انتقال حرارت

مقاله ا ی از
مهندس زهرا سادات موسوی
انتقال حرارت اساس تمام سیستم‌های حرارتی و برودتی است؛ هرگاه اختلاف دما بین دو جسم وجود داشته باشد حرارت از جسم با دمای بالاتر به جسم به دمای پایین‌تر حرکت می‌کند، به این پدیده انتقال حرارت می گویند.
سه روش کلی برای انتقال حرارت وجود داردکه در زیر به توضیح مختصر هر یک از آن‌ها می پردازیم:

۱ – هدایت (Conduction)

انتقال حرارت هدایتی در اثر تماس فیزیکی جسم سرد با جسم گرم تر رخ می دهد، به عنوان مثال در پخت غذا که حرارت از طریق تماس مستقیم ماده غذایی باظرف داغ به آن منتقل می‌شود، انتقال حرارتی رخ می دهد.
در اشل میکروسکوپی، انتقال حرارت به یک جسم، باعث افزایش دامنه ارتعاش مولکول ها و اتم های آن می‌شود. انتقال حرارت هدایتی نیز در اثر ارتعاش اتم ها و مولکول های پر انرژی تر و برخورد آن‌ها با اتم ها و مولکول های کم انرژی تر و در نتیجه انتقال بخشی از انرژی به آن‌ها رخ می دهد. این نوع انتقال حرارت بیش تر درون اجسام صلب یا بین اجسام صلبی که با هم در تماس هستند رخ داده و کم تر درمورد سیالات (به خصوص گازها) اتفاق می افتد. هدایت در سیالات از طریق برخورد و نفوذ مولکول های پرانرژی تر در بین مولکول های کم انرژی تر رخ می دهد. اما در جامدات، به صورت ترکیبی از لرزش مولکول ها و انتقال الکترون های آزاد بین آن‌ها رخ می دهد. در شروع هدایت، از آنجا که گرادیان دمایی قابل توجه می باشد، لذا دمای جسم به صورت تابعی از زمان تغییر می کند. به این بخش از هدایت، هدایت گذرا می گویند. اما با گذشت زمان، گرادیان دمایی درون جسم ثابت شده و متغیر نمی باشد و سیستم به حالت تعادل می رسد. در حالت تعادل، انرژی حرارتی خروجی از یک سطح مقطع، برابر با انرژی ورودی به آن می باشد. به این بخش از هدایت، هدایت پایا می گویند.
انتقال حرارت در دیوار ساختمان‌ها، دیواره لوله مبدل‌های حرارتی و… نمونه‌هایی از انتقال حرارت هدایتی است. مقدار این انتقال حرارت از معادله زیر محاسبه می‌شود:
Q = KA
در رابطه بالا K ضریب هدایت حرارتی، ∆x ضخامت و R = مقاومت حرارتی نامیده می‌شود. در انتقال حرارت جدار ساختمان، لایه بسیار نازکی از هوا در دو طرف جدار ساختمان چسبیده شده است و مانند یک مقاومت حرارتی در برابر جریان حرارتی عمل می‌نماید. اگر ضریب هدایت حرارتی واحد سطح لایه هوا با h نشان داده شود و مقاومت فیلم هوای داخل با نشان داده شود مقاومت کل جدار از رابطه زیر به دست می‌آید:
Rt = + R1 + R2 + R3+ … +
که در آن به ترتیب اول فیلم هوای داخل، R مقاومت حرارتی لایه‌های مختلف دیوار و دوم فیلم هوای خارج است. معکوس مقاومت کل جدار ضریب انتقال حرارت نامیده می‌شود و با u نشان داده می‌شود، در نتیجه می‌توان نوشت:
Q = KA = . ∆T → Q = U.A.∆T
اگر بخواهیم ضریب انتقال حرارت در مصالح مخلف دیگر را به عدد 0.37 که همان ضریب انتقال حرارت در سیستم ICF (باضخامت 27 سانتی متر) می باشد برسانیم باید ضخامت مصالح را به صورت جدول زیر تغییر دهیم.
شرح کالا ضخامت (سانتی متر) ضریب انتقال حرارت
(کیلوکالری برساعت، مترمربع،سانتی گراد)
1پلی استایرن و بتن 27 (12cm فوم پلی استایرن و 15cm بتن ) 0.37
2بتن سنگین 370 0.37
3چوب 50 0.37
4آجرمعمولی 223 0.37
5سنگ مرمر 615 0.37
6سنگ گرانیت 468 0.37
7پشم سنگ 95 0.37
8فولاد 11100 0.37
9گچ و خاک 148 0.37
10آجرسفالی 95 0.37

جدول زیر مقاومت حرارتی انواع آجر و بلوک را نشان می دهد:

نوع ضخامت (سانتی متر) مقاومت حرارتی (m2.k/w)
آجرپلاک ( نما ) 3 – 4 0.03
آجر توپر دیواری 5.5 0.05
10.5 0.09
22 0.20
35 0.30
آجر سوراخ دار دیواری 10.5 0.13
22 0.28
35 0.42
بلوک سفالی دیواری 7.5 0.16
10.5 0.20
12.5 0.27
15 0.30
20 0.39
40 0.78
بلوک سیمانی دیواری 7.5 0.07
10.5 0.09
15 0.14
20 0.19
40 0.32
در زیر به نمودار شاخص انتقال حرارت از اجزای اصلی ساختمان اشاره می‌شود:
در زیربه درصد انتقال گرما در فضاهای مختلف ساختمان اشاره می‌شود:

۲– جا بجایی (Convection)

در این روش انتقال حرارت با استفاده از جریان سیال است که خود نیز به دو روش انجام می‌گیرد:
الف) انتقال حرارت جابه جایی اجباری: اگر حرارت سیال به کمک انرژی یک عامل خارجی مانند پمپ یا فن انجام شود مانند انتقال حرارت توسط فن کویل ها
ب) انتقال حرارت جابه جایی طبیعی: اگر حرارت سیال بدون کمک یک عامل خارجی و در اثر اختلاف وزن مخصوص سیال گرم و سرد صورت گیرد مانند انتقال حرارت از رادیاتورهای معمولی
به صورت کلی انتقال حرارت از طریق جابه جایی از معادله زیر به دست می‌آید:
Q = Ah (tw – t∞)
که در آن h ضریب انتقال حرارت جابه جایی، A سطح دیواره، tw دمای دیوار و t∞ دمای سیال است.

۳ – تشعشع (Radiation)

در این نوع انتقال حرارت، اجسام توسط انتشار امواج الکترو مغناطیس حرارت را منتقل می‌کنند و ماده در آن نقشی ندارد. به عنوان نمونه‌ای از این نوع انتقال حرارت می‌توان به حرارت اکتسابی از خورشید اشاره کرد. مقدار حرارت انتقال یافته با این مکانیزم توسط معادله زیر قابل محاسبه است:
Q = Fe. FG. δ. A (T14 – T24(
در معادله بالا Fe تابع ضریب تشعشع از دو سطح، FG تابع وضعیت هندسی در سطح، δ ضریب استفاده بولتزمن می‌باشد که دارای مقدار عددی 5.669 * 10-8 است، A سطح حرارتی و T1 و T2 درجه حرارت سطوح بر حسب کلوین هستند.


در گروه: مقالات تاسیسات. برچسب‌ها: .