جزوه انتقال حرارت حاضر خلاصه‌ای ار مباحث درس انتقال حرارت ۱ می باشد که در دانشگاه شریف تدریس شده است. دانشجویان عزیز می توانند از مطالب این جزوه به منظور آشنایی سریعتر با مطالب درس و یا اجتناب از جزوه‌نویسی در کلاس استفاده نمایند.
|
عنوان
|
صفحه
|
|
فصل اول : مفاهیم فیزیکی و معادلات نرخ انتقال حرارت
|
1
|
|
1 – 1 : انرژی حرارتی و انتقال حرارت
|
2
|
|
2-1 : انتقال حرارت هدایتی
|
3
|
|
3 – 1 : ضریب هدایت حرارتی
|
4
|
|
4 – 1 : نکاتی چند از ضریب هدایت حرارتی
|
4
|
|
5 – 1 : ضریب نفوذ حرارتی
|
5
|
|
6 –1 : انتقال حرارت جابجایی
|
6
|
|
7-1 : ضریب انتقال حرارت جابجایی
|
6
|
|
8- 1 : نکاتی چند در مورد ضریب انتقال حرارت جابجایی
|
7
|
|
9-1 : روشهای افزایش انتقال حرارت جابجایی
|
7
|
|
10-1 : انتقال حرارت تشعشعی
|
8
|
|
11-1 : تفاوت انتقال حرارت تشعشعی با انتقال حرارت هدایتی و جابجایی
|
8
|
|
12-1 : تجزیه و تحلیل مسائل انتقال حرارت
|
9
|
|
13-1 : خلاصه
|
9
|
|
فصل دوم : معادلات انتقال حرارت هدایتی
|
11
|
|
1-2 : معادلات انتقال حرارت هدایتی
|
12
|
|
2-2 : معادله انتقال حرارت – یک بعدی ( دیواره )
|
12
|
|
3-2 : معادله کلی انتقال حرارت هدایتی سه بعدی
|
13
|
|
4-2 معادله انتقال حرارت هدایتی یک بعدی ( استوانه):
|
17
|
|
5- 2 : معادله انتقال حرارت هدایتی یک بعدی ( کروی)
|
19
|
|
6- 2 : خلاصه
|
22
|
|
فصل سوم :انتقال حرارت هدایتی پایدار و یک بعدی
|
23
|
|
1-3 : انتقال حرارت هدایتی پایدار و یک بعدی
|
24
|
|
2- 3 : انتقال حرارت هدایتی پایدار ، یک بعدی ، بدون چشمه حرارتی ، برای دیواره مسطح
|
24
|
|
3- 3: مقاومت حرارتی
|
26
|
|
4-3 : انتقال حرارت هدایتی پایدار ، یک بعدی ، با چشمه حرارتی ثابت ، در دیواره
|
27
|
|
5-3 : دیواره مرکب
|
31
|
|
6- 3: انتقال حرارت هدایتی پایدار، یک بعدی ، بدون چشمه حرارتی ، در استوانه
|
33
|
|
7-3 : شعاع بحرانی استوانه
|
35
|
|
8-3: انتقال حرارت هدایتی پایدار ، یک بعدی ، بدون چشمه حرارتی ، درکره
|
38
|
|
9-3 : شعاع بحرانی کره
|
41
|
|
10-3 : انتقال حرارت از سطوح گسترش یافته
|
42
|
|
11-3 : محاسبات انتقال حرارت از سطوح گسترش یافته
|
43
|
|
12-3 : خلاصه
|
48
|
|
فصل چهارم :انتقال حرارت هدایتی ، چند بعدی
|
50
|
|
1-4 : مقدمه
|
51
|
|
2 – 4 : روش های تحلیلی حل معادلات انتقال حرارت هدایتی
|
51
|
|
3- 4 : حل تحلیلی معادله حاکم بر انتقال حرارت هدایتی پایدار دو بعدی ، بدون چشمه حرارتی ، در حالت خاص
|
53
|
|
4- 4 : روشهای حل عددی انتقال حرارت هدایتی پایداردو بعدی ، بدون منبع حرارتی
|
57
|
|
5-4:هدایت حرارتی سه بعدی
|
62
|
|
6-4 :خلاصه
|
63
|
|
فصل پنجم :انتقال حرارت هدایتی ناپایدار
|
64
|
|
1- 5 : انتقال حرارت هدایتی ناپایدار
|
65
|
|
2– 5 :معادله انتقال حرارت هدایتی ناپایدار یک بعدی ، بدون منبع حرارتی ، در دیواره
