• Wrong document? Swap it for free
  • Written by students who passed
  • Immediately available after payment
  • Read online or as PDF
Sell
Where do you study
Your language
Document preview thumbnail
Preview 9 out of 39 pages
Summary

Samenvatting warmte- en massatransport

Document preview thumbnail
Preview 9 out of 39 pages

Samenvatting warmte- en massatransport Gegeven door Jan Pieters - 3de bachelor bio-ingenieur ugent De samenvatting beslaat alles uit de powerpoints, cursus en gezegd in de lessen. Zeer handig om door te nemen en de theorie te snappen voor aan de oefeningen te beginnen, alles wordt duidelijk uitgelegd en eventueel aangevuld met verklarende inzichten uit de lessen. Elk hoofdstuk/deel is ook voorafgegaan door een klein formularium. Stuur gerust een berichtje bij vragen.

Content preview

Warmte- en massatransport
Gegeven door Prof dr. Ir. Jan Pieters
DEEL I: Warmteoverdracht
• Conductie
o In vaste stof of vloeistof
o Atomen trillen = warmte, hoe hardere trilling hoe warmer → geven kinetische energie door aan naburige atomen die
ook beginnen trillen → warmte zo doorgegeven
o Puur energieoverdracht door trillingen
• Convectie
o Warmtetransport als gevolg van een stromend fluïdum (vloeistof, gas) over een oppervlakte op een verschillende
temperatuur
• Straling
o Elk VW verschillend van 0K straalt elektromagnetische golven uit die dan door andere VW opgevangen kunnen worden
waardoor ze een T wijziging ondergaan
o Straling = warmte-overdracht tussen 2 oppervlakten (van 2 VW’en) op eindige temperatuur


H1: Warmtegeleiding of conductieve warmteoverdracht
𝝓 [W] warmtestroom = totale warmte dat doorheen een oppervlakte stroomt per seconde

𝒒 [W/m²] warmtestroomdichtheid = warmte per m² (warmtestroom gedeeld door oppervlakte)

𝝀 [W/mK] warmtegeleidingscoëfficiënt = hoe makkelijk materiaal warmte gaat geleiden bij bepaalde T-gradiënt
= hoeveel E/tijd er door laagdikte van 1m gaat per Kelvin verschil tussen wanden van 1m dikke laag

𝝆 [kg/m³] dichtheid

cp [J/kgK] soortelijke warmtecapaciteit

𝜶 [m²/s] thermale diffusiviteit = hoe snel warmte diffundeert

h [W/m²K] oppervlaktewarmteoverdrachtscoëfficiënt (convectief en stralings-) h = hc + h

L [] karakteristieke lengte

RG [K/W] conductieve warmteweerstand (interne weerstand)

Rc [K/W] convectieve warmteweerstand (overgangsweerstand → h ipv hc)

Rt [K/W] totale warmteweerstand = de warmteweerstand van een laag materiaal tegen geleiding en convectie
= hoe groter, hoe moeilijker warmte erdoor kan → beter geïsoleerd

Mt [m²K/W] warmte-isolatiecoëfficiënt

k [W/m²K] globale warmtedoorgangscoëfficiënt = thermische conductiviteit

Bi [] biot-getal = verhouding van de inwendige weerstand (conductief) op de overgangsweerstand (convectief)
ℎ𝐿𝑐
𝐵𝑖 =
𝜆


F0 [] dimensieloze tijd = Fourier getal 𝐹𝑜 = 𝑎𝑡/𝐿2𝑐

𝜃 𝑇 − 𝑇∞ en 𝜃(t = 0) = 𝜃𝑖 = 𝑇𝑖 − 𝑇∞

𝜃* dimensieloze temperatuur

x* dimensieloze plaats

t* dimensieloze tijd

,De wet van Fourier voor 1D (x-richting)
Beschrijft conductie en ze zegt hoe snel warmte door een materiaal stroomt bij een temperatuurgradiënt aanwezig is.




