introduction to Heat Transfer and basic concepts - Thai

1. Ch 1 Introductory to Heat
Transfer and Basic Concepts
King Mongkut’s University of Technology North Bangkok
Faculty of Engineering
Department of Mechanical and Aerospace Engineering
1

2. วัตถุประสงค์
 เพื่อให้เข้าใจถึงความสัมพันธ์ระหว่าง Thermodynamics และ Heat transfer
 เพื่อให้สามารถบอกความแตกต่างระหว่างพลังงานความร้อนและพลังงานใน
รูปแบบอื่นๆ
 เพื่อให้วิเคราะห์สมดุลพลังงานได้
 เพื่อให้เข้าใจถึงกลไกการถ่ายเทความร้อน ซึ่งได้แก่ Conduction, Convection
และ Radiation
 เพื่อให้เข้าใจถึงสมการต่างๆ ได้แก่ Fourier's law of heat conduction,
Newton's law of cooling และ the Stefan–Boltzmann law of radiation,
 เพื่อให้สามารถวิเคราะห์กลไกการถ่ายเทความร้อนทั้ง แบบที่เกิดขึ้นพร้อมๆ กัน
ได้ รวมทั้งการคานวณหา Heat transfer rate ที่เกิดขึ้นจากกลไกดังกล่าว
2

3. เนื้อหาสาคัญ
 Thermodynamics and Heat Transfer
 Engineering Heat Transfer
 Heat and other Forms of Energy
 1st of Thermodynamics
 Heat Transfer Mechanisms
 Conduction
 Convection
 Radiation
 Simultaneous Heat Transfer Mechanisms
 Problem Solving Technique
3

4. Thermodynamics and Heat Transfer
 Thermodynamics  ปริมาณของความร้อน (Heat) ที่ถูกถ่ายเทเข้าหรือ
ออกจากระบบ เพื่อที่จะทาให้ Process เกิดการเปลี่ยน State จากที่สภาวะ
สมดุลไปยังอีกสภาวะสมดุลหนึ่ง โดยไม่สนใจว่า จะต้องใช้ระยะเวลาเท่าใดใน
การเกิด Process นั้นๆ
Equilibrium State
 Heat transfer  อัตราการถ่ายเทความร้อน (Rate of energy) เพื่อที่ทาให้
ระบบมีการเปลี่ยนแปลอุณหภูมิ
Non-equilibrium phenomena
4

5. Thermodynamics and Heat Transfer
 เนื่องจาก Heat transfer เป็น Non-equilibrium phenomena
ดังนั้น Heat transfer จึงไม่สามารถใช้พื้นฐานทาง Thermodynamics
เพียงอย่างเดียว แต่กฎของ Thermodynamics จะถูกนามาใช้เป็นส่วนหนึ่ง
ของวิชา Heat transfer ยกตัวอย่างเช่น
 กฏข้อที่ 1 พลังงานเข้า = พลังงานออก
 กฏข้อที่ 2 ทิศทางการถ่ายเทความร้อน
จาก Temp. สูง ไป Temp. ต่า
5
TA > TB

6.  Heat transfer จะเกิดขึ้นได้ต่อเมื่อมีความแตกต่างของอุณหภูมิ (Temperature
difference ∆T) โดยจะมีทิศทางจาก Temp. สูง ไป Temp. ต่า
T2 > T1  Heat Transfer
T2 = T1  No heat transfer
 อัตราการถ่ายเทความร้อน (Heat transfer rate) จะขึ้นอยู่กับ ∆T
 ยิ่งถ้า ∆T มาก ก็จะทาให้มี Heat transfer rate มาก
6
T2
T1
Thermodynamics and Heat Transfer

7. 7
Application Areas of Heat Transfer

8.  การแก้ปัญหาวิศวกรรมเกี่ยวกับการถ่ายเทความร้อน สามารถแบ่งออกได้เป็น 2
ลักษณะ คือ Rating problem และ Sizing problem
 Rating Problem
 Find: Heat transfer rate ของระบบ
 Given: ∆T ของระบบ, ขนาด (Size) ของระบบ
 Sizing Problem
 Find: ขนาด (Size) ของระบบ
 Given: ∆T ของระบบ, Heat transfer rate
8
Engineering Heat Transfer

9.  พลังงานทั้งหมดของระบบ จะประกอบไปด้วย พลังงานภายใน (u), พลังงานจลน์
(k.e.) และพลังงานศักย์ (p.e.) โดยสามารถหาได้จาก e = u + k.e. + p.e.
 พลังงานภายในที่เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานจลน์ภายในของ
โมเลกุลแต่ละโมเลกุล จะสามารถแบ่งได้เป็น
 Sensible heat  Temp. change
 Latent heat  Phase change
e = u e = h = u + pv
9
Heat and other Forms of Energy

