انتقال حرارت جابجايی
v\:* {behavior:url(#default#VML);}
o\:* {behavior:url(#default#VML);}
w\:* {behavior:url(#default#VML);}
.shape {behavior:url(#default#VML);}
نام آزمايش : انتقال حرارت جابجايی هدف آزمايش: بررسي انتقال حرارت جابجايي آزاد اصطلاحات: Convection , Newton’s low of cooling , Fourier’s low وسايل آزمايش : در اين آزمايش مي خواهيم انتقال حرارت جابجايي آزاد را بــراي يك صفحه تخت از جنس آلومينيــــوم , fin plate ,Pine plateبررسي كنيم. در اين آزمايش يك صفحة آلو مينيومي در ابعاد صد ميليمتر در صد ميليمتر داريم كه يك المنت زير صفحه قرار دارد. اين المنت از طريق كابلي به دستگاه كنترل كننده اي وصل است كه با تنظيم دستگاه مي توان مقدار Q يي كه از المنت به صفحه منتقل مي شود را كنترل و اندازه گيري كرد. كابلي ديگر از صفحه به دستگاه مي رسد كه از طريق اين كابــل دماي صفحه به دقت انــدازه گرفته مي شود. اين صفحه را در حالت عـمودي گرم مي كنيم و انتقال حرارت جابجايي را اندازه مي گيريم. اين دستگاه داراي يك فيش است كه دما سنج ديجيتالي به آن وصل مي شود. يك دما سنج زير صفحه و چسبيده به آن كار گذاشته شده است و دماي صفحه را در هر لحظه به ما مي دهد. اولين سيمي كه از سمت راست به دستگاه متصل است، مربوط به تغذية خود دستگاه مي باشد.دومين سيم مربوط به دماسنج و سومين سيم مربوط به المنت است. جسم روي دستگاه، دماسنج خارجي است. نماي مربوط به صفحة نمونه در ابعاد 100×100 ميلي متر نماي مربوط به fin plate تئوری آزمايش : انتقال حرارت به روش جابجايي (اجباري ـ آزاد) : مقدمه : انتقال حرارت به روش جابجايي يا وزش و يا همرفت هنگامي صورت مي گيرد كه گاز يا مايعي با جسم جامدي در تماس مستقيم باشد و از آن حرارت گرفته يا به آن حرارت بدهد . در اين پديده مولكول هاي سيال متحرك بوده و پس از تغيير دما كه باعث تغيير خواص فيزيكي آنها مي شود جابجايي فيزيكي انجام شده باعث آميختگي و جابجا شدن سيال و در نتيجه انتقال انرژي حرارتي مي شوند . فرآيند جابجايي تنها در گازها و مايعات كه مولكولهاي آنها توانايي جابجا شدن را دارند ، امكان پذير است . جابجايي مولكول هاي سيال به عوامل گوناگوني بستگي دارد كه مهمتر از همه طبيعت جريان و شرايط كار است . همچنين خواص فيزيكي سيال ، مساحت سطوح تماس ، وضعيت هندسي جسم ، اندازه اختلاف دما بين سطح و سيال و پارامترهاي ديگر ، در ميزان انتقال حرارت مؤثرند . بنابراين انتقال حرارت جابجايي فرآيندي بسيار پيچيده و بررسي آن به دقت زياد نيازمند است . جابجايي حرارتي به دو گونه صورت مي پذيرد ، جابجايي آزاد يا طبيعي و جابجايي اجباري ,در جابجايي آزاد روند جابجايي ، تنها به دليل بروز اختلاف چگالي لايه هاي مختلف سيال در اثر تغيير دماي آن روي مي دهد . بدين ترتيب كه چگالي لايه هاي پاييني سيال در اثر گرم شدن كاهش يافته و سپس سيال به طرف بالا به حركت در مي آيد . مقدار سيالي كه جابجا مي شود تابع جنس سيال ، اندازه اختلاف دما و حجم فضايي است كه سيال در آن قرار دارد . اما در جابجايي اجباري نيروي خارجي وارد شده بر سيال(مانند وزش باد،استفاده از باد بزن ، پمپ يا دمنده ها) باعث جابجايي مولكول هاي سيال و در پي آن انتقال حرارت مي شود . الف) انتقال حرارت به روش جابجايي اجباري : جابجايي بسته به نحوه شروع شدن حركت سيال به جابجايي طبيعي (يا آزاد) و جابجايي اجباري تقسيم مي شود . در جابجايي اجباري ، سيال به كمك يك عامل خارجي مثل پمپ يا فن به اجبار از روي يك سطح يا داخل يك لوله به حركت در مي آيد . در جابجايي طبيعي ، هر گونه حركت سيال در اثر عوامل طبيعي مثل شناوري ايجاد شده كه خود را به صورت حركت سيال گرمتر و سقوط هواي سردتر نشان مي دهد . جابجايي نيز بسته به اينكه سيال روي يك سطح و يا داخل يك كانال به حركت در آيد خود به دو نوع خارجي و داخلي مشخصه هاي بسيار متفاوتي از خود نشان مي دهد . هدايت و جابجايي از آن جهت مشابه مي باشند كه هر دو مكانيزم نياز به وجود يك ماده واسطه دارند . اما اختلاف آنها اين است كه جابجايي نياز به وجود حركت سيال دارد . انتقال حرارت از درون يك جامد همواره توسط هدايت صورت مي گيرد ، چرا كه مولكول هاي يك جامد در موقعيت هاي نسبتاً ثابتي از يكديگر باقي مي مانند . با اين وجود انتقال حرارت درون يك مايع يا گاز مي تواند بسته به وجود هر نوع سيال حجمي