Tentafrågor och svar

Question 1

Studera behållarna i figuren nedan: Man ser ofta stora tankar som likt dem på bilden är sfäriska och målade vita. Vad är meningen med att bygga dem sfäriska? Varför är de vita?

Answer 1

Meningen är att man vill minska värmeflödet. Att ha de sväriska ger minsta möjliga mantelarea för en specifik volym. Ju mindre area deasto mindre yta värmeflödet kan ske på. Att de är vita ger ett minskat värde på emissiviteten vilket gör att ytan inte absorberar så mycket värme utan att kroppen emitterar bort det. (Hade värdet varit 1 på emissiviteten (vilket är max) hade kroppen varit en svartkropp vilket betyder att all strålning absorberas och därmed inte reflekterar någonting.)

Question 2

Studera figuren nedan som beskriver det lokala Nussel-talet (Nu_Φ) runt en cylinder. Fokusera på fallet då ReD = 2 x 105. Förklara ökning i Nu_Φ när vinkeln (Φ) mot strömnings-riktningen (på cylinderytan) är i intervallet 80°-100°?

Answer 2

Re_D=(ρVD)/μ=VD/ν

Minimum sker vid 80° och det är där separationen sker. Sedan ökar Nusselstalet fram till 100° pga att fluiden blandas i samband med virvelbildningen i det turbulenta gränsskiktet som sker efter separationen. Det ökande Nu_θ med ökanse Re_D beror på en motsvarande minskning av gränsskiktet tjocklek.

Question 3

”Förr i tiden” användes ofta ett isotermt block som en integrerad del av mätningen med termoelement. I samband med laborationen L4 mättes rökgastemperaturen i konvektionsstråket mha av ett termoelement men det isoterma blocket var borttrollat i elektroniken. Förklara kort det isoterma blockets funktion i samband med temperaturmätning med termoelement.

Answer 3

Blocket används till att hålla den kalla lödpunkten vid en bestämd temperatur

Question 4

I härledningen av flänsekvationen antas värmeöverföringen att vara 1-dimensionell. På vilket sätt strider detta mot principerna för värmebalansen över flänsen? Varför är antagandet om 1-dimensionell värmeledning i en fläns trots allt rimligt?

Answer 4

De antaganden vi gör är

• Steady state
• ingen källterm i den lilla volymen
• ingen ackumulering av värme
• att flänsen bara leder i en riktning

Vi vet att flänsarna inte leder i en riktning utan i alla, trotts detta är värmebalansen tillräcklig och fullt användbar

Question 5

En värmeväxlare av typ luftförvärmaren i laboration 3 (”VVX-labben”) där strömmar vatten på insidan tuberna och luft på utsidan. Flänsarna är placerade på den sidan där gasen strömmar, varför? Varför har man inte flänsarna på vattensidan?

Answer 5

Flänsar används för att öka den värmeöverförande ytan.

Och det är värmen från gasen vi vill komma åt och överföra till vattensidan.

Question 6

Luftfaktorn i en förbränningsanläggning, (en världsberömd fluidbäddpanna på Chalmers Kraftcentral) skall bestämmas. Man eldar en fuktig flis som håller en fukthalt på 42%. Till sin hjälp har man två syreanalysatorer. Trotts att syre- analysatorerna visar olika syrekoncentration i rökgasen blir den uträknande luftfaktorn densamma. Förklara hur det hänger ihop?

Answer 6

Vi har 2 mätinstrument för syre. Den ena är driftens som mäter på fuktiga gaser. Den andra mäter via den paramagnetiska principen och det är analysatorn vi har i gc rummet. Den mäter på torra gaser. För driftens så måste man alltså räkna bort ånghalten i gasen för att få en torr syrehalt som går att använda i uttrycket för lambda vs syrehalt (torr). De 2 torra halterna ska vara lika och då blir lambda typ samma.

Question 7

Strömningen över en plan platta ser ut enligt figuren till vänster nedan. Strömningen genererar ett termiskt gränsskikt i enlighet med figuren till höger nedan. Om T_s-T_∞ är konstant, hur varierar då värmeflödet (q”s) och värmeöverföringstalet (h) i flödesriktningen (x)?