|
65
|
|
3- 5: حل تحلیلی معادله انتقال حرارت هدایتی ناپایدار دو بعدی ، بدون چشمه حرارتی
|
66
|
|
4- 5 : حل معادلات انتقال حرارت هدایتی ناپایدار ، بدون چشمه حرارتی
|
71
|
|
1-4-5 : پارامترهای بدون بعد کاربردی در انتقال حرارت هدایتی ناپایدار
|
71
|
|
5-5: حل معادلات انتقال حرارت هدایتی ناپایدار چند بعدی ، با استفاده از نمودارهای هیسلر
|
72
|
|
6 – 5 : سیستم ظرفیت حرارتی فشرده
|
73
|
|
7 -5: حل معادله توزیع دما در سیستم ظرفیت حرارتی فشرده
|
73
|
|
8-5: سیستم ظرفیت حرارتی فشرده بدون اثر جابجایی
|
76
|
|
9-5: اهمیت عدد بدون بعد بایو
|
79
|
|
10– 5 : خلاصه
|
81
|
|
فصل ششم:مقدمه ای بر انتقال حرارت جابجایی
|
82
|
|
1-6 : مقدمه
|
83
|
|
2 -6 : ضریب انتقال حرارت جابجایی
|
83
|
|
3- 6 : اعداد بدون بعد کاربردی در انتقال حرارت جابجایی
|
84
|
|
4-6 : لایه مرزی سرعت
|
85
|
|
5-6 : لایه مرزی حرارت
|
86
|
|
6-6 : اهمیت لایه های مرزی
|
86
|
|
7- 6 : جریان آرام ومغشوش
|
87
|
|
8-6 : معادلات حاکم در لایه مرزی
|
87
|
|
1-8-6 : معادله پیوستگی
|
88
|
|
2-8- 6 معادله اندازه حرکت
|
89
|
|
1-2-8- 6 نیروی حجمی :
|
89
|
|
2-2- 8 - 6 نیروی سطحی :
|
90
|
|
10- 6 معادله انرژی :
|
91
|
|
11-6 معادلات حاکم درلایه مرزی ، جریان آرام ، صفحه تخت :
|
94
|
|
1-11-6 معادلات تجربی در لایه مرزی جریان آرام صفحه تخت :
|
99
|
|
2-11-6 : معادلات تجربی در لایه مرزی ، جریان مغشوش ، صفحه تخت
|
100
|
|
12-6 :جریان داخلی
|
101
|
|
13-6 :جریان سیال از روی استوانه
|
101
|
|
14- 6 : انتقال حرارت جابجایی روی استوانه
|
103
|
|
15-6 : انتقال حرارت جابجایی در داخل استوانه
|
105
|
|
16-6 : خلاصه
|
106
|
|
فصل هفتم :آشنایی با مبدلهای حرارتی
|
107
|
|
1-7 مبدلهای حرارتی :
|
108
|
|
2-7 مبدل حرارتی لوله پوسته ای :
|
109
|
|
3-7 تجزیه و تحلیل مبدلهای حرارتی :
|
111
|
|
1-3-7 محاسبات مبدلهای حرارتی به روش اختلاف دمای متوسط لگاریتمی :
|
111
|
|
4-7 معیارهای انتخاب جریان برای لوله یا پوسته
|
116
|
|
5-7 بافل ها
|
116
|
|
6-7 راه اندازی ، بستن ، مراقبت و نگهدار ی از مبدلهای حرارتی پوسته و لوله :
|
117
|
|
7-7 راه اندازی (Start –up) :
|
117
|
|
8 -7 بستن مبدلها :
|
118
|
|
9-7 بازرسی مبدلها حرارتی در حین کار کردن :
|
118
|
|
10-7 تمیز کردن مبدل حرارتی :
|
119
|
|
11-7 آزمایش مبدلهای حرارتی :
|
119
|
|
12-7 آزمایش پوسته (Shell Test ) :
|
120
|
|
13-7 آزمایش لوله ( Tube Test ) :
|
120
|
|
14-7 گرفتگی ( Fouling ) :
|
121
|
|
1-14-7 رسوب های مواد نامحلول :
|
121
|
|
2-14-7 رسوبهای ویژه :
|
121
|
|
3-14-7 رسوبهای تشکیل دهنده ناشی از واکنشهای شیمیائی :
|
121
|
|
4-14-7 رسوبهای تشکیل شده در اثر خوردگی :
|