10. Specific Heat
10
 Specific Heat (ค่าความจุความร้อนจาเพาะ)
พลังงานความร้อนที่ต้องการในการที่ทาให้สาร
มวล 1 kg มีอุณหภูมิเปลี่ยนไป 1 °C
 Specific heat at constant volume cv
du = cvdt, ∆u = cv,avg∆T, ∆U = mcv,avg∆T
 Specific heat at constant pressure cp
dh = cpdt, ∆h = cp,avg∆T, ∆H = mcp,avg∆T

11. Specific Heat
11
 สาหรับ Pure substance
 ค่าความจุความร้อนจาเพาะจะขึ้นอยู่กับ
อุณหภูมิและความดัน
cv, cp = f(T, p)
 สาหรับ Ideal gas
 ค่าความจุความร้อนจาเพาะจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
cv, cp = f(T)
 สาหรับ Incompressible substance
 ค่าความจุความร้อนจาเพาะจะคงที่
cv = cp = c

12. Energy Transfer
12
 การถ่ายเทพลังงาน  Heat และ Work
 Heat Transfer  จะเกิดขึ้นเนื่องจากมีความแตกต่างของอุณหภูมิ ส่วนการถ่ายเท
พลังงานที่ไม่ได้เป็นผลมาจากความแตกต่างของุณหภูมิจะถือว่าเป็น Work Transfer
นิยาม ความหมาย สัญลักษณ์ หน่วย
Thermal Energy พลังงานความร้อนที่สะสมอยู่ในวัตถุ เมื่อวัตถุมีอุณหภูมิค่า
หนึ่งๆ ซึ่งจะรวบรวมพลังงานในการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
ของวัตถุ (Sensible heat) และ พลังงานในการเปลี่ยน
สถานะของวัตถุ (Latent heat)
U J/kg or
J
Heat transfer พลังงานความร้อนที่ถูกถ่ายเทเนื่องจากผลต่างของอุณหภูมิ Q J
Heat transfer rate พลังงานความร้อนที่ถูกถ่ายเทต่อหนึ่งหน่วยเวลา W
Heat flux พลังงานความร้อนที่ถูกถ่ายเทต่อหนึ่งหน่วยเวลาต่อหนึ่ง
หน่วยพื้นที่
W/m2
Q
qorq 

13. 1st of Thermodynamics
13
พลังงานทั้งหมด
ที่เข้าสู่ระบบ
พลังงานทั้งหมด
ที่ออกจากระบบ
การเปลี่ยนแปลง
พลังงานของระบบ
- =
, (J)in out gen thermal systemQ Q E E   
Net heat
transfer
Change in
thermal
energy of the
system
Heat
generation

14. 1st of Thermodynamics
 ระบบปิด (Close System)  ระบบเปิดแบบการไหลคงที่
(Steady Flow System)
14
(J)vQ mc T 
(kg/s)in outm m m 
(kJ/s)pQ m h mc T   

15. Heat Transfer Mechanisms
15
 การนาความร้อน
(Conduction)
 การพาความร้อน
(Convection)
 การแผ่รังสีความร้อน
(Radiation)

16. Heat Transfer Mechanisms
16
การพาความร้อน (Convection): ความร้อนจะถูกถ่ายเทโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของของไหลบนพื้นผิว
การแผ่รังสีความร้อน (Radiation): พลังงานจะถูกปล่อยออกจากวัตถุเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของ
อิเลคตรอนในอะตอมหรือโมเลกุลของวัตถุ และพลังงานจะถูกถ่ายเทโดยใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
การนาความร้อน (Conduction): เป็นการถ่ายเทความร้อนโดยมีของแข็งหรือของไหลที่อยู่นิ่งเป็นตัวกลาง
โดยความร้อนจะเกิดการถ่ายเทเนื่องจากการชนกันของอะตอมหรือโมเลกุลของตัวกลาง

17. Conduction
17
 เมื่อโมเลกุลของวัตถุเคลื่อนที่ชนกัน จะเกิด
พลังงานขึ้น โดยพลังงานที่เกิดขึ้นจะถูกถ่ายเทใน
รูปของความร้อนจากโมเลกุลที่มีพลังงานมากกว่า
ไปยังโมเลกุลที่มีพลังงานน้อยกว่าที่อยู่ใกล้ๆ กัน

