Kursplan för Värmeöverföring

Kursplan fastställd 2023-02-12 av programansvarig (eller motsvarande).

Kursöversikt

  • Engelskt namnHeat transfer
  • KurskodMTF115
  • Omfattning7,5 Högskolepoäng
  • ÄgareTKMAS
  • UtbildningsnivåGrundnivå
  • HuvudområdeEnergi- och miljöteknologi, Maskinteknik
  • InstitutionMEKANIK OCH MARITIMA VETENSKAPER
  • BetygsskalaTH - Mycket väl godkänd (5), Väl godkänd (4), Godkänd (3), Underkänd

Kurstillfälle 1

  • Undervisningsspråk Engelska
  • Anmälningskod 55155
  • Blockschema
  • Sökbar för utbytesstudenterJa
  • Endast studenter med kurstillfället i programplan.

Poängfördelning

0117 Tentamen 4,5 hp
Betygsskala: TH		0 hp0 hp4,5 hp0 hp0 hp0 hp
0217 Konstruktionsövning + lab 3 hp
Betygsskala: UG		0 hp0 hp3 hp0 hp0 hp0 hp

I program

Examinator

Behörighet

Grundläggande behörighet för grundnivå
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Särskild behörighet

Samma behörighet som det kursägande programmet.
Sökande med en programregistrering på ett program där kursen ingår i programplanen undantas från ovan krav.

Kursspecifika förkunskaper

Flervariabelanalys

Syfte

Kursen syftar till att ge en generell kunskap om, och en fysikalisk förståelse för, värmeöverföring. Den bakomliggande teorin presenteras vid föreläsningar, och används vid räkneövningar för att ta fram lösningar till generella problem inom värmeöverföring. Genom projektarbeten där man numeriskt laborerar med de teoretiska sambanden m.h.a. en industriellt använd CFD-kod (Computational Fluid Dynamics) utvidgas den fysikalisk förståelsen för värmeöverföring samt ges övning och färdigheter i hur man kan applicera teorin på ett generellt sätt. Deltagarna kommer att utveckla sina färdigheter i projektarbete, muntlig och skriftlig rapportering, samt handhavandet av ett industriellt använt CFD-verktyg.

Lärandemål (efter fullgjord kurs ska studenten kunna)

  • Fysikaliskt beskriva hur värmeöverföring genom ledning, konvektion och strålning sker i 1D, 2D och 3D, samt ge en kvalitativ beskrivning av temperaturfördelning (och hastighetsfördelning) för generella fall.
  • Använda energikonservering för att sammankoppla värmeöverföring genom ledning, konvektion och strålning.
  • Härleda ekvationer för värmeöverföring genom ledning, konvektion och strålning.
  • Diskretisera ekvationerna för att kunna göra enkla handräkningar, samt beskriva hur numeriska verktyg för generell lösning av värmeöverföring fungerar.
  • Ansätta initial- och randvillkor och lösa ekvationerna för hand, och numeriskt m.h.a. industriellt använd programvara, samt jämföra resultaten från de olika lösningsmetoderna.
  • Härleda förenklade ekvationer för gränsskikt, samt förstå gränsskiktens betydelse för värmeöverföring och strömningsfriktion.
  • Förklara hur turbulens påverkar värmeöverföringen via konvektion.
  • Räkna upp de dimensionslösa tal som är relevanta för olika typer av värmeöverföring, samt beskriva deras fysikaliska betydelse.
  • Beskriva innebörden av dimensionslösa ekvationerna angående hur värmeöverföringen sker, samt speciellt relatera ekvationerna för energi (temperatur) och momentum (hastighet).
  • förklara varför konvektionsproblem handlar om att ta fram en fördelning för konvektionskoefficienten (eller Nusselt-talen) samt beskriva vilka olika metoder man kan ta fram denna fördelning med.
  • Ta fram förenklade samband för värmeöverföring genom ledning, konvektion och strålning.
  • Lösa ingenjörsmässiga problem m.h.a. de förenklade sambanden, samt förstå den bakomliggande fysiken och de antaganden som gjorts.
  • Ta fram ingenjörsmässiga idéer för hur man kan förbättra värmöverförande egenskaper, samt verifiera dessa.
  • Använda sina grundläggande kunskaper vid en ingenjörsmässig analys av komplicerade applikationer, såsom värmeväxlare.
  • Beskriva och förenkla verkliga problem så att de kan lösas m.h.a. ingenjörsmässiga eller numeriska metoder.
  • Använda grundläggande funktioner i industriellt använd programvara för numeriska beräkningar av värmeöverföring, samt förklara grunderna till hur man får bra resultat med dessa.
  • Hitta i och använda korrelationer och tabeller för värmeöverföring.
  • Utföra projektarbeten.
  • Skriva en bra rapport av ett projektarbete.
  • Hålla en bra muntlig redovisning av ett projektarbete.