• 𝝋 = warmtestroom, zien als debiet van warmte = totale hoeveelheid energie per tijd [J/s = W] (𝑄̇ )
• 𝒒 = warmtestroomdichtheid = warmtestroom per oppervlakte eenheid = 𝜑/A [W/m]
• 𝝀 = warmtegeleidingscoëfficiënt dat bepaald hoe makkelijk materiaal warmte gaat geleiden [W/mK]

• Minteken aangezien T-gradiënt van koud → warm gaat maar warmte stroom van TH → TL (warm naar koud)
• T verschil over afstand dx bepaald samen met 𝜆 en A de warmtestroom




𝝀 = warmtegeleidingscoëfficiënt [W/mK]

Hoe snel materiaal warmte gaat doorgeven o.i.v. temperatuursgradiënt

 Reeks moleculen trillen afhankelijk van T-niveau
 Zetten naburige moleculen ook aan het trillen en geven kinetische
energie door
 Is dus materiaal-eigenschap maar is ook T-afhankelijk
→ bijhorende nomogrammen (dia 14)

Gassen:
 Moleculen ver uit elkaar dus moeten als sterk trillen/geëxciteerd zijn om naburige ook te doen trillen en zo warmtetransport te
bekomen → lage 𝜆
Vloeistoffen:
 Al dichter op elkaar dus hogere 𝜆 dan gassen
 Zaken die natter zijn krijgen hierdor ook grotere 𝜆 (natte versus drogere sneeuw: 0,71  0,06 (bijna isolatiemateriaal)
Pure metalen:
 Zitten in kristalrooster vast dicht tegen elkaar dus kunnen makkelijk kinetische energie doorgeven → hoge 𝜆
Isolatie:
 Kleine gasbellen verpakt in vaste stof → gas lage 𝜆 dus vaste stof ook = hun functie, conductie vermeiden

,Thermische eigenschappen van materie
• 𝜆 [W/mK] warmtegeleidingscoëfficiënt
Vertel hoe makkelijk een voorwerp warmte geleidt

• 𝑄 [J] warmtehoeveelheid
• 𝜑 [W = J/s] warmtestroom
̇
𝑑𝑄/𝑑𝑇 of 𝑄 met (𝜑 = 𝑞̇ ∙ 𝐴)

• 𝑞̇ [W/m²] warmtestroomdichtheid = warmteflux (vaak in cursus als q genoteerd)
Warmtestroom per oppervlakte eenheid, zegt hoe intens de warmtestroom op 1 punt is  𝜑 de totale warmtestroom

• Cp [J/K] warmtecapaciteit
De hoeveelheid warmte dat je moet toevoegen om 1 K te laten stijgen, hoe groter object, hoe groter (p → bij constante druk)

• cp [J/kgK] soortelijke warmtecapaciteit
De hoeveelheid warmte dat je moet toevoegen om 1 kg met 1 K te laten stijgen in temperatuur (p → bij constante druk)
𝑄 = 𝑚𝑐Δ𝑇

• 𝜌 [kg/m³] dichtheid
• 𝜌*cp [J/m³K] volumetrische warmtecapaciteit
De hoeveelheid warmte dat je moet toevoegen om 1 m³ met 1 K te laten stijgen in temperatuur

• 𝛼 [m²/s] thermische diffusiviteit = temperatuurvereffeningscoëfficiënt
Zegt hoe snel warmte zal diffunderen in een onderliggend materiaal of het materiaal dat je aanraakt
Bv raakt met hand (30°C) stuk hout en metaal van 20°C aan → hout voelt relatief warmer aan en metaal koud aangezien metaal
een hogere a waarde zal hebben → warmte snel doorgegeven in metaal want hoge 𝜆 waarde dus snelle warmteontrekking
a = zegt hoe snel kan warmte diffunderen en 𝜆 zegt hoe makkelijk warmte kan diffunderen doorheen een materiaal
bv materiaal met hoge 𝜆 maar super dens dus lage 𝛼 → gaat niet snel erdoor diffunderen

,Algemene vergelijking voor warmtegeleiding
Carthesiaans assenstelsel




• Geleiding = q = warmteflux in differentiaalvorm (𝜑 = 𝑞 ∙ 𝐴) → delen door dxdydy = A
• Isotroop materiaal = alle 𝜆 gelijk → voorop plaatsen
• Stationaire toestand → rechter lid = 0 (T niet afhankelijk van tijd maar van plaats)
o Impliceert niet dat er geen warmtestroom is




Cilindrisch assenstelsel




• Warmtegeleiding via buizen bv (dagelijks leven veel gebruikt)
• Ipv xyz van kubus  r = straalrichting, z = buisrichting




Sferisch assenstelsel




• Z-richting nu weg en krijgt macht tot de tweede

,Rand- en beginvoorwaarden
Beginvoorwaarden

• Bij stationair geen beginvoorwaarden omdat de temperatuur in de tijd op een plaats niet wijzigt, in evenwicht met omgeving

