راه‌های انتقال حرارت

طراحی مبدل حرارتی نتیجه‌ی به عمل در آوردن علم ترمودینامیک است، علمی که با جریان انرژی گرمایی، دما، و روابط با سایر اشکال انرژی سروکار دارد.

برای درک ترمودینامیک، یک نقطه‌ی شروع خوب این است که با سه راهی که گرما می‌تواند انتقال یابد آشنا شویم: هدایت (یا رسانایی)، همرفت، و تابش. در بخش‌های زیر، هر یک از این روش‌ها به مختصر مرور و بررسی شده است.

هدایت یا رسانایی (Conduction)

رسانایی عبارت است از عبور انرژی گرمایی بین موادی که در تماس با یکدیگر هستند.

دما اندازه‌ی انرژی جنبشی متوسط مولکول‌های یک ماده است – اجسام گرم‌تر (که دمای بالاتری دارد) حرکت مولکولی بیشتری نشان می‌دهند.

هنگامی که یک شیء گرم‌تر با یک شیء خنک‌تر (که دمای پایین‌تری دارد) تماس برقرار می‌کند، بین دو ماده انتقال انرژی گرمایی رخ می‌دهد؛

جسم خنک‌تر انرژی بیشتری می‌گیرد و انرژی جسم گرم‌تر کم می‌شود. این فرایند تا رسیدن به تعادل گرمایی ادامه پیدا می‌کند.

سرعت انتقال انرژی گرما در ماده توسط هدایت حرارتی با عبارت زیر داده می شود:

در این عبارت، Q نشان دهنده‌ی مقدار گرمای منتقل شده از طریق ماده در زمان t است، ΔT اختلاف دما بین یک طرف ماده و طرف دیگر است (گرادیان حرارتی)، A سطح مقطع ماده است

و d ضخامت ماده. ثابت k به عنوان “رسانایی گرمایی” ماده شناخته می‌شود و تابعی از ویژگی‌های ذاتی ماده و ساختار آن است.

هوا و گازهای دیگر به طور کلی رسانایی گرمایی کمی دارند، در حالی که جامدات غیر فلزی مقادیر بالاتری از آن را از خود نشان می‌دهند و جامدات فلزی نیز بالاترین مقادیر را دارند.

همرفت (Convection)

همرفت، انتقال انرژی گرمایی از یک سطح به وسیله‌ی حرکت سیالی مانند هوا یا آب گرم است.

بیشتر مایعات هنگام گرم شدن منبسط می‌شوند و بنابراین قسمت گرم شده نسبت به قسمت‌های دیگر مایع که خنک‌تر هستند، چگالی کمتری پیدا می‌کند و بالاتر می‌رود.

نابراین هنگامی که هوای اتاق گرم می‌شود، به این دلیل که گرم‌تر و کم چگالی‌تر است، به سوی سقف بالا می‌رود و با برخورد با هوای سردتر اتاق، انرژی گرمایی را به آن منتقل می‌کند،

سپس دوباره متراکم شده و به سمت زمین فرو می‌نشیند. این فرایند جریان همرفت طبیعی یا آزاد را ایجاد می‌کند.

همرفت هم‌چنین می‌تواند از طریق آن‌چه که همرفت اجباری یا کمکی نامیده می‌شود رخ دهد، مانند زمانی که آب گرم شده از طریق لوله‌ای مانند یک سیستم گرمایش هیدرونیک پمپ می‌شود.

برای همرفت آزاد، میزان انتقال گرما توسط قانون خنک‌سازی نیوتن بیان می‌شود:

که در آن Q-dot میزان انتقال گرما می‌باشد، hc ضریب انتقال حرارت همرفتی است، A ناحیه ای است که فرایند همرفت روی آن اتفاق می‌افتد

و ΔT دیفرانسیل دما بین سطح و سیال است.

ضریب انتقال حرارت همرفتی (hc) تابعی از خصوصیات سیال است، مشابه رسانایی گرمایی ماده که قبلاً در بخش رسانایی ذکر شد.

تابش یا تشعشع

تشعشع حرارتی مکانیزمی برای انتقال انرژی گرمایی است که شامل انتشار امواج الکترومغناطیسی از یک سطح یا جسم گرم است.

برخلاف رسانایی و همرفت، تشعشع حرارتی برای حمل انرژی موج به محیطی میانی احتیاج ندارد.

تمام اجسامی که دمای آنها از صفر مطلق (منفی 273.15 درجه سانتیگراد) بالاتر است، تشعشع حرارتی در یک طیف معمولاً گسترده منتشر می‌کنند.

نرخ خالص از دست دادن گرمای تشعشعی را می‌توان با استفاده از قانون استفان-بولتزمن به شرح زیر بیان کرد:

که در آن Q انتقال حرارت در واحد زمان است، Th دمای جسم گرم است (در واحد های مطلق، درجه‌ی کلوین)، Tc دمای محیط سردتر است (این هم به کلوین)، σ ثابت Stefan-Boltzmann است. اصطلاحی که با ε نشان داده می‌شود

ضریب تابش ماده است و بسته به خصوصیات ماده و توانایی تابش، جذب یا انتقال تابش، می‌تواند در هر مکانی بین 0 تا 1 باشد. همچنین تابعی از دمای ماده است.

در این مقاله با راه‌های انتقال حرارت آشنایی کلی یافتیم. در مقالات بعدی با اساس ترمودینامیکی عملکرد مبدل‌های حرارتی بیشتر آشنا می‌شویم. با ما همراه باشید.

منبع