Innehåll

Kursen behandlar generell värmeöverföring genom ledning, konvektion och strålning. Värmeöverföring i värmeväxlare ingår som exempel på en viktig industriell applikation. Energikonservering har en mycket viktig betydelse, både när man använder ingenjörsmässiga metoder och när man härleder de ekvationer som gäller i värmeöverföringssammanhang. Energikonservering är det 'verktyg' man använder för att koppla olika de olika värmeöverföringsmoderna, eller för att koppla ihop värmeöverföring i olika områden i rummet.
Värmeledningsavsnittet behandlar en- och tvådimensionell stationär och instationär värmeledning. Vi studerar både enkla elementarfall där man relativt enkelt kan ta fram analytiska lösningar av värmeledningsekvationen samt mer komplicerade fall där empiriska korrelationer eller numeriska metoder måste användas.
Värmeöverföring via konvektion (både påtvingad och naturlig) är ett stort ämnesområde. Vi härleder och studerar energiekvationen både för laminär och turbulent strömning. Ett antal externa konfigurationer - såsom konvektiv värmeöverföring för en plan platta, en cylinder, samt tubknippen - studeras. Vi tittar också på konvektiv värmeöverföring för interna konfigurationer såsom värmeöverföring i rör.
Värmeväxlare är den vanligaste industriella tillämpningen av värmeöverföring. De används exempelvis i luftkonditionering, elproduktion, kylning av vatten och olja i bilar etc. Kursen behandlar värmeväxlare med parallell, motriktad och korsriktad strömning. Även kompakta värmeväxlare diskuteras.
Som avslutande kursavsnitt har vi en ingående behandling av strålning. Vi definierar emission, absorption, reflektion, radiositet etc. Strålning från grå ytor, svartkroppsstrålning, formfaktorer, strålning, absorption och reflektion är några av de begrepp och fenomen som vi studerar.
För tillämpade problem inom värmeöverföring måste man generellt sett använda numeriska metoder. En industriellt använd CFD-kod (Computational Fluid Dynamics) används i datorövningar och i ett datorprojekt för att studera ledning och konvektion. Resultaten jämförs med analytiska och empiriska korrelationer.
Se kursens hemsida för mer, och uppdaterad information.

Organisation

På föreläsningarna går vi igenom teorin bakom värmeöverföring. Teorin används i övningarna för att lösa generella problem i värmeöverföring. Det är två föreläsningar och två räkneövningar varje vecka. En av räkneövningarna är en datorövning, där vi löser värmeöverföringsproblem både m.h.a. ingenjörsmetoder (för hand) och med numeriska metoder. Målen med detta är att ge studenterna en djupare förståelse för de antaganden man gör i de ingenjörsmässiga metoderna, att öva sig i användandet av ett industriellt använt CFD-verktyg, och att ge en fysikalisk förståelse för hur värmeöverföring sker. Resultaten från dator-övningarna rapporteras i kortfattade rapporter, vilka ger studenten chans att träna på lärmålen. I slutet av kursen övas studentens fysikaliska förståelse ytterligare genom ett projektarbete tillsammans med en annan student. Datorprojektet ska redovisas genom en komplett skriftlig rapport, samt genom en muntlig presentation.
Kursens skriftspråk är engelska. Föreläsningar ges på engelska vid behov, annars på svenska. Konstruktionsövningarna handleds på svenska och engelska.

Litteratur

  • Principles of Heat and Mass Transfer, senaste upplagan, Incropera / DeWitt / Bergman / Lavine
  • Manualen för CFD-verktyget
  • 'Supplementary material' på kurshemsidan och på Wileys hemsida
  • Instruktioner om projektarbete och rapportskrivning från direktiven för kandidatarbeten

Examination inklusive obligatoriska moment

Skriftlig tentamen. Alternativt samlar man bonuspoäng under föreläsningarna och övningarna. Skriftlig och muntlig presentation av datorprojektet samt skriftlig rapportering av datorövningarna ingår också i examinationen. Det är obligatorisk närvaro vid presentationerna.
Se den uppdaterade kursinformationen på kurshemsidan för detaljerad och uppdaterad information om examinationen!

Kursens examinator får examinera enstaka studenter på annat sätt än vad som anges ovan om särskilda skäl föreligger, till exempel om en student har ett beslut från Chalmers om pedagogiskt stöd på grund av funktionsnedsättning.