توسط هدايت يا جابجايي صورت گيرد . در حضور حركت سيال انتقال حرارت در اثر جابجايي بوده و در غياب آن توسط هدايت مي باشد . بنابراين ، هدايت در يك سيال را مي توان به صورت حالت حدي جابجايي متناظر با حالت سيال ساكن در نظر گرفت . انتقال حرارت جابجايي با توجه به اين حقيقت كه شامل حركت سيال و انتقال حرارت هدايتي مي باشد پيچيده است . حركت سيال باعث بهبود انتقال حرارت مي شود چرا كه حركت سيال ، قسمت هاي عمده داغ تر و سردتر را به برخورد با يكديگر در آورده ، شروع كننده نرخ انتقال حرارت بيشتر با تعداد محل هاي بيشتر انتقال حرارت در سيال مي باشد . بنابراين نرخ انتقال حرارت به روش جابجايي در يك سيال بسيار بيشتر از نرخ انتقال حرارت به روش هدايت مي باشد . در حقيقت ، هر چه سرعت سيال بيشتر باشد ، نرخ انتقال حرارت بيشتر است . تجربه نشان مي دهد كه انتقال حرارت جابجايي به شدت به خواصي از سيال شامل ويسكوزيته ديناميكي ، هدايت گرمايي ، چگالي ، گرماي ويژه و سرعت سيال بستگي دارد . انتقال حرارت همچنين به هندسه و زبري سطح جامد و همچنين نوع سيال جاري بستگي دارد بنابراين انتظار مي رود كه روابط انتقال حرارت جابجايي به خاطر وابسته بودن به اين همه متغير ، پيچيده باشد . اين عجيب نيست چرا كه جابجايي پيچيده ترين مكانيزم انتقال حرارت مي باشد . عليرغم پيچيدگي جابجايي ، ديده شده است كه نرخ انتقال حرارت جابجايي متناسب با اختلاف دما بوده و به سادگي توسط قانون سرمايش نيوتن به صورت زير بيان مي گردد : qcond = h(Tx - T∞ ) W/m² Qcond = h A (Ts - T∞ ) W كه h : ضريب انتقال حرارت جابجايي W/(m² . °C) A : سطح انتقال حرارت ، m² Ts : دماي سطح ، °C T∞ : دماي سيال به قدر كافي دور از سطح ، °C با قضاوت از روي واحدها ، ضريب انتقال حرارت جابجايي را مي توان نرخ انتقال حرارت بين يك سطح جامد و يك سيال بر واحد سطح بر واحد اختلاف دما تعريف كرد . ب) انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي : در جابجايي طبيعي عوامل طبيعي چون شناوري باعث جابجايي سيال مي شوند . حركت سيال در جابجايي اجباري كاملاً ماموس است ، چرا كه يك فن يا يك پمپ قادر است كه اندازه حركت كافي را به سيال اعمال كرده و آن را در جهتي خاص به حركت در آورد . با اين وجود حركت سيال در جابجايي طبيعي غالباً محسوس نيست و اين به دليل پايين بودن سرعت ذرات است . ضريب انتقال حرارت جابجايي به شدت تابعي از سرعت است ، يعني بالاتر بودن سرعت به مفهوم بزرگتر بودن ضريب انتقال حرارت جابجايي مي باشد . در جابجايي طبيعي سرعت سيالات عملاً كم و در حدود كمتر از متر در ثانيه است . بنابراين ضريب هاي انتقال حرارت در جابجايي طبيعي معمولاً بسيار كوچكتر از ضريب هاي متناظر در جابجايي اجباري است . امروزه هنوز بعضي از انواع تجهيزات انتقال حرارت براي عملكرد تحت شرايط جابجايي طبيعي (و نه جابجايي اجباري) طراحي مي شوند ، چرا كه جابجايي طبيعي نياز به استفاده از دستگاه محرك سيال ندارد . بسياري از كاربردهاي متداول انتقال گرما شامل جابجايي طبيعي به عنوان مكانيسم اصلي انتقال گرما مي باشند . بعضي از مثال هاي موجود در اين مورد عبارتند از : سرمايش تجهيزات الكترونيك مثل ترانزيستورهاي قدرت ، تلويزيون و ويدئو ، انتقال گرما از بخاري ها يا رادياتورهاي بخار آب ، انتقال گرما از سيم پيچ هاي پشت يخچال و خطوط انتقال قدرت و انتقال گرما از بدن حيوانات و انسان . جابجايي طبيعي در گازها جز در مورد سطوح با ضريب صدور كم معمولاً به وسيله تشعشع و به مقدار قابل ملاحظه اي انجام مي شود . جابجايي طبيعي از سطوح فين دار : سطوح فين دار با شكل هاي مختلف كه چشمه هاي گرمايي ناميده مي شوند به طور گسترده اي در سرمايش تجهيزات الكترونيكي مورد استفاده قرار مي گيرند . انرژي پخش شده توسط اين آلات به روش هدايت به چشمه هاي گرمايي و از چشمه هاي گرمايي به روش جابجايي طبيعي يا اجباري (بسته به تجهيزات پخش) به هواي مجاور محيط انتقال مي يابند . جابجايي طبيعي حالت ترجيحي انتقال حرارت است چرا كه شامل هيچ قطعه متحركي مانند خود قطعات الكترونيكي نيست . با اين وجود در حالت جابجايي طبيعي قطعاتي وجود دارد كه احتمال كاركرد آنها در دماهاي بالاتر ، كمتر است و بنابراين قابليت اعتماد پايين مي آيد . انتخاب مناسب چشمه گرمايي مي تواند دماي كاركرد قطعات را به مقدار قابل توجهي كاهش داده و