background image

 

 

Theory of Heat Machines 

2l.+1cl.

Theory of Heat Machines 

2l.+1cl.

Paweł Skowroński Ph.D., 

P.Eng.

pskowr@itc.pw.edu.pl

Tel +22 243 52 13

p. 404

background image

 

 

Formalities

Formalities

background image

 

 

Scope of the Subject

• Processes in heat machines and 

thermal devices

• Thermodynamical cycles – thermal 

engines

• Heat machines and systems analysis 

and synthesis

background image

 

 

Bibliography

• Notes !!!
• Staniszewski B. – „Termodynamika”
• Other handbooks on thermodynamics, 

technical thermodynamics, theory of 
heat machines, …

• No textbook dedicated to this 

lecture!!!!

background image

 

 

How to get credit? Three colloquies

• Conditions

– positive (≥ 3=) marks from at least two from 

three colloquies

– sum of marks bigger than 8 (bigger – not 

equal!)      (+: +0,25; –: -0,25; =: -0,33)

– at least a partial answer on theoretical question 

and a partial solution of the exercise is 

necessary to get a positive mark of a colloquy 

(it is necessary but not enough)

– the 1st and the 2nd colloquies can be repeated 

during a „marathon”; mark obtained at the 

„marathon” replaces the colloquy mark; the 3rd 

colloquy will  not  be repeated

background image

 

 

How to get credit? The exam

– there is a written and oral part of the exam

– written examination consists with a complex 

exercise and a theoretical topic

– oral examination covers knowledge of the theory

– to take an oral exam one must pass the written 

part of the exam; passing the written part with a 

mark 3- allows for single approach to the oral part;

– an average of colloquies marks equal or bigger 

then 4 releases from the written examination

– an exam mark is given if a sum of colloquies marks 

is higher then 8, 

– if the sum of colloquies marks is less than 8, the 

written part of the exam can be accepted with a 

mark at least 4

background image

 

 

Energy Conversion

Energy Conversion

background image

 

 

energy conversion

Usable 

(possible for use)

 energy 

carriers

-heat carrier

-mechanical energy

-electricity

use-ful energy

– delivered in 
form of heat

–delivered in 
form of work

–light
–information 
processing

Primary Energy

-of wind
-geothermal
-solar
-water flows
-chemical
-nuclear

background image

 

 

energy conversion

Energy conversion is always accompanied with losses:

• 

during conversion of heat to work (thermal engine cycles) 

– results 

from thermodynamic rules

resulted from irreversibility of thermodynamic processes 
(irreversible entropy growth)

• 

imperfectness of conversion of chemical energy into 

internal 

energy (not-full use of fuels)

• 

mechanical fraction between machines elements, and 

resistance 

in fluid flow

electric and magnetic – „at cuprum and in iron”

• 

others

background image

 

 

Chosen and basic 

information on heat 

transfer process and heat 

exchangers

Chosen and basic 

information on heat 

transfer process and heat 

exchangers

background image

 

 

heat transfer mechanisms

• conduction 

• convection

– natural
– forced

• radiation

background image

 

 

δ

Q

S

t

1

t

2

λ

)

(

2

1

t

t

S

Q

λ 

– heat conduction coefficient





K

m

W

t

1

, t

2

 [K] – temperatures at surfaces of the heat conducting material

δ [m]  – thickness of the wall  

S [m

2

]  – heat transfer area 

heat conduction at a flat wall

background image

 

 

values of a heat conduction coefficient λ at 100°C

duralumin

181,4

increases with temperature

brass 70Cu/30Zn: 

109,3

 increases with temperature

carbon steel

52,3

 decreases with temperature

chrome-nickel steel

ok. 11-13

change with temperature depends 

on 

the steel composition

brick

0,3÷1,2

mineral wool

0,035÷0,05





K

m

W





K

m

W





K

m

W





K

m

W





K

m

W





K

m

W

background image

 

 

)

(

2

1

t

t

S

Q

Q

S

t

1

t

2

α

heat infiltration coefficient α 

      fluid – wall surface or wall surface – 

fluid depends on:

 

