سرفصل های درس پدیده های انتقال

نام بسته درسی : پدیده های انتقال

———————————————————

فهرست:

روش‌های انتقال گرما                                                                                                                                   

قانون بقای انرژی                                                                                                                                       

خواص گرمایی مواد                                                                                                                                   

آزمون خودسنجی                                                                                                                                                

معادله کلی انتقال گرما                                                                                                                              

معادله انتقال گرما در مختصات کارتزین                                                                                                           

معادله انتقال گرما در مختصات استوانه‌ای                                                                                                        

معادله انتقال گرما در مختصات کروی                                                                                                            

شرایط مرزی و اولیه                                                                                                                                   

آزمون خودسنجی                                                                                                                                                    

انتقال گرمای هدایتی                                                                                                                                 

دیوار مسطح                                                                                                                                           

استوانه                                                                                                                                                   

کره                                                                                                                                                       

تعیین نرخ انتقال گرما                                                                                                                               

مقاومت گرمایی                                                                                                                                        

دیوار مرکب                                                                                                                                            

عایق‌بندی                                                                                                                                              

شعاع بحرانی                                                                                                                                            

آزمون خودسنجی                                                                                                                                                

سطوح گسترش یافته (پره‌ها)                                                                                                                        

معادله دیفرانسیل حاکم                                                                                                                             

توزیع دما در پره‌های با سطح مقطع یکنواخت                                                                                                   

انتقال گرما در پره‌ها                                                                                                                                   

راندمان پره                                                                                                                                             

ضریب تأثیر پره                                                                                                                                        

روش هارپر و براون                                                                                                                                   

آزمون خودسنجی                                                                                                                                   

انتقال گرمای هدایتی چندبعدی                                                                                                                    

مقدمه                                                                                                                                                   

روش‌های عددی                                                                                                                                       

تعیین ضریب شکل هدایت گرمایی در روش ترسیمی                                                                                          

آزمون خودسنجی                                                                                                                                   

هدایت گرمایی ناپایا                                                                                                                                  

روش ظرفیت گرمایی فشرده                                                                                                                         

اثرات مکانی                                                                                                                                             

جسم نیمه بی‌نهایت                                                                                                                                  

نمودارهای هسلر                                                                                                                                        

ترموکوپل‌ها                                                                                                                                            

روش‌های تفاضل محدود برای انتقال گرمای ناپایا                                                                                                

هدایت ناپایا در سیستم‌های چندبعدی                                                                                                            

آزمون خودسنجی                                                                                                                                   

انتقال گرمای جابجایی                                                                                                                                

لایه مرزی سرعت                                                                                                                                     

معادلات لایه مرزی                                                                                                                                   

تشابه رینولدز                                                                                                                                          

تشابه رینولدز ـ کلبورن                                                                                                                               

جریان روی صفحه تخت                                                                                                                             

جریان حول استوانه و کره                                                                                                                            

جریان داخلی                                                                                                                                          

آزمون خودسنجی                                                                                                                                   

جابجایی طبیعی                                                                                                                                      

معادلات حاکم بر انتقال گرمای جابجایی طبیعی                                                                                              

تعیین توزیع سرعت و توزیع دما                                                                                                                  

انتقال گرمای جابجایی طبیعی روی یک صفحه عمودی                                                                                     

جابجایی طبیعی روی استوانه‌ها                                                                                                                   

جابجایی طبیعی داخل محفظه‌های بسته                                                                                                       

انتقال گرمای جابجایی اجباری طبیعی توام                                                                                                     

آزمون خودسنجی                                                                                                                                

جوشش و میعان                                                                                                                                     

جوشش                                                                                                                                                

میعان                                                                                                                                                 

آزمون خودسنجی                                                                                                                                 

مبدل‌های گرمایی                                                                                                                                   

انواع مبدل‌های گرمایی                                                                                                                             

رسوب‌گذاری                                                                                                                                         

تحلیل مبدل‌های گرمایی                                                                                                                          

آزمون خودسنجی                                                                                                                                 

اعداد بی‌بعد                                                                                                                                          

عدد رینولدز                                                                                                                                           

عدد پرانتل                                                                                                                                           

عدد ناسلت                                                                                                                                            

عدد بیو                                                                                                                                               

عدد فوریه                                                                                                                                            