بنابراين امكان خرابي را كاهش مي دهد . سؤالي كه اغلب در انتخاب يك چشمه گرمايي مطرح مي شود اين است كه آيا فين ها را بايد نزديك به هم و به طور فشرده قرار داد يا آنها بايد نسبتاً دور از يكديگر باشند . يك فشرده گرمايي با فين هاي فشرده نزديك به هم داراي سطح انتقال حرارت بيشتري بوده در عوض ضريب انتقال حرارت آن كوچكتر است چرا كه مقاومت بيشتر فين هاي اضافي باعث كاهش عبور سيال از بين فين ها مي شود . يك چشمه گرمايي با فين هاي نسبتاً دور از هم داراي ضريب انتقال حرارت بزرگتري است ولي در عوض سطح انتقال حرارت كوچكتري دارد . بنابراين براي يك سطح پايه WL داده شده ، بايد يك فاصله بهينه اي را به دست آورد ، كه باعث ماكزيمم شدن انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي شود . W و L به ترتيب پهنا و ارتفاع چشمه گرمايي مي باشند . وقتي كه فين ها اساساً همدما بوده و ضخامت t فين نسبتاً به فاصله فين ها از يكديگر (s) ناچيز باشد ، فاصله بهينه فين براي يك چشمه گرمايي قائم كه توسط روسنو و بار- كوهن به دست آمده عبارت است از : كه طول L فين در جهت قائم را به عنوان مشخصه در محاسبه عدد ريلي در نظر مي گيرند . ضريب انتقال حرارت براي بهترين فاصله بين فين ها برابر است با : پس نرخ انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي از فين ها برابر است با : در اين رابطه n = w/(s+t) = W/S تعداد فين هاي موجود روي چشمه گرمايي و Ts دماي سطح فين ها مي باشد . همچنان كه قبلاً گفتيم ، مقدار انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي با دبي جرمي سيال كه خود از تعادل ديناميكي اثرات شناوري و اصطكاك به دست مي آيد به طور مستقيم ارتباط دارد . فين هاي يك چشمه گرمايي دو اثر زير را پديد مي آورند : در اثر دماي بالاتر سطوح فين ، شناوري بيشتري ايجاد شده و حركت سيال را به سبب قرار دادن چند مايع در مسير آن كند و آرام مي كنند . در نتيجه افزايش تعداد فين ها در روي يك چشمه گرمايي بر حسب اينكه كدام يك از اثرات فوق بر ديگري فائق آيد مي تواند باعث بهبود و كاهش جابجايي طبيعي شود . نرخ جريان هوا ناشي از شناوري در جايي كه اين دو اثر موازنه مي گردند بنا نهاده شده است . نيروي اصطكاك با افزايش سطوح جامد زياد شده تا در نهايت جريان سيال و انتقال حرارت را متوقف سازد . تحت بعضي شرايط افزايش در نيروي اصطكاك ممكن است از افزايش در نيروي شناوري بيشتر شود . اين شرايط منجر به كاهش دبي جريان و همچنين انتقال حرارت خواهد شد . به همين دليل ، چشمه هاي گرمايي با فين هاي متراكم براي سرمايش به روش جابجايي طبيعي مناسب نيستند . وقتي كه چشمه هاي گرمايي شامل فين هاي متراكم كنار هم باشد ، كانال هاي باريكي پديد مي آيند كه تمايلبه ساكن كردن جريان دارند ، خصوصاً وقتي كه چشمه داراي طول بزرگي باشد . در نتيجه سد كردن عبور جريان ، شناوري اضافي از بين رفته و مشخصه هاي انتقال حرارت چشمه گرمايي تقليل مي يابد . پس در حالتي كه يك گرماي ثابتي توليد مي شود ، گرماي چشمه سريعتر از حالتي كه هيچ فيني وجود ندارد بالا مي رود . وقتي كه چشمه گرمايي داراي فين هاي با فاصله زياد از هم باشد ، فين ها مقاومت قابل ملاحظه اي در برابر جريان از خود نشان نداده ، و اثرات شناوري تعيين كننده مي باشند . در نتيجه ، انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي ممكن است بهبود يابد و براي يك مقدار ثابت توليد گرما ، چشمه گرمايي داراي دماي كمتري باشد . وقتي كه فين براي بهبود انتقال حرارت جابجايي طبيعي بين يك جامد و يك سيال مورد استفاده قرار مي گيرند ، دبي جريان سيال در مجاورت سطح جامد با توجه به تغييرات نيروهاي شناوري و اصطكاك بايد مورد توجه باشد . واضح است كه اين روش بهبود تنها وقتي داراي مزيت است كه افزايش در نيروي شناوري بيش از اصطكاك اضافي پديد آمده باشد . وقتي كه جابجايي طبيعي مورد مطالعه مي باشد نيازي به محاسبه افت فشار يا پمپ نمي باشد ، چون در اين روش انتقال حرارت ، هيچ پمپ يا دمنده اي به كار برده نمي شود . بنابراين يك تكنيك پيشرفته در جابجايي طبيعي ، تعيين راندمان انتقال حرارت به تنهايي مي باشد . شكل شماتيك دستگاه به صورت زير مي باشد : FREE & FORCED CONVECTION HEAT TRANSFER روش کار : خلاصه: دستگاه آزمايش مورد نظر شامل يك مولد q توسط برق شهري مي باشد كه q در آن قابل تنظيم مي باشد (اين