Εφαρμογές Μετάδοσης Θερμότητας

Δομή και περιεχόμενο
Ο κύριος στόχος αυτού του βιβλίου είναι να παρουσιάσει με απλό, κατανοητό αλλά και επιστημονικά θεμελιωμένο τρόπο, ένα μεγάλο μέρος του γνωστικού αντικειμένου της «ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ» και συγκεκριμένα αυτό που αποτελεί τον βασικό «κορμό» των σχετικών σπουδών στα Πανεπιστήμια και τα ΤΕΙ, ενώ ταυτόχρονα συνδέεται περισσότερο με συνήθη τεχνικά προβλήματα και εφαρμογές του Μηχανικού.
Τα περισσότερα από αυτά τα προβλήματα, στα οποία με οποιοδήποτε τρόπο εμπλέκεται η μεταφορά θερμότητας, μπορούν να αντιμετωπιστούν, με καλή προσέγγιση, ως μονοδιάστατα και μόνιμα. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις δεν απαιτείται η χρήση προχωρημένων μαθηματικών (που, βέβαια, είναι απαραίτητα για την εμβάθυνση σε μεταπτυχιακό επίπεδο ή στη μελέτη των χρονικά μεταβαλλόμενων φαινομένων).
Έτσι, για να υπάρχει άμεση πρόσβαση στο απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο αλλά και αξιοποίησή του στην επίλυση των προβλημάτων, επιλέχθηκε να καλυφθεί η ύλη αφενός με μορφή συνοπτικής θεωρίας – Τυπολογίου και αφετέρου με μια επιλογή από αναλυτικά λυμένες ασκήσεις.
Τόσο στη συνοπτική θεωρία – Τυπολόγιο όσο και στην επεξεργασία των ασκήσεων αποφεύχθηκαν (όσο ήταν επιτρεπτό) τα πολύπλοκα μαθηματικά και οι προαπαιτούμενες εξειδικευμένες γνώσεις από άλλα μαθήματα. Έτσι, αρκετοί φοιτητές δεν θα αποθαρρύνονται κατά τη μελέτη τους αλλά και πολλοί επαγγελματίες Μηχανικοί θα μπορούν να προσεγγίσουν ευκολότερα τη λύση καθημερινών τεχνικών προβλημάτων.
Ωστόσο, και οι μεν και οι δε, πολλές φορές βρίσκονται μπροστά στην ανάγκη να έχουν μια άμεση γνώση για:

• την επίπτωση που έχει στο σχεδιασμό ή στη λειτουργία ενός συστήματος η μεταβολή μιας παραμέτρου.
• την επιλογή του καταλληλότερου υλικού ή συσκευής προκειμένου να επιτευχθούν ορισμένες απαιτήσεις.
• την πιθανότητα ανάπτυξης θερμοκρασιών, που θα θέσουν σε κίνδυνο την αντοχή κάποιων υλικών ή την ομαλή εκτέλεση κάποιων διεργασιών κλπ.
• Τα εμφανή – αλλά και τα ενδεχομένως μη προφανή – αποτελέσματα από μια επέμβαση/ενέργεια σε ένα τεχνικό σύστημα.

Για να καλυφθεί καλύτερα αυτή η ανάγκη, καταβλήθηκε προσπάθεια να περιοριστούν στις εντελώς απαραίτητες οι καθαρά θεωρητικές ασκήσεις (που βοηθούν στην αρχική κατανόηση των διαφόρων φαινομένων) και να περιληφθούν κυρίως ασκήσεις που αναφέρονται σε πρακτικά προβλήματα και εφαρμογές που σχετίζονται με τη μετάδοση της θερμότητας.
Για τον ίδιο λόγο προτιμήθηκε, αντί να παρουσιαστούν περισσότερες απλές ασκήσεις, να περιληφθούν λιγότερες, αλλά με διεξοδικότερη ανάλυση/εξέταση η καθεμία (διαφορετικά ζητούμενα, αλλαγή συνθηκών και δεδομένων, κ.λπ).
Οι ασκήσεις χαρακτηρίζονται, ανάλογα με το βαθμό δυσκολίας τους, με 1 έως 4 «αστεράκια» (*), για να μπορεί ο αναγνώστης να προγραμματίσει ή να προσαρμόσει κατάλληλα τη μελέτη του. Η επεξεργασία των ασκήσεων γίνεται με τρόπο που βοηθά τον αναγνώστη να αξιοποιήσει τις αντίστοιχες γνώσεις από τη θεωρία και να χρησιμοποιήσει μεθοδικά τις κατάλληλες κάθε φορά σχέσεις, ανάλογα με τα διαθέσιμα δεδομένα και τις ιδιαιτερότητες της άσκησης.
Μετά το υπολογιστικό μέρος, παρατίθεται, στο τέλος κάθε άσκησης, ένα σύντομο σχόλιο – συμπέρασμα – τεχνικός κανόνας, δίνοντας έτσι μια «ποιοτική» προσέγγιση, που προκύπτει από την επεξεργασία και τη λύση της. Αυτή η συνοπτική διατύπωση είναι, συχνά, πολύ χρήσιμη για τον μηχανικό στην καθημερινή πράξη.
Τα σχήματα μπορεί να υπολείπονται μιας πιο άρτιας και επεξεργασμένης εμφάνισης, αλλά σκόπιμα επιλέχθηκε να είναι απλώς ευπαρουσίαστα, ώστε να πλησιάζουν τον τρόπο κατασκευής και σχεδίασής τους από ένα φοιτητή ή επαγγελματία μηχανικό κατά τη μελέτη ενός προβλήματος.
Επίσης, για τον γρήγορο εντοπισμό των ασκήσεων που πλησιάζουν περισσότερο στο συγκεκριμένο κάθε φορά πρόβλημα που έχει να αντιμετωπίσει ο αναγνώστης, έχει συμπεριληφθεί στο βιβλίο και ο «Οδηγός Αναζήτησης Ασκήσεων». Σ’ αυτόν δίδονται, με μορφή πίνακα: ο αριθμός της άσκησης, μια σύντομη περιγραφή του περιεχομένου της, η επικρατούσα γεωμετρία αυτής καθώς και τυχόν πρόσθετα χαρακτηριστικά στοιχεία.
Στο Παράρτημα δίδονται οι απαραίτητοι Πίνακες και Διαγράμματα, τα περισσότερα από τα οποία είναι πρωτότυπα, με μορφή που βοηθά στην ευχερή χρήση και ανάγνωσή τους.