Randvoorwaarden definiëren

1. Constante oppervlakte temperatuur
o Normaal zal T aan oppervlak beginnen zakken of stijgen maar houdt de T constant door bv in een ijsbad of
warmwaterbad te steken of constant te verwarmen → je weet wat TS is
o Ts = T(0,t) (surface op plaats 0)
2. Constante warmtestroomdichtheid (𝑞𝑠 ) aan de rand, 3 gevallen:
a. Eindige warmtestroomdichtheid
→ q is constant aan het oppervlak (vaste helling)
→ T(0) = TS,1 en T(L) = Ts,2 (bv muur met 2 luchtlagen)

b. Perfect geïsoleerde toestand
→ geen q door rand (grens laat geen warmte door)
→ q = 0, 𝜑 = 0 (helling = 0)
→ benadering in praktijk

c. Symmetrietoestand
→ de grens is niet geïsoleerd maar toch is q = 0
→ want door symmetrie is warmtestroomdichtheid
naar links = die naar rechts → netto 0 dus 𝜑 = 0 → kan je beschouwen als “perfect” geïsoleerd
𝑑𝑇
→ bv een plaat die aan beide zijden identiek wordt verwarmd (T, 𝜆, A zelfde → geen q/𝜑 want = 0)
𝑑𝑥
3. Convectie of straling aan oppervlakte
o T zal wijzigen binnen door conductie, buiten door convectie en/of straling
▪ T onder invloed van aanstromend fluïdum buitenaf (met een ongestoorde 𝑇∞ en een
oppervlaktewarmteoverdrachtcoëfficiënt h = hc + hs)
▪ hc = convectieve oppervlaktewarmteoverdrachtscoëfficiënt [W/m²K] → convectie
▪ hs = stralings oppervlaktewarmteoverdrachtscoëfficiënt [W/m²K] → straling

Stationaire warmtegeleiding in 1D
Stationair regime = op moment dat VW/oppervlak in evenwicht is met de omgeving veranderd de T niet meer in tijd op een plaats

Vlakke plaat

• Wand tussen 2 luchtlagen waar beide convectie optreedt
• Randvoorwaarden: kent TS,1 en TS,2 op plaat 0 en L (karakteristieke lengte)
• Warmtevergelijking invullen




• Lineair T-verloop geldt voor alle systemen van warmtegeleiding (conductie) bij stationair als 𝜆 constant blijft

, •




• Paar begrippen
o Totale warmteweerstand Rt Elektrisch analogon
▪ Binnenin is er geleiding (conductie)
→ warmteweerstand Rg = moeilijkheid waarmee warmte door massieve laag geleid

▪ Aan de twee oppervlaktes is er convectieve warmteoverdracht
→ warmteweerstand Rc = weerstand ts grensvlak vaste wand en fluïdum




o Warmte-isolatiecoëfficiënt Mt




o Globale warmtedoorgangscoëfficiënt k ( niet verwarren met Boltzmannconstante k [J/K] later)




→ geen materiaaleigenschap maar eigenschap van een wand (meerdere materialen)
→ zegt hvl warmte per tijdseenheid in 1m³ van wand gaat passeren per K Tverschil tussen fluïda aan
weerzijden van de wand




Samengestelde vlakke wand
→ weerstanden in serie → Rt neemt toe → betere isolatie




 Speciaal geval: wanden boven elkaar gestapeld maar stroom komt van zijkant
• Temperatuurverschil en L over elke plaat hetzelfde
• Warmtestroom 𝜑 voor allemaal verschillend
• Zien als schakeling van weerstanden in parallel

,Radiale systemen: samengestelde cilinderwand (buisverwarming bv)

• Warmtevergelijking invullen (stationair + geen warmteproductie
+ geen warmtetransport in Z-richt)




• Hebt nu logaritmisch verband want oppervlakte niet zelfde aan binnen en buitenkant buis  vlakke plaat
• Ook hier elektrisch analogon toepassen:




• Als r2 ≤ 1.4 r1 mag je lineaire formule als voor vlakke platen gebruiken!!! (ipv ln formule)
•




𝑇∞1 −𝑇∞2
• Rt = RC1 + RG + RC2 en 𝜑 = 𝑅𝑡




Samengestelde cilinderwand → enkel deze op formularium (bij cilinder met 1 wand sum laten vallen)




Kritieke dikte van isolatie van een buis

,Kritieke straal zegt iets over conductie (𝜆) en convectie (ℎ) = 2 thermische grootheden zeggen iets over kritieke straal
= moet verder dan punt b isoleren (r*) om warmteverlies te beperken, want neemt eerst toe tot kritieke straal, dan pas af
→ in praktijk ligt de kritieke straal vaak in de buis, dus geen rekening mee houden dan (rc < R)