مقدار تنظيم شده گاهاً به علت نوسانات برق شهري برقAC اندكي تغيير كرده و دوباره به حال اول باز مي گردد) q توليدي از دستگاه توسط كابل به يك صفحه انتقال مي يابد كه انتقال حرارت جابجايي آزاد از سطح اين صفحه انجام خواهد گرفت ابعاد اين صفحه mm100*100 است درجه حرارت اين صفحه در هر لحظه بر روي دستگاه نمايش داده مي شود . اين دستگاه به ما اين امكان را مي دهد كه Qيي را ايجاد كنيم تا صفحه اي بطور يك نواخت توسط المنتي گرم شود. اين صفحه در ابعاد 100×100 ميلي متر است و از پنج طرف عايق بندي شده است و فقط از يك طرف با هوا در ارتباط است. در اين سيستم مي دانيم كه همان گرمايــي كه به دستگاه وارد مي شــــود، همان مقدار گرما نيز توسط هوا از طريق (Convection) هدايتي دفع مي شود. براي اين است كه دماي صفحه بالا تر از حدي خاص نمي رود. اين دستگاه داراي يك فيش است كه دما سنج ديجيتالي به آن وصل مي شود. يك دما سنج زير صفحه و چسبيده به آن كار گذاشته شده است و دماي صفحه را در هر لحظه به ما مي دهد حال دستگاه را بر روي Q=5[W] , Q=10[W] تنظيم مي كنيم و كابل گرمكن و كابل دما سنج را به دستگاه وصل مي كنيم. در اين حالت صفحه را به صورت عمودی قرار مي دهيم. حال صبر مي كنيم تا دماي صفحه ثابت شود. در اين حالت سيستم در حالت پايدار ( Steady State ) است. حال دماي صفحه را اندازه مي گيريم. و آن را Ts مي ناميم سپس دما ی محيط را اندازه می گيريم اين دمــا همان c°27.9 = است. آزمايشات را برای جابجايي طبيعي در flat plate و fin plate و Pine plate بررسي مي كنيم و h را محاسبه مي كنيم پس از اطمينان از برقراري حالت Steady State آزمايش را شروع مي كنيم . ابتدا flat plate را به صورت عمودی در كنار دستگاه قرار مي دهيم و جريان برق را با q = 10 Wat و q = 5 wat را وارد کرده و آن قدر صبر مي كنيم تا درجه حرارت flat plate ثابت شود حال نتايج را يادداشت مي كنيم . اين مراحل را برای fin plate و Pine plate دوباره تکرار می کنيم . اندازه گيری و محاسبات : مرحله 1) محاسبات انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي برای flat plate : @ 5 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 46.6˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = 0.01 m² h = 10 / 0.01(46.6 – 27.9) = 53.475 w/m² ˚C @ 10 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 71.5˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = 0.01 m² h = 10 / 0.01(71.5 – 27.9) = 22.935 w/m² ˚C مرحله 2) محاسبات انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي برای Pine plate : @ 5 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 47.2˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = flat مساحت + [ 17 * مساحت جانبی ] = 0.01 +(17 * 0.00275) = 0.05675 -6 مساحت جانبی : 2Πrl = 2 *3.14 *6.5*67.5 *10 = 0.05675 h = 10 / 0.05675(47.2 – 27.9) = 9.130 w/m² ˚C @ 10 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 56.8˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = flat مساحت + [ 17 * مساحت جانبی ] = 0.01 +(17 * 0.00275) = 0.05675 h = 10 / 0.05675(56.8 – 27.9) = 6.0975 w/m² ˚C مرحله 3) محاسبات انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي برای Fin plate : @ 5 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 41.2˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 Wat A = flat مساحت + [ 9* مساحت جانبی ] = 0.01 +(9* 0.7006) = 6.3154 مساحت جانبی: 2*(0.005*0.0675)+(0.1* 7)= 6.3154 h = 10 / 6.3154(41.2 – 27.9) = 0.11905 w/m² ˚C 3.1 mm 67.5 mm 7 mm 100 mm ميانگين ضلع بالا و پايين را 5mm در نظر می گيريم @ 10 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 44.7˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = flat مساحت + [ 9* مساحت جانبی ] = 0.01 +(9* 0.7006) = 6.3154 مساحت جانبی: 2*(0.005*0.0675)+(0.1* 7)= 6.3154 h = 10 / 6.3154(44.2 – 27.9) = 0.09714 w/m² ˚C نتيجه : h @ 10 watt h @ 5 watt نوع صفحه 22.935 53.475 Flat plat 6.0975 9.130 Pine plate 0.09714 0.11905 Fin plate هر چه که watt کمتر باشد h نيز کمتر است . ترتيب ميزان h ( انتقال حرارت جابجايي )در صفحه های مختلف : h @ Flat plat > h @ Pine plate > h @ Fin plate
