University of Tripoli �Faculty of Engineering �Department of Mechanical and Industrial Engineering

Email: A.Naas@uot.edu.ly

INSTRUCTORE:

Eng.: Abdurrauf M. Naas Gr. : (2) Room L103

Eng. : Mohamed Al- Haj Gr. : (1) Room L103

Assessments

ME302

25/2/2017

Continues Assessment > Quizzes where the total Points is 40

Final Exam = 60 points

^# Assessments

- will be on line through the internet

- Other different ways

​

Facebook course page

For any information or

Questions, you may

Contact us.

​

​

TEXT BOOK

“ Fundamentals of Heat and Mass Transfer”

By

Incropera & DeWitt

ME302

3

25/2/2017

• Reading the handout may not be sufficient. It is useful to take notes as the instructor explains concepts and elaborates on the handout

Text book cover page

Keys to success in ME302 مفاتيح النجاح في المقرر

•  حضور المحاضرات النظرية والتدريبية، وتدوين الملاحظات بعناية.

• اصطحاب جداول انتقال الحرارة وآلة حاسبة كل محاضرة.

• مراجعة وإعادة كتابة الملاحظات بعد المحاضرة في أسرع وقت.

• تخصيص على الأقل ضعف زمن المحاضرة لمراجعة ما تم تغطيته فيها.

• المرور على الكتاب المنهجي، والتدرب على حل أكبر قدر من المسائل بما فيها الاختبارات السابقة.

• لا تخجل من سؤال أستاذ المقرر وقت المحاضرة.

• التواصل مع أستاذ المقرر أثناء الساعات المكتبية.

1. Attend every class & take detailed notes
2. Review / Rewrite notes soon after class
3. Go through the text and it’s Examples (related to the lecture)
4. Start HW early
5. Come to office hours with questions that have arisen in your first attempt at HW
6. Spend from 3 to 4 hr outside class for every lecture.

Outlines :

• Introduction To Heat Transfer: Modes of heat flow , Basic laws ….etc.

• Steady state One-Dimensional Heat Conduction.

• Heat Transfer From Extended Surfaces (Fins)

• Transient Heat Conduction

• Heat Transfer By Thermal Radiation

• Heat Exchangers

مفردات المنهج بالكتاب المنهجي والجدول الزمني لتوزيع المفردات على المحاضرات

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

6

Course Objectives:

• Model basic heat transfer processes and identify modes

• Calculate thermal resistances

•  Perform an energy balance to determine temperature and heat flux

• Identify fins and calculate fin performance

• Solve lumped parameter transient heat transfer problem

• Solve distributed parameter transient heat transfer problems

• Predict heat exchanger performance

• Calculate radiation view factors

• Determine radiation heat transfer

أهداف المقرر

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

8

تعريف الطالب بالجوانب التالية:

• اساسيات طرق انتقال الحرارة والحفاظ على الطاقة. .
• مفهوم التدفق الحراري بالتوصيل أحادي البعد خلال الحوائط الإسطوانة والكرة المكونة من طبقة واحدة أو المركبة. وكذلك مفهوم التوليد الحراري.
• إستخدام الزعانف ( الإسطح الممتدة ) لزيادة معدل التدفق الحراري.
• تحليل التوصيل الحراري العابر بإستخدام طرق مختلفة.
• طريقة انتقال الحرارة بالأشعاع – الخواص الإشعاعية للمواد – الجسم الأسود – الجسم الرمادي – التبادل الحراري بين الأسطح – معامل المواجهة – التقليل من التبادل الحراري بواسطة ما يسمى بالحوائل.
• أهم تطبيقات علم انتقال الحرارة ( المبادلات الحرارية ) وتشمل تصنيفاتها وأنواعها وكيفية تحليلها هندسيا والتعرف على أهم العناصر المؤثرة في أدائها

Today’s Outlines

• Definitions: Heat & Heat Transfer
• Why do we study ME302?
• ME210 VS ME302
• Applications of Heat Transfer تطبيقات انتقال الحرارة
• Modes of Heat Transfer أنماط انتقال الحرارة
• IHT: Interactive Heat Transfer

9

Definition of Heat Transfer

• Flow of energy due solely to a temperature difference
• all other forms of energy transfer are categorized as work
• from 2nd Law of Thermodynamics, heat flows in direction of decreasing temperature
• heat energy can be transported through a solid, liquid, gas, and vacuum

ME 302

10

25/2/2017

Why do we study ME302?

