انتقال حرارت 2 — معرفی و بررسی سرفصل ها

انتقال حرارت ۲ شامل مباحث جابجایی آزاد، جوشش و میعان، مبدل حرارتی و انتقال حرارت تشعشع می‌باشد. در این مقاله به صورت کلی همه این موارد را بررسی می‌کنیم و کاربردهای آنها را در دنیای واقعی می‌آموزیم.

بعد از آشنایی با مفاهیم اولیه گرما و انرژی، قانون پایستگی انرژی و نحوه انتقال آن و همچنین اعداد بی‌بعد در انتقال حرارت ۱، در انتقال حرارت ۲ به بررسی این پدیده در سیستم‌های مختلف می‌پردازیم. گرمای مبادله شده در فرایند جوشش، میعان، تشعشع و همچنین در مبدل‌های حرارتی از این دست سیستم‌ها هستند. البته در ابتدای امر قبل از ورود به سیستم‌های حرارتی، پدیده جابجایی آزاد که پس از جابجایی اجباری که در انتقال حرارت ۱ مبحث مهمی بوده به طور کلی تشریح می‌شود.

انتقال حرارت ۲ – جابجایی آزاد

انتقال حرارت ۲ – جابجایی آزاد
انتقال حرارت ۲ – جابجایی آزاد

روش‌های انتقال حرارت بین اجسام مختلف که تفاوت دمایی دارند به سه صورت انجام می‌گیرد:

  • هدایت (Conduction)
  • جابجایی (Conversation)
  • تشعشع (Radiation)

هدایت زمانی اتفاق می‌افتد که در مورد جامدات صحبت می‌کنیم. در واقع انتقال حرارت هدایتی در بعد مولکولی به صورت انرژی منتقل شده از یک ذره به ذره دیگر تعریف می‌شود. اما انتقال حرارت جابجایی، پدیده غالب در بین سیالات است. این پدیده زمانی اتفاق می‌افتد که توده‌ای از ذرات از یک مکان به مکان دیگر منتقل می‌شود و در حین انتقال، انرژی و حرارت را با خود حمل می‌کند. البته پدیده انتقال حرارت جابجایی نیز به چند صورت انجام میگیرد:

  • جابجایی آزاد (Free convection)
  • جابجایی اجباری (Forced convection)
  • جابجایی همراه با تغییر فاز (Boiling and Condensation)

انتقال حرارت جابجایی اجباری زمانی اتفاق می‌افتد که یک نیروی محرکه خارجی مثل پمپ یا فن سیال را به حرکت در بیاورد.  اما زمانی که در مورد انتقال حرارت جابجایی آزاد صحبت می‌کنیم در واقع منظورمان حرکت سیال به صورت طبیعی و بدون اعمال نیروی خارجی است. به مانند حرکت آرام جریان هوا اطراف یک جسم داغ که به واسطه انتقال حرارت از جسم به هوا به مرور جسم مورد نظر سردتر می‌شود.

به عنوان مثال یک تخم مرغ داغ بر روی یک سطح را در نظر می‌گیریم. هوای اطراف این تخم مرغ سردتر از دمای پوسته تخم مرغ است. به دلیل اختلاف چگالی هوای گرم  در پایین تخم مرغ و هوای سرد در بالای آن به تدریج به دلیل نیروهای شناوری پدیده گردش هوا را ایجاد می‌کند. یعنی هوای سرد اطراف پوسته تخم مرغ گرم شده و به بالا حرکت می‌کند و هوای سرد جایگزین آن می شود.  این فرایند که به تدریج و به صورت طبیعی و بدون اعمال نیروی خارجی اتفاق می‌افتد همان انتقال حرارت جابجایی آزاد است.

ترکیب جابجایی آزاد و اجباري

مواردی وجود دارند که در آنها انتقال حرارت به صورت تلفیقی از جابجایی آزاد و جابجایی اجباری است. مثلاً اگر همان تخم مرغ داغ را در نظر بگیریم و بخواهیم برای خنک شدن سریع تر آن شروع به فوت کردن تخم مرغ کنیم، در این حالت به سبب اعمال نیرویی از دهان ما و به گردش درآمدن جریان هوا، جابجایی اجباری اتفاق می‌افتد. همزمان با جریان اجباری، به دلیل وجود نیروهای شناوری ناشی از اختلاف چگالی و دانسیته‌ی هوا در نزدیکی سطح تخم مرغ پدیده جابجایی آزاد انجام می‌شود. به این ترتیب با تلفیق این دو جریان، تخم مرغ زودتر خنک می‌شود.