نام آزمايش : انتقال حرارت جابجايی هدف آزمايش: بررسي انتقال حرارت جابجايي آزاد اصطلاحات: Convection , Newton’s low of cooling , Fourier’s low وسايل آزمايش : در اين آزمايش مي خواهيم انتقال حرارت جابجايي آزاد را بــراي يك صفحه تخت از جنس آلومينيــــوم , fin plate ,Pine plateبررسي كنيم. در اين آزمايش يك صفحة آلو مينيومي در ابعاد صد ميليمتر در صد ميليمتر داريم كه يك المنت زير صفحه قرار دارد. اين المنت از طريق كابلي به دستگاه كنترل كننده اي وصل است كه با تنظيم دستگاه مي توان مقدار Q يي كه از المنت به صفحه منتقل مي شود را كنترل و اندازه گيري كرد. كابلي ديگر از صفحه به دستگاه مي رسد كه از طريق اين كابــل دماي صفحه به دقت انــدازه گرفته مي شود. اين صفحه را در حالت عـمودي گرم مي كنيم و انتقال حرارت جابجايي را اندازه مي گيريم. اين دستگاه داراي يك فيش است كه دما سنج ديجيتالي به آن وصل مي شود. يك دما سنج زير صفحه و چسبيده به آن كار گذاشته شده است و دماي صفحه را در هر لحظه به ما مي دهد. اولين سيمي كه از سمت راست به دستگاه متصل است، مربوط به تغذية خود دستگاه مي باشد.دومين سيم مربوط به دماسنج و سومين سيم مربوط به المنت است. جسم روي دستگاه، دماسنج خارجي است. نماي مربوط به صفحة نمونه در ابعاد 100×100 ميلي متر نماي مربوط به fin plate تئوری آزمايش : انتقال حرارت به روش جابجايي (اجباري ـ آزاد) : مقدمه : انتقال حرارت به روش جابجايي يا وزش و يا همرفت هنگامي صورت مي گيرد كه گاز يا مايعي با جسم جامدي در تماس مستقيم باشد و از آن حرارت گرفته يا به آن حرارت بدهد . در اين پديده مولكول هاي سيال متحرك بوده و پس از تغيير دما كه باعث تغيير خواص فيزيكي آنها مي شود جابجايي فيزيكي انجام شده باعث آميختگي و جابجا شدن سيال و در نتيجه انتقال انرژي حرارتي مي شوند . فرآيند جابجايي تنها در گازها و مايعات كه مولكولهاي آنها توانايي جابجا شدن را دارند ، امكان پذير است . جابجايي مولكول هاي سيال به عوامل گوناگوني بستگي دارد كه مهمتر از همه طبيعت جريان و شرايط كار است . همچنين خواص فيزيكي سيال ، مساحت سطوح تماس ، وضعيت هندسي جسم ، اندازه اختلاف دما بين سطح و سيال و پارامترهاي ديگر ، در ميزان انتقال حرارت مؤثرند . بنابراين انتقال حرارت جابجايي فرآيندي بسيار پيچيده و بررسي آن به دقت زياد نيازمند است . جابجايي حرارتي به دو گونه صورت مي پذيرد ، جابجايي آزاد يا طبيعي و جابجايي اجباري ,در جابجايي آزاد روند جابجايي ، تنها به دليل بروز اختلاف چگالي لايه هاي مختلف سيال در اثر تغيير دماي آن روي مي دهد . بدين ترتيب كه چگالي لايه هاي پاييني سيال در اثر گرم شدن كاهش يافته و سپس سيال به طرف بالا به حركت در مي آيد . مقدار سيالي كه جابجا مي شود تابع جنس سيال ، اندازه اختلاف دما و حجم فضايي است كه سيال در آن قرار دارد . اما در جابجايي اجباري نيروي خارجي وارد شده بر سيال(مانند وزش باد،استفاده از باد بزن ، پمپ يا دمنده ها) باعث جابجايي مولكول هاي سيال و در پي آن انتقال حرارت مي شود . الف) انتقال حرارت به روش جابجايي اجباري : جابجايي بسته به نحوه شروع شدن حركت سيال به جابجايي طبيعي (يا آزاد) و جابجايي اجباري تقسيم مي شود . در جابجايي اجباري ، سيال به كمك يك عامل خارجي مثل پمپ يا فن به اجبار از روي يك سطح يا داخل يك لوله به حركت در مي آيد . در جابجايي طبيعي ، هر گونه حركت سيال در اثر عوامل طبيعي مثل شناوري ايجاد شده كه خود را به صورت حركت سيال گرمتر و سقوط هواي سردتر نشان مي دهد . جابجايي نيز بسته به اينكه سيال روي يك سطح و يا داخل يك كانال به حركت در آيد خود به دو نوع خارجي و داخلي مشخصه هاي بسيار متفاوتي از خود نشان مي دهد . هدايت و جابجايي از آن جهت مشابه مي باشند كه هر دو مكانيزم نياز به وجود يك ماده واسطه دارند . اما اختلاف آنها اين است كه جابجايي نياز به وجود حركت سيال دارد . انتقال حرارت از درون يك جامد همواره توسط هدايت صورت مي گيرد ، چرا كه مولكول هاي يك جامد در موقعيت هاي نسبتاً ثابتي از يكديگر باقي مي مانند . با اين وجود انتقال حرارت درون يك مايع يا گاز مي تواند بسته به وجود هر نوع سيال حجمي توسط هدايت يا جابجايي صورت گيرد . در حضور حركت سيال انتقال حرارت در اثر جابجايي بوده و در