• velocity, density, viscosity, specific heat, heat conductivity of the fluid
• the fluid phase (gas, liquid, boiling liquid, condensing steam) 
• the surface shape and roughness





K

m

W

2

heat infiltration

background image

 

 

heat transfer through a flat wall

)

(

)

(

)

(

2

2

2

2

1

1

1

1

f

w

w

w

w

f

t

t

dS

t

t

dS

t

t

dS

Q

d

Q

Q

Q

Q

Q

t

f1

t

w1

t

w2

t

f2

λ

δ

α

1

α

2

dS – elementary area

δ – partition thickness

t

w

 – partition surface 

temperature

t

f

 – fluid temperature (far 

away from a boundary 
layer)

background image

 

 

heat transfer through a flat wall,    

cont.

)

(

)

(

)

(

2

2

2

2

1

1

1

1

f

w

w

w

w

f

t

t

dS

t

t

dS

t

t

dS

Q

d

dS

Q

d

t

t

w

f

1

1

1

)

(

dS

Q

d

t

t

w

w

)

(

2

1

dS

Q

d

t

t

f

w

2

2

2

)

(

background image

 

 





2

1

2

1

1

1

)

(

dS

Q

d

t

t

f

f

dS

Q

d

dS

Q

d

dS

Q

d

t

t

t

t

t

t

f

w

w

w

w

f

2

1

2

2

2

1

1

1

)

(

)

(

)

(

)

(

1

1

1

2

1

2

1

f

f

t

t

dS

Q

d





heat transfer through a flat wall,    

cont.

background image

 

 

)

(

2

1

f

f

t

t

dS

k

Q

d





2

1

1

1

1

k

coefficient of a heat transfer through a flat wall :

heat transfer through a flat wall,    

cont.

background image

 

 

heat transfer through a pipe wall

)

(

)

(

2

1

ext

w

ext

ext

w

in

in

in

t

t

dL

D

t

t

dL

d

Q

d

infiltration 

of heat on both sides of the 

partition:

a pipe of an elementary 
length dL

Q

Q

t

i

n

t

w1

t

w2

t

ext

λ

α

ext

Q

Q

α

in

d

in

D

e

x

t

w

z

T

w 1

T

w 2

T

z

T

w

x

y

z

r

w

r

z

in

ext

ext

in

background image

 

 

dr

dt

dL

r

Q

d

2

Heat 

conduction 

through a pipe wall, 

(an area of a heat conduction changes with a radius):

heat transfer through a pipe wall,    

cont.

Q

Q

Q

t

in

t

w

1

t

w

2

t

ext

λ

α

ext

Q

Q

α

in

r

background image

 

 

dr

dt

dL

r

Q

d

2

r

dr

dL

Q

d

dt

2

in

ext

r

r

w

w

r

r

dL

Q

d

r

dr

dL

Q

d

t

t

ext

in

ln

2

2

2

1

2

1

ln

2

w

w

d

D

t

t

dL

Q

d

in

ext

heat transfer through a pipe wall,    

cont.

background image

 

 

)

(

)

(

2

1

ext

w

ext

ext

w

in

in

in

t

t

dL

D

t

t

dL

d

Q

d

)

(

)

(

)

(

)

(

2

2

1

1

ext

w

w

w

w

in

ext

in

t

t

t

t

t

t

t

t

dL

D

Q

d

d

D

dL

Q

d

dL

d

Q

d

ext

ext

in

ext

in

in

ln

2

heat infiltration by the pipe surface:

temperature drops composition – infiltration and conduction





ext

ext

in

ext

in

in

D

d

D

d

dL

Q

d

1

ln

2

1

1

heat transfer through a pipe wall,    

cont.

background image

 

 

)

(

1

ln

2

1

1

1

ext

in

ext

ext

in

ext

in

in

t

t

dL

D

d

D

d

Q

d













K

m

W

D

d

D

d

k

ext

ext

in

ext

in

in

L

1

ln

2

1

1

1

)

(

ext

in

L

t

t

dL

k

Q

d

a coefficient of heat transfer related to a pipe length:

heat transfer through a pipe wall,    

cont.