18. Conduction
18
 อัตราการถ่ายเทความร้อนโดยการนาความร้อนจะ
ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่องๆ ดังนี้
 ชนิดของวัตถุ
 พื้นที่ผิว (A)
 ความแตกต่างของอุณหภูมิ ∆T และ
 ความหนาของวัตถุ ∆x
 การหาค่าอัตราการนาความร้อน สามารถหาได้
จาก Fourier’s law of heat conduction
(W)cond
dT
Q kA
dx
 

19. Conduction
19
1 2
(W)cond
T T T
Q kA kA
x x
 
  
 
(W)cond
dT
Q kA
dx
  จาก
 ถ้า ∆T เพิ่มขึ้น อัตราการถ่ายเทความร้อนจะเพิ่มขึ้น
 ถ้า ∆x เพิ่มขึ้น อัตราการถ่ายเทความร้อนจะลดลง
 k = Thermal conductivity ซึ่งเป็นค่าคงที่เฉพาะตัวของวัตถุ
 dT/dx เป็นความชันของกราฟ T-x diagram

20. Thermal Conductivity
20
 ค่า Thermal conductivity (k) เป็นค่าที่บ่ง
บอกถึงความสามารถในการนาความร้อนของ
วัตถุ
 วัตถุที่มีค่า k สูง  ถ่ายเทความร้อนได้ดี
สามารถนาไปใช้เป็นตัวนาความร้อนได้ เช่น
ทองแดง ทอง อลูมิเนียม
 วัตถุที่มีค่า k ต่า  ถ่ายเทความร้อนได้น้อย
สามารถนามาเป็นฉนวนได้ เช่น อิฐ แก้ว
ไฟเบอร์

21. Thermal Conductivity
21
 โดยปกติแล้วค่า k ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ
ของวัตถุ
 แต่ในความเป็นจริงแล้ว เรามักจะ
กาหนดให้ค่า k เป็นค่าคงที่

22. Thermal Diffusivity
22
 ค่า Thermal Diffusivity  เป็นอัตราส่วนของความสามารถในการนาความ
ร้อนของวัตถุต่อความสามารถในการเก็บสะสมความร้อนของวัตถุ
 หากวัตถุมีค่า Thermal diffusivity สูง, วัตถุนั้นจะสามารถถ่ายเทความร้อน
ได้ดี แต่จะเก็บความร้อนได้ไม่ดี
 หากวัตถุมีค่า Thermal diffusivity ต่า, วัตถุนั้นจะสามารถเก็บความร้อนได้
ดี แต่จะถ่ายเทความร้อนได้ไม่ดี
2Heat conducted
(m s)
Heat stored p
k
c


 

23. Convection
23
 การพาความร้อน (Convection) เป็นการถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวของ
ของแข็งกับของไหลที่ไหลผ่านพื้นผิวนั้น
 ยิ่งของไหลที่ไหลผ่านพื้นผิวมี
ความเร็วมาก ก็จะทาให้
สามารถถ่ายเทความร้อนได้
มาก

24. Convection
24
 Newton’s law of cooling
 h sq T T
  
h = สัมประสิทธิ์การพาความร้อน
(Convection heat transfer
coefficient)
As = พื้ทนที่ผิวที่มีการพาความร้อนเกิดขึ้น
Ts = อุณหภูมิที่ผิว
T = อุณหภูมิของของไหล

25. Convection Heat Transfer
25
 ประเภทของการพาความร้อน แบ่งออกเป็น
 Force convection มีใช้ใช้อุปกรณ์เพื่อให้เกิดการไหลของของไหล เช่น พัดลม หรือ ปั๊ม
 Natural convection ของของไหลผ่านพื้นผิวโดยธรรมชาติ
 Phase change การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อนที่ทาให้ของไหลเปลี่ยนสถานะ

26. Heat Transfer Coefficient
26
 ค่าสัมประสิทธิ์การพาความร้อน h ไม่ใช่
คุณสมบัติของของไหลที่ไหลผ่านพื้นผิว
 ค่า h ขึ้นอยู่กับตัวแปรต่างๆ ดังต่อนี้
 ลักษณะรูปร่างของพื้นผิว
(Surface geometry)
 ลักษณะการไหลของ (Fluid motion)
 คุณสมบัติของของไหล (Properties of
fluid)
 ความเร็วของของไหล (Bulk fluid
velocity)

27. Radiation
27
 Stefan Boltzmann’s Law
 ปริมาณรังสีความร้อนที่มากที่สุดที่วัตถุจะสามารถปล่อยออกมาได้ที่อุณหภูมิค่า
หนึ่งๆ (Maximum rate of heat radiation) (Blackbody = 1)
= 5.670 x 10-8 W/m2 K4 ; ค่าคงที่ Stefan-Boltzmann
As = พื้นที่ผิว m2
Ts = อุณหภูมิที่ผิว K
4
,max (W)emit s sQ A T



