انتقال حرارت جابجایی – روش های انتقال حرارت
پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه فنی و مهندسی مکانیک
انتقال حرارت جابجایی چیست؟
در انتقال گرما به روش جابه جایی ملکول های ماده ضمن انتقال گرما حرکت می کنند. براي ايجاد جريان همرفتی سه شرط لازم است:
- ماده باید مایع یا گاز باشد.
- بین دو نقطه از یک جسم اختلاف دما وجود داشته باشد یعنی قسمتی گرم و قسمتی سرد باشد.
- قسمت گرم پائین تر از قسمت سرد باشد.
گرما با استفاده از حرکت سیال در سطح با دو مکانیزم دیفیوژن و جریان بالک اتفاق می افتد. جابه جایی شامل هدایت حرارتی و حرکت سیال است.
نرخ انتقال با استفاده از روش جابه جایی با استفاده از قانون نیوتن بیان می گردد:
Q = hA(Ts-T∞)
که در آن Ts دمای سطح، T∞ دمای محیط و h ضریب جابه جایی حرارتی است.
انتقال گرماي جابجایی از دو مکانیزم تشکیل می شود:
۱ -انتقال انرژي بواسطه حرکت تصادفی ملکول ها(پخش گرما Diffusion )
۲ -انرژي توسط حرکت حجمی سیال(ادواکسیون Advection)
نتیجه اندرکنش بین سطح و سیال رشد ناحیه اي در سیال است که در آن سرعت سیال از صفر برروي سطح تا مقدار معینU در داخل جریان تغییر می کند. این ناحیه از سیال لایه مرزي سرعت نام دارد. (Layer Boundary Hydrodynamic)
اگر دماهاي سطح و سیال متفاوت باشند ناحیه اي در سیال وجود خواهد داشت که در آن دما از ܶ در ۰ = y تا ∞ܶ در جریان آزاد تغییر می کند این ناحیه را لایه مرزي گرمایی می نامند (Layer Boundary Thermal ) که ضخامت آن می تواند کوچکتر،مساوي یا بزرگتر از لایه مرزي سرعت باشد.
در نزدیکی سطح حرکت تصادفی ملکول ها (پخش گرما) وجه غالب را دارد. همزمان با پیشرفت سیال در جهت x حرکت توده سیال نقش غالب را پیدا می کند.
انواع انتقال گرماي جابجایی
۱ -جابجایی اجباري(Convection Forced) : هنگامیکه جریان توسط عوامل خارجی نظیر فن یا پمپ ایجاد شود. زمانی بوجود می آید که جابجایی توسط یک عامل خارجی مثل فن یا پمپ یا باد ایجاد شود مثل رادیاتور ماشین، خنک کردن تجهیزات کامپیوتر.
۲ -جابجایی آزاد(Convection Free) : هنگامیکه جریان توسط نیروهاي غوطه وري(Forces Buoyancy ) ایجاد می شود که بعلت اختلاف چگالی ناشی از تغییرات دما در سیال بروز می کند. انتقال گرما به شکل طبیعی یا آزاد در اثر تغییرات چگالی و یا نیروی شناوری بوجود می آید مثل شوفاژ. وقتی یک سیال گرم می شود چگالی آن کم می شود و سبک می شود و بالا می رود.
۳ -جابجایی بواسطه تغییر فاز (جوشش و میعان Condensation and Boiling)
در جابجایی اجباری، سیال تحت اثر یک نیروی خارجی، از روی یک صفحه یا داخل لوله عبور میکند. اما جابجایی آزاد در نتیجه ی حرکت سیال به دلیل تغییرات در چگالی آن، در فرآیند گرمایش به وجود میآید.
انتقال حرارت به طریق جابجایی آزاد روی یک صفحهی مسطح قائم :
صفحه ی مسطح قائم را در شکل زیر در نظر بگیرید. وقتی صفحه گرم باشد، یک لایه ی مرزی جابجایی آزاد تشکیل خواهد شد. پروفیل سرعت در این لایه ی مرزی با پروفیل سرعت در لایه ی مرزی جابجایی اجباری کاملا متفاوت است. در دیواره به دلیل عدم وجود لغزش، سرعت صفر است و هم زمان با دور شدن از دیواره، مقدار سرعت افزایش مییابد و به مقدار حداکثر خود میرسد. سپس مقدار آن کاهش یافته و در لبه ی لایه مرزی مجدداً به صفر خواهد رسید؛ زیرا “جریان آزاد” در سیستم جابجایی طبیعی در حالت سکون است.
در ابتدا توسعه ی لایه ی مرزی به صورت آرام است، ولی در فاصله ای از ابتدای صفحه بسته به خواص سیال و اختلاف دما بین دیواره و محیط، گردابه هایی درهم تشکیل میگردد. در مرحله ی گذرا،لایه ی مرزی درهم شروع میشود و در فاصله ی دور از ابتدای صفحه ممکن است به جریان کاملا درهم تبدیل شود.
فرضیات : دیواره قائم است، Uسرعت در راستای x و T تنها تابع Y هستند.
معادلات ناحیه Laminar:
معادلات حاکم بر جریان:
