One-Dimensional Heat Transfer - Unsteadyfmorriso/cm310/lectures/2017 heat lecture 03.pdf · CM3110...

21
CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017 1 © Faith A. Morrison, Michigan Tech U. CM3110 Transport I Part II: Heat Transfer 1 One-Dimensional Heat Transfer - Unsteady Professor Faith Morrison Department of Chemical Engineering Michigan Technological University © Faith A. Morrison, Michigan Tech U. 2 Example 1: Heat flux in a rectangular solid – Temperature BC Example 2: Heat flux in a rectangular solid – Newton’s law of cooling Example 3: Heat flux in a cylindrical shell – Temperature BC Example 4: Heat flux in a cylindrical shell – Newton’s law of cooling Example 5: Heat conduction with generation Example 6: Wall heating of laminarflow SUMMARY Steady State Heat Transfer Conclusion: When we can simplify geometry, assume steady state, assume symmetry, the solutions are easily obtained

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CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

1

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

CM3110 Transport IPart II: Heat Transfer

1

One-Dimensional Heat Transfer - Unsteady

Professor Faith Morrison

Department of Chemical EngineeringMichigan Technological University

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.2

Example 1:  Heat flux in a rectangular solid – Temperature BC

Example 2:  Heat flux in a rectangular solid – Newton’s law of cooling

Example 3:  Heat flux in a cylindrical shell – Temperature BC

Example 4:  Heat flux in a cylindrical shell – Newton’s law of cooling

Example 5:  Heat conduction with generation

Example 6:  Wall heating of laminar flow

SUMMARY

Steady State Heat Transfer

Conclusion: When we can simplify geometry, assume steady state, assume symmetry, the solutions are easily obtained

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

2

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.3

Example 1:  Heat flux in a rectangular solid – Temperature BC

Example 2:  Heat flux in a rectangular solid – Newton’s law of cooling

Example 3:  Heat flux in a cylindrical shell – Temperature BC

Example 4:  Heat flux in a cylindrical shell – Newton’s law of cooling

Example 5:  Heat conduction with generation

Example 6:  Wall heating of laminar flow

SUMMARY

Steady State Heat Transfer

Conclusion: When we can simplify geometry, assume steady state, assume symmetry, the solutions are easily obtained

What about non‐steady‐state 

problems (quite common in heat 

transfer)?

Example 1: Unsteady Heat Conduction in a Semi‐infinite solid

A very long, very wide, very tall slab is initially at a temperature To.  At time t = 0, the left face of the slab is exposed to an environment at temperature T1.  What is the time‐dependent temperature profile in the slab?  The slab is a homogeneous material of thermal conductivity, k, density, , and heat capacity, Cp.

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.4

1D Heat Transfer:  Unsteady State

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

3

Example 1: Unsteady Heat Conduction in a Semi‐infinite solid

A very long, very wide, very tall slab is initially at a temperature To.  At time t = 0, the left face of the slab is exposed to an environment at temperature T1.  What is the time‐dependent temperature profile in the slab?  The slab is a homogeneous material of thermal conductivity, k, density, , and heat capacity, Cp.

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.5

This is code for:“Newton’s law of cooling boundary conditions:”          

|flux|

1D Heat Transfer:  Unsteady State

Example: Unsteady Heat Conduction in a Semi‐infinite solid

x

y

z

HD

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

H, D, very large

Unsteady State Heat Transfer

6

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

4

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

Initial Condition:

7

1D Heat Transfer:  Unsteady State

General Energy Transport Equation(microscopic energy balance)

V

n̂dSS

As for the derivation of the microscopic momentum balance, the microscopic energy balance is derived on an arbitrary volume, V, enclosed by a surface, S. 

STkTvtT

Cp

Gibbs notation:

see handout for component notation

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.8

1D Heat Transfer:  Unsteady State

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

5

General Energy Transport Equation(microscopic energy balance)

see handout for component notation

rate of change

convection

conduction (all directions)

source

velocity must satisfy equation of motion, equation of continuity

(energy generated per unit volume per time)

STkTvt

TCp

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.9

1D Heat Transfer:  Unsteady State

Note:  this handout is on the web:  www.chem.mtu.edu/~fmorriso/cm310/energy2013.pdf

Equation of energy for Newtonian fluids of constant density, , andthermal conductivity, k, with source term (source could be viscous dissipation, electricalenergy, chemical energy, etc., with units of energy/(volume time)).

CM310 Fall 1999 Faith Morrison

Source: R. B. Bird, W. E. Stewart, and E. N. Lightfoot, Transport Processes, Wiley, NY,1960, page 319.

