Energitekniske grundfag

5 ECTS

Kursusplan1. Jeg har valgt energistudiet. Hvad er det for noget?2. Elektro-magnetiske grundbegreber3. Introduktion, grundbegreber og “the Engineering Practice”4. Elektro-magnetiske grundbegreber5. Energi –transport og analyse6. Termodynamiske egenskaber7. Workshop – Hvad er et energisystem for noget?8. Energi analyse af lukkede systemer9. Workshop – Hvordan virker energimaskiner?10. Elektriske kredsløb, magnetisme, elektromekanik11. Masse- og energi-analyse af kontrol volumer12. Elektriske kredsløb, magnetisme, elektromekanik13. Termodynamikkens 2 lov14. Bernoulli-ligningen og dens anvendelse15. Varmeledning og termiske netværk

Formål

• Tilegne terminologien for fagområdet

• Opstile en model for energi-system/maskine– ’Simple’ beregninger

– Programmeringsteknik

Blooms taksonomi

Energitekniske grundfag

Motivation

• Fordi kursusholder siger det er vigtig!

• Fordi i helt sikkert vil få brug for noget af det senere i studiet

• Fordi i skal ’bestå’ kurset for at graduerer– 80% deltagelse (11/13 lektioner)

– Godkendt individuel opgave

Hvad er ECTS?

• European Credit Transfer System

• 1 ECTS = 28 timers arbejde (3,5 dage á 8 timer)

• 11 lektioner a 4 timer 2,0 ects

• 2 workshops a 8 timer 0,5 ects

• Individuel opgave 1,5 ects

• Selvstændig læsning 1 ects (2 timer per lektion)

Litteratur

• Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences by Cengel and Turner– Dækker det termiske område på 1-3 sem.

Tilegnelse af viden

1. Læs teksten i bogen

2. Hør på forelæsningen

3. Løs opgaver

4. …

5. Anvend i projekt

Dagens lektion

• Design-processen

• Termodynamiske grundbegreber og koncepter

Engineering design

• Processen der omhandler udformningen af et system, komponent eller proces der imødekommer kravspecifikationen

– Design af køleribbe til CPU

– Design af kølesystem til CPU

– Design af PC

klassificering af design

• Modificering af eksisterende design

• Udvælgelse af eksisterende komponenter til nyt system

• Udvikling af helt nyt apparat

Grundlag for ændringer

• Reducering af produktionsomkostninger

• Forbedre performance, kvalitet

• Reducer vægt, volume, støj, energiforbrug..

• Imødekom miljøkrav

Design-grundlaget

’Problem’ identifikation

• Identificer grundlæggende virkemåde for et system/komponent

• Identificer krav til produktet

Design processen

• Eksempel: Elektrisk varmeovn

0. behov

• Et rum skal have en behaglig temperatur

1. Specifikationer og krav

• Varmeovnen skal bruges til at opvarme et gennemsnitlig rum

• Den skal være transportable (let, kompakt, holdbar)

• Købsprisen skal være sådan at folk har råd til den

• Den skal være supplement til centralvarme

• Den skal bruge 220 V

• Den skal overholde miljøkrav, sikkerhedskrav

2a. Detaljerede specifikationer og krav

• Definer et gennemsnitligt rum• Konsulter et antal husplaner, udarbejd gennemsnit: (6x6x2.5m)

• Den er et supplement til centralvarme• Centralvarme vil opretholde en temperatur i rummet på minimum 10 °C

• Den skal hæve temperaturen i rummet fra 10 til 20 °C

• Den skal have en termostat eller 2-3 effektniveauer (high, medium, low)

• Lyd.., Sikkerhed…, vægt…, dimensioner…, pris…

2b. Konceptdesign og evaluering

• Nye features

• Styrker/svagheder

• Æstetik

2c. markedsundersøgelse

• Er der behov for en varmeovn?

• Hvor mange kan der sælges?

