Nel trasferimento di calore, l'aumento della portata massica migliora il trasferimento di calore convettivo, seguendo la relazione q = ṁCpΔT, dove q è la velocità di trasferimento del calore, ṁ è la portata massica, Cp è il calore specifico e ΔT è la differenza di temperatura. Ad esempio, un aumento del 30% della portata massica può portare ad un aumento del 30% della velocità di trasferimento del calore, assumendo Cp e ΔT costanti. Questa relazione lineare è vera soprattutto negli scenari di convezione forzata.
La portata massica o la portata volumetrica variano il trasferimento di calore in relazione diretta. Nel trasferimento di calore per convezione, la portata massica gioca un ruolo fondamentale.
Il miglioramento del trasferimento di calore convettivo è conveniente aumentando la portata massica o la portata volumetrica del sistema. La portata massica è funzione della densità, della velocità e dell'area della sezione trasversale che il fluido sta attraversando.
m° = ρA v
Dove,
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- ρ = Densità del fluido in kg/m3
- A = area della sezione trasversale in m2
- v = Velocità del fluido in m/s
La relazione di portata massica e la velocità di trasferimento del calore è espressa come di seguito,
ΔQ = m° Cp ΔT
dove,
- ΔQ = Tasso di scambio termico (kW)
- m° = Portata massica (kg/s o LPM)
- ΔT = Differenza di temperatura in Kelvin
In che modo la portata influisce sul trasferimento di calore
Portate più elevate migliorano il trasferimento di calore grazie alla maggiore velocità del fluido, che riduce lo spessore dello strato limite termico, portando a un gradiente di temperatura più elevato. Questo effetto, quantificato dal numero di Nusselt (Nu), mostra una correlazione diretta con il numero di Reynolds (Re) e il numero di Prandtl (Pr), indicando che un aumento del 10% della portata può migliorare il trasferimento di calore fino al 15%, a seconda della specifiche proprietà fluidodinamiche e termiche del sistema. Empiricamente, per il flusso turbolento nei tubi, l'equazione Dittus-Boelter (Nu = 0.023Re^0.8Pr^0.4) illustra questa relazione.
In che modo la portata massica influisce sul trasferimento di calore?
I trasferimento di calore dipende da molti fattori come differenza di temperatura, velocità, ecc.
Il trasferimento di calore la portata ΔQ è proporzionale alla portata massica m° in relazione diretta. Significa che il trasferimento di calore aumenta con l'aumento della portata massica
La portata massica m° o la portata volumetrica V° è la massa effettiva (m) o il volume (v) che circola nel sistema per unità di tempo. È espresso in Kg/s o LPM (litri al minuto).
L'equazione del trasferimento di calore in relazione alla portata massica è,
ΔQ = m° Cp ΔT
dove,
- ΔQ = Tasso di scambio termico (kW)
- m° = Portata massica (kg/s o LPM)
- ΔT = Differenza di temperatura in Kelvin
- Cp = Calore specifico a pressione costante (kJ/kg K)
Questa equazione è elementare in termodinamica per calcolare il trasferimento di calore.
Il trasferimento di calore può essere migliorato aumentando la portata massica del sistema.
Per esempio :
Supponiamo che il refrigerante circoli attraverso l'evaporatore e il condensatore alla portata massica specifica X.
Ora, il requisito per il raffreddamento è aumentato. Se mettiamo il frigorifero al massimo, la portata massica del refrigerante aumenterà. La variazione della portata massica m° può migliorare le prestazioni di trasferimento del calore del sistema.
In qualunque scambiatore di calore, il trasferimento di calore può essere migliorato aumentando la portata massica del liquido di raffreddamento o del fluido di lavoro.
Come calcolare la portata massica dal calore?
La portata massica è calcolata dall'equazione di scambio termico
La portata massica può essere calcolata mediante l'equazione di scambio termico ΔQ = m° Cp ΔT. Viene anche misurato utilizzando uno strumento di misurazione del flusso.
Se abbiamo i valori della velocità di trasferimento del calore (kW), del calore specifico a pressione costante (kJ/kg K) e della differenza di temperatura in K.
La portata massica viene generalmente misurata piuttosto che calcolata dal calore. Viene misurato con strumenti di misura del flusso come rotametro, misuratore di Coriolis, misuratore di orifizio, venturimetro ecc.
I portata massica ha una relazione lineare con la velocità. Se cambiamo la velocità del fluido di lavoro, la portata massica cambierà.
