X
تبلیغات
دریچه ای رو به شیمی - گزارش کار آزمایشگاه صنعتی 2 انتقال حرارت به روش هدایت و همرفت(عایق کاری سیستمهای حرارتی)

انتقال حرارت به روش هدایت و همرفت(عایق کاری سیستمهای حرارتی)

به نوعي از انرژي گفته مي شود که در اثر اختلاف دما انتقال مي يابد . به بیان بسیار ساده می توان این گونه بیان کرد که انتقال گرما، گذر انرژی بر اثر اختلاف دماست. در واقع هر گاه میان دو جسم یا دو محیط اختلاف دما وجود داشته باشد انتقال گرما ( به انحاء مختلف) روی خواهد داد.انواع مختلف انتقال گرما را شیوه های آن می گویند

مکانيزم هاي مختلف انتقال حرارت  :

1- اگرگراديان دما درون يک جسم ساکن خواه جامد و سيال وجود داشته باشد انتقال حرارت بصورت هدايت (conduction) درون جشم مي باشد.

2- اگر يک سيال با يک سطح با دماهاي متفاوت در تماس باشد انتقال حرارت بين آن دو بصورت جابجايي(convection) مي باشد .

3-کليه سطوحي که داراي دماي معيني مي باشند انرژي را بصورت امواج الکترومغناطيس از خود صادر مي کنند .(radiation)

 

 

بطور کلي براي انتقال انرژي بدو صورت مي توان اقدام کرد :

1- استفاده از يک محيط مادي و به روش مکانيکي,

2- استفاده از امواج : که خود امواج نيز ممکن است مکانيکي يا الکترومغناطيس باشد که بخش دوم مورد نظر است .

هدايت  

هدايت چونکه در يک محيط ساکن خواه جامد خواه سيال اتفاق مي افتد لذا بصورت حرکت توده ماده يا انتقال حرارت بصورت پخش امواج صورت می گيرد . لذا در اينجا حرکت ملکولها و اتمها نقش اساسي دارند و هدايت و انتقال انرژي از ذرات پر انرژي به ذرات کم انرژي مي باشد که بواسطه فعل و انفعالات بين ذرات صورت مي گيرد .

شار حرارتی از نوع هدایت با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:

که k همان ضریب هدایت حرارتی می باشد.

براي تشريح مکانيزم انتقال حرارت هدايت يک مدل ساده در نظر مي گيريم .

محفظه اي که شامل يک تعداد گاز مي باشد در نظر مي گيريم و با فرض دماي دو جدارهT_2وT_1 و(T_2

دماي هر نقطه به انرژي ملکولهاي گاز در همسايگي آن نقطه وابسته است . اين انرژي به حرکت انتقالي ، چرخشي ، ارتعاش دروني ملکولها بستگي دارد . بنابراين دماهاي بالا سبب ازدياد انرژي مکانيکي ملکولها موثر بوده هنگام تصادم مولکولها با يکديگر انرژي از

ملکولهاي پر انرژي به ملکولهاي کم انرژي انتقال پيدا مي کند .

در مايعات نيز وضعيت به همين صورت است با اين تفاوت که فاصله ملکولها کمتر است و فعل و انفعالات ملکولي بيشتر صورت مي پذيرد.

در جامدات هدايت بواسطه فعاليت اتمي به شکل ارتعاش شبکه ها (Lettice vibration) صورت مي گيرد و در نظريه هاي جديد   انتقال انرژي را به امواج شبکه اي نسبت مي دهند که در اثر القاء حرکت اتمي بوجود مي آيد. در يک عايق ، انرژي منحصراً توسط اين

امواج فوق اند که انتقال مي يابد . در حاليکه در هادي ها علاوه بر مکانيزم فوق الذکر ، حرکت انتقالي الکترون هاي آزاد نيز نقش دارند .

نمونه هایی از انتقال گرمای رسا نشی:

انتهای آزاد یک قاشق فلزی که به طور ناگهانی در فنجان قهوه ی داغی غوطه ور می شود.

