انتقال گرما

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
انرژی گرمایی تابش شده از زمین از اتمسفر جو ، از ابرها و از سطح زمین.(قرمز زیاد و آبی کم)

انتقال گرما یا تراوژ گرما (به انگلیسی: Heat transfer) به گَهولش (exchange) و یا تبادل انرژی گرمایی بین چندین راژمان‌ (سیستم) فیزیکی گفته‌می‌شود. تراوژ گرما بین ماده‌ها و یا راژمان‌های گوناگون، به یکی از این سه شکل روی می‌دهد: رسانش، همرفت و یا تابش گرمایی.

تراوژ گرما با تغییر انرژی درونی ماده همراه است و بر پایه قانون دوم ترمودینامیک همیشه از جسم داغ‌تر به جسم سرد‌تر روی می دهد.

تعادل گرمایی زمانی روی‌می‌دهد که جسم‌های درگیر و پیرامونشان به دمایی یکسان برسند.

سازوکارهای تراوژ گرما[ویرایش]

جریان گرمایی خطی

شیوه‌های تراوژ گرما عبارتند از:

  • رسانش یا هازش: انتقال انرژی بین جسم‌هایی که در تماس فیزیکی هستند.
  • همرفت: انتقال انرژی به دلیل حرکت شاره.
  • تابش: انتقال انرژی با تابش پرتوهای الکترومغناطیسی.
  • انتقال جرم: انتقال انرژی از یک مکان به مکان دیگر با جابه‌جایی فیزیکی جسم دارای انرژی.

رسانش گرمایی یا هازش گرمایی، تراوژ انرژی از راه انتقال انرژی جنبشی مولکول‌ها و اتم‌ها به مولکول‌ها و اتم‌ها همسایه خود است. برای رسانش گرمایی دو جسم باید در تماس فیزیکی با یکدیگر باشند.

همرفت به تراوژ انرژی به دلیل جابه‌جایی شاره (مایع یا گاز) گفته‌می‌شود. جریان شاره ممکن است با فرایندهای بیرونی به صورت اجباری ایجاد شود یا گاهی زمان‌ها (در میدان‌های گرانشی) توسط نیروهای رانشی هنگامی که انرژی گرمایی شاره را منبسط می‌کند (به عنوان مثال در یک ستون آتش) ایجاد شوند و در نتیجه باعث انتقال خودبخودی می‌شوند. فرایند دوم گاهی وقت‌ها همرفت طبیعی نامیده می‌شود. همه فرایندهای همرفتی گرما را تا حدودی به وسیله نفوذ منتقل می‌کنند. نوع دیگری از همرفت، همرفت اجباری است. در این مورد سیال با استفاده از پمپ، توربین یا وسایل مکانیکی دیگر برای جریان یافتن تحت اجبار قرار می‌گیرد.

تابش به تراوژ انرژی بر اثر تابش پرتو‌های الکترومغناطیسی را می‌گویند. همه‌ی ماده‌ها که دمایی بالاتر از صفر مطلق دارند، پرتوهای الکترومغناطیسی می‌گسیلند. مهمترین ویژگی این شیوه‌، آن است که نیازی به ماده ندارد برخلاف دیگر سازوکارهای تراوژ که همه نیازمند ماده هستند. پرتوهای تابیده شده می‌تواند در یک نقطه کوچک با استفاده از آینه‌های بازتابنده متمرکز شود که درجمع آوری انرژی خورشیدی تولیدی مورد بهره‌برداری قرار گیرد. برای مثال، نور خورشید بازتابیده از آینه‌ها، برج انرژی خورشیدی PS10 را گرم می‌کند و در طول روز می‌تواند آب را تا ۲۸۵ درجه سانتی گراد (۵۴۵ فارنهایت) گرم کند.

