Course syllabus
Kurs-PM
SEE020 Termisk Energiomvandling (7,5 hp)
(2.5 hp i tema Miljö och hållbar utveckling)
Lp2 HT19
Kursen ges av institutionen för Rymd-, geo- och miljövetenskap
Examinator: David Pallarès
Länk till kursplanen i Studieportalen Studieplan
Kontaktuppgifter
Föreläsare
David Pallarès david.pallares@chalmers.se tel. 031-772 1435
Martin Seemann martin.seemann@chalmers.se tel. 031-772 1480
Adrian Gunnarsson adriang@chalmers.se tel. 031-772 1434
Övnings- och labbledare
Felicia Eliasson feleli@chalmers.se tel. 031-772 1428
Simon Öberg simon.oberg@chalmers.se tel. 031-772 1448
Labbledare
Jessica Bohwalli jessica.bohwalli@chalmers.se tel. 031-772 5245
Rustan Hvitt ruma@chalmers.se tel. 031-772 1490
Johannes Öhlin jooh@chalmers.se tel. 031-772 1468
Kursens syfte
Kursen syftar till att ge teoretisk kunskap om värmeöverföring samt tillämpad kunskap om termisk energiomvandling (dvs energiomvandlingsformer där värmeöverföring spelar en central roll, vilka utgör den största andelen av världens energiomvandling). Detta genom att bl.a. laborera i en industriell verksamhet (Chalmers fjärrvärmeverk).
Kursen Termisk Energiomvandling skall ses i ljuset av den avslutade kursen Termodynamik med Energiteknik och gäller även som förkunskapskrav för de som vill läsa mastersprogrammet Sustainable Energy Systems. Kursen Energiomvandling ingår i en kurskedja inom energiteknik: den är en fortsättning på den energitekniska delen av kursen Energiteknik - som kan betraktas som en grundkurs – och bygger grunden för masterskurserna Heat and Power Systems Engineering och Combustion Engineering.
Termiska processer för energiomvandling är centrala för att omvandla primärenergi (t.ex. bränsle eller solstrålning) som tillförs energisystemet till mer användbara energiformer (t.ex. fjärrvärme, ånga, el och förädlade bränslen för transportsektorn). Förbränning står idag för omvandlingen av ca 60% av primärenergin i Sverige och mer än 80% globalt. Fossila bränslen är dominerande men biobränslen och avfall har fått en allt större roll och i Sverige utgör dessa ca 40% av den primärenergi som omvandlas genom förbränning. Samtidigt växer andelen solenergi i energisystemet, både i form av solpaneler och solceller.
Av de omvandlingstekniker som finns i energisystemet bygger en majoritet på ett eller flera steg där värme och värmeöverföring ingår. Kunskap om dessa processer är därmed central för att förstå omvandlingsteknikerna, och även generell i den meningen att det är samma grundläggande steg som sker oavsett om det rör sig om ett kraftvärmeverk, en värmepump eller en solpanel. Värmeöverföring utgör en grundsten vid dimensionering av dessa energianläggningar och grunderna för dess tre olika mekanismer (konvektion, värmeledning och strålning) utgör således en teoretisk tyngdpunkt i kursen.
Utifrån den teoretiska basen angriper kursen den tekniska tillämpningen på värmeöverföring: pannor, värmeväxlare och solpaneler studeras tillsammans med deras integrering i större energisystem (värmeverk, fjärrvärmesystem, solkraftsystem). Kursen lägger även stor vikt på mättekniken runt en industriell anläggning: att kunna mäta temperatur, tryck, medieflöden och gassammansättning samt koppla det till befintliga krav på miljöprestanda är nödvändigt för att få ett helhetsgrepp om vad energiomvandling innebär. På det sättet kopplar kursen till hur det ser ut på riktiga energiomvandlingsanläggningar och den verklighet som nästa generations civilingenjörer kommer att möta.
Denna kurs använder sig av den världsunika resursen som forskningsanläggning på Chalmers kraftcentral (förbränning - 12 MW – och förgasning - 4 MW - av biomassa) utgör för att exemplifiera dessa processer. Detta värmeverk utgör ett handgripligt sätt att studera energiomvandling och tillämpa de teoretiska delarna av kursen i olika laboratoriemoment, i och med att alla tre värmeöverföringsmekanismer (ledning, konvektion och strålning) spelar en nyckelroll i olika delar av processen.
Schema
Kurslitteratur
Kurslitteraturen består av:
- En kursbok (kan erhållas på Cremona) - i slutet av detta PM finns en detaljerad läsanvisning
Principles of Heat and Mass Transfer, Global Edition (alt. 7th. Edition)
Incropera, F. P., DeWitt D. P., Berman T. L., Lavine A. S.