• Has a “reputation” for being one of the most challenging courses in ME
• Why??

• Physically diverse: thermodynamics, material science, diffusion theory, fluid mechanics, radiation theory

• Higher-level math: vector calculus, ODEs, PDEs, numerical methods

• Physically elusive: heat is invisible; developing intuition takes time

• Appropriate assumptions: required to simplify and solve most problems

• However, Heat Transfer is interesting, fun, and readily applicable to the real world

Definitions: Heat & Heat Transfer

• الحرارة (Heat): صورة من صور الطاقة المنتقلة من منظومة إلى أخرى نتيجة فرق درجات الحرارة

​

​

​

​

​

• انتقال الحرارة (Heat Transfer): العلم الذي يدرس معدل انتقال الطاقة المنتقلة في صورة حرارة

​

12

Some Real-life Applications of Heat Transfer

13

Relevance of Heat Transfer

• Electric Power Generation
• Alternate Energy Systems
• Combustion/Propulsion Systems
• Building Design
• Heating & Cooling Systems
• Domestic Appliances
• Materials/Food Processing
• Electronics Cooling & Packaging
• Cryogenics
• Environmental Processes
• Space Vehicle Systems

​

ME 302

14

25/2/2017

Modes of Heat Transfer

• أنماط انتقال الحرارة:
• توصيل conduction ≡ 1
• حمل convection ≡ 2
• إشعاع radiation ≡ 3

​

• تناظر analogy!

الماء ↔ الحرارة

الأشخاص ↔ الوسط الناقل

15

Analogy of the three modes

Modes of Heat Transfer

16

Heat Transfer Modes

• Conduction
• transfer of heat due to random molecular or atomic motion within a material (aka diffusion)

- most important in solids

• Convection
• transfer of heat between a solid surface and fluid due to combined mechanisms of

a) diffusion at surface;

b) bulk fluid flow within boundary layer

• Radiation
• transfer of heat due to emission of electromagnetic waves, usually between surfaces separated by a gas or vacuum

​

ME302

17

25/2/2017

Heat Quantities

ME 302

18

25/2/2017

Why do we study ME302?

• Class Discussion: ME210 VS ME302

عند رمي قطعة حديدية درجة حرارتها 90⁰C في البحيرة هل لك أن تقدر الزمن اللازم للوصول إلى درجة حرارة التوازن بالاستعانة بما درسته في مقرر الديناميكا الحرارية 1؟!!

​

​

19

Why do we study ME302?

• Class Discussion: ME210 VS ME302
• ندرس هذا المقرر الدراسي لتقدير:
• معدل كمية الحرارة المنتقلة من وإلى منظومة ما
• زمن انتقال الحرارة
• توزيع درجة الحرارة (temp. distribution)

كدالة في الموضع والزمن

​

​

20

1.Conduction Heat Transfer

• انتقال الحرارة بالتوصيل:

انتقال الحرارة خلال وسط سواء أكان صلبا (solid)، أم مائعا ساكنا (stationary fluid) نتيجة لوجود فرق في درجة الحرارة

التفسير الفيزياني من منظور مجهري (microscopic point of view)

​

21

Conduction Heat Transfer

• يعتمد معدل انتقال الحرارة بالتوصيل عبر وسط ما على:
• الشكل الهندسي للوسط (geometry)
• سُمك الوسط (thickness)
• مادة الوسط (material of the medium)
• فرق درجات الحرارة (temperature difference)

عبر الوسط

مثال: خزان لتخزين مياه ساخنة يراد عزله حراري.

​

22

Conduction Heat Transfer

23

= k الموصلية الحرارية

(thermal conductivity) للمادة: وهو مؤشر لمدى قابلية المادة على توصيل الحرارة.

الوحدة: W/m.°C.

في حال ما إذا كان سمك الجدار صغير جدا ∆x → 0 تختصر المعادلة إلى الصيغة التفاضلية التالية

​

Fourier’s law of heat cond.��

Conduction Heat Transfer

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

24

​

Fourier’s law of heat cond.

والإشارة السالبة هي نتيجة عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية الذي يتطلب أن يكون اتجاه تدفق أو انتقال الحرارة في اتجاه تناقص درجة الحرارة وتزايد x.