عدد گراشف                                                                                                                                           

عدد پکلت                                                                                                                                            

عدد رایلی                                                                                                                                             

عدد استانتون                                                                                                                                        

عدد اکرت                                                                                                                                             

عدد گراتز                                                                                                                                             

عدد لویس                                                                                                                                            

عدد برینکمن                                                                                                                                         

ازمون خودسنجی                                                                                                                                

تشعشع                                                                                                                                                

خواص تشعشع                                                                                                                                      

قانون کیرشهف                                                                                                                                      

قانون توزیع پلانک                                                                                                                                   

قانون استفان بولتزمن                                                                                                                              

قانون جابجایی وین                                                                                                                                 

تبادل گرمای تشعشعی بین سطوح سیاه                                                                                                         

تبادل گرمای تشعشعی بین سطوح خاکستری و دیفیوز در یک محفظه                                                                   

سپرهای تشعشعی                                                                                                                                   

انتقال گرمای تشعشعی در گازها                                                                                                                 

پدیده گلخانه‌ای                                                                                                                                      

ضریب شکل                                                                                                                                         

آزمون خودسنجی                                                                                                                                 

مقدمه ای بر عملیات انتقال جرم                                                                                                                  

جداسازی مکانیکی                                                                                                                                  

تقسیم‌بندی عملیات انتقال جرم                                                                                                                   

عملیات مستقیم و  غیرمستقیم                                                                                                                  

عملیات پایا و ناپایا                                                                                                                                   

دستگاه‌های مرحله‌ای و دیفرانسیلی                                                                                                             

 اصول طراحی واحدهای انتقال جرم                                                                                                             

آزمون خودسنجی                                                                                                                                          

نفوذ مولکولی                                                                                                                                        

قانون اول فیک                                                                                                                                       

نفوذ مولکولی یک‌بعدی و پایا در سیالات در حال سکون و در جریان آرام                                                                

ضریب نفوذ                                                                                                                                            

نفوذ در مخلوط‌های چندجزیی در حالت پایا                                                                                                   

معادلات پیوستگی                                                                                                                                  

تغیین توزیع غلظت                                                                                                                                  

نیروی محرکه نفوذ مولکولی                                                                                                                       

معادله عمومی انتقال مولکولی                                                                                                                     

نفوذ در جامدات                                                                                                                                     

آزمون خودسنجی                                                                                                                                 

ضرایب انتقال جرم                                                                                                                                  

معادلات نفوذ درهم                                                                                                                                 

ضرایب انتقال جرم                                                                                                                                   

اعداد بدون بعد                                                                                                                                      

تعیین ضریب انتقال جرم                                                                                                                           

آزمون خودسنجی                                                                                                                                       

انتقال جرم بین فازها                                                                                                                                

تعادل                                                                                                                                                  

انتقال جرم بین دو فاز                                                                                                                              

ضرایب کلی انتقال جرم                                                                                                                             

مقاومت‌های انتقال جرم                                                                                                                            

ضرایب کلی ـ حالت  عمومی                                                                                                                      

واحدهای عملیاتی یک مرحله‌ای                                                                                                                 

بازده مورفری                                                                                                                                         

مجموعه واحدها                                                                                                                                     

آزمون خودسنجی                                                                                                                                 

دستگاه‌های مربوط به عملیات گاز ـ مایع                                                                                                       

 تقسیم‌بندی دستگاه‌ها                                                                                                                             

برج‌های سینی‌دار                                                                                                                                    

برج‌های پرشده                                                                                                         (Packed Towers)

مقایسه برج‌های سینی‌دار و پرشده                                                                                                                

ماندگی مایع                                                                                                             (Liquid Hodlup)

سایر دستگاه‌ها                                                                                                                                        

اثرات انتهایی (End Effects) و اختلاط محوری                                                                  (Axial Mixing)

آزمون خودسنجی                                                                                                                                 

جذب گاز                                                                                                                                             

انتخاب حلال مناسب برای عمل جذب                                                                                                          

تأثیر دما و فشار روی فرایندهای جذب و دفع گاز                                                                                              

ضریب جذب (A) و ضریب دفع                                                                                                           (S)

جریان‌های همسو                                                                                                                                    

جریان‌های غیرهمسو                                                                                                                               

تعیین حداقل حلال موردنیاز                                                                                                                       

آزمون خودسنجی                                                                                                                                

منابع و مآخذ                                                                                                                                              

 بخش هایی از بسته درسی پدیده های انتقال

 روش‌های انتقال گرما

انتقال گرما به صورت انرژی انتقال یافته از یک سیستم به سیستم دیگر در اثر وجود اختلاف دما بین دو سیستم تعریف می‌گردد. انتقال گرما ناشی از وجود اختلاف دما است، بین دو محیط که دمای یکسانی دارند انتقال گرمایی صورت نمی‌گیرد.