John Wiley & Sons. ISBN: 978-1-119-38291-1 - Två kompendium (kan laddas ned från kursens hemsida)
- Measurement Techniques
- Förbränningslära
- En formelsamling (kan laddas ned från kursens hemsida)
Kursens innehåll
Kursen bygger upp parallellt den teoretiska kunskapen om värmeöverföring och dess tre mekanismer (ledning, konvektion och strålning), dess tillämpning i form av termiska energiomvandlingsmaskiner (pannor, värmeväxlare, solpaneler) och energilagringstankar och integreringen av dessa som element i större termiska energiomvandlingsprocesser (värmeverk, fjärrvärmesystem, solkraftsystem). Ett skiss över dessa olika samband och hur olika moment i kursen relaterar till dem anges i figuren nedan.
Värmeöverföring genom ledning och konvektion gås igenom i början av kursen. Detta bygger en tillräcklig bas för att kunna studera tekniska tillämpningar i form av energilagringstankar och värmeväxlare och härleda konventionella metoder (LMTD och NTU) för att på ett ingenjörsmässigt sätt lösa problemställningar relaterade till värmeväxlare.
Gradvist introduceras för studenterna den tredje värmeöverföringsmekanismen, strålning, som är betydande vid applikationer med hög temperatur t.ex. solpaneler eller pannor (där strålningen från flamman kan utgöra största delen av värmeflödet).
På en systemnivå, analyserar studenter mätningar och bygger upp modeller för att få en förståelse av olika processer för termisk energiomvandling. I detta ingår en studie av de experimentella mass- och värmebalanserna i Chalmers värmeverk, där studenterna tar olika mätningar. Även Göteborgs fjärrvärmesystem studeras genom en modell med fokus på problematiken som dygn- och säsongsfluktuationerna bär med sig och hur den delvis kan tacklas med energilagringselement. Slutligen, solkraftsystem analyseras genom en modell som låter studenterna utvärdera utmaningen när intermittenta energikällor kombineras med en fluktuerande efterfråga.
Kursens upplägg
Kursen innefattar föreläsningar som utgör en sammanhållande ram för kursinnehållet och kompletterar delvis kurslitteraturen. Utöver föreläsningar ger kursen handledda räkneövningstillfällen, laborationer (utspridda i 3 laborationstillfällen) samt handledningstillfällen för konstruktionsövning och rapportskrivning till labbar.
Flera quiztillfällen kommer att äga rum där alla studenter under kursens gång får svara på quizfrågor och diskutera sig fram till det rätta svaret. Bonuspoäng till tentamen ges enligt andelen rätta svar (se Examination nedan).
Föreläsningar
Föreläsningsmaterial kommer att läggas ut på kursens hemsida. Innan föreläsningarna presenteras en preliminär version som kan komma att uppdateras efteråt.
Laborationer
Två laborationstillfällen genomförs på Chalmers Kraftcentral och en i Apparathallen i Kemihuset. Laborationerna består dels av mättillfällen där data insamlas samt efterföljande behandling av denna data och skrivande av labbrapport.
Under laboration 1 samlas data för labbrapporten 1 (mass- och värmebalans över Chalmers värmeverk). För labbrapporten 2 (värmeväxlare) samlas det data under mätningsmomentet i laborationen 2.A samt under laborationen 2.B.
Det är obligatorisk närvaro vid laborationerna och godkända laborationsrapporter krävs för att bli godkänd på laborationsdelen av kursen.
Inlämning av rapport skall ske via kursens hemsida:
- senast 5/12 för labbrapport 1 (mass- och värmebalans över Chalmers värmeverk)
- senast 9/12 för labbrapport 2 (värmeväxlare)
Före varje labb skall labb-PM läsas (finns på kursens hemsida). Detta kommer att kontrolleras genom att varje enskild student skall vara godkänd på ett labb-quiz som hör till respektive lab (finns på kursens hemsida) innan laborationen påbörjas. Varje quiz innehåller 3–4 flervalsfrågor och man har 5 fem försök på sig att bli godkänd. För L2 gäller det att innan laboration L2.A börjar skall godkänt resultat ha erhållits på labb-quiz för L2.A. Inför L2.B skall en förberedande uppgift vara utförd (finns längst bak i labb-PM), denna lämnas in och gås igenom i början av L2.B.
I labbrapporterna ska de olika stegen i beräkningarna och använda ekvationer vara tydligt och utförligt redovisade. Lösningar där svar anges utan utförlig redovisning av bakomliggande beräkningar ges i retur.
Om man lämnar in i tid, men inte på ett fullgott sätt har redovisat en korrekt beräkning och svar på eventuella frågor ges labb-rapporten i retur. Handledaren får en vecka på sig att rätta, därefter får studenterna en vecka på sig att lämna in returen. Det ges ingen retur på returen – om din inlämnade rapport efter retur fortfarande inte är löst på ett tillfredsställande vis riskerar du att bli underkänd, och får då göra om laborationen/konstruktionsövningen nästa år.
Inlämnade rapporter ska innehålla följande:
Framsida (med namn, personnummer e-post)
Sammanfattning
Innehållsförteckning
Inledning: teori, syfte, metod
Beräkningar
Resultat/diskussion
Primärvärdesprotokoll
Om man inte lämnar in uppgiften och ej kan styrka rimliga skäl (som t ex sjukdom), blir man underkänd på laborationen och får vänta till nästa gång kursen ges (dvs nästföljande år) för ett nytt tillfälle till att erhålla godkänt på uppgiften. Observera att detta gäller för varje enskild laboration.