انتقال جرم

در انتقال جرم، انرژی از جمله انرژی گرمایی با انتقال فیزیکی از جسم گرم به جسم سرد از یک مکان به مکان دیگر حرکت می‌کند. این می‌تواند به سادگی با قرار دادن آب گرم در بطری و گرم کردن بستر آن و یا حرکت کوه یخ در تغییرات جریانهای اقیانوسی باشد؛ ویک مثال عملی هیدرولیک گرمایی است.

تغییر حالت[ویرایش]

انتقال گرما با محیط در طول تغییر حالت یعنی ذوب، تبخیر، انجماد، میعان، چگالش، تصعید مانند آب به یخ، آب به بخار، بخار به آب ویخ به آب شامل انرژی قابل توجهی هستند و در بسیاری از موارد مانند موتور بخار، یخچال، و غیره مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.

برای مثال، معادله میسون (Mason) بیان تحلیلی تقریبی برای رشد قطرات آب بر پایه اثرات انتقال گرما در تبخیر و متراکم شدن است.

تبخیر: انتقال گرما در سیالات در حال جوش پیچیده‌است اما از اهمیت فنی قابل توجهی برخوردار است؛ و با استفاده از منحنی S مانند که وابستگی شار گرما به اختلاف دمای سطح را نشان می‌دهد مشخص می‌شود. در دماهای پایین، جوش اتفاق نمی‌افتد و میزان انتقال گرما با مکانیزم‌های معمول تک حالتی کنترل می‌شود. هنگامی که دمای سطح افزایش می‌یابد، جوش محلی رخ می‌دهد و هستهٔ حباب‌های بخار به سیال خنک‌تر مجاور رشد می‌کنند و فرو می‌پاشند. در سرعت‌های بالای تولید حباب، حباب‌ها شروع به تداخل می‌کنند.

در دماهای بالا، ماکزیمم مقدار شار انتقال گرما به دست می‌آید (شار دمای بحرانی یا CHF). در دماهای بالا، رژیم هیدرودینامیکی آرام فیلم جوشان به دست می‌آید. شار گرما در طول لایه‌های پایدار بخار کم است اما به آرامی با دما افزایش می‌یابد. ممکن است دیده شود که هر گونه تماس میان مایع و سطح، احتمالاً منجر به ایجاد بسیار سریع هسته‌های لایه‌های تازه بخار می‌شود (هستهٔ خودبخود).

چگالش: چگالش هنگامی که بخار سرد می‌شود و فاز آن به حالت مایع تغییر می‌کند، اتفاق می‌افتد. چگالش مانند جوش، از اهمیت زیادی در صنعت برخوردار است. در حین تراکم، گرمای نهان تبخیر باید آزاد شود و مقدار گرما همان است که در طی تبخیر در همان فشار سیال جذب می‌شود.

چگالش انواع مختلفی دارد:

  1. تراکم همگن در طول تشکیل مه
  2. چگالش در تماس مستقیم با مایع subcooled
  3. چگالش در تماس مستقیم با یک دیوار خنک‌کننده مبدل گرمایی: این حالت شایع‌ترین مورد استفاده در صنعت است.
  4. تراکم Filmwise زمانی است که فیلم مایع در سطح subcooled شکل گرفته استو معمولاً هنگامی رخ می‌دهد که مایع سطح را خیس می‌کند.
  5. تراکم Dropwise زمانی است که قطرات مایع در سطح subcooled شکل گرفته‌اند و گاهی اوقات زمانی که قطرات مایع سطح را خیس نکرده‌اند، اتفاق می‌افتد. تراکم Dropwise برای تداوم با اطمینان مشکل است و بنابراین تجهیزات صنعتی به طور معمول برای عمل کردن در تراکم filmwise طراحی شده‌اند.

روش‌های مدل سازی[ویرایش]

پدیده‌های پیچیده انتقال گرما را می‌توان در روش‌های مختلف مدل کرد.