انرژی زیادی که در یک روز سرد زمستانی از اتاق گرمی به هوا ی خارج منتقل می شود

انتقال حرارت جابجايي

انتقال حرارت جابجايي شامل دو مکانيزم است :

بواسطه حرکت تصادفي ملکولها (Diffusion)بخش انرژي بواسطه حرکت توده سيال (حرکت ماکروسکوپي سيال)در نزديکي سطح که سرعت خيلي کوچک است انتقال حرارت بصورت Diffusion صورت مي گيرد بتدريج که از سطح دور مي شويم انتقال حرارت بوسيله حرکت توده سيال صورت مي گيرد.

جابجايي بر اساس طبيعت جريان طبقه بندي مي شود :

1- ( جابجائي اجباري)Forced convection:اگر جريان توسط (فن ، پمپ) عوامل خارجي ايجاد شودو همچنین هنگامی که جسم

درمقابل جریان هوا با دمای بیشتر یا کمتر از خود جسم قرار می گیرد،این جریان به وجود می آید.به عبارت دیگر در اثر جریان

هواواختلاف دمای سیال و جسم،انتقال حرارت بین جسم و سیال صورت می گیرد.به عنوان مثال پره های (heat sink) یک وسیله ی

الکترونیکی در اثر جریان هوای ایجاد شده فن(پنکه) پره های در معرض هوا خنک کاری می شوند.

2- اگر توسط نيرو هاي غوطه ور در سيال ايجاد شود جابجائي آزاد گفته مي شود که نتيجه تعمير جرم مخصوص سيال می

باشد.فرآيند هايي از جابجائي که در آنها علاوه بر اثرات فوق ، تبادل گرماي نهان نيز وجود دارد ( جوش ، تقطير) که مربوط به تغيير

فاز بين حالتهاي مايع بخار سيال مي باشد .به عنوان مثال گرمایش هوای منزل با استفاده بخاری برقی.

(h)ضريب انتقال حرارت جابجائي است . ضريب (h) کليه عواملي را که بر جابجائي تاثير مي گذارند در بر دارد .اين ضريب

به شرايط لايه مرزي(آرام یا مغشوش) که تحت تاثير شکل هندسي سطح طبيعت حرکت سيال و بعضي خواص ترموديناميکي

وفيزيکي سيال مي باشد .براي مسائل هدايت انتقال حرارت جابجائي بصورت شرايط مرزي بکار مي رود.

 

نمونه ای از انتقال گرمای جابجایی:

فن های کامپیوتر که برد های داخل کیس کامپیوتر را خنک می کنند.

 

 

 

انتقال حرارت تشعشع

تشعشع حرارتي به نوعي از انرژي گفته مي شود که از ماده اي با دماي معين صادر مي گردد . صدور انرژي به تغييرات ترکيب

الکتروني اتمها و ملکولهاي متشکله وابسته است .

انرژي ميدان تشعشع توسط امواج الکترومغناطيسي (يا فتونها)انتقال پيدا مي کند.همه ی اجسام بااستفاده ازاین امواج دردمای

بیشترازصفرکلوین ازخودانرژي ساطع می کنند.به این نوع انتقال حرارت، تابش جابجایی می گویند.

در حالي که انرژي توسط هدايت يا جابجائي به محيط هادي نياز دارد ، تشعشع نيازمند چنين محيطي نيست .

حداکثر شدت جريان حرارت (w/m^2 ) که از يک سطح صادر مي گردد و توسط قانون استفان بولتر من داده مي شود:

محاسبه نرخ خالص تشعشع بين دو جسم پيچيده است ولي براي يک جسم کوچک که دريک محيط بزرگ قرارگرفته باشدوکاملاًتوسط محيط احاطه

شده باشد

 

 

نمونه ای از انتقال گرمای تشعشی

انتقال حرارت از سطح یک فلز داغ سرخ شده.