Answer 7

Ju tjockare gränsskiktet blir desto större motstånd får värmeöverföringen, alltså minskar h med x

Question 8

För strömning i och runt ett rör ser det ut som i figuren nedan till vänster. Medeltemperaturen (Tm) och tubens yttemperatur (Ts) varierar längs röret i enlighet med figuren nedan till höger. Vad karaktäriserar den fluid som strömmar längs tubens utsida för att åstadkomma (som ger) ett konstant värde på Ts

Answer 8

Fluiden på utsidan är ånga som kondenserar mot röret

Question 9

Hur kommer det sig att det finns något som heter kritisk isolertjocklek för cylindriska och sfäriska geometrier men inte för en plan platta. Motivera svaret genom att analysera termiskt motstånd för olika geometrier

Answer 9

När man ökar isoleringen på en cylinder/sfär så försvåras värmeflödet men ytan mot omgivningen ökar vilket underlättar värmeavgivningen till omgivningen. Detta innebär att det finns en ytterdiameter som ger maximum för värmeavgivningen från cylindern/sfären.

För en plan platta försvåras endast värmeflödet men ytan mot omgivningen är densamma, vilket innebär att värmeavgivningen inte ökar till omgivningen.

Man kan läsa mer i exempel 3.6 men jag tror att detta räcker som svar.

Question 10

Du skall kontrollmäta NO_x emissionerna från en panna med hjälp av en FTIR- analysator. Du har möjlighet att mäta i två punkter i rökgasstråket, dels i en punkt före den rökgaskondensor som finns installerad samt i en punkt efter kondensorn.

1. Vilken princip bygger mätinstrumentet på?
2. De värden instrumentet visar skiljer sig mycket åt, vad beror detta på?
3. För att bestämma emissionsnivåerna görs en korrigering mot syrehalten i rökgaserna, varför görs detta?

Answer 10

1. Mätinstrumentet bygger på Michelson infernometer alltså anpassar IR-strålningsintensiteten och använder sig av Fourier transform för att omvandla det T-beroende spektrumet till våglängderna (enl wiki: Jämför den absorberande energin från en IR ljuskälla)
2. Värdena skiljer sig då det innan rökgaskondensorn är en högre fukthalt än det är efteråt
3. Man gör korrigeringen av syrehalten i rökgaserna för att man skall kunna jämföra med referensvärden så att man inte skall kunna spä ut rökgaserna så att det ser ut som att man når miljökraven.

Question 11

Varför är isolermaterial ofta porösa och vad är problemet med att ha för stora porer?

Answer 11

Isoleringsmaterial är ofta porösa för att de överför värme långsamt. Det beror på att luft leder värme dåligt och i ett poröst material finns det mycket luft. Porerna bör inte vara för stora utan det är bättre om de är små och jämt fördelade. Det beror på att man vill undvika inre konvektion som ökar värmeöverföringen.

Question 12

I laboration 4 mättes rökgastemperaturen innan konvektionsstråket med ett termoelement. Varför visade detta en lägre temperatur än den verkliga temperaturen på gasen? Förklara genom att beskriva värmeöverföringen vid mätningen.

Answer 12

Termoelementet visade en lägre temperatur pga att de kalla tuberna i konvektionsstråket gör att strålning från termoelementet till tuberna uppstår vilket sänker temperaturen

Question 13

Kokning är en process som ingår i en ångcykel. Var i en förbränningsanläggning brukar man placera huvuddelen av kokytorna och varför här?

Answer 13

Kokning sker i eldstadens väggar. Man placerar de här för att man skall kunna ha en naturlig cirkulation. På grund av densitetskillnader behövs ingen pump som driver runt fluiden.

Question 14

Vad är det som gör att man förbättrar värmeöverföringen då en tub förses med flänsar? Finns det något som flänsarna kan tänkas försämra?

Answer 14

Man ökar den värmeöverförande ytan (konvektionsarean) och minska konvektionsmotståndet.
Flänsarna kan he en negativ inverkan på flödet.

Question 15

Vilken inverkan har omslag från laminära till turbulenta förhållanden på ett gränsskikt och hur påverkar detta värmeöverföringen?

Answer 15

Vid omslag blandas fluiden om och detta gör att gränsskitet ökar. Det gör också att värmeöverföringskoefficienten ökar med x pga omblandning

EXTRA

Vid laminära förhållanden ökar gränsskiktet i x-led vilket gör att värmeöverföringskoefficienten minskar med x

Vid turbulenta förhållanden ökar gränsskiktet vilket leder till att värmeöverföringen minskar

Question 16

Flis som används som bränsle i en panna ligger ute en regnig natt och suger då åt sig en betydande mängd vatten. Två faktorer gör då att det lägre värmevärdet blir mindre, vilka är dessa?

Answer 16

1. Vi får mer energi som går åt för att förånga fukten i bränslet
2. Det väger mer (J/kg)

Question 17

Händig som du är så har du bestämt dig för att bygga din egen solfångare. Till ytskiktet har du två material att välja på och har beställt spektral emissivitetsdata som du ser nedan. Vilket av dessa två material skulle du välja? Motivera ditt svar.