معادلات حاکم بر پدیده انتقال حرارت جابجایی اجباری و آزاد به طور کامل و مفصل در آموزش‌های فرادرس موجود هستند که بنا به نیاز خود می‌توانید به هر یک از آنها مراجعه کنید.

جوشش و میعان در انتقال حرارت ۲

جوشش و میعان در انتقال حرارت ۲
جوشش و میعان در انتقال حرارت ۲

انتقال حرارت در فرایندهای تغییر فاز یک ماده به راحتی قابل نشان دادن است. دو سیستم تغییر فازی معروف که در آنها پدیده انتقال حرارت اتفاق می‌افتد عبارتند از:

  • جوشش (Boiling)
  • میعان (Condensation)

جوشش فرایندی است که در آن ماده از فاز جامد وارد فاز مایع می‌شود.  در واقع تبخیر در سطح مشترک دو فاز جامد-مایع را جوشش می نامند. زمانی که دمای سطح مشترک جامد-مایع بیشتراز دمای اشباع مایع باشد پدیده جوشش رخ می‌دهد.

در سوی مقابل میعان  فرایندی است که در آن ماده از فاز بخار وارد فاز مایع می‌شود.  این پدیده زمانی رخ می‌دهد که دمای اشباع ماده در فاز بخار بیشتر از دمای سطحی باشد که در معرض آن قرار می‌گیرد. به طور ساده تر یعنی سطح سردتر از دمای اشباع ماده در فاز بخار باشد.

زمانی که یک سیال درون یک ظرف، مخزن و یا استخری قرار می‌گیرد که کف آن دارای دمایی فراتر از دمای سیال باشد جوشش رخ می‌دهد که به آن جوشش مخزنی یا استخری گویند. دراین پدیده، سیال ساکن است و انتقال حرارت از کف مخزن به سطح آزاد مایع اتفاق می‌افتد. به واسطه جابجایی جریان هوای گرم با هوای سرد در مجاورت سطح پدیده، جابجایی آزاد یا طبیعی رخ می‌دهد.

جوشش اجباري

در جوشش اجباری سیال حرکت دارد و این حرکت توسط یک نیروی محرکه خارجی به وجود می‌آید،  لذا پدیده جوشش همراه با جابجایی اجباری بوده و اغتشاش درون سیال هم به واسطه عامل خارجی و هم حرکت حباب های هوا خواهد بود.

جوشش اشباع یا حجمی

در فرایند جوشش اشباع یا حجمی همانطور که از نام آن پیداست حباب‌های گاز تشکیل شده در درون مایع در اثر نیروی غوطه وری به بالا رانده شده و در سطح آزاد، فاز مایع وارد فاز گاز می‌شوند. البته باید توجه داشته باشیم که در این فرآیند دمای مایع اندکی باید از دمای اشباع بیشتر باشد.

جوشش سرد یا موضعی

جوشش سرد یا موضعی دقیقاً بر عکس فرایند جوشش اشباع انجام می‌شود.  به این صورت که حباب‌های تشکیل شده در سطح مشترک گاز-مایع وارد فاز مایع می‌شوند و دلیل آن نیز کمتر بودن دمای مایع از دمای اشباع است.

میعان لایه‌اي

زمانی که بخار در سطح یک جسم به مایع تبدیل می‌شود اگر تمامی سطح آن را بپوشاند در نتیجه لایه‌ای از فیلم مایع روی سطح قرار می‌گیرد که به این پدیده میعان لایه‌ای گفته می‌شود. میعان لایه‌ای ممکن است در سطوح کوچک مثل شیشه ماشین‌ها یا سطوح بزرگ مثل سقف شیروانی یک خانه اتفاق بیفتد.