نکته: گرادیان دما، نیروی محرکه انتقال گرما است.

نکته: نرخ انتقال گرما در یک جهت مشخص به میزان اختلاف دما بر واحد طول بستگی دارد و هرچه اختلاف دما زیادتر باشد نرخ انتقال گرما زیادتر می‌شود.

انتقال گرما به سه طریق می‌تواند انجام گیرد: هدایت، جابجایی و تشعشع.

در هر سه روش گرما از محیطی با دمای بالاتر به محیطی با دمای پایین‌تر منتقل می‌شود.

انتقال گرمای هدایتی

هدایت، انتقال انرژی از ذرات پرانرژی یک ماده به ذرات کم‌انرژی مجاور و حاصل از برهم‌کنش بین ذرات است. در این روش انتقال، واسطه انتقال گرما ساکن است. در مایعات و گازها هدایت بر اثر برخورد و انتشار مولکول‌ها در حین حرکت تصادفی صورت می‌گیرد. در جامدات هدایت در اثر ترکیبی از ارتعاشات مولکولی در شبکه و انتقال انرژی به وسیله الکترون‌های آزاد صورت می‌گیرد. بنابراین هدایت یک پدیده انتقال در مقیاس مولکولی است.

انرژی که مولکول‌ها دارا هستند بواسطه حرکات خطی، دورانی و نوسانی آن‌ها است و با افزایش دما افزایش می‌یابد.

قانون فوریه

برای تعیین میزان انتقال گرمای هدایتی از قانون فوریه استفاده می‌کنیم. قانون فوریه بیان می‌کند که انتقال گرما در اثر در اثر اندرکنش‌های مولکولی در هر نقطه‌ای از جامد یا سیال از نظر مقدار متناسب با گرادیان دما و از نظر جهت در خلاف جهت آن است.

مطابق شکل زیر، دیواری مسطح به ضخامت L را در نظر می‌گیریم که دمای یک طرف آن ₁T و دمای طرف دیگر آن ₂T است. با فرض  انتقال گرما از سمت چپ به سمت راست صورت می‌گیرد.

معادله فوق نشان می‌دهد که شار انتقال گرما متناسب با تغییرات دما در طول L است. ضریب تناسب k را ضریب هدایت گرمایی می‌نامیم. در معادله فوق  ضخامت صفحه است.

نرخ انتقال گرما در دیواره از رابطه  بدست می‌آید که A سطح مقطع عمود بر جهت انتقال گرما است.

با زیاد کردن سطح و درجه حرارت و کم کردن ضخامت انتقال گرما به روش هدایت افزایش می‌یابد. دلیل وجود علامت منفی این است که انتقال گرما در جهت کاهش دما صورت می‌گیرد.

نکاتی در مورد قانون فوریه

1ـ این قانون مبتنی بر تجربه است و به صورت تئوری به دست نیامده است.

2ـ علامت منفی نشان‌دهنده این است که انتقال گرما در جهت کاهش دما صورت می‌گیرد. انتقال گرما نمی‌تواند از جای سرد به جای گرم صورت گیرد چون قانون دوم ترمودینامیک نقض می‌شود.

3ـ این قانون برای هر دو حالت پایا و ناپایا صادق است.

4ـ این قانون برای تمام حالت‌های ماده (جامد، مایع و گاز) قابل استفاده است.

ضریب هدایت گرمایی

ضریب هدایت گرمایی یک خاصیت انتقالی است و می‌توان آن را به صورت نسبت شار انتقال گرما به گرادیان دما تعریف کرد:

ضریب هدایت گرمایی معیاری از قابلیت مواد در هدایت گرما است.

واحد آن در سیستم W/m K², SI و در سیستم انگلیسی Btu/ft.hr.R است.