Answer 17

I en solfångare är vi intresserade av solens strålning som ligger mellan 0.1-3μm. I detta spann vill vi ha så lågt värde som möjligt på ε_λ eftersom vi vill absorbera så mycket som möjligt av strålningen. Vi vill dessutom i övriga våglängder ha så hög emissivitet som möjligt för att
Väntar in svar från Robban

Question 18

Chalmerspannan är en så kallad cirkulerande fluidiserad bäddpanna. Beskriv kortfattat principen för en sådan panna med både ord och bild.

Answer 18

Den bygger på att förbränningsluften tillförs i botten av pannan. Hastigheten på gasen är hög vilket gör att bränslepartiklar och bäddmaterial följer med den heta gasen upp. Bäddmaterialet jämnar ut temperaturen och håller temperaturen oavsett hur bränsle lasten varierar. Partiklarna avskiljs i en cyklon för att sedan föras tillbaka till botten mha tyngdkraften.
Ångan i sin tur används för att värma upp vettencykeln i pannan.

Question 19

Bilden visar temperaturprofilerna i en motströms värmeväxlare. Vilken ström har högst C värde? För poäng krävs en motivering.

Answer 19

Värdet på C tas fram genom att multiplicera flödet med värdet på Cp för medeltemperaturen av in och utflödet. Därför går det inte att säga att det finns ett generellt svar på denn fråga. Det beror alltså helt på vilka hastigheter och temperaturer vi har.

Question 20

Vilka är felen i denna värmebalans? Ytan befinner sig i steady state och T_w är temperaturen på en vägg som helt omsluter ytan.

Aεσ(T_∞-T_s)+Ah(T_s⁴-T_w⁴)=0

q_rad=Aεσ(T_s⁴-T_w⁴) Strålningsbalans

Answer 20

Man har blandat ihop formelerna för q_rad och q_conv.
De skall vara q_rad=Aεσ(T_s⁴-T_w⁴) och q_conv=hA(T_∞-T_s)

Sedan skall q_rad’s temperaturer byta plats, det skall vara omgivningen minus ytan

Question 21

När gäller LMTD-metoden (flera alternativ kan vara rätt)?

a) För kokning på utsidan av en tub.
b) För en tvärströms värmeväxlare.
c) För en medströms värmeväxlare.
d) För en tub med konstant yttemperatur.

Answer 21

a) Nej då gäller den inte.
b) Gäller bara om man använder en korrektionsfaktor
c) Här gäller den med korrektionfaktor=1
d) Om det är konstant temperatur på fluiden i röret

Question 22

En panna är en lämplig teknisk anordning för omvandling av en flishög till el, värme och/eller brännbar gas. Eldningstekniken i pannan kan dock skilja sig åt mellan olika pannor. Man brukar skilja på tre olika förbränningsanordningar/panntyper, ange minst två av dessa

Answer 22

1. Hetvattenpanna
2. Ångpanna
3. Kraftpanna

Question 23

Den teoretiskt högsta verkningsgraden för ett koleldat kraftverk är carnot- verkningsgraden,

η_c=1-(T_c/T_h)

där T_c är den lägsta temperaturen i systemet och T_h den högsta. Om man tar hänsyn till värmeöverföring mellan rökgaser – ångcykel samt mellan ångcykel och omgivning hur och varför påverkar detta carnot-verkningsgraden?

Answer 23

Om man tar hänsyn till omgivningens temperatur får man ett lägre Tc och då blir verkningsgraden högre.

Question 24

Vilka är felen i denna värmebalans?

h(T_∞-T_s,1)=kA(T_s,1-T_s,2)

Answer 24

q_conv=h*A(T_s,1-T_∞)

q_cond=kA²(T_s,1-T_s,2)/Δx

Question 25

Luftflödet till en panna mäts med ett venturirör. Du har införskaffat en pitottub som du använder för att mäta hastigheten i en punkt i luftkanalen, se figur. Flödet baserat på denna hastighet skiljer sig 35% från flödet som venturiröret visar. Vilken är den viktigaste anledningen till denna avvikelse?

Answer 25

Venturi använder sig av två mätpunkter medan pitot bara använder sig av en.

Question 26

Vilken fysikalisk princip bygger ett termoelement på och vad krävs för att den skall kunna utnyttjas?

Answer 26

Ett termoelement bygger på att man mäter spänningen som uppstår på grund av temperaturskillnader.

För att vi skall kunna använda ett termoelement måste vi veta temperaturen vid referenspunkten.

