انتقال حرارت

انتقال حرارت، جریان حرارت از ماده ای با درجه حرارت بیشتر به ماده ای با درجه حرارت کمتر را انتقال گویند. بطور کلی حرارت از سه طریق منتقل میشود.

۱-هدایت conduction

۲-جابه جایی (وزش) convection

۳-تشعشع (تابش) radiation

با وجود اینکه اغلب اوقات حرارت از سه طریق منتقل می شود ولی بهتر است برای سهولت محاسبه، مطالعه درباره ی هریک از روشهای فوق، به طور جداگانه صورت گیرد.

جریان انتقال حرارت یکی از مسائل مهم و اساس طرح تاسیسات حرارتی و برودتی بوده و با محاسبه مقدار انتقال حرارت (تلفات حرارت ساختمانها) است که میتوان قدرت ماشین آلات و ظرفیت و اندازه (سایز) وسایل گرم کننده و سرد کننده، همچنین مشخصات لوله های حامل و ناقل حرارت را به دست آورد. جریان حرارات نیز دو شکل خاص دارد:

الف) جریان حرارتی یکنواخت

در این حالت انتقالی در زمانهای مختلف ثابت بوده و تغییر نمیکند مانند جریان انتقال حرارت از جداری که درجه حرارت دو طرف آن در طول زمانت انتقال ثابت بماند که البته مثال عملی آن کمتر پیش می آید.

ب)جریان حرارتی غیریکنواحت

در اینحالت مقدار جریان حرارت برحسب زمان تغییر نموده و ثابت نیست مانند انتقال حرارت از سطح داخلی یک دیوار گرم به سطح خارجی آن که این سطح برحسب تغییر شدت تابش آفتاب و یا تغییر سرعت وزش باد و عوامل دیگر در هر لحظه شرایط حرارتی مختلف داشته و در نتیجه مقدار جریان حرارتی نسبت به زمان تغییر میکند که محاسبات آن مشکل و حتی غیر مقدور است. در محاسبات تلفات حرارتی ساختمانها منظور از محاسبه، تعیین مقدار تلفات حرارتی در حالت خاصی است که هوای خارج، بدترین وضع و شرایط نامناسب فصل را دارا می باشد، و همچنین شرایط حرارتی داخل ساختمان نیز باید پای فرض شود. بنابراین محاسبات انتقال حرارت از نوع جریان یکنواخت فرض خواهد شد.

انتقال حرارت از طریق هدایت

چنانچه گفته شد انتقال انرژی حرارتی از ناحیه سردتر جسم صورت میگیرد. حال اگر این انتقال انرژی از نقطه ای به نقطه دیگر در اثر برخورد یا تماس مستقیم ذرات جسم (مولکول ها) صورت گیرد، گویند انتقال حرارت از طریق هدایت انجام گرفته است.

قابلیت هدایت حرارتی K:

عبارت از مقدار حرارتی است که از واحد سطح جسمی به ضخامت واحد به ازای یک درجه اختلاف دما در مدت زمان واحد عبور نماید.

مقدار قابلیت هدایت حرارتی K برای گازهای بین  ۵/۰ تا ۰۰۵/۰ و برای مایعات بین  ۶/۰ تا ۰۸/۰ و برای فلزات بین  ۳۶۰تا ۲ و برای اجسام عایق و مصالح ساختمانی بین  ۵/۲ تا ۰۲/۰ محدود میباشد.

واحد های K عبارتند از : ،   و در سیستم انگلیسی

موادی که قابلیت هدایت حرارتی آنها کمتر از  ۲/۰=K میباشد مواد عایق حرارتی نامیده میشود.

جدول قابلیت هدایت حرارت K برای مصالح مختلف

فوریه در سال ۱۸۲۲ به صورت فرمولی بیان گردید که برای جریانی حرارتی یکنواخت به این صورت نمایش داده شد.

1. H=× A× (–)

H=گرما و یا حرارت جریان یافته

K=ضریب هدایت حرارتی

(–)= اختلاف درجه حرارت

A= سطح عبور گرما

X= ضخامت جسم

انتقال حرارت از طریق جابه جایی

در این روش، انتقال حرارت توسط حرکت و جابه جایی مولکولهای سیال(گاز یا مایع) صورت میگیرد. انتقال حرارت جابه جایی منحصراً در گازها و مایعات مولکولهای آنها قابلیت حرکت دارند امکان پذیر است. در مورد انتقال گرما به طریق جابه جایی نمیتوان مانند هدایت حرارتی، رابطه ای ساده به دست آورد، زیرا مقدار گرمای مبادله شده بین سیال (گاز یا مایع) و سطح جسم جامد به عوامل متعددی مانند صاف بودن سطح، عمودی یاافقی قرار گرفتن سطح، چگالی سیال، گرمای ویژه، ضریب انتقال حرارتی سیال، سرعت سیال و غیره بستگی دارد. به طور کلی مقدار گرمایی که به روش جابه جایی بین یک سطح و سیال مبادله میشود متناسب است با مساحت این سطح جامد و دمای متوسط سیال ناقل. این رابطه که به رابطه نیوتون معروف است به این صورت نشان میدهند.

1. H= FAΔt = FA(–)

در این رابطه:

H= مقدار حرارت جابجا شده توسط سیال

F=ضریب انتقال سطحی