Ειδικές επισημάνσεις

• Σε όλες τις ασκήσεις χρησιμοποιούνται μονάδες του συστήματος SI. Οι τυχόν απαιτούμενες μετατροπές μονάδων γίνονται εξ αρχής, έτσι ώστε κατά τις αντικαταστάσεις τιμών στις διάφορες χρησιμοποιούμενες σχέσεις δεν αναγράφονται και οι αντίστοιχες μονάδες. Μόνο στο τελικό αποτέλεσμα γράφεται η μονάδα του μεγέθους στο SI.
• Σε ορισμένες ασκήσεις προτιμήθηκε να ξαναγίνει το σχήμα, συμπληρωμένο με όλα τα απαραίτητα για τη λύση, δεδομένα ή ζητούμενα, μεγέθη (παρά το ότι δίδεται στην εκφώνηση). Έτσι ο αναγνώστης θα μπορεί να κατανοήσει πληρέστερα και να εξασκηθεί καλύτερα στη διαδικασία αντιμετώπισης του προβλήματος.
• Ακρίβεια 4 σημαντικών ψηφίων είναι αρκετή για προβλήματα της καθημερινής πράξης του μηχανικού – εκτός πολύ λίγων εξαιρέσεων.
• Πολλές εξισώσεις λύνονται στις ασκήσεις με τη μέθοδο δοκιμής – σφάλματος ή διαδοχικών προσεγγίσεων. Είναι προφανές ότι μπορούν ευκολότερα, γρηγορότερα και ακριβέστερα να λυθούν μέσω Η/Υ με τη βοήθεια λογιστικών φύλλων (π.χ. excel) ή μαθηματικών προγραμμάτων (π.χ. mathcad, matlab κλπ).

Περιεχόμενα

Ορολογία και Αντιστοιχία Συμβόλων – Μονάδων

Τυπολόγιο

Κεφάλαιο 1: Αγωγή

1.1 Μονοδιάστατη μετάδοση θερμότητας με αγωγή (χωρίς θερμικές πηγές)

1.2 Μονοδιάστατη μετάδοση θερμότητας με αγωγή (με θερμικές πηγές)

Κεφάλαιο 2: Συναγωγή (και Αγωγή)

2.1 Βασικές έννοιες στη μετάδοση θερμότητας με συναγωγή

2.2 Μονοδιάστατη μετάδοση θερμότητας με συναγωγή και αγωγή

2.3 Επιφάνειες με πτερύγια

Κεφάλαιο 3: Θερμική ακτινοβολία επιφανειών

3.1 Βασικές έννοιες και ορισμοί στην ακτινοβολία

3.2 Ακτινοβολία μαύρου σώματος

3.3 Ακτινοβολία γκρίζων σωμάτων

3.4 Συναλλαγή θερμότητας με ακτινοβολία

Κεφάλαιο 4: Σύνθετα φαινόμενα μετάδοσης θερμότητας

Κεφάλαιο 5: Εναλλάκτες θερμότητας

Ασκήσεις
Κεφάλαιο 1: Αγωγή
Κεφάλαιο 2: Συναγωγή και Αγωγή
Κεφάλαιο 3: Θερμική Ακτινοβολία
Κεφάλαιο 4: Σύνθετα Φαινόμενα
Κεφάλαιο 5: Εναλλάκτες Θερμότητας

Οδηγός Αναζήτησης Ασκήσεων

Βιβλιογραφία

Παράρτημα

Πίνακες

Διαγράμματα και Υπολογιστικές Σχέσεις