La variazione di portata massica è necessario quando non possiamo modificare l'altro parametro come la differenza di temperatura o il calore specifico. L'acqua viene utilizzata come standard di lavoro fluido nella maggior parte dei sistemi di trasferimento del calore.
m° = ΔQ /Cp ΔT
La portata massica del sistema viene misurata o calcolata quando il sistema inizia a funzionare con flusso costante.
Portata massica e coefficiente di scambio termico
Il coefficiente di scambio termico (h) è funzione del calore convettivo.
Il coefficiente di scambio termico aumenta con l'aumentare della velocità del fluido di lavoro. Il la portata massica ha una relazione diretta con velocità.
Secondo la legge del raffreddamento di Newton, The trasferimento di calore convettivo ΔQ è proporzionale al coefficiente di scambio termico in relazione diretta.
ΔQ = h UN ΔT
Dove,
- h = coefficiente di scambio termico in W/m2 K
- A = area della sezione trasversale in m2
- ΔT = Differenza di temperatura tra lato caldo e lato freddo in K (Kelvin)
- ΔQ = Tasso di scambio termico convettivo in kW
Il numero di Nusselt è espresso come trasferimento di calore con convezione diviso per trasferimento di calore con conduzione
Nu = hl/k
Dove
- h = coefficiente di scambio termico W/m2 K
- l = Lunghezza effettiva per il trasferimento di calore in m
- K = Conduttività termica (W / mK)
Il trasferimento di calore convettivo è generalmente dato con il numero di Nusselt. Anche il numero di Nusselt è eguagliato in funzione di Numero di Reynolds Re e il numero Prandtl Pr.
Il numero di Reynold è la funzione della velocità. La massa Portata del sistema è funzione della velocità del fluido.
Quindi, c'è una variazione lineare m° e il coefficiente di scambio termico (h).
Coefficiente di scambio termico complessivo e portata massica
I diversi strati del sistema di trasferimento del calore possiedono una resistenza termica.
Il trasferimento di calore complessivo dipende dalla geometria del sistema e dalla diversa resistenza termica.
La notazione del coefficiente di scambio termico complessivo è il fattore U. La velocità di trasferimento del calore ΔQ è proporzionale al coefficiente di trasferimento del calore complessivo in relazione diretta.
ΔQ = UA ΔT
Questo è il trasferimento di calore in stato instabile. Il coefficiente di scambio termico complessivo può essere espresso come il modo migliore per scambiare il calore attraverso la resistenza termica. Ci sono tre (3) modalità come di seguito.
- Conduzione
- convezione
- Radiazione
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Il trasferimento di calore attraverso la parete è la conduzione. Lo scambio di calore tra la superficie dell'oggetto e l'aria che circola nell'ambiente è un trasferimento di calore di tipo convezione. Il trasferimento di calore dalla superficie della parete all'atmosfera o ad altri corpi attraverso le onde elettromagnetiche è il trasferimento di calore per radiazione.
La velocità di trasferimento del calore complessiva è principalmente considerata per studiare la diversa geometria per il trasferimento del calore. È la somma del coefficiente di scambio termico di conduzione e del coefficiente di scambio termico di convezione (h). È la somma totale della velocità di trasferimento del calore individuale.
È utile identificare il problema del trasferimento di calore individuale e modificare il sistema. Se la portata è elevata, la velocità genera vortici più elevati nel sistema. I vortici più alti sono responsabili del miglioramento del trasferimento di calore.
Il trasferimento di calore aumenta con la portata?
Queste tre modalità di trasferimento del calore attraverso il corpo
La velocità di trasferimento del calore ΔQ varia linearmente con la portata. La portata può essere portata massica (m°) o portata volumetrica (m°). Il trasferimento di calore aumenta sempre con l'aumento della portata.
Il trasferimento di calore ha una relazione diretta con la portata. Quindi viene aumentata o diminuita la corrispondente variazione della portata.
Sono Deepak Kumar Jani, sto perseguendo il dottorato in energia meccanica e rinnovabile. Ho cinque anni di insegnamento e due anni di esperienza di ricerca. La mia area tematica di interesse è l'ingegneria termica, l'ingegneria automobilistica, la misurazione meccanica, il disegno tecnico, la meccanica dei fluidi ecc. Ho depositato un brevetto su "Ibridazione di energia verde per la produzione di energia". Ho pubblicato 17 articoli di ricerca e due libri.
Sono felice di far parte di Lambdageeks e vorrei presentare ai lettori parte della mia esperienza in modo semplicistico.
A parte gli studi accademici e la ricerca, mi piace vagare nella natura, catturarla e creare consapevolezza sulla natura tra le persone.
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