میعان قطره‌اي

میعان قطره‌ای درست برعکس میعان لایه‌ای زمانی است که صرفاً قطراتی از ماده از فاز بخار وارد فاز مایع بشوند. به این ترتیب ذراتی از مایع در مقیاس میکروسکوپی روی سطح  قرار خواهند گرفت.

معادلات حاکم بر جوشش و میعان

برای بررسی رفتار ترکیبات مختلف در فرایند جوشش و میعان ابتدا باید به صورت دقیق سیستم را مدل کنیم و بعد از به دست آوردن معادلات حاکم بر آنها و در نظر گرفتن فرضیات مختلف پارامترهای مورد نیاز خود را به دست آوریم.  بدین منظور نیز می‌توانید از آموزش‌های فرادرس کمک بگیرید.

مبدل‌هاي حرارتی

مبدل‌هاي حرارتی
مبدل‌هاي حرارتی

مبدل‌های حرارتی دستگاه‌هایی هستند که با استفاده از مفاهیم و روابط موجود در پدیده انتقال حرارت، انرژی گرمایی را بین دو سیال با دمای متفاوت انتقال می‌دهند. این انتقال انرژی و حرارت معمولاً به صورت انتقال گرمای جابجایی بین دو سیال صورت می‌گیرد. البته پدیده انتقال حرارت هدایتی نیز بین جداره های مبدل حرارتی و سیال وجود دارد. این دستگاه‌ها با توجه به  طراحی و نوع عملکرد به چند دسته مختلف تقسیم بندی می‌شوند:

  • مبدل‌های حرارتی دو لوله‌ای یا لوله حلقوي (Double-Pipe or Concentric Tube Heat Exchanger)
  • مبدل‌های حرارتی جریان عمود بر هم یا متقاطع (Cross Flow Heat Exchanger)
  • مبدل‌های حرارتی پوسته و لوله (Shell-and-Tube Heat Exchanger)
  • مبدل‌های حرارتی فشرده (Compact Heat Exchanger)

 

مبدل‌هاي گرمایی دو لوله‌اي یا لوله حلقوي

مبدل حرارتی دو لوله‌ای در واقع دستگاهی است که شامل دو لوله هم محور بوده و در آن یک سیال در داخل لوله درونی و سیال دیگر در بین دو لوله به حرکت در می‌آیند. به این ترتیب اگر اختلاف دما بین دو سیال وجود داشته باشد انتقال گرما بین آنها اتفاق خواهد افتاد.  جریان دو سیال در مبدل حرارتی دو لوله‌ای می‌توانند به صورت همسو یا غیر همسو حرکت کند.

الف) جریان همسو یا موازی

در این حالت سیال گرم و سرد هر دو از یک سمت وارد مبدل شده و از سمت دیگر خارج می‌شود. نکته مهم در این نوع آرایش این است که دمای سیال سرد در خروجی مبدل هرگز نمی‌تواند از دمای سیال گرم بیشتر باشد.

ب) جریان غیر همسو یا مخالف

در این حالت سیال گرم وارد مبدل شده و سیال سرد از سمت دیگر و مخالف جهت سیال گرم وارد مبدل می‌شود. باید توجه داشته باشید که در این نوع آرایش ممکن است  دمای سیال سرد خروجی از دمای سیال گرم بیشتر شود.

مبدل‌های گرمایی جریان عمود بر هم یا متقاطع

در مبدل‌های جریان متقاطع معمولاً لوله‌های وجود دارند که  یکی از سیالات گرم یا سرد در آنها جریان دارد و سیال گرم یا سرد بعدی به صورت عمود بر این لوله‌ها به جریان در می‌آیند. البته این رایج ترین نوع آرایش جریان در مبدل‌های متقاطع است و انواع دیگر آنها می‌تواند طراحی و ساخته شود.

مبدل‌های گرمایی پوسته و لوله

در مبدل‌های پوسته و لوله محفظه‌ای طراحی می‌شود که در درون آن لوله‌هایی تعبیه شده است که یک سیال در درون لوله‌ها جریان پیدا می‌کند و سیال دیگر در درون محفظه بر روی لوله‌ها به حرکت در می آید.  البته می‌توان محفظه را به چند بخش مختلف نیز تقسیم بندی کرد تا چند پاس مختلف برای انتقال حرارت وجود داشته باشد.