background image

 

 









K

m

W

D

d

d

D

d

k

ext

ext

in

in

ext

in

in

in

2

ln

2

1

1

)

(

)

(

)

(

out

in

in

in

out

in

in

in

L

out

in

L

t

t

dS

k

t

t

dL

d

d

k

t

t

dL

k

Q

d

heat transfer through a pipe wall 

related to an 

internal

 surface of a pipe

background image

 

 









K

m

W

d

D

D

d

D

k

ext

in

ext

ext

in

in

ext

ext

2

1

ln

2

1

)

(

)

(

ext

in

ext

ext

ext

in

ext

ext

t

t

dS

k

t

t

dL

D

k

Q

d

heat transfer through a pipe wall 

related to an 

external

 surface of a pipe

background image

 

 

Assuming that value of the heat transfer coefficient k does not 
change along the heat transfer partition (length, area) 

or accepting an average value of the for the whole heat 
exchanger, 

then taking into account that a difference of the both fluids 
temperatures does change along the heat surface

for a flat wall

for a pipe, relating e.g. to the internal surface of the heat exchange:

where 

Δt

av

  - is an average temperature difference between fluids 

in 

the heat exchanger.

av

w

w

ext

in

in

in

t

S

k

dL

L

t

L

t

d

k

Q

d

Q

))

(

)

(

(

av

f

f

t

S

k

dS

S

t

S

t

k

Q

d

Q

))

(

)

(

(

2

1

background image

 

 

t

11

t

12

t

21

t

22

L

t

22

 < t

12

t

t

11

t

21

t

12

)

(

)

(

ln

)

(

)

(

22

12

21

11

22

12

21

11

ln

t

t

t

t

t

t

t

t

t

common-flow heat exchanger

 

temperatures changes along the heat exchange 

surface

background image

 

 

contrary-flow heat exchanger 

temperatures changes along the heat exchange 

surface

L

t

11

t

12

t

21

t

22

t

t

11

t

22

 > 

t

12

t

21

t

12 

< t

22

)

(

)

(

ln

)

(

)

(

21

12

22

11

21

12

22

11

ln

t

t

t

t

t

t

t

t

t

background image

 

 

fluids temperature distribution in a heat 

exchanger

volume

heat

C

c

m

C

p

After: - Wymiana ciepła, S. Wiśniewski, T.S. 
Wiśniewski

 

fluids temperature distribution 

in common-flow heat exchanger

fluids temperature distribution 

in contrary-flow heat exchanger

background image

 

 

If a temperature difference between fluids along the 
heat surface is a linear function of the both fluids 
temperatures then an average difference between 
fluids temperatures in a heat exchanger is an 
logarithmic temperature difference

The condition for the linear dependence between the 
fluids temperatures and the difference between these 
temperatures is fulfilled if fluids do not change phases 
and their heat volumes are constant (m·c = const.).

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger

background image

 

 

)

(

2

2

2

1

1

1

t

dS

k

Q

d

dt

c

m

Q

d

dt

c

m

Q

d

f

f

L

t

t

11

t

21

t

22

 < t

12

t

12

t

1

t

2

Δt=t

1

-

t

2

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

heat exchanged 
(transferred) 
through an 
elementary area dS:

background image

 

 

t

dS

k

Q

d

av

t

k

S

Q

t

k

dt

c

m

t

k

Q

d

dS

f

1

1

1

outlet

inlet

f

t

k

dt

c

m

S

1

1

1

ale:

c

f1

, k, Δt   change along the heat exchanger and so are a 

functions of t

1

 (and of t

2

)

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

outlet

inlet

f

av

av

t

k

dt

c

t

k

m

t

k

S

Q

)

(

)

(

)

(

1

1

1

outlet

inlet

f

dt

c

m

Q

1

1

1

and also:

so:

outlet

inlet

f

outlet

inlet

f

av

dt

c

t

k

dt

c

t

k

1

1

1

1

)

(

)

(

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

outlet

inlet

f

outlet

inlet

f

av

t

k

dt

c

dt

c

t

k

)

(

)