28. Emissivity
28
 เป็นคุณสมบัติในการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุ
 สาหรับวัตถุที่เป็น Blackbody จะมีค่า = 1
ซึ่ง Blacknody จะสามารถปล่อยพลังงาน
ความร้อนได้มากที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับ
พื้นผิวอื่นๆ ที่อุณหภูมิเดียวกัน
 สาหรับพื้นผิวจริงใดๆ; 0 ≤ ≤ 1
 อัตราการแผ่รังสีความร้อนของวัตถุจริงที่มี
อุณหภูมิ T (K) คือ



29. Absorptivity
29
 เป็นคุณสมบัติในการดูดซับ (Absorb) รังสีความร้อนของวัตถุ
 สัดส่วนของพลังงานที่ถูกดูดซับไว้ในวัตถุต่อพลังงานทั้งหมดที่ตกกระทบพื้นผิว
ของวัตถุ; โดย 0 ≤ ≤ 1
 วัตถุที่เป็น Blackbody จะสามารถดูดซับพลังงานทั้งหมดที่ตกกระทบพื้นผิว
ได้; นั่นคือ = 1
 ค่า และ จะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและความยาวคลื่น


 

30. Net Radiation Heat Transfer
30
 การถ่ายเทความร้อนสุทธิโดยการแผ่รังสี คือ
ผลต่างของอัตราการแผ่รังสีออกจากพื้นผิว
(Radiation emitted from surface) และ
อัตราการดูดซับรังสีของพื้นผิว (Radiation
absorbed by surface)
4
surrTG 
4
sTE 
4
surrabs TG 
 รังสีความร้อนทั้งหมดที่ตกลงบนพื้นผิว ;
 รังสีความร้อนที่ปล่อยออกจากพื้นผิว ;
 รังสีความร้อนที่ถูกพื้นผิวดูดซับไว้ ;
 การถ่ายเทความร้อนสุทธิจากการแผ่รังสี ( ; สาหรับวัตถุที่เป็น Gray body) 
)( 44
surrssrad TTAQ  

31. Problem Solving Technique
31
 ขั้นที่ 1: Problem Statement
ในขั้นตอนนี้ นศ. จะต้องอ่านโจทย์ให้เข้าใจ เพื่อให้ทราบว่าโจทย์กาหนดอะไรให้บ้าง และ
โจทย์ต้องการให้หาอะไร
 Step 2: Schematic
จากนั้นจึงทาการวาดรูปสเกตของระบบและตัวแปรต่างๆ ที่โจทย์กาหนดให้ รวมทั้งสิ่งที่โจทย์
ต้องการให้หา
 Step 3: Assumptions and Approximations
ตั้งสมมุติฐาน เพื่อกาหนดขอบเขตของการแก้ปัญหาโจทย์

32. Problem Solving Technique
32
 Step 4: Physical Laws
เลือกสูตรหรือกฏต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับลักษณะของโจทย์ให้ถูกต้องเหมาะสม
 Step 5: Properties
หาคุณสมบัติต่างๆ และตัวแปร หรือค่าคงที่ต่างๆ ที่จาเป็นต้องใช้แทนค่าในสูตรที่นามาใช้
 Step 6: Calculation
เมื่อได้ตัวแปรทุกตัว ก็ดาเนินการคานวณเพื่อแก้ปัญหาโจทย์

33. Example 1: 1st Law of Thermo
33

34. Example 1: 1st Law of Thermo
34

35. Example 1: 1st Law of Thermo
35

36. Exercises
36
Ex 1 The hot combustion gas of a furnace are separated from the ambient
air and its surroundings which are at 25C by a brick wall 0.15 m think.
The brick has k = 1.2 W/m K and emissivity = 0.8. Under steady state
condition, outer surface temperature = 100C, h = 20 W/m2 K. Determine
the brick inner surface temperature
Ex 2 A Square isothermal chip is of width w = 5 mm on a side and is
mounted in a substrate such that its side and back surfaces are well
insulated, while the front surface is exposed to the flow of a coolant at T∞
= 15C. From reliability considerations, the chip temperature must not
exceed T = 85C. If the coolant is air and the corresponding convection
coefficient is h = 200 W/m2 K, what is the maximum allowable chip
power? If the coolant is a dielectric liquid for which h = 3000 W/m2 K,
what is the maximum allowable chip power?