مبدل حرارتی فشرده

این مبدل‌ها در مواردی استفاده می‌شود که نسبت سطح تبادل گرما بر واحد حجم مبدل زیاد باشد. در این نوع مبدل‌ها مجموعه‌ای از لوله‌ها به همراه سطوح پرده دار استفاده می‌شود تا نرخ انتقال حرارت افزایش یابد.  این مبدل‌ها معمولاً وقتی به کار می‌روند که از سیالات گازی با ضریب انتقال گرمای کوچک استفاده شود.

تجزیه و تحلیل مبدل حرارتی

برای طراحی و بررسی عملکرد یک مبدل  حرارتی از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود.  این روش‌ها شامل روش اختلاف دمای متوسط لگاریتمی (LMTD) و همچنین روش بازده-تعداد واحدهای انتقال (ε-NTU) می‌شود.  در هر دوی این روش‌ها می‌بایست دما های ورودی و خروجی سیال،  ضریب انتقال گرمای کلی و همچنین مساحت سطح انتقال به دست آید. برای بررسی این موارد و استفاده از این روش ها می‌توانید به آموزش‌های فرادرس مراجعه کنید.

انتقال حرارت تشعشع

انتقال حرارت تشعشع
انتقال حرارت تشعشع

بعد از بررسی انتقال حرارت هدایتی و جابجایی در درس انتقال حرارت ۱ این بار به سراغ بررسی انتقال حرارت تشعشعی در درس انتقال حرارت ۲ می‌رویم.  این نوع انتقال یعنی تشعشع، برعکس دو مورد قبلی نیاز به محیط مادی برای انتشار ندارد و می‌تواند در خلاء نیز جریان یابد. در واقع هر سطح گرم دارای انرژی‌ای است که این انرژی را به وسیله ذراتی به نام فوتون به سمت محیط منتشر می‌کند.

صدور انرژی از یک سطح به سمت محیط توسط امواج الکترومغناطیس صورت می‌گیرد.  این امواج با توجه به طول موج خود طیف وسیعی از امواج الکترومغناطیس را تشکیل می‌دهند که به ترتیب از طول موج بلند به طول موج کوتاه عبارتند از:

  • امواج رادیویی (Radio Waves)
  • امواج مادون قرمز (Infrared Rays or IR)
  • امواج مرئی (Visible Waves)
  • امواج ماوراء بنفش (Ultraviolet Rays or UV)
  • امواج ایکس (X Rays)
  • امواج گاما (ϒ Rays)
  • امواج کاسمیک (Cosmic Rays)

هر یک از امواج فوق دارای زیر شاخه‌های متعددی هستند که دارای طول موج‌های مختلف و فرکانس‌های متفاوت می‌باشد.  به این ترتیب بررسی انتشار این امواج در محیط و انرژی‌ای که با خود حمل می‌کنند باید در قالب انتقال حرارت تشعشعی مورد بررسی و ارزیابی قرار بگیرد.  روابط و معادلات حاکم و انتقال حرارت حاصل از امواج الکترومغناطیس در آموزش‌های فرادرس به صورت مفصل در اختیار شما قرار گرفته است که می‌توانید از آنها استفاده کنید.

نتیجه گیری و سخن پایانی

به طور کلی انتقال حرارت یکی از شاخه‌های اصلی مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی است که به بررسی رفتار فیزیکی و شیمیایی مواد با دماهای مختلف می‌پردازد. در واقع  دو جسم با تفاوت دمایی مشخص همواره بین خود انرژی و حرارت مبادله می‌کنند. به طور کلی انتقال حرارت به سه صورت هدایت، جابجایی و تشعشع انجام می‌شود.

در این مقاله به بررسی کلی مبحث انتقال حرارت ۲ و سرفصل‌های آن پرداختیم. هر کدام از این سرفصل‌ها نیز به صورت جداگانه مورد بررسی و تدریس قرار گرفته‌اند.  به این ترتیب می‌توانید به راحتی با  مراجعه به فرادرس موارد مورد نیاز خود را پیدا کرده و از آنها کمک بگیرید.

نظر (نظرات) در مورد : انتقال حرارت 2 — معرفی و بررسی سرفصل ها

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.