Laborationerna kommer att genomföras i 9 labbgrupper (A1–A3, B1–B2, C1–C2 samt D1-D2), med två studenter i varje grupp. En labbrapport lämnas in av varje labbgrupp. Anmälan till labbgrupperna görs via kursens hemsida. Observera att man inte kan byta grupp under kursens gång. Båda två i gruppen ska vara insatta i alla uppgifter i respektive rapport, och alla är gemensamt ansvariga för att alla uppgifter genomförs och lämnas in i tid.
Konstruktionsövning
Konstruktionsövningen syftar till att lösa omfattande problemställningar. Konstruktionsövningen är obligatorisk och en redovisning skall ske som inkluderar en genomgång av beräkningsgång och svar på de frågor som ställs. PM och ytterligare material till konstruktionsuppgiften finns på kursens hemsida.
Konstruktionsövningen skall lämnas in via kursens hemsida senast sista torsdagen innan julledighet.
Räkneövningar
Räkneövningarna syftar till att träna in lösningsgångerna och källsökningen. I räkneövningarna tränas framförallt studenten till att lösa begränsade värmetekniska problem inom värmeöverföring. Utförliga lösningsförslag av dessa uppgifter läggs upp på kursens hemsida. Förutom de tal som kommer att gås igenom under räkneövningarna så har ett urval av kursbokens tal gjorts som anses lämpliga för självstudier. En lista på dessa finns med respektive lösningar på kursens hemsida.
Quizfrågor
Som frivilligt kompletterande examinationsmoment kommer studenterna att i samband med vissa föreläsningar och räkneövningar erbjudas möjlighet till att få bonuspoäng genom att svara på quizfrågor. Detta sker med hjälp att mjukvaran Socrative, som kan användas som app i en platta eller smartmobil eller via en bärbar dator (dessa finns att låna ifall studenten inte har platta eller smartmobil). Andelen rätta svar på totalt ställda frågor under kursen översätts till bonuspoäng på tentan
0-50% Inga extra tentamenpoäng
50-75% 1 extra tentamenpoäng
75-100% 2 extra tentamenpoäng
Förändringar sedan förra kurstillfället
Laborationerna har strukturerats om så att de följer en tydligare pedagogisk linje. Laboration 1 inleds med schemalagd tid i klassrummet där principerna för mass- och värmebalanser presenteras, samt avslutas med schemalagd tid klassrummet där resultaten gås igenom gemensamt.
Lärandemål
- Förklara principen för värmeledning, samt hur ledning påverkas av olika geometrier, material och beläggningar
- Förklara principen för konvektiv värmeöverföring, samt hur konvektion påverkas av strömningsmekaniken i ett gränsskikt
- Förklara principen för strålning, samt hur strålning påverkas av geometri och materialegenskaper
- Formulera en mass- och värmebalans över en energianläggning
- Förklara principen för olika typer av värmeväxlare
- Förklara och beskriva-principerna för mätning av temperatur, utsläpp, tryck och flöden som används i en förbränningsanläggning
- Förklara principen för olika typer av solpaneler
- Lösa energitekniska problem där flera värmeöverföringsmekanismer måste beaktas samtidigt
- Lösa energitekniska problem där konventionella värmeväxlare är inblandade (NTU-metoden, LMT-metoden)
- Lösa energitekniska problem i form av beräkningar av utsläpp till atmosfären, luftöverskott och rökgasflöden
- Lösa energitekniska problem i form av beräkningar av solparker med varierande solstrålning kombinerad med energilagring
Examination
För att bli godkänd på huvuddelen av kursen (5 hp) krävs följande:
- godkänd skriftlig tentamen (efter att bonuspoäng från quizfrågorna har räknats in)
- godkänd rapport för konstruktionsövningen
För att bli godkänd på laborationsdelen av kursen (2.5hp) krävs följande:
- godkända rapporter för 2 laboratorieuppgifter
- godkänt resultat på de tre labb-quizen
- godkänt på den förberedande uppgiften för Labb3
Plagiat i rapporterna kontrolleras genom verktyget URKUND och innebär underkänd rapport.
Om kursdeltagaren efter avslutad kurs har fått underkänt på en eller fler av rapporterna, behöver kursdeltagaren göra om den eller de rapporter som återstår nästföljande år (dvs man behöver inte göra om samtliga laborations-/konstruktionsövningsrapporter).
Kursbetyg
Betygsgränser för tentamen är: ≥ 12 poäng betyg 3
≥ 18 poäng betyg 4
≥ 24 poäng betyg 5
(max 30 poäng – 32 inkl. bonuspoäng)
Tillåtna hjälpmedel på tentamen
- Kursboken – indexering tillåten
- Formelsamling utan anteckningar
- Godkänd modell av räknedosa
Course summary:
| Date | Details | Due |
|---|---|---|