(

1

1

1

1

outlet

inlet

f

outlet

inlet

f

av

dt

c

t

k

dt

c

t

k

1

1

1

1

)

(

)

(

then:

if c

f

 and k are const.:

if:

outlet

inlet

outlet

inlet

outlet

inlet

av

t

dt

t

t

t

dt

dt

t

1

11

12

1

1

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

by analogy:

outlet

inlet

outlet

inlet

outlet

inlet

av

t

dt

t

t

t

dt

dt

t

2

21

22

2

2

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

)

(

)

(

21

2

2

2

1

11

1

1

t

t

c

m

t

t

c

m

f

f

2

2

2

1

1

1

dt

c

m

dt

c

m

f

f

)

(

1

11

2

2

1

1

21

2

t

t

c

m

c

m

t

t

f

f



11

2

2

1

1

21

1

2

2

1

1

2

t

c

m

c

m

t

t

c

m

c

m

t

f

f

f

f

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

b

t

a

t

t

c

m

c

m

t

c

m

c

m

t

f

f

f

f





1

21

11

2

2

1

1

1

2

2

1

1

1

2

1

t

t

t

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

1

2

1

2

11

12

11

12

11

12

11

12

11

12

11

12

1

1

11

12

1

11

12

ln

ln

)

(

)

(

ln

ln

1

t

t

t

t

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

t

a

t

a

b

t

a

b

t

a

a

t

t

b

at

dt

t

t

t

dt

t

t

t

outlet

inlet

outlet

inlet

av

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

outlet

inlet

outlet

inlet

śr

b

at

dt

t

t

t

dt

t

t

t

1

1

11

12

1

11

12

b

t

a

b

t

a

a

t

t

b

t

a

a

b

t

a

a

t

t

t

av

11

12

11

12

11

12

11

12

ln

1

)

ln(

1

)

ln(

1

1

2

1

2

11

12

11

12

11

12

11

12

ln

ln

)

(

)

(

ln

t

t

t

t

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

t

a

t

a

t

av

an average logarithmic difference of 

temperatures in a heat exchanger      

cont.

background image

 

 

t

22

t

11

t

12

t

21

)

(

)

(

ln

)

(

)

(

21

12

22

11

21

12

22

11

_

ln_

t

t

t

t

t

t

t

t

t

t

flow

contrary

for

av

ε<1 – a correction related to the heat exchanger 
configuration, fluids temperatures drops, temperatures 
at the heat exchangers inlet and outlet

cross-kind heat exchanger

background image

 

 

„Shell-tubular” heat exchanger of a 

mixed flow structure

background image

 

 

isobaric condensing
p

1

 = const.      t

1

 = const.

t

L

t

2

2

t

21

Δt=t

1

-

t

2

Condenser

background image

 

 

As in the case of heat exchange between fluids without a change of 
phase, also for an isobaric condensation:

outlet

inlet

outlet

inlet

outlet

inlett

av

t

dt

t

t

t

dt

dt

t

2

21

22

2

2

Δt is linearly related to t

2

 (condensing temperature t

1

 = 

const.):

b

t

a

t

t

t

2

1

2

1

Condenser

background image

 

 

1

2

1

2

21

22

21

22

21

22

21

22

21

22

21

22

2

2

21

22

2

21

22

ln

ln

)

(

)

(

ln

ln

1

t

t

t

t

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

b

t

a

t

a

t

a

b

t

a

b

t

a

a

t

t

b

at

dt

t

t

t

dt

t

t

t

outlet

inlet

outlet

inlet

av

Condenser

background image

 

 

isobaric condensing
p = const.      t = const.

t

L

steam cooling

condensate 
cooling

Δt

min 

- „pinch 

point”

steam cooling, steam condensing, 

condensate cooling

background image

 

 

mass balances for a diaphragm-kind heat exchange:

0

22

22

21

21

12

12

11

11

22

22

21

21

12

12

11

11

i

m

i

m

i

m

i

m

Q

i

m

i

m

Q

i

m

i

m

energy balance for a diaphragm-kind heat exchange:

