background image

Modelling

Lumped systems

T = f(t)

but 

T = const

throughout the 

solid at any time

Temperature of a body, in general, varies with time and 
position: T = f(x,y,z,t) 

→ unsteady conditions

TRANSIENT  HEAT  CONDUCTION

T = f(x,y,z,t)

in:

• 1D systems – a large plane wall, a long cylinder, a sphere, 

a semi-infinite medium

• multidimensional systems

background image

LUMPED  SYSTEM

const

z

y

x

T

t

f

T

=

=

)

,

,

(

)

(

h

– heat transfer coefficient

Assumption
temperature of a medium    

T

>

>

>

T

i

During a differential time 

dt

temperature rising by a 
differential amount 

dT 

background image

Energy balance of the solid for the time interval 

dt

Heat transfer into the 

body during 

dt

The increase in the energy of 

the body during 

dt

=

or:

dT

mC

dt

T

T

hA

p

S

=

)

(

Integrating from t = 0, at which T = T

i

, to any time t, at which 

T = T(t), gives

t

VC

hA

T

T

T

t

T

p

S

i

ρ

=

)

(

ln

V

m

ρ

=

Since:

and

)

(

=

T

T

d

dT

, because

const

T

=

dt

VC

hA

T

T

T

T

d

p

S

ρ

=

)

(

we obtain:

background image

Thus:

bt

i

e

T

T

T

t

T

=

)

(

where:

p

S

VC

hA

b

ρ

=

)

/

1

(

s

b

/

1

=

τ

- time constant

The 

T

of a body approaches the 

ambient temperature 

T

exponentially:
- the larger 

b

value, the higher 

rate of 

T

decay.  

)

(t

T

temperature 
of a body at 
time 

t

background image

The 

actual rate

of convection heat transfer between the body 

and its environment – from Newton`s law of cooling:

]

)

(

[

)

(

=

T

t

T

hA

t

S

Q

)

(W

The 

total amount

of heat transfer between the body and the 

surrounding medium over the time interval (0 – t) is the 
change in the energy content of the body:

]

)

(

[

i

p

T

t

T

mC

Q

=

)

(kJ

Heat transfer to 
or from a body 
reaches its 
maximum value 
when the body 
reaches the 
environment 
temperature

background image

Lumped system

– great convenience in heat transfer analysis

Criterion for the applicability 

→ definition of a 

characteristic length

S

C

A

V

L

=

and a 

Biot number

Λ

=

C

hL

Bi

Also:

body

the

within

Conduction

body

the

of

surface

the

at

Convection

T

T

L

h

Bi

C

_

_

_

_

_

_

_

_

_

/

=

Λ

=

or:

body

the

of

surface

the

at

ce

tan

resis

Convection

body

the

within

ce

tan

resis

Conduction

h

L

Bi

C

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

_

/

1

/

=

Λ

=

Meaning of Biot number 

background image

• Small Biot number represents small resistance to heat 
conduction 

→ small T gradients within the body

• Lumped system - a uniform T distribution throughout the body 

→ conduction resistance = 0

Thus, lumped system analysis is exact when Bi = 0 

and approximate when Bi

>

>

>

0.

Estimation of an accuracy of lumped system analysis

→ Typical uncertainty in the convection heat transfer coefficient 

h

is about 

20%

It is generally accepted that lumped system analysis is applicable 

if 

1

.

0

Bi

The temperature variations with location within the body is 
slight (

<

<

<

5%) 

→ small bodies with high thermal conductivity in 

a medium that is a poor conductor of heat (air) 

background image

Analogy between heat transfer to a solid and 
passenger traffic to an island

Lumped system – small island with plenty of fast buses 
(no overcrowding at the harbour = accumulation of heat)

background image

Example of non-lumped system

:

high value of the convection heat transfer coefficient 

h

→ large T difference between the inner and outer regions

On the other hand:

The larger the thermal conductivity 

Λ

Λ

Λ

Λ

the smaller the temperature gradient 
within the body.

background image

TRANSIENT  SYSTEMS

The variation of the T profile with time in the plane etc.

where: 

α

α

α

α

is the thermal diffusivity in (m

2

/s)

T

T

t

L

C

L

L

L

t

p

Λ

=

=

/

)

/

1

(

3

2

2

ρ

α

τ

The rate at which heat is conducted
across L of a body of volume L

3

The rate at which heat is stored
in a body of volume L

3

=

background image

TRANSIENT  HEAT CONDUCTION IN SEMI-INFINITE SOLIDS

For the special case of 

→ ∞

, the surface temperature 

T

S

becomes equal to the fluid temperature 

T

, and 

=

t

x

erfc

T

T

T

t

x

T

i

S

i

α

2

)

,

(

du

e

erfc

u

=

ξ

π

ξ

0

2

2

1

)

(

The complementary error function

t

x

α

ξ

2

=

Example

Minimum burial depth of water 
pipes to avoid freezing

m

t

x

80

.

0

2

=

=

α

ξ

background image

TRANSIENT  HEAT CONDUCTION IN MULTIDIMENSIONAL 

SYSTEMS

For 2D and 3D systems – a superposition approach called a 
product solution 
(based on charts containing numerical 
solutions for 1D systems)

Example

A solid bar of rectangular profile a 

×

×

×

× b is the intersection of two 

plane walls of thickness and b.

Transient T distribution in the bar:

)

,

(

)

,

(

)

,

,

(

t

y

t

x

T

T

T

t

y

x

T

wall

wall

bar

i

θ

θ

=





where:

=

T

T

T

t

x

T

t

x

i

wall

)

,

(

)

,

(

θ

=

T

T

T

t

y

T

t

y

i

wall

)

,

(

)

,

(

θ