarsdoorsnede die de vloeistof passeert.
m° = ρ Een v
Waar,
Image Credit Wikipedia
- ρ = Dichtheid van de vloeistof in kg/m3
- A = dwarsdoorsnede in m2
- v = Snelheid van de vloeistof in m/s
de relatie van massadebiet en de warmteoverdrachtssnelheid wordt uitgedrukt zoals hieronder,
ΔQ = m° Cp ΔT
waar,
- ΔQ = Snelheid van warmteoverdracht (kW)
- m° = Massadebiet (kg/s of LPM)
- ΔT = Temperatuurverschil in Kelvin
Hoe beïnvloedt de stroomsnelheid de warmteoverdracht
Hogere stroomsnelheden verbeteren de warmteoverdracht als gevolg van de hogere vloeistofsnelheid, wat de dikte van de thermische grenslaag vermindert, wat leidt tot een hogere temperatuurgradiënt. Dit effect, gekwantificeerd door het Nusseltgetal (Nu), vertoont een directe correlatie met het Reynoldsgetal (Re) en het Prandtlgetal (Pr), wat aangeeft dat een toename van het debiet met 10% de warmteoverdracht met wel 15% kan verbeteren, afhankelijk van de specifieke vloeistofdynamica en thermische eigenschappen van het systeem. Empirisch illustreert de Dittus-Boelter-vergelijking (Nu = 0.023Re^0.8Pr^0.4) voor turbulente stroming in pijpen deze relatie.
Hoe beïnvloedt de massastroom de warmteoverdracht?
De warmteoverdracht hangt af van vele factoren zoals temperatuurverschil, snelheid etc.
de warmteoverdracht snelheid ΔQ is evenredig met de massastroomsnelheid m° in directe relatie. Het betekent dat de warmteoverdracht toeneemt met een verhoging van de massastroom
Het massadebiet m° of het volumedebiet V° is de werkelijke massa (m) of volume (v) die per tijdseenheid door het systeem circuleert. Het wordt gegeven in Kg/s of LPM (liter per min).
De vergelijking van warmteoverdracht in relatie tot massastroom is,
ΔQ = m° Cp ΔT
waar,
- ΔQ = Snelheid van warmteoverdracht (kW)
- m° = Massadebiet (kg/s of LPM)
- ΔT = Temperatuurverschil in Kelvin
- Cp = Specifieke warmte bij constante druk (kJ/kg K)
Deze vergelijking is elementair in de thermodynamica om warmteoverdracht te berekenen.
De warmteoverdracht kan worden verbeterd door de massastroom van het systeem te vergroten.
Bij voorbeeld :
Stel dat er koelmiddel door de verdamper en condensor circuleert met een bepaald massadebiet X.
Nu wordt de behoefte aan koeling vergroot. Als we de koelkast op max zetten, zal de massastroom van het koelmiddel toenemen. De verandering in massastroomsnelheid m° kan de warmteoverdrachtprestaties van het systeem verbeteren.
In elke warmtewisselaar, kan de warmteoverdracht worden verbeterd door de massastroom van het koelmiddel of de werkvloeistof te vergroten.
Hoe de massastroom uit de warmte te berekenen??
Het massadebiet wordt berekend uit de warmteoverdrachtsvergelijking
Het massadebiet kan worden berekend met de warmteoverdrachtsvergelijking ΔQ = m° Cp ΔT. Het wordt ook gemeten met behulp van een stroommeetinstrument.
Als we waarden hebben van de warmteoverdrachtssnelheid (kW), soortelijke warmte bij constante druk (kJ/kg K) en het temperatuurverschil in K.
Het massadebiet wordt over het algemeen gemeten in plaats van een berekening op basis van warmte. Het wordt gemeten met stroommeetinstrumenten zoals rotameter, Coriolis-meter, orifice-meter, venturimeter enz.
De massadebiet heeft een lineaire relatie met de snelheid. Als we de snelheid van de werkvloeistof veranderen, zal de massastroomsnelheid veranderen.
de variatie van massadebiet is nodig wanneer we de andere parameter zoals temperatuurverschil of soortelijke warmte niet kunnen wijzigen. Water wordt standaard gebruikt vloeistof in de meeste warmteoverdrachtsystemen.
m° = ΔQ /Cp ΔT
De massastroomsnelheid van het systeem wordt gemeten of berekend als het systeem begint te werken met een constante stroom.
Massastroomsnelheid en warmteoverdrachtscoëfficiënt
De warmteoverdrachtscoëfficiënt (h) is een functie van de convectieve warmte.
De warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt verhoogd met de toenemende snelheid van de werkvloeistof. De massastroomsnelheid heeft directe relatie met snelheid.
Volgens de afkoelingswet van Newton is The convectieve warmteoverdracht ΔQ is evenredig met de warmteoverdrachtscoëfficiënt in directe relatie.
ΔQ = h EEN ΔT
Waar,
- h = warmteoverdrachtscoëfficiënt in W/m2 K
- A = dwarsdoorsnede in m2
- ΔT = Temperatuurverschil tussen de warme kant en de koude kant in K (Kelvin)
- ΔQ = Snelheid van convectieve warmteoverdracht in kW
Het Nusselt-getal wordt uitgedrukt als de warmteoverdracht met convectie delen door warmteoverdracht met geleiding
Nu = hl/k
Waar
- h = warmteoverdrachtscoëfficiënt W/m2 K
- l = Effectieve lengte voor warmteoverdracht in m
- k = Warmtegeleiding (W/mK)
De convectieve warmteoverdracht wordt over het algemeen gegeven met het Nusselt-getal. Het Nusseltgetal wordt ook gelijkgesteld in functie van Reynolds getal Re en het Prandtl-nummer Pr.
Het Reynoldgetal is de functie van de snelheid. De massa debiet van systeem is functie van de snelheid van vloeistof.
Er is dus een lineaire variatie m° en de warmteoverdrachtscoëfficiënt (h).
Totale warmteoverdrachtscoëfficiënt en massastroom
De verschillende lagen van het warmteoverdrachtssysteem hebben een thermische weerstand.
De totale warmteoverdracht is afhankelijk van de geometrie van het systeem en de verschillende thermische weerstanden.
De notatie van de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt is de U-factor. De warmteoverdrachtssnelheid ΔQ is evenredig met de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt in directe relatie.
ΔQ = UA ΔT
Dit is warmteoverdracht in onstabiele toestand. De totale warmteoverdrachtscoëfficiënt kan worden omschreven als hoe beter warmte wordt uitgewisseld door de thermische weerstand. Er zijn drie (3) modi zoals hieronder.
- Geleiding
- convectie
- Bestraling
Image Credit Wikipedia
De warmteoverdracht door de muur is geleiding. De warmte-uitwisseling tussen het oppervlak van het object en de lucht die in de omgeving circuleert, is warmteoverdracht van het convectietype. De warmteoverdracht van het wandoppervlak naar de atmosfeer of een ander lichaam door elektromagnetische golven is stralingswarmteoverdracht.
De totale warmteoverdrachtssnelheid wordt voornamelijk beschouwd om verschillende geometrieën voor warmteoverdracht te bestuderen. Het is de toevoeging van de geleidingswarmteoverdrachtscoëfficiënt en convectiewarmteoverdrachtscoëfficiënt (h). Het is de totale som van de individuele warmteoverdrachtssnelheid.
Het is nuttig om het probleem van individuele warmteoverdracht te identificeren en het systeem aan te passen. Als het debiet hoog is, genereert de snelheid hogere wervelingen in het systeem. De hogere wervels zijn verantwoordelijk voor de verbetering van de warmteoverdracht.
Neemt de warmteoverdracht toe met het debiet?
Deze drie manieren van warmteoverdracht door het lichaam
De snelheid van warmteoverdracht ΔQ varieert lineair met de stroomsnelheid. Het debiet kan ofwel het massadebiet (m°) of het volumedebiet (m°) zijn. De warmteoverdracht neemt altijd toe met de toename van het debiet.
Warmteoverdracht heeft een directe relatie met het debiet. Dus het wordt verhoogd of verlaagd overeenkomstige verandering in de stroomsnelheid.
Ik ben Deepak Kumar Jani, bezig met een doctoraat in mechanisch-hernieuwbare energie. Ik heb vijf jaar onderwijservaring en twee jaar onderzoekservaring. Mijn interessegebieden zijn thermische techniek, autotechniek, mechanische metingen, technische tekeningen, vloeistofmechanica enz. Ik heb een patent aangevraagd op "Hybridisatie van groene energie voor energieproductie". Ik heb 17 onderzoeksartikelen en twee boeken gepubliceerd.
Ik ben blij deel uit te maken van Lambdageeks en wil graag een deel van mijn expertise op een simplistische manier aan de lezers presenteren.
Naast academici en onderzoek houd ik ervan om door de natuur te dwalen, de natuur vast te leggen en mensen bewust te maken van de natuur.
Zie ook mijn You-tube Kanaal over “Invitation from Nature”