Přenos tepla a látky (FSI-IPT-A)

Akademický rok 2022/2023
Garant: prof. Ing. Miroslav Jícha, CSc.  
Garantující pracoviště: všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: angličtina
Cíle předmětu:

Cílem kurzu je seznámit studenty se základními mechanizmy přenosu tepla vedením, konvekcí a zářením a s kombinovanými mechanizmy. Kurz poskytne studentům základní vědomosti o tom, zda v daném zařízení je reálné odvést či přivést určité množství tepla, které daný proces potřebuje a za jakých podmínek to lze realizovat. Seznámí je rovněž s metodami jak intenzifikovat přenos tepla.

Výstupy studia a kompetence:

Studenti se naučí přesně definovat úlohy, jejich okrajové a počáteční
podmínky a korektní termofyzikální parametry. Naučí se používat
bezrozměrovou analýzu.. Dokáží řešit konkrétní problémy, např. chlazení palivových článků, žebrovaných trubek či válců spalovacích motorů, promrzání země, chlazení lopatek turbin, chlazení a ohřev tekutin v různých systémech, spočíst např. množství kondenzátu na trubkách, ohřev zářením jak v obytných místnostech tak ve spalovacích komorách a mnoho dalších problémů.

Prerekvizity:
Základy proudění (laminární a turbulentní) a základy termomechaniky.
Obsah předmětu (anotace):

Základy přenosu tepla vedením, 1D stacionární vedení tepla s vnitřními zdroji, žebrované plochy, 1D nestacionární vedení tepla (kapacitní metoda, polonekonečné těleso), složené soustavy. Základy konvektivního přenosu tepla, mezní vrstvy, přenos hmoty, podobnost mezi přenosem tepla a hmoty, vstupní úseky potrubí, plně vyvinutý režim proudění, turbulence. Analogie mezi přestupem tepla a hmoty. Nucená a přirozená konvekce, var, kondenzace. Prostup tepla.
Základy přenosu tepla zářením, radiační charakteristiky černého a reálného tělesa. Přenos tepla zářením mezi dvěma a více černými a šedými telěsy. 

Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Cvičení je zaměřeno na praktické zvládnutí látky probrané na přednáškách.
Způsob a kritéria hodnocení:

Podmínkou pro udělení zápočtu je návštěva všech cvičení a absolvování dvou průběžných písemných testů během semestru.
Závěrečná zkouška se koná formou řešení příkladů s disponibilním časem až 4 hodiny. Zkouška je tzv. otevřeného typu, tj. je možno použít odbornou literaturu (skripta, knihy) a poznámky z přednášek. Použití poznámek z cvičení je nepřípustné. Výsledná známka je složena ze známky z testů s váhou po 15% (každý z testů 15% váha, tj. celková váha testů je 30%) a známky ze závěrečné zkoušky s váhou 70%. Výsledná zkouška se skládá z řešení většinou 3 až 4 příkladů, každý s různou váhou podle obtížnosti.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:

Domácí úlohy z cvičení, dva testy během semestru. Pokud není některý test absolvován, student píše náhradní test v zápočtovém týdnu, nebo řeší náhradní příklady.

Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 2 hod. nepovinná                  
    Cvičení s počítačovou podporou  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. 1D stacionární vedení tepla s vnitřními zdroji (např. zabudované topné pásy, palivové články a pod). Rovinná stěna, válec, koule. Okrajové podmínky: teplota povrchu, tepelný tok,teplota okolí.
2. Kondukčně konvektivní systémy. Rozšířené povrchy: žebra, tyče, lopatky. Kruhová žebra (žebra na válcovém povrchu, různý tvar žebra - obdélníkové, trojúhelníkové, parabolické).
3. Nestacionární vedení tepla. Kapacitní metoda řešení ohřevu a ochlazování těles malých rozměrů nebo těles s vysokou tepelnou vodivostí. Konvektivní tok na povrchu. Grafické řešení.
4. Vedení tepla v polonekonečném tělese. Promrzání země. Rychlost šíření teplotní změny v konečném tělese.
5. Nucená konvekce při vnějším proudění. Tepelná a koncentrační mezní vrstva laminární a turbulentní. Turbulence. Koncept turbulentní difuzivity (Prandtl, Boussinesq).
6. Přenos tepla při obtékání těles. Obtékání těles různých tvarů. Trubkové svazky.
7. Přenos látky - podobnost s přenosem tepla. Chlazení odpařováním kapaliny. Rovinný povrch, kapky v proudu plynů.
8. Nucená konvekce při vnitřním proudění. Hydrodynamický a tepelný vstupní úsek potrubí. Konstantní teplota povrchu, konstantní tepelný tok povrchem. Plně vyvinutý režim.
9. Přirozená konvekce na vodorovném a skloněném povrchu. Vertikální a skloněné kanály. Dutiny.
10. Kondenzace kapaliny na vertikální stěně. Kondenzace na trubkových soustavách. Kondenzace uvnitř horizontálních trubek.
11. Var. Var ve velkém objemu. Křivka varu. Kritické tepelné toky. Konvektivní var. Dvoufázový tok.
12. Záření. Úhlový faktor. Vztahy reciprocity. Koncept radiozity a iradiace. Koncept odporových sítí. Obecně orientované 3 a více povrchů černých a šedých. Refraktory - adiabatické povrchy.
13. Záření plynů. Radiačně - konvektivní systémy. Solární záření, záření noční oblohy.
14. Prostup tepla a základy návrhu tepelných výměníků. Metoda NTU-efektivnost pro návrh tepelných výměníků.
    Cvičení s počítačovou podporou Bilanční výpočty.
1D stacionární vedení tepla i s vnitřními zdroji.
Přenos tepla žebrem.
1D nestacionární vedení tepla (kapacitní metoda, polonekonečné těleso).
Základy konvektivního přenosu tepla.
Přenos tepla při vnějším proudění.
Přenos tepla při vnitřním proudění.
Přenos tepla při přirozené konvekci.
Přenos tepla při varu a kondenzaci.
Základy přenosu tepla zářením - úhlové faktory.
Přenos tepla zářením mezi dvěma šedými telěsy.
Přenos tepla zářením mezi třemi a více povrchy.
Prostup tepla. Základy tepelných výměníků.
Literatura - základní:
1. M.Jícha, Přenos tepla a látky, CERM Brno,
2. F. P. Incropera, D. P. DeWitt: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, , 0
3. F. Kreith, M. S. Bohn: Principles of Heat Transfer
4. Latif M. Jiji: Heat Transfer Essentials, begell house, inc., 2002
Literatura - doporučená:
1. M. Jícha: Přenos tepla a látky, , 0
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
N-ENG-A prezenční studium --- bez specializace -- zá,zk 5 Povinný 2 1 L
N-ETI-P prezenční studium TEP Technika prostředí -- zá,zk 5 Povinný 2 1 L
N-ETI-P prezenční studium ENI Energetické inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 2 1 L
N-ETI-P prezenční studium FLI Fluidní inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 2 1 L
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 5 Povinný 1 1 L
N-ENG-Z příjezd na krátkodobý studijní pobyt --- bez specializace -- zá,zk 5 Volitelný 2 1 L