اجسام را برحسب k می‌توان به سه دسته زیر تقسیم کرد:

1) هادی: دارای k زیاد

2) نیمه هادی: دارای k متوسط

3) عایق: دارای k کم

نکاتی در مورد ضریب هدایت گرمایی:

1) ضریب هدایت گرمایی:

گازها > مایعات > جامدات غیرفلزی > آلیاژهای فلزی > فلزات خالص

2) ضریب هدایت گرمایی یک ماده تابع حالت ماده است و با تغییر دما، فشار، ساختمان، رطوبت و… ماده تغییر می‌کند.

3) از تغییرات ضریب هدایت گرمایی در اثر تغییر فشار می‌توان صرفنظر کرد.

4) k نمی‌تواند مقدار منفی داشته باشد چون در اینصورت قانون دوم ترمودینامیکی نقض می‌گردد.

5) در برخی جامدات خاص (مثلاً جامدات لیفی) مقدار k به جهت انتقال گرما هم وابسته است مثلاً ضریب هدایت گرمایی پشم شیشه در حالتی که جهت جریان در جهت الیاف است با حالتی که جهت جریان عمود بر الیاف است فرق می‌کند.

6) با منظم‌تر شدن شبکه مولکولی ضریب هدایت گرمایی هم افزایش می‌یابد.

7) برای گازها داریم:

الف) با استفاده از تئوری جنبشی گازها ضریب هدایت گرمایی با مجذور دما نسبت مستقیم دارد.

8) برای مایعات داریم:

الف) ضریب هدایت گرمایی با افزایش دما، کاهش می‌یابد به جز آب و گلیسیرین (T­: k¯)

ب) ضریب هدایت گرمایی با افزایش جرم مولکولی کاهش می‌یابد.

ج) ضریب هدایت گرمایی به فشار حساس نیست به جز حوالی نقطه بحرانی.

د) ضریب هدایت گرمایی آب مایع با افزایش دما ابتدا افزایش می‌یابد و سپس کاهش می‌یابد.

هـ) ضریب هدایت گرمایی:  مایعات فلزی << مایعات غیرفلزی

9) برای فلزات داریم:

الف) در برخی از فلزات ضریب هدایت گرمایی با افزایش دما کاهش می‌یابد مثل مس و در برخی دیگر افزایش می‌یابد مثل آلومینیوم و در برخی بدون تغییر می‌ماند مثل فولاد.

ب) فلزات خالص دارای ضریب هدایت گرمایی بالایی هستند ضریب هدایت گرمایی آلیاژی که از دو فلز درست شده است معمولاً خیلی کمتر از ضریب‌های هدایت گرمایی متناظر هر کدام از فلزات به حالت خاصشان است.

10) جامدات شبکه‌ای مانند الماس و جامدات نیمه هادی مثل سیلیکون هادی خوب گرما و هادی ضعیف جریان الکتریکی هستند به همین خاطر به طور گسترده در صنایع الکترونیک کاربرد دارند.

11) k در دماهای بسیار پایین به سرعت تغییر می‌کند.

12) ضریب هدایت گرمایی معمولاً با هدایت الکتریکی نسبت مستقیم دارد.

توجه: تابعیت ضریب هدایت گرمایی از دما در اکثر مواد در محدوده‌های وسیعی از دما خطی است و توسط معادله زیر بیان می‌شود:

در معادله فوق  ضریب هدایت گرمایی در دمای صفر (یا هر دمای مرجع دیگر) و b ضریب ثابت است.

الف)  تابع صعودی از دما است.

ب)  تابع نزولی از دما است.

ج)  مستقل از دما است.

انتقال گرمای جابجایی

جابجایی روشی برای انتقال انرژی بین سطح یک جامد و مایع یا گاز مجاورش آن است که در حال حرکت می‌باشد و شامل ترکیب اثرات هدایت و حرکت سیال است.

انتقال گرمای جابجایی از دو مکانیزم تشکیل شده است: یکی انتقال انرژی توسط حرکت تصادفی مولکولی (پخش گرمایی) و حرکت توده‌ای یا ماکروسکوپی سیال.

هرگاه مجموع این دو مکانیزم مدنظر باشد، از واژه جابجایی استفاده می‌شود و هرگاه انتقال گرما تنها ناشی از حرکت توده سیال مدنظر باشد واژه ادواکسیون به کار می‌رود.

برای مشاوره اینجا بزنید