غياب آن توسط هدايت مي باشد . بنابراين ، هدايت در يك سيال را مي توان به صورت حالت حدي جابجايي متناظر با حالت سيال ساكن در نظر گرفت . انتقال حرارت جابجايي با توجه به اين حقيقت كه شامل حركت سيال و انتقال حرارت هدايتي مي باشد پيچيده است . حركت سيال باعث بهبود انتقال حرارت مي شود چرا كه حركت سيال ، قسمت هاي عمده داغ تر و سردتر را به برخورد با يكديگر در آورده ، شروع كننده نرخ انتقال حرارت بيشتر با تعداد محل هاي بيشتر انتقال حرارت در سيال مي باشد . بنابراين نرخ انتقال حرارت به روش جابجايي در يك سيال بسيار بيشتر از نرخ انتقال حرارت به روش هدايت مي باشد . در حقيقت ، هر چه سرعت سيال بيشتر باشد ، نرخ انتقال حرارت بيشتر است . تجربه نشان مي دهد كه انتقال حرارت جابجايي به شدت به خواصي از سيال شامل ويسكوزيته ديناميكي ، هدايت گرمايي ، چگالي ، گرماي ويژه و سرعت سيال بستگي دارد . انتقال حرارت همچنين به هندسه و زبري سطح جامد و همچنين نوع سيال جاري بستگي دارد بنابراين انتظار مي رود كه روابط انتقال حرارت جابجايي به خاطر وابسته بودن به اين همه متغير ، پيچيده باشد . اين عجيب نيست چرا كه جابجايي پيچيده ترين مكانيزم انتقال حرارت مي باشد . عليرغم پيچيدگي جابجايي ، ديده شده است كه نرخ انتقال حرارت جابجايي متناسب با اختلاف دما بوده و به سادگي توسط قانون سرمايش نيوتن به صورت زير بيان مي گردد : qcond = h(Tx - T∞ ) W/m² Qcond = h A (Ts - T∞ ) W كه h : ضريب انتقال حرارت جابجايي W/(m² . °C) A : سطح انتقال حرارت ، m² Ts : دماي سطح ، °C T∞ : دماي سيال به قدر كافي دور از سطح ، °C با قضاوت از روي واحدها ، ضريب انتقال حرارت جابجايي را مي توان نرخ انتقال حرارت بين يك سطح جامد و يك سيال بر واحد سطح بر واحد اختلاف دما تعريف كرد . ب) انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي : در جابجايي طبيعي عوامل طبيعي چون شناوري باعث جابجايي سيال مي شوند . حركت سيال در جابجايي اجباري كاملاً ماموس است ، چرا كه يك فن يا يك پمپ قادر است كه اندازه حركت كافي را به سيال اعمال كرده و آن را در جهتي خاص به حركت در آورد . با اين وجود حركت سيال در جابجايي طبيعي غالباً محسوس نيست و اين به دليل پايين بودن سرعت ذرات است . ضريب انتقال حرارت جابجايي به شدت تابعي از سرعت است ، يعني بالاتر بودن سرعت به مفهوم بزرگتر بودن ضريب انتقال حرارت جابجايي مي باشد . در جابجايي طبيعي سرعت سيالات عملاً كم و در حدود كمتر از متر در ثانيه است . بنابراين ضريب هاي انتقال حرارت در جابجايي طبيعي معمولاً بسيار كوچكتر از ضريب هاي متناظر در جابجايي اجباري است . امروزه هنوز بعضي از انواع تجهيزات انتقال حرارت براي عملكرد تحت شرايط جابجايي طبيعي (و نه جابجايي اجباري) طراحي مي شوند ، چرا كه جابجايي طبيعي نياز به استفاده از دستگاه محرك سيال ندارد . بسياري از كاربردهاي متداول انتقال گرما شامل جابجايي طبيعي به عنوان مكانيسم اصلي انتقال گرما مي باشند . بعضي از مثال هاي موجود در اين مورد عبارتند از : سرمايش تجهيزات الكترونيك مثل ترانزيستورهاي قدرت ، تلويزيون و ويدئو ، انتقال گرما از بخاري ها يا رادياتورهاي بخار آب ، انتقال گرما از سيم پيچ هاي پشت يخچال و خطوط انتقال قدرت و انتقال گرما از بدن حيوانات و انسان . جابجايي طبيعي در گازها جز در مورد سطوح با ضريب صدور كم معمولاً به وسيله تشعشع و به مقدار قابل ملاحظه اي انجام مي شود . جابجايي طبيعي از سطوح فين دار : سطوح فين دار با شكل هاي مختلف كه چشمه هاي گرمايي ناميده مي شوند به طور گسترده اي در سرمايش تجهيزات الكترونيكي مورد استفاده قرار مي گيرند . انرژي پخش شده توسط اين آلات به روش هدايت به چشمه هاي گرمايي و از چشمه هاي گرمايي به روش جابجايي طبيعي يا اجباري (بسته به تجهيزات پخش) به هواي مجاور محيط انتقال مي يابند . جابجايي طبيعي حالت ترجيحي انتقال حرارت است چرا كه شامل هيچ قطعه متحركي مانند خود قطعات الكترونيكي نيست . با اين وجود در حالت جابجايي طبيعي قطعاتي وجود دارد كه احتمال كاركرد آنها در دماهاي بالاتر ، كمتر است و بنابراين قابليت اعتماد پايين مي آيد . انتخاب مناسب چشمه گرمايي مي تواند دماي كاركرد قطعات را به مقدار قابل توجهي كاهش داده و بنابراين امكان خرابي را كاهش مي دهد . سؤالي كه اغلب در انتخاب يك چشمه گرمايي مطرح مي شود اين