3a. Detaljeret design

• Installeret effekt

• Materialevalg

• Sikkerhedsforanstaltninger

• Produktions hensyn

• Standarder og lovkrav

• Genanvendelighed

• …

3.b dimensionering

• Estimer nødvendig varmeoverførsel til rummet• Varmeafgivelse fra rummet til omgivelserne

• Antallet af personer i rummet

• Estimer overflade arealet på varmeaggregatet• Maksimum temperatur på varmeaggregat

• Estimer varmeovergangskoefficienten (convective heat transfer coefficient)

• Evaluer mulige layout

( ) [ ] Wconv sQ hA T T∞= −

Punkt 4.-7.

4. Overbevis bossen!

5. Produktionsmodning

6. Produktionsanlæg

7. PR.

Projektarbejde AAU

• Initierende problem

• Problemanalyse

• Problemformulering

• Problemløsning

Punkt 0.

Punkt 1.-2.

Punkt 3.a

Punkt 3.b

Del 2: Grundbegreber

• Tryk• Hvad er tryk?

• Hvad er opdrift?

• Hvordan måler vi tryk?

• Simple beregninger

Tryk

Højtryk/Lavtryk

Barometer

Nedtrykt!

Barometeret og Pascal

• ”Baros” – tyngde

• ”metron” – måling “Puy de dome” bjerget

Blaise Pascal & co

Atmosfærisk Tryk

Atmosfærisk tryk

Tryk

• Definitioner

1 m2

1 N

[ ] [ ] 21 Pa =1 N 1 m

51 Bar =10 Pa61 MPa =10 Pa

1 atm =101325 Pa 1 Bar≈

egenskaber

• Tryk har ingen retning

• Tryk virker vinkelret på en overflade

Densitet/massefylde

• Ved ’stuetemperatur’• Luft ≈ 1,23 kg/m3

• Vand ≈ 1000 kg/m3

3massefylde [kg/m ]=masse / rumfang

Vand

Hydrostatisk Tryk 1p

2p

gρ

2 10 0z z

W

F ma p x y p x y g x z yρ= = → ∆ ∆ − ∆ ∆ − ∆ ∆ ∆ =∑

z

2 1p p p g zρ∆ = − = ∆

g

Gauge Tryk

atm vaporp gh pρ= +

atmp ghρ≈

, 0,16vapor kviksølvP Pa=

Gauge Tryk

eksempel

• Trykket på bunden af en søSøen er 10m dyb og har en temperatur på 10 °C

3 2 51000kg/m 9,8m/s 10m 10 Pa =198000Pa 2atm

abs atmp gh pρ= +

= ⋅ ⋅ +≈

Tryk fordelinger

a b c dP P P P= = =

A B C DP P P P= = ≠

Stempler

• Pascal’s princip

1 2 2 21 2

1 2 1 1

F F F Ap pA A F A

= → = → =

Tryk målinger

1 1Ap ghρ= 2 2 1 1Ap gh ghρ ρ= −

2 2 1 2Ap gh forρ ρ ρ≈

eksempel

En lukket tank indeholde komprimeret luft og olie (ρ=900kg/m3). Et U-rør manometer indeholdende kviksølv (ρ=13600kg/m3) er forbundet til tanken. For h1=0,9m, h2=15cm og h3=23cm bestem trykvisningen på pressure gauge.

Trykket ved punkt 1:

Trykket ved punkt 2:

eller

( )1 1 2air oilep p g h hρ= + +

2 1p p=

( )2 3Hgp g hρ=

( ) ( )1 2 3air oile Hgp g h h g hρ ρ+ + =

⇓( ) ( )3 1 2 0.21air Hg oilep g h g h h barρ ρ= − + =

Resulterende kraft

Lift og Drag

Archimedes princip

B medium bodyF gVρ=

g body bodyF gVρ=

( )R body medium bodyF gVρ ρ= −

Stabilitet

Opgaver

• Væk sidemanden, det er tid til opgaveregning!

2-25c, 2-37, 2-41, 2-43, 2-67, 2-70