Gibbs notation (vector notation)

pp C

ST

C

kTv

tT

ˆˆ2

Cartesian (xyz) coordinates:

ppzyx C

S

z

T

y

T

x

T

C

kzT

vyT

vxT

vtT

ˆˆ 2

2

2

2

2

2

Cylindrical (rz) coordinates:

ppzr C

S

z

TT

rrT

rrrC

kzT

vT

rv

rT

vtT

ˆ11

ˆ 2

2

2

2

2

Spherical (r) coordinates:

pr

r

T

rrT

rrrC

kTr

vTrv

rT

vtT

sin

1sin

sin

11ˆsin 222

22

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.10

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

6

Example 1: Unsteady Heat Conduction in a Semi‐infinite solid

A very long, very wide, very tall slab is initially at a temperature To.  At time t = 0, the left face of the slab is exposed to an environment at temperature T1.  What is the time‐dependent temperature profile in the slab?  The slab is a homogeneous material of thermal conductivity, k, density, , and heat capacity, Cp.

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

Newton’s law of cooling BC’s:

11

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

1D Heat Transfer:  Unsteady State

ppzyx C

S

z

T

y

T

x

T

C

k

z

Tv

y

Tv

x

Tv

t

Tˆˆ 2

2

2

2

2

2

Microscopic Energy Equation in Cartesian Coordinates

pC

thermal diffusivity

what are the boundary conditions?  initial conditions?

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.12

1D Heat Transfer:  Unsteady State

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

7

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.13

Example 7:  Unsteady Heat Conduction in a Semi‐infinite solid

You try.

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

Initial Condition:

1D Heat Transfer:  Unsteady State

2

2

2

2

ˆ x

T

x

T

C

k

t

T

p

Initial condition:

Boundary  conditions:

xTTt o ,0

0,0 1 tTThAqx x

Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

tTTx o ,

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.14

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y1D Heat Transfer:  Unsteady State

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

8

2

2

2

2

ˆ x

T

x

T

C

k

t

T

p

Initial condition:

Boundary  conditions:

xTTt o ,0

0,0 1 tTThAqx x

tTTx o ,

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.15

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

“for all  ”

Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

1D Heat Transfer:  Unsteady State

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

2

2

2

2

ˆ x

T

x

T

C

k

t

T

p

Initial condition:

Boundary  conditions:

xTTt o ,0

0,0 1 tTThAqx x

tTTx o ,

k

th t

x

2

16

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

1D Heat Transfer:  Unsteady State

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

9

Geankoplis 4th ed., eqn 5.3‐7, page 363

k

th t

x

2

complementary error function of 

error function of 

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.17

erfc erfc

erfc ≡ 1 erf

erf ≡2

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

Solution:

Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

1D Heat Transfer:  Unsteady State

Geankoplis 4th ed., eqn 5.3‐7, page 363

k

th t

x

2

complementary error function of 

error function of 

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.18

erfc erfc

erfc ≡ 1 erf

erf ≡2

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

To make this solution easier to use, we can 

plot it.

Solution:

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

10

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.19

This:

Versus this:

At various values of this:

k

th

t

x

2

erfc erfc

x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

To make this solution easier to use, we can 

plot it.

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

t

x

2

o

o

TT

TT

1

Geankoplis 4th ed., Figure 5.3‐3, page 364

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.20

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

11

0 2 4 6 8 100.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Y( ),x 0.1

Y( ),x 0.2

Y( ),x 0.5

Y( ),x 1

Y( ),x 5

Y( ),x 10

Y( ),x 50

Y( ),x 100

x x

o

o

TT

TT

1

increasing time, t

t = 0.1, 0.2, 0.5, 1, 5, 10, 50, 100

h = k = = 1

Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.21

With modern tools, we can plot the solution directly (evaluated on Mathcad)

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

How could we use this solution?

Example: Will my pipes freeze?

The temperature has been 35oF for a while now, sufficient to chill the ground to this temperature for many tens of feet below the surface.  Suddenly the temperature drops to ‐20oF.  How long will it take for freezing temperatures (32oF) to reach my pipes, which are 8 ft under ground?  Use the following physical properties:

Ffth

BTUk

h

ft

Ffth

BTUh

osoil

soil

o

5.0

018.0

0.2

2

2

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.22

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

12

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.23

k

th

t

x

2

erfc erfc x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

?

???