است كه آيا فين ها را بايد نزديك به هم و به طور فشرده قرار داد يا آنها بايد نسبتاً دور از يكديگر باشند . يك فشرده گرمايي با فين هاي فشرده نزديك به هم داراي سطح انتقال حرارت بيشتري بوده در عوض ضريب انتقال حرارت آن كوچكتر است چرا كه مقاومت بيشتر فين هاي اضافي باعث كاهش عبور سيال از بين فين ها مي شود . يك چشمه گرمايي با فين هاي نسبتاً دور از هم داراي ضريب انتقال حرارت بزرگتري است ولي در عوض سطح انتقال حرارت كوچكتري دارد . بنابراين براي يك سطح پايه WL داده شده ، بايد يك فاصله بهينه اي را به دست آورد ، كه باعث ماكزيمم شدن انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي شود . W و L به ترتيب پهنا و ارتفاع چشمه گرمايي مي باشند . وقتي كه فين ها اساساً همدما بوده و ضخامت t فين نسبتاً به فاصله فين ها از يكديگر (s) ناچيز باشد ، فاصله بهينه فين براي يك چشمه گرمايي قائم كه توسط روسنو و بار- كوهن به دست آمده عبارت است از : كه طول L فين در جهت قائم را به عنوان مشخصه در محاسبه عدد ريلي در نظر مي گيرند . ضريب انتقال حرارت براي بهترين فاصله بين فين ها برابر است با : پس نرخ انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي از فين ها برابر است با : در اين رابطه n = w/(s+t) = W/S تعداد فين هاي موجود روي چشمه گرمايي و Ts دماي سطح فين ها مي باشد . همچنان كه قبلاً گفتيم ، مقدار انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي با دبي جرمي سيال كه خود از تعادل ديناميكي اثرات شناوري و اصطكاك به دست مي آيد به طور مستقيم ارتباط دارد . فين هاي يك چشمه گرمايي دو اثر زير را پديد مي آورند : در اثر دماي بالاتر سطوح فين ، شناوري بيشتري ايجاد شده و حركت سيال را به سبب قرار دادن چند مايع در مسير آن كند و آرام مي كنند . در نتيجه افزايش تعداد فين ها در روي يك چشمه گرمايي بر حسب اينكه كدام يك از اثرات فوق بر ديگري فائق آيد مي تواند باعث بهبود و كاهش جابجايي طبيعي شود . نرخ جريان هوا ناشي از شناوري در جايي كه اين دو اثر موازنه مي گردند بنا نهاده شده است . نيروي اصطكاك با افزايش سطوح جامد زياد شده تا در نهايت جريان سيال و انتقال حرارت را متوقف سازد . تحت بعضي شرايط افزايش در نيروي اصطكاك ممكن است از افزايش در نيروي شناوري بيشتر شود . اين شرايط منجر به كاهش دبي جريان و همچنين انتقال حرارت خواهد شد . به همين دليل ، چشمه هاي گرمايي با فين هاي متراكم براي سرمايش به روش جابجايي طبيعي مناسب نيستند . وقتي كه چشمه هاي گرمايي شامل فين هاي متراكم كنار هم باشد ، كانال هاي باريكي پديد مي آيند كه تمايلبه ساكن كردن جريان دارند ، خصوصاً وقتي كه چشمه داراي طول بزرگي باشد . در نتيجه سد كردن عبور جريان ، شناوري اضافي از بين رفته و مشخصه هاي انتقال حرارت چشمه گرمايي تقليل مي يابد . پس در حالتي كه يك گرماي ثابتي توليد مي شود ، گرماي چشمه سريعتر از حالتي كه هيچ فيني وجود ندارد بالا مي رود . وقتي كه چشمه گرمايي داراي فين هاي با فاصله زياد از هم باشد ، فين ها مقاومت قابل ملاحظه اي در برابر جريان از خود نشان نداده ، و اثرات شناوري تعيين كننده مي باشند . در نتيجه ، انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي ممكن است بهبود يابد و براي يك مقدار ثابت توليد گرما ، چشمه گرمايي داراي دماي كمتري باشد . وقتي كه فين براي بهبود انتقال حرارت جابجايي طبيعي بين يك جامد و يك سيال مورد استفاده قرار مي گيرند ، دبي جريان سيال در مجاورت سطح جامد با توجه به تغييرات نيروهاي شناوري و اصطكاك بايد مورد توجه باشد . واضح است كه اين روش بهبود تنها وقتي داراي مزيت است كه افزايش در نيروي شناوري بيش از اصطكاك اضافي پديد آمده باشد . وقتي كه جابجايي طبيعي مورد مطالعه مي باشد نيازي به محاسبه افت فشار يا پمپ نمي باشد ، چون در اين روش انتقال حرارت ، هيچ پمپ يا دمنده اي به كار برده نمي شود . بنابراين يك تكنيك پيشرفته در جابجايي طبيعي ، تعيين راندمان انتقال حرارت به تنهايي مي باشد . شكل شماتيك دستگاه به صورت زير مي باشد : FREE & FORCED CONVECTION HEAT TRANSFER روش کار : خلاصه: دستگاه آزمايش مورد نظر شامل يك مولد q توسط برق شهري مي باشد كه q در آن قابل تنظيم مي باشد (اين مقدار تنظيم شده گاهاً به علت نوسانات برق شهري برقAC اندكي تغيير كرده و دوباره به حال اول باز