  • معادله گرما: معادله گرما، معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی است که توزیع گرما (یا تغییرات دما) را در منطقه‌ای داده شده در طول زمان شرح می‌دهد. در بعضی مواقع راه حل دقیق معادله در دسترس است و در موارد دیگر، این معادله بایدبا حل عددی وبا استفاده از روش‌های محاسباتی حل شود. برای مثال در مدل‌های ساده آب و هوایی، ممکن است سرمایش نیوتون به جای کدهای تابشی برای حفظ دمای اتمسفر استفاده شود.
  • تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها: تجزیه و تحلیل سیستم‌ها با استفاده از مدل ظرفیت توده‌ای یک تخمین متداول در رسانش گذرا است که ممکن است هنگامی که رسانش گرمایی داخل شی خیلی بیشتر از رسانش گرمایی در مرزهای جسم است، مورد استفاده قرار گیرد. این روش تقریبی است که یکی از جنبه‌های هدایت گذرای سیستم –در داخل جسم-رابه یک سیستم معادل حالت پایدار کاهش می‌دهد. در این روش فرض بر این است که دما در داخل جسم کاملاً یکسان است؛ اگر چه مقدار آن ممکن است با زمان در حال تغییر باشد. در این روش، نسبت مقاومت در برابر گرمای رسانشی در درون جسم به مقاومت در برابر انتقال گرمای همرفت در مرزهای جسم که به عنوان عدد بیو شناخته می‌شود، محاسبه می‌شود.

برای عددهای بایو کوچک تخمین دمای یکنواخت مکانی در داخل جسم می‌تواند به کار رود و فرض شده‌است که انتقال گرما در جسم زمان برای توزیع یکنواخت درون خود با توجه به مقاومت کمتر به انجام این کار در مقایسه با مقاومت برای گرمای ورودی به جسم دارد. تجزیه و تحلیل توده‌ای سیستم‌ها اغلب پیچیدگی معادلات را به معادله دیفرانسیل خطی مرتبه اول کاهش می‌دهد که در آن گرمایش و سرمایش با حل تابع نمایی ساده شرح داده می‌شوند و اغلب به عنوان قانون سرمایش نیوتون اشاره دارد.

کاربرد[ویرایش]

موج گرما، موردی از مطالعهٔ انتقال گرما در آب و هوا

مسئلهٔ توزیع دما و شارش گرما در بسیاری از شاخه‌های دانش و مهندسی مطرح است. برای نمونه در طراحی دیگ‌های بخار، چگالنده‌ها، تبخیر کننده‌ها، مبدل‌های حرارتی و رادیاتورها تحلیل انتقال گرما برای محاسبهٔ اندازهٔ آنها لازم است.

منابع[ویرایش]

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا، «Heat_transfer»، ویکی‌پدیای en، دانشنامهٔ آزاد (بازیابی در ۰۶/۰۲/۲۰۱۲).

مطالعهٔ بیشتر[ویرایش]

  • مقدمه‌ای بر انتقال گرما
  • Bayley, F.J. , M.J. Owen and A.B. Turner: Heat Transfer, Barnes&Noble, New York, 1972.
  • Chapman, Alan J. :Heat Transfer, Macmillan, New York, 1967.
  • Gebhart, B. : Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1971.
  • Grassmann, Peter: Physikalische Grundlagen der Verfahrenstechnik, Saverlander, Aarau, 1982.
  • Gröber, H. , S. Erk and U. grigull: Fundamentals of Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1961.
  • Holman, J.P. , Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1981.
  • Incropera, Frank P. and David P. Dewitt: Fundamentals of Heat Transfer, Wiley, New York 1981.
  • Kreith, F. , Principles of Heat Trasfer, Intext, New York, 1973.
  • Kreith, F. and W.Z. Black: Basic Heat Trasfer, Harper & Row, New York, 1979.
  • Lienhard, John H. : A Heat Trasfer Textbook, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. , 1981.
  • Özişik, M.N. : Basic Heat Transfer, McGraw-Hill, New York, 1977.
  • Thomas, Lindon D. :Fundamentals of Heat Transfer, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J. , 1980.
  • Wolf, Helmut: Heat Trasfer, Harper & Row, London, 1983.