Both and depend on time

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

t

x

2

o

o

TT

TT

1

Geankoplis 4th ed., Figure 5.3‐3, page 364

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.24

(Interativesolution)

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

13

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.25

erfc erfc x

y

oTTt 0

oTTt 0

1

0TT

t 0

( , )

t

T T x t

x

y

Answer:480 20

1D Heat Transfer:  Unsteady State Heat Conduction in a Semi‐Infinite Slab

2H

Example 8: Unsteady Heat Conduction in a Finite‐sized solid

x

y

zL

D

•The slab is tall and wide, but of thickness 2H•Initially at To•at time t = 0 the temperature of the sides is changed to T1

x

y

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

2HT1 T1

t >0

26

1D Heat Transfer:  Unsteady State

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

14

Use same microscopic energy balance eqn as before.

see handout for component notation

rate of change

convection

conduction (all directions)

source

(energy generated per unit volume per time)

STkTvt

TCp

Unsteady State Heat Transfer

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.27

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

ppzyx C

S

z

T

y

T

x

T

C

k

z

Tv

y

Tv

x

Tv

t

Tˆˆ 2

2

2

2

2

2

Microscopic Energy Equation in Cartesian Coordinates

pC

thermal diffusivity

what are the boundary conditions?  initial conditions?

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.28

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

15

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.29

You try.

Example 8: Unsteady Heat Conduction in a Finite‐sized solid

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

2

2

2

2

ˆ x

T

x

T

C

k

t

T

p

Initial condition:

Boundary  conditions:

xTTt o ,0

0,2

,0

1

1

tTTHxTTx

Unsteady State Heat Conduction in a Finite Slab

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.30

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

16

Q: How can two completely different situations give the same governing equation?A: The boundary conditions make all the difference

o

o

TT

TT

1

x

oTT

TT

1

1

x

For more solutions to this equation see Carslaw and Jeager, Conduction of Heat in Solids, 2nd Edition, Oxford, 1959

x

0

0

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.31

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

Unsteady State Heat Conduction in a Finite Slab

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

2

2

2

2

ˆ x

T

x

T

C

k

t

T

p

Initial condition:

Boundary  conditions:

xTTt o ,0

0,2

,0

1

1

tTTHxTTx

32

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

17

2

2

x

Y

t

Y

Initial condition:

Boundary  conditions:

1,0 YxTTt o

00,20,0

1

1

tYTTHxYTTx

Unsteady State Heat Conduction in a Finite Slab:  solution by separation of variables

)()( txXY Guess:

Let

oTT

TTY

1

1

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.33

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

2

2

x

Y

t

Y

Unsteady State Heat Conduction in a Finite Slab:  soln by separation of variables

)()( txXY

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

)()(

)()(

)()(

)()()()(

2

2

2

2

tdx

xXd

x

Y

tdx

xdXtxX

xx

Ydt

tdxXtxX

tt

Y

34

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

18

2

2

x

Y

t

Y

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

2

2

2

2

)(

)(

1)(

)(

1

)()()(

)(

dx

xXd

xXdt

td

t

tdx

xXd

dt

tdxX

Substituting:

function of time only

function of position only

constant

35

The function of two variables is separable into two functions of one variable.

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

2

2 )(

)(

1

)(

)(

1

dx

xXd

xX

dt

td

t

Separates into two ordinary differential equations:

Solve.

Apply BCs.

Apply ICs.

36

The function of two variables is separable into two functions of one variable.

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

19

H

xe

H

xe

H

xe

TT

TT

Ht

Ht

Ht

o

2

5sin

5

1

2

3sin

3

1

2sin

4

2

22

2

22

2

2

45

43

4

1

1

Geankoplis 4th ed., eqn 5.3‐6, p363

Temperature Profile for Unsteady State Heat Conduction in a Finite Slab

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.37

1D Heat Transfer:  Unsteady Heat Conduction in a Finite Solid

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.38

We use solutions like this in CM3215 to back calculate  from non‐steady data:

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

20

Strategy:  • Look up solution in literature• solve using numerical methods

Tricky step:

solving for T field; this can be mathematically difficult

•partial differential equation in up to three variables•boundaries may be complex•multiple materials, multiple phases present•may not be separable from mass and momentum balances

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

Microscopic Energy Balance – is the correct physics for many problems!

(e.g. Comsol)

39

**** Or ****• Develop correlations on complex systems by 

using Dimensional Analysis

1D Heat Transfer:  Unsteady State

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.

40

Fluid Mechanics: What did we do?

• Turbulent tube flow • Noncircular conduits• Drag on obstacles

1. Find a simple problem that allows us to identify the physics

2. Nondimensionalize

3. Explore that problem

4. Take data and correlate

5. Solve real problems

Solve. Real. Problems.

Powerful.

Works on heat transfer too.

CM3110 Heat Transfer Lecture 3 11/6/2017

21

© Faith A. Morrison, Michigan Tech U.41