از قانون فوریه می دانیم که انتقال حرارت رسانشی بصورت زیر تعریف می شود:

البته بیشتر اوقات این انتقال حرارت را در راستای x فرض می کنیم و رابطه ی فوق به این شکل در می آید:

که در این روابط k به معنی رسانندگی گرمایی است و با واحد ( وات/متر کلوین) مشخص می شود.ترم دوم این عبارت نیز گرادیان دماست که در رابطه ی دوم منظور گرادیان دما در راستای x است.

همچنین از فرم انتگرالی داریم:

این عبارت بیانگر مقدار حرارت انتقال یافته بر واحد زمان است( بر حسب وات ).

این عبارت بیانگر المانی از سطح می باشد(بر حسب متر مربع).


این عبارت گرادیان دما را بیان می کند( بر حسب کلوین/متر ).

این عبارت نیز بیانگر رسانندگی گرمایی است( بر حسب وات/متر کلوین).

اما در مختصات استوانه ای وضعیت به گونه ای دیگر است . در مختصات استوانه ای داریم:


به عبارتی دیگر

بنابر این انتقال حرارت برابر است با

که در رابطه ی فوق

T2 − T1 بیانگر اختلاف دما بین دیواره ی بیرونی و داخلی است.

r1 بیانگر شعاع داخلی است.

r2 بیانگر شعاع خارجی است.

L نیز بیانگر طول است.

اکنون رابطه ی حاکم بر نوع دوم انتقال حرارت یعنی هدایت را بررسی می کنیم.

در این نوع از انتقال حرارت رابطه ی زیر برقرار است:

h = این عبارت ضریب انتقال حرارت جابجایی نام دارد( بر حسب وات/متر مربع کلوین).

A = این عبارت بیانگر مساحت مقطعی است که انتقال حرارت از آن انجام می گیرد( برحسب متر مربع ).

T = این عبارت بیانگر دمای سطح جسم است( بر حسب کلوین).

Tenv = این عبارت بیانگر دمای محیط است( بر حسب کلوین ).

ΔT(t) = T(t) − Tenv این عبارت بیانگر اختلاف دمای بین سطح جسم و محیط بر حسب زمان است.

حال روابط حاکم بر نوع سوم انتقال حرارت(تشعشع) را بررسی می کنیم .

برای جسم سیاه رابطه ذیل برقرار است :

برای اجسام دیگر، رابطه ذیل با احتساب ضریبی برقرار است :

و توان کلی انتقال یافته برابر است با :

در عبارت فوق اپسیلون بیانگر ضریب انتقال حرارت تشعشعی است.

همچنین عبارت زیگما همان ثابت استفان-بولتزمن است.

 

ارتباط انتقال حرارت با ترموديناميک 

در اينجا مناسب است به اختلافات اساسي ترموديناميک و انتقال حرارت بپردازيم . تفاوت اساسي ايندو در اين است که انتقال

حرارت یک فرایند غیرتعادلی است و ترمودینامیک یک پدیده تعادلی است. در ترموديناميک گراديان دما درون ماده وجود ندارد.

با استفاده از ترموديناميک ما مي توانيم به مقدار انرژِي لازم که سيستم را از يک حالت به حالت ديگر ببرد پي مي بريم و به اين

نکته که انتقال حرارت يک فرايند غير تعادلي است نمي پردازد . براي انتقال حرارت وجود گراديان دما ضروري است و اين گراديان

خود بر عدم تعادل فرآيند پديده انتقال حرارت حکايت دارد .

بقاي انرژي براي يک حجم کنترل :

براي اعمال قوانين بقا ، ابتدا حجم کنترل را مشخص مي کنيم ، حجم کنترل ناحيه اي ثابت در فضا است که توسط سطوح کنترل احاطه شده است که انرزی و دما می توانند از این سطوح عبور نمایند.

 

نوشته شده توسط شهرزاد محمدی در شنبه هفتم خرداد 1390 |