121
|
|
5-14-7 رسوبهای بیولوژیکی :
|
122
|
|
6-14-7 رسوبهای ناشی از سرد شدن مایعات ( Freezing ) :
|
122
|
|
15-7 رشد رسوبها
|
122
|
|
16-7 هزینه های ناشی از تشکیل رسوب :
|
122
|
|
17-7 ملاحظات مربوط به طراحی :
|
122
|
|
18-7 مسدود شدن مسیر حرکت بخار (Vapor Locking) :
|
123
|
|
19-7 خلاصه :
|
123
|
|
ضمیمه 1: خلاصه روابط کاربردی برای حل مسائل انتقال حرارت I
|
125
|
|
ضمیمه 2 : نمودارهای کاربردی برای حل مسائل انتقال حرارت I
|
133
|
|
|
|
فصل اول
مفاهیم فیزیکی و معادلات نرخ انتقال حرارت
1 – 1 : انرژی حرارتی و انتقال حرارت
در ترمودینامیک با تبادل گرما و نقش آن آشنا شده ایم و بنابر اصل دوم ترمودینامیک چنانچه قسمتی از یک سیستم نسبت به قسمتهای دیگر سیستم اختلاف دما داشته باشد انرژی حرارتی از نقاط گرم به سمت نقاط سرد جریان می یابد و به کمک روابط ترمودینامیکی می توان وضعیت حالت تعادل ، دمای تعادل ، مقدار کل انرژی مبادله شده را بدست آورد . اما در ترمودینامیک مکانیزم انتقال گرما و روش های محاسبه نرخ انتقال گرما مورد تجزیه و تحلیل قرار نمی گیرد . لذا ترمودینامیک فقط حالت تعادلی سیستم را مورد بررسی قرار می دهد و لازمه حالت تعادلی معادله ، نبود گرادیان دماست . بعبارت دیگر انتقال گرما ذاتاً غیر تعادلی است لذا هدف ما از مطالعه انتقال گرما پاسخگویی به زمان لازم برای رسیدن به تعادل سیستم و تغییرات دما برحسب زمان و شدت انتقال گرما در هر لحظه از زمان و مکان است . بنابراین انتقال حرارت به صورت انرژی انتقال یافته از یک سیستم به سیستم دیگر در اثر وجود اختلاف دما بین دو سیستم تعریف می گردد لذا به زبان ساده تر انتقال حرارت ، ناشی از وجود اختلاف دماست پس نیروی محرکه انتقال حرارت گرادیان دماست بنابراین نرخ انتقال حرارت در یک جهت مشخص ، به میزان اختلاف دما بر واحد طول بستگی دارد و هر چه اختلاف دما بین دو سیستم زیادتر باشد نرخ انتقال حرارت بیشتر می شود .
انتقال حرارت کلاً به سه روش هدایت ، جابجایی و تابشی صورت می گیرد . در اکثر مسائل کاربردی انتقال حرارت به صورت ترکیبی از دو یا سه روش فوق می باشد .
شکل (1-1) انواع مختلف انتقال حرارت هدایتی ، جابجایی ، تشعشعی
2-1 : انتقال حرارت هدایتی
اگر دمای ناحیه ای از جسم از ناحیه ای دیگر آن بیشتر باشد حرارت از ناحیه گرمتر به سمت ناحیه سردتر جریان می یابد . این پدیده را هدایت گویند در این پدیده انتقال انرژی حرارتی به صورت جریان الکترونهای آزاد و یا انتقال انرژی ارتعاشی ذرات جسم به ذرات مجاور ، در دمای پایینتر می باشد . در این روش واسطه انتقال حرارت ساکن است ( جامدات ) لذا شدت انتقال حرارت هدایتی ( مقدار گرمای منتقل شده در واحد زمان ) متناسب با شیب دما در جسم و اندازه سطح عبوری گرما می باشد . بنابراین شدت انتقال حرارت هدایتی توسط فوریه به صورت زیر بیان گردیده است .