Question 27

Vad är principen för en sugpyrometer och vad är det man försöker förändra jämfört med mätning med ett bart termoelement? Ge ett exempel på när den är lämplig att använda.

Answer 27

Sugpyrometern vill använda sig av konvektion för att öka turbulens som ökar värmeöverföringen. Dessa kan också vara isolerade för att undvika att bli påverkade av kalla föremål i närheten av termoelementet. Det är bra att använda vid (som i labb 4) mätningar av rökgaser i närheten av konvektionsstråket.

Question 28

En solfångare absorberar 85% av solljuset. Samtidigt har den en total emissivitet som är så låg som 0,2. Rita en ungefärlig skiss av dess spektrala emissivitet, det vill säga hur emissiviteten beror av våglängden. Ytan på solfångaren kan antas vara diffusiv.

Question 29

När man beräknar termisk verkningsgrad baserat på det lägre värmevärdet för vissa förbränningsprocesser kan man få verkningsgrader på över 100%, förklara varför.

Answer 29

Det lägre värmevärdet innehåller inte den energi som går åt till att förånga vattnet i bränslet.

Det lägre värmevärdet kallas det effektiva värmevärdet. Här ingår inte det värme som man får ut om vattenångan i rökgasen kondenseras. Om kondensationsvärmet nyttiggörs, alltså att rökgaserna kyls så att fukten kondenserar ut, kan verkningsgraden räknat på det undre värmevärdet bli högre än 100 %

Question 30

Samtliga däggdjur, vilka är varmblodiga, som lever i havet är förhållandevis stora medan de kallblodiga djuren, fiskar m.m., kan vara både stora och små. Vad är anledningen till att däggdjuren måste vara stora? Förklara hur detta kopplat till värmeöverföring.

Answer 30

Ett litet däggdjur förlorar lättare värme till sin omgivning eftersom den har en stor kontaktyta i förhållanden till sin volymsenhet. Ett stort däggdjur förlorar alltså mindre värme med sin “lilla” ytan per volymsenhet.

Question 31

Nämn minst två fördelar med en plattvärmeväxlare jämfört med en tubvärmeväxlare.

Answer 31

Det vågiga mönstret på plattorna inducerar turbulent strömning, vilket gör att den både ökar sin effektivitet och att den blir “självrengörande”.

Eftersom den är så effektiv behövs även en mindre värmeöverföringsarea vilket gör att den kräver mindre utrymme än en tubvärmeväxlare.

Question 32

Förklara varför lo och go ökar med ökande torrhalt i bränslet.

Answer 32

Med minskande fukthalt borde både rökgasmängden och luftbehovet öka. Luftbehovet ökar eftersom mängden fukt som endast förångar minskar och mängden bränsle som ska förbrännas ökar. Rökgasmängden (iaf den torra) ökar eftersom mängden fukt i rökgasen minskar och då måste den torra mängden rökgaser öka.

Question 33

Chalmerspannan är ett exempel på ett värmeverk. Vilken typ av energiomvandling sker i denna? I processen spelar värmeöverföring en stor roll, ge de viktigaste exemplen på detta och ange i vilka komponenter i pannan de sker och vilken typ av värmeöverföring det är frågan om.

Answer 33

I chalmerspannan sker energiomvandling i form av förbränning av flis och pellets.

I eldstaden överförs värme från elden till tuberna genom stålning och genom konvektion från rökgaserna. Konvektionen dominerar då det är en CFB-panna.

I konvektionsståket överförs värme från rökgaserna till tubpaketet genom konvektion.

Något exempel på ledning??

Question 34

Figuren visar temperaturprofilen i en medströms värmeväxlare med konstant U- värde. Vad är anledningen till att temperaturförändringen på strömmarna går långsammare och långsammare ju längre in i värmeväxlare man kommer?

Answer 34

I början är temperatur differansen stor vilket gör att värmeöverföringen går snabbt. När sedan temperatur skillnaden minskar, innebär det att även värmeöverföringen sker långsammare.

Question 35

Vid en skidort anges det att ”Dagens temperatur är -10C, känns som -17C”. Vad beror denna skillnad i upplevd temperatur på? Skriv ner ett uttryck som beskriver värmeöverföringen mellan hud och luft och förklara vilken faktor som det är som orsakar den upplevda skillnaden i temperatur.

Answer 35

Det är fråga om konvektion mellan hud och luft så det är: hA(T-T)

Det som påverkar den upplevda temperaturen är hastigheten på vinden/luften. Ett högre Re-tal vilket ger ett högre Nu-tal, vilket borde göra att h ökar.