Vlakke plaat met inwendige warmteproductie
𝒒𝒊 𝑞
 Inwendige warmteproductie 𝒒̇ = (nog steeds stationair) zorgt ervoor dat de 𝑖 term er weer bijkomt in de vergelijking
𝒅𝒕 𝑑𝑡
 Het zorgt ervoor dat we geen lineair verloop meer hebben van ons warmteprofiel  parabool in de plaats




 Symmetrische parabool als Ts1 = Ts2 en (𝑇∞ en h ook)




𝑑𝑇
o Hebt in het midden dan een symmetrievlak ( = 0 (𝑜𝑝 𝑥 = 0))
𝑑𝑥
o Als 𝑇∞1 𝑒𝑛 𝑇∞2 gekend zijn (of gelijk met bijhorende h) bij 𝑇𝑠1 = 𝑇𝑠2 (niet gekend) kan je via
𝑑𝑇
de warmtestroom 𝜑 = −𝜆 | 𝐴 = ℎ (𝑇𝑠 − 𝑇∞ )𝐴 (conductieve = convectieve warmtestroom (stationair))
𝑑𝑥 𝑥=𝐿
𝑇𝑠 berekenen:

, Niet-stationaire warmtegeleiding
Niet-stationair = T is niet enkel afhankelijk van de plaats maar ook van de tijd T(x, y, z ,t)
→ opgeslagen energie term niet meer laten vallen uit warmtevergelijking
→ niet stationair ontstaat vaak wanneer de randvoorwaarden veranderen in functie van de tijd
(bv het afkoelen en opwarmen van een lichaam)

Verwaarloosbare inwendige warmteweerstand: capaciteitsmethode

Energiebalans uitschrijven voor een lumped system = beschrijf hoe snel T van object veranderd door convectie naar zijn omgeving



 Links = hoe snel object warmte verlies (Watt W)
 Rechts = convectieve warmteverlies naar de omgeving
 Dus: De snelheid waarmee het object afkoelt = de snelheid waarmee het warmte verliest aan de omgeving door convectie.
𝑑𝜃
→ (𝑇 − 𝑇∞ ) = 𝜃, dus herschrijven naar en 𝜃, integreren van 𝜃𝑖 naar 𝜃, komt ln uit en dan ln wegwerken:
𝑑𝑡




Het Biotgetal
Het verteld ons hoe moeilijk kan warmte van binnenin een object naar het oppervlak geraken, vergeleken met hoe makkelijk dat oppervlak
warmte afgeeft aan de omgeving
𝑳
 Introductie inwendige weerstand Rin = 𝝀𝑨 = weerstand ondervonden in lichaam → zal omgekeerd evenredig met 𝜆 (conductie)
𝟏
 Introductie overgangsweerstand Rovergang = 𝒉𝑨 = weerstand ondervonden op overgangszone→ zal omgekeerd evenredig met
oppervlaktewartmeoverdrachtscoëfficiënt ℎ = ℎ𝑐 + ℎ𝑠

De conductieve aangevoerde warmte van oppervlak = de convectieve afgevoerde warmte naar het fluïdum (stationair benaderd)

Document information

Study
Uploaded on
December 18, 2025
Number of pages
39
Written in
2025/2026
Type
Summary
$10.91

Wrong document? Swap it for free Within 14 days of purchase and before downloading, you can choose a different document. You can simply spend the amount again.
Written by students who passed
Immediately available after payment
Read online or as PDF

Seller avatar
Reputation scores are based on the amount of documents a seller has sold for a fee and the reviews they have received for those documents. There are three levels: Bronze, Silver and Gold. The better the reputation, the more your can rely on the quality of the sellers work.
BioEngineer
4.2
(5)
Sold
112
Followers
9
Items
90
Last sold
1 week ago



Why students choose Stuvia

Created by fellow students, verified by reviews

Quality you can trust: written by students who passed their tests and reviewed by others who've used these notes.

Didn't get what you expected? Choose another document

No worries! You can instantly pick a different document that better fits what you're looking for.

Pay as you like, start learning right away

No subscription, no commitments. Pay the way you're used to via credit card and download your PDF document instantly.

Student with book image

“Bought, downloaded, and aced it. It really can be that simple.”

Alisha Student

Working on your references?

Create accurate citations in APA, MLA and Harvard with our free citation generator.

Working on your references?

Frequently asked questions