Vurderingsordning

Faglig innhold

De fleste prosesser inneholder strømning av fluider, samt varmeoverføring. Det er mange likheter i hvordan råstoff blir produsert til ulike sluttprodukter i prosessindustrien. For eksempel brukes de samme teoretiske strømningsprinsippene til å beregne transport av flytende biometan i et rør, som melkestrømmen i et meieri. Tilsvarende for varmeoverføring, som er like viktig i material- og kjemikalieproduksjon, som i mange biologiske prosesser.

Emnet er delt i to deler: fundamental fluiddynamikk og strømnings- og varmetransportberegninger. I løpet av semesteret vil teorien bli anvendt på industrielle utfordringer innen (bio)kjemiteknikk, miljøteknikk og materialteknologi.

Strømningsdelen starter med en innføring i statikk og krefter i væsker i ro. Videre behandles kraftbalanser i fluider og potensialstrømning, samt Eulers og Bernoullis likninger utledet og benyttet i forskjellige eksempler. Viskositetsbegrepet blir innført og friksjonstap blir introdusert i praktiske strømningsberegninger i rør, armaturer og strømningsmålere for inkompressible media. Kompressibel strømning i rør og dyser gjennomgås og likninger for kritisk- , sub- og supersonisk strømning utledes. Introduksjon til Navier Stokes' ligning og anvendelser i enkle strømningsproblemer.

I varmetransportdelen starter man med Fouriers lov og konduksjon i plane og sylindriske geometrier med ett eller flere sjikt. Videre introduseres konvektiv varmeovergang og totale varmegjennomgangstallet i ulike geometrier. Empiriske korrelasjoner for varmeovergangstallet for tvungen konveksjon gjennomgås for ulike geometrier, både for innvendig og utvendig strømning og legger grunnlaget for dimensjonsanalysen. Naturlig konveksjon, koking og kondensasjon gjennomgås for ulike geometrier, og relevante korrelasjoner presenteres. Grunnlaget for varmetransport ved stråling behandles, synsfaktorer introduseres, en generell likning for stråling mellom to flater utledes og benyttes på enkle geometrier og mer komplekse reaktorvegger, og til slutt presenteres stråling og absorpsjon i gasser. I den transiente varmeoverføringsdelen presenteres oppvarming og avkjøling ved neglisjerbar varmeovergangsmotstand sammen med den transiente varmeoverføringen ved 'semi-infite solid.

Beregninger utføres på relevante industrielle applikasjoner som for eksempel høytemperatur reaktorer og varmevekslere.

Relevans til bærekraft. Utvikling av energieffektive kjemitekniske prosesser er en viktig del av bærekraft utvikling i norsk prosessindustri. Flere av temaene i emnet er direkte relevante for bærekraft utvikling i industri. For eksempel design av varmevekslere muliggjør effektiv gjenvinning av varme. Valget av materialer, bruk av isolasjon og design av prosessenhet hjelper å minimere av varmetap. Videre beregning av pumpekraft, hodetap eller trykkfall for væskestrømmer, hvorved valg av områder av drift av strømningsprosesser gir effektiv energiutnyttelse.

Læringsutbytte

Emnet skal gi studenten kunnskap om

• Hydrostatisk trykk, berenging av trykkraft
• Grunnlaget for og utledning av Eulers, Bernoullis og Navier Stokes’ likninger.
• Friksjon og trykktap ved grensesjiktstrømning i kanaler og på eksterne flater.
• Grensesjiktstrømning, laminær og turbulent strømning.
• Grunnleggende varmeoverføringsmekanismer:
  • Varmetransport ved konduksjon i faste stoffer for stasjonære og transiente tilstander.
  • Varmetransport ved konveksjon i kanalstrøm og på eksterne flater.
  • Varmetransport ved koking og kondensasjon.
  • Varmetransport ved stråling inkludert gasstråling.
• Varmevekslere: Virkemåte og de vanligste utforminger.

Etter fullført kurs skal studenten kunne (Ferdigheter):

• bruke kraftbalanser på kontrollvolumer,
• beregne trykkfall, friksjonstap og hastigheter i rørledningsnett både for inkompressible og kompressible fluider, evaluarer flow-tilstander.
• Calculate hydrostatic pressure, pressure forces
• Calculate major & minor losses in pipe flow, pump and turbine output
• - Anvende Navier Stokes' ligning for enkle strømningsproblemer
• beregne varmeovergangstall og totale gjennomgangstall for plan, sylindrisk og sfærisk geometri.
• beregne varmetransport ved stråling for enkle og mer kompliserte geometrier (reaktorer).
• beregne stråling og absorpsjon i gasser.
• identifisere når man kan neglisjere varmeovergangsmotstand eller bruke den "semi-infinite solid" tilnærming for å beregne den transiente varmetransporten og temperaturer.

• bruke de presenterte transiente varmetransport metodene for å beregne varmeoverføringen eller de aktuelle temperaturene i ikke-stasjonære system.
• beregne størrelse på utvalgte typer varmevekslere.
• bruke Python for å løse enkle varmetransport- and strømningsproblemer.

Etter gjennomført emne skal studenten ha følgende generell kompetanse:

• Grunnleggende kompetanse for beregning av masse- og energibalanser rundt kontrollvolumer
• Forstå strømningstilstander og strømning gjennom rør og andre geometrier
• Grunnleggende kompetanse for beregning av pumpe- eller turbinarbeid
• basiskompetanse for å forstå hvordan varmetransport påvirker utforming av industrielle prosesser
• Forståelse at varmetransport og design av varmevekslere er viktig i utforming av energieffektive prosesser og prosessenheter. Videre skal studentene forstå hvordan energieffektivitet bidrar til utvikling av bærekraftig prosessindustri.
• Ferdigheter til å analysere og beregne varmeoverføring i sammensatte problemer og varmeteknisk utstyr.

Læringsformer og aktiviteter

Problembasert læring og forelesninger med innlagte øvingsoppgaver. Man må ha minst 8 øvinger av 13 godkjent for å få adgang til eksamen, og minst to av disse må være øvinger hvor Python brukes.

Forventet arbeidsbelestning på en uke: 6 timer forelesning, 2 timer med øving og 5 timer selvstudium.

Obligatoriske aktiviteter

• Øvinger

Mer om vurdering

Ved utsatt eksamen (kontinuasjonseksamen) kan skriftlig eksamen bli endret til muntlig eksamen.

Anbefalte forkunnskaper

Basiskunnskaper i termodynamikk, balanseligninger og fysikalsk kjemi.

Kursmateriell

C. Geankoplis: Transport processes and unit operations, 4 ed., Prentice-Hall, 2003.

Studiepoengreduksjon