مي گردد) q توليدي از دستگاه توسط كابل به يك صفحه انتقال مي يابد كه انتقال حرارت جابجايي آزاد از سطح اين صفحه انجام خواهد گرفت ابعاد اين صفحه mm100*100 است درجه حرارت اين صفحه در هر لحظه بر روي دستگاه نمايش داده مي شود . اين دستگاه به ما اين امكان را مي دهد كه Qيي را ايجاد كنيم تا صفحه اي بطور يك نواخت توسط المنتي گرم شود. اين صفحه در ابعاد 100×100 ميلي متر است و از پنج طرف عايق بندي شده است و فقط از يك طرف با هوا در ارتباط است. در اين سيستم مي دانيم كه همان گرمايــي كه به دستگاه وارد مي شــــود، همان مقدار گرما نيز توسط هوا از طريق (Convection) هدايتي دفع مي شود. براي اين است كه دماي صفحه بالا تر از حدي خاص نمي رود. اين دستگاه داراي يك فيش است كه دما سنج ديجيتالي به آن وصل مي شود. يك دما سنج زير صفحه و چسبيده به آن كار گذاشته شده است و دماي صفحه را در هر لحظه به ما مي دهد حال دستگاه را بر روي Q=5[W] , Q=10[W] تنظيم مي كنيم و كابل گرمكن و كابل دما سنج را به دستگاه وصل مي كنيم. در اين حالت صفحه را به صورت عمودی قرار مي دهيم. حال صبر مي كنيم تا دماي صفحه ثابت شود. در اين حالت سيستم در حالت پايدار ( Steady State ) است. حال دماي صفحه را اندازه مي گيريم. و آن را Ts مي ناميم سپس دما ی محيط را اندازه می گيريم اين دمــا همان c°27.9 = است. آزمايشات را برای جابجايي طبيعي در flat plate و fin plate و Pine plate بررسي مي كنيم و h را محاسبه مي كنيم پس از اطمينان از برقراري حالت Steady State آزمايش را شروع مي كنيم . ابتدا flat plate را به صورت عمودی در كنار دستگاه قرار مي دهيم و جريان برق را با q = 10 Wat و q = 5 wat را وارد کرده و آن قدر صبر مي كنيم تا درجه حرارت flat plate ثابت شود حال نتايج را يادداشت مي كنيم . اين مراحل را برای fin plate و Pine plate دوباره تکرار می کنيم . اندازه گيری و محاسبات : مرحله 1) محاسبات انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي برای flat plate : @ 5 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 46.6˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = 0.01 m² h = 10 / 0.01(46.6 – 27.9) = 53.475 w/m² ˚C @ 10 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 71.5˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = 0.01 m² h = 10 / 0.01(71.5 – 27.9) = 22.935 w/m² ˚C مرحله 2) محاسبات انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي برای Pine plate : @ 5 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 47.2˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = flat مساحت + [ 17 * مساحت جانبی ] = 0.01 +(17 * 0.00275) = 0.05675 -6 مساحت جانبی : 2Πrl = 2 *3.14 *6.5*67.5 *10 = 0.05675 h = 10 / 0.05675(47.2 – 27.9) = 9.130 w/m² ˚C @ 10 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 56.8˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = flat مساحت + [ 17 * مساحت جانبی ] = 0.01 +(17 * 0.00275) = 0.05675 h = 10 / 0.05675(56.8 – 27.9) = 6.0975 w/m² ˚C مرحله 3) محاسبات انتقال حرارت به روش جابجايي طبيعي برای Fin plate : @ 5 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 41.2˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 Wat A = flat مساحت + [ 9* مساحت جانبی ] = 0.01 +(9* 0.7006) = 6.3154 مساحت جانبی: 2*(0.005*0.0675)+(0.1* 7)= 6.3154 h = 10 / 6.3154(41.2 – 27.9) = 0.11905 w/m² ˚C 3.1 mm 67.5 mm 7 mm 100 mm ميانگين ضلع بالا و پايين را 5mm در نظر می گيريم @ 10 wat : T∞ = 27.9 ˚C q = h . A . (Tw - T∞) Tw = 44.7˚C h = q / A . (Tw - T∞) q = 10 A = flat مساحت + [ 9* مساحت جانبی ] = 0.01 +(9* 0.7006) = 6.3154 مساحت جانبی: 2*(0.005*0.0675)+(0.1* 7)= 6.3154 h = 10 / 6.3154(44.2 – 27.9) = 0.09714 w/m² ˚C نتيجه : h @ 10 watt h @ 5 watt نوع صفحه 22.935 53.475 Flat plat 6.0975 9.130 Pine plate 0.09714 0.11905 Fin plate هر چه که watt کمتر باشد h نيز کمتر است . ترتيب ميزان h ( انتقال حرارت جابجايي )در صفحه های مختلف : h @ Flat plat > h @ Pine plate > h @ Fin plate
+ نوشته شده در چهارشنبه یازدهم بهمن ۱۳۹۱ ساعت 13:35 توسط ADNAN SHERIFI
|