بعبارت دیگر رابطه (1-1) بیان می کند که هدایت حرارتی در یک محیط به هندسه ، ضخامت ، جنس ماده و اختلاف دما در عرض محیط بستگی دارد
ضریب هدایتی حرارتی: K
سطح مقطع عمود بر جهت حرارت : A
اختلاف دما: ΔT
ضخامت لایه: Δx
مقدار حرارت منتقل شده در واحد زمان : q
شکل (2-1) انتقال حرارت هدایتی یک بعدی
بنابراین قانون فوریه ، بیانگر مکانیزم انتقال حرارت به روش هدایتی است
قانون فوریه مبتنی بر تحلیل نیست بلکه یک تجربه بشری است همچنین علامت منفی در قانون فوریه بیانگر جهت کاهش انتقال دماست ، به عبارت روشن تر گرما نمی تواند از نقطه ای سرد به نقطه ای گرم نقل مکان کند. ( قانون دوم ترمودینامیک ) قانون فوریه برای تمامی حالت ( پایدار ، ناپایدار ) معتبر است . حال با توجه به رابطه (1-1) اگر گرادیان دما ثابت باشد انتقال حرارت تابع ضخامت لایه نخواهد بود زیرا به ازای هر ضخامتی مقدار انتفال حرارت ثابت خواهد بود
3 – 1 : ضریب هدایت حرارتی
ضریب هدایت حرارتی ، یک خاصیت مهم حرارتی جسم است و به نوع جسم و شرایط فیزیکی از قبیل دما و فشار آن بستگی دارد . لذا هر چه مقدار عددی ضریب هدایت حرارتی جسم بزرگتر باشد جسم هادی تر بود و مقدار بیشتری گرما از آن عبور می کند و برعکس هر چه مقدار عددی ضریب هدایت حرارتی جسم کوچکتر باشد جسم عایق تر می باشد .
4 – 1 : نکاتی چند از ضریب هدایت حرارتی
1 – ضریب هدایت حرارتی معیاری از قابلیت مواد در هدایت گرماست
2 – فلزات بیشتر از مایعات و مایعات بیشتر از گازها رسانای حرارت هستند یعنی
فلزات خالص K الیاژ < K< جامدات غیر فلزی K مایعات < K گازها < K
3 – فشار ، روی ضریب هدایت گازها و مایعات تاثیر ندارد
بستگی به جهت انتقال حرارت دارد .K 4 – برای بعضی از اجسام جامد ، مخصوصاً اجسام لیفی مقدار
سازنده ماده متخلخل متفاوت می باشد .K اجسام متخلخل با K5 -
6 – در جامدات ، ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما کاهش می یابد .
7 - درجامدات ضریب هدایت حرارتی ، حاصل جمع امواج ارتعاشی و انرژی منتقله توسط الکترون آزاد است.
8- در گازها ، ضریب هدایت حرارتی با مجذور دما نسبت مستقیم دارد
هر ماده نیاز به داشتن دمای آن ماده است .K تابعی از دماست و برای تعیین مقدار دقیق K9 -
10 – ضریب هدایت حرارتی گازها ، معمولاً کوچکتر از است
11 – ضریب هدایت حرارتی مایعات ، با افزایش دما کاهش می یابد به جز آب و گلیسرین
12- ضریب هدایت حرارتی مایعات ، با افزایش جرم مولکولی کاهش می یابد .
13- ضریب هدایت حرارتی مایعات ، به جز اطراف تقطه سه گانه نسبت به فشار خنثی است
14 – ضریب هدایت حرارتی مایعات فلزی ، خیلی بیشتر از ضریب هدایت حرارتی مایعات غیر فلزی است.
15- ضریب هدایت حرارتی فلزات ، معیار ثابتی ندارد . بدینصورت که در بعضی از فلزات ، ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما کاهش می یابد ( مس ) در بعضی از فلزات ، ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما افزایـش می یابد ( آلومینیوم ) در بعضی فلزات ، ضریب هدایت حرارتی با افزایش دما بـدون تغـییر باقـی میماند ( فولاد )
16 – در دماهای بسیار پایین ، مقدار K با تغییر دما به سرعت تغییر می کند .
5 – 1 : ضریب نفوذ حرارتی
ضریب نفوذ حرارتی ، یک خاصـیت حرارتی جسم اسـت که به صـورت تعریف می شود . لذا ضریب نفوذ حرارتی بیانگر سرعت پخش یا نفوذ حرارتی در داخل جسم است یعنی هر چه مقدار عددی بیشتر باشد حرارت در داخل جسم سریعتر پخش می شود از طرفی با توجه به رابطه فوق هرچه مقدار عددی ضریب هدایت حرارتیK بیشتر باشد و یا ظرفیت حرارتی جسم ( کمتر باشد مقدار ضریب نفوذ حرارتی جسم (α) بیشتر خواهد شد.
منابع
1- Holman J.p Heat Transfer
2- Introduction to Heat Transfer F.P INCROPERA , D.P DEWITT
3- Chapman J.A Heat Transfer 2nd The macmillan
4- Kern D.Q process Heat Transfer
5- Ozisik M.N Heat Transfer A Basic Approach
6- Cengel , yunns A Heat Transfer A practical approach
7- دکتر سید حسین نوعی باغبان و دکتر محمد خشنودی انتقال حرارت ، اصول و کاربرد
8- دکتر محمد چالکش امیری اصول انتقال حرارت