0

0

22

21

12

11

m

m

m

m

or:

balances for a diaphragm-kind heat exchanger

m

12

m

11

m

21

m

22

background image

 

 

)

(

)

(

21

22

2

21

12

11

1

11

t

t

c

m

t

t

c

m

Q

p

p

Energy balance for a diaphragm-kind heat exchange and one-
phase flows with c

p

=const.:

balances for a diaphragm-kind heat exchange

L

t

t

11

t

21

t

22

 < t

12

t

12

t

1

t

2

Δt=t

1

-

t

2

)

(

2

2

2

1

1

1

t

dS

k

Q

d

dt

c

m

Q

d

dt

c

m

Q

d

w

w

background image

 

 

examples of a diaphragm-kind heat 

exchangers

background image

 

 

examples of a diaphragm-kind heat 

exchangers

background image

 

 

approximates values of the heat 

infiltration coefficients at recuperates

heat inflitration  coefficient [W/m

2

K]

heating or cooling          

                     air

160

                     superheated steam

20120

                     oils

601800

                     liquid water

23012000

water boiling

60052000

film condensation of water 

steam

46001800

0

drop-kind condensation of water 

steam

46000140

000

condensation of organic 

compounds steams

6002300

background image

 

 

marginal values of the heat transfer 

coefficients           k [W/m2K]

gas – gas

30

gas – liquid water

60

light oil – liquid water

350

liquid water – liquid water

1200

condensing water steam – liquid water 3000

condensing water steam – oils

350

condensing water steam – boiling oils

600

background image

 

 

liquid 
(1)

heating steam 
(2)

gases - vapors (4)

no-diaphragm kind 
heat exchanger

thermal deairater

degasified 
water (3)

no-diaphragm kind heat exchanger 

– deairater (dearating heater)

background image

 

 

)

(

"

)

(

'

0

3

4

3

3

4

1

p

i

i

p

i

i

m

m

0

4

3

2

1

m

m

m

m

0

4

4

3

3

2

2

1

1

i

m

i

m

i

m

i

m

mass balance of a deairater

energy balance of a deairater

additional relations – approximated relation between mass of 
vapors and supplying water

no-diaphragm kind heat exchanger 

– deairater (dearating heater)                    cont.

background image

 

 

Exercise 1

• A fluid „2” is heated from T’

2

=293 K 

to T”

2

=343 K. Heating agent „1” 

cools down from T’

1

=453 K to 

T”

1

=353 K. Compare heat exchange 

area for common-flow and contrary-
flow heat exchangers of 1 MW 
capacity, if heat transfer coefficient 
is k=100 W/(m2K) in the both cases.

background image

 

 

Exercise 2

• Two fluids (1) & (2) of temperatures t

1

 & t

2

 (t

1

>t

2

) are 

separated with a partition and exchange a heat. Heat 

infiltration coefficient from the fluid (1) to a surface of 

the partition α

1

 is 300 W/m

2

K, and heat infiltration 

coefficient from a surface of the partition to the fluid 

(2) α

2

 is 900 W/m

2

K. The partition is made of a 

homogenous material of heat conduction factor λ 

equal to 45 W/mK. Estimate a heat transfer coefficient 

k if the partition is:

1. a flat plate 4 mm thick,
2. a pipe ø211x4,
3. a pipe ø32x4,

Formulate conclusions basing on the results.

background image

 

 

Exercise 3

• Estimate an area of heat exchanger 

water – water, where one fluid is 
cooled down form 80°C to 40°C. An 
cooling agent is a water supplied 
with temperature 30°C. Accept 
additional assumptions, chose a 
proper kind of a heat exchanger, and 
estimate area of its surface. 

background image

 

 

Exercise 4

• 100 kg/s of a wet steam of an enthalpy 2776 

kJ/kg is condensing. Saturated condensate 
outflows from the heat exchanger with an 
enthalpy 763 kJ/kg. Saturation temperature is 
180°C (saturation pressure 10 bar). An cooling 
agent is a water supplied with temperature 
90°C.

• Accept necessary additional assumptions (e.g. 

heat exchanger configuration, k value, …) and 
calculate area of heat exchange surface.


Document Outline