Question 36

Ange de viktigaste förlusterna i en förbränningsanläggning utan rökgaskondensering och ordna dem enligt storlek.

Answer 36

1. Rökgaser
2. Bottenaskförlust
3. Strålningsförlust

Question 37

Varför är det inte självklart att ett svart papper är en god absorberare av värmestrålning?

Answer 37

Absorptivitet beror på irradiansen, som är ett mått på den strålning som träffar en punkt eller i detta fall pappret. Även fast irradiansen är hög kan även radiositeten (Emitterad effekt och reflektionen av irradiansen) vara hög.

Men om vi antar att pappret är opakt kommer enbart absorption och reflektion spela roll.

“De arbetar alltså i olika delar av spektrumet. Det relevanta är alltså materialet, inte färgen. Annars kan man fungera på varför ett svart papper har emissivitet på 0,90, hur ligger på 0,98 och vatten 0,95. Så vatten som är mer eller mindre transparent strålar mer än ett svart papper. Även glas strålar mer än ett svart papper.”

Question 38

Ange några faktorer som kan påverka en temperaturmätning med en pyrometer.

Answer 38

En optisk pyrometer är känslig för IR-strålning och alla kroppar sänder ut IR, vilket gör att man får inte störande strålning vid mätningar. Noggrannheten på mätningen beror även på hur väl man känner till ytans emissivitet. En pyrometer mäter också bara strålning inom ett visst intervall.

Question 39

Ett gasflöde värmeväxlar med vatten i tubvärmeväxlare där vattnet strömmar inuti tuberna. Prestandan är lite dålig och du bestämmer dig därför att förbättra den med hjälp av flänsar. På vilken sida av tuberna placerar du dessa, och varför?

Answer 39

Flänsarna är ett effektivt sätt att öka värmeöverföringen genom att öka kovektionsytan. Flänsaran placeras på utsidan för att öka värmeöverföringsytan och för att minska konvektionsmotståndet (Rconv).

Om man har andra medium som strömmar på ut/insidan kan fallet bli annorlunda. Om man har ett mycket gynsammare h-värde för mediet som strömmar in kan det - beroende på rördimensionen (vilket det sällan gör!) - vara bättre att ha fläns inne i röret.

Question 40

Varför kan det vara osäkert att anta att Kirchoffs lag gäller då man räknar på strålningsutbytet för en solfångare och använder sig av totala egenskaper?

Answer 40

För en solfångare så är det viktigt att tänka på vilket våglängdsområden strålningen som absorberas har respektive den som emitteras. För att Kirchoffs lag skall gälla så måste ytan i det här fallet vara grå.

Question 41

Varför är strålningsvärmeöverföring så viktigt i eldstaden i en stor panna?

Answer 41

Från elden i eldstaden är det strålningen som är viktigast. Detta beror på att det är strålningen som når väggarna där det sedan genom ledning överförs till tuberna som innehåller vatten i väggarna.

Rökgaserna är en viktig del längre fram i pannan som med hjälp av konvektion överför värme till tuberna.

Question 42

Emissionen av kväveoxider omräknat till mg NO₂/MJ tillfört bränsle skall bestämmas i en förbränningsanläggning, (en världsberömd fluidbäddpanna på Chalmers Kraftcentral). Man eldar en fuktig flis som håller en fukthalt på 32.8%. Till sin hjälp har man två olika instrument. Det ena är ett så kallat FTIR-instrument som mäter absorbansen inom det infraröda området. FTIR-instrumentet som utöver att mäta NO-koncentrationen också mäter koncentrationen av en rad andra gas- komponenter som tex SO₂, CO, NH₃. Det andra NO-instrumentet mäter enbart NO med hjälp av en mätprincip som heter ”chemiluminescence” och ett heter Eco Physics. Trotts att NOanalysatorerna visar olika koncentration (olika ppm-nivåer) av kvävemonoxid (NO) i rökgasen blir den uträknande emissionen av kväveoxider (utryckt som mg NO₂/MJ tillfört bränsle) densamma. Förklara hur det hänger ihop?

Answer 42

FTIR kan mäta fukthalten i rökgasen och får då fram en torr rökgaskoncentration. Det andra instrumentet mäter endast NO-koncentrationen och får då fram en våt rökgaskoncentration. När man sedan räknar om koncentrationen till emission av kväveoxider blir värdet detsamma eftersom det beror på det tillförda bränslet. (man räknar med antingen med fukt eller utan).

Question 43

För strömning i och runt ett rör ser det ut som i figuren nedan. Under vilka förhållanden gäller:

Answer 43

Då röret saknar isolering eller “flera lager”. Ex faouling. Även ledningen har försummats