��

Heat Transfer Modes - Conduction

• Rate equation (Fourier & Biot, ~1820) is known as Fourier’s law; for 1-D conduction,

​

​

• where q_x = heat rate in x-direction (W)

q”_x = Heat flux in x-direction (W/m²)

dT = Temperature different between two sides (°C or K)

A = Area normal to the direction of heat flow (m²)

k = Thermal conductivity of material (W/m-K)

ME302

25

25/2/2017

Thermal Conductivity, k

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

26

C_p : مقياس لمدى قابلية المادة على تخزين الطاقة

C_p vs k?!

​

​

​

​

​

يمكن تقسيم المواد تبعا لمدى قابليتها للتوصيل الحراري إلى قسمين:

- مواد جيدة التوصيل الحراري (good heat conductors)

- مواد رديئة التوصيل الحراري (poor heat conductors Insulations)

المواد جيدة التوصيل الحراري تمتلك موصلية حرارية عالية. وقيم الموصلية الحرارية المنخفضة لمادة ما مؤشر على أنها ردئية التوصيل الحراري أو عازلة.

​

��

Thermal Conductivity, k

27

where 1 W/m-K = 0.578 Btu/hr-ft-°F

Heat Transfer Modes - Convection

• Types of Convection
• Forced convection: flow caused by an external source such as a fan, pump, or atmospheric wind
• Free (or natural) convection: flow induced by buoyancy forces such as that from a heated plate
• Phase change convection: flow and latent heat exchange associated with boiling or condensation

ME 302

28

25/2/2017

2.Convection Heat Transfer

Convection =

Diffusion + Advection

​

29

more in ME402

حركة الجزيئات العشوائية

random molecular motion��

​

​

​

حركة المائع المكبرة

bulk or macroscopic fluid motion

2.Convection Heat Transfer

• بغض النظر عن طبيعة عملية انتقال الحرارة بالحمل، فإن معدل انتقال الحرارة بالحمل يعطى بقانون نيوتن للتبريد (Newton’s law of cooling)

​

​

حيث:

A_s = المساحة السطحية لانتقال الحرارة

T_s و T_∞ = درجة حرارة السطح والمائع على الترتيب

h = معامل انتقال الحرارة بالحمل (conv. HT coefficient)

​

30

2.Convection Heat Transfer

معامل انتقال الحرارة بالحمل (convection heat transfer coefficient) ليس خاصية للمائع، ويعتمد على ظروف الطبقة الحدية (boundary layer)، والمتأثرة بـ:

• الشكل الهندسي للسطح (surface geometry)
• طبيعة حركة المائع (nature of fluid motion)
• سرعة المائع (bulk fluid velocity)
• خواص المائع

(thermodynamic & transport fluid properties)

​

​

31

2.Convection Heat Transfer

• سؤال للمناقشة:

بين تحت أي ظروف ستشعر بالبرودة.

32

2.Convection Heat Transfer

​

​

33

2.Convection Heat Transfer

• مثال:

احسب معدل انتقال الحرارة بالحمل إذا

علمت أن معامل انتقال الحرارة بالحمل

يساوي 10 W/m²K وبيّن اتجاه الحرارة

الإجابة: 120 kW

34

3.Radiation Heat Transfer: Fundamental Concepts

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

35

مفاهيم أساسية:

• أي جسم درجة حرارته < 0 K تنبعث منه طاقة (إشعاع حراري)
• تنتقل الحرارة بالإشعاع في صورة موجات كهرومغناطيسية
• يختلف انتقال الحرارة بالإشعاع عن التوصيل والحمل في كون الإشعاع

لا يحتاج إلى وسيط ناقل للحرارة .وعملية النقل في الفراغ أكثر فاعلية.

​

​

Infrared Thermometer

Evacuated Solar Tube Collector

Radiative Fluxes

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

36

E

G

Radiative Fluxes

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

37

Emissivities of some materials�at 300 K��

blackbody

Radiative Fluxes

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

38

Radiative Properties

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

39

Net Radiative Flux

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

40

Combined Heat Transfer Systems

عمار عمر قويشة - ربيع 2016

41

مشروع تخرج الطالب:

حسين القرقوطي – ربيع 2016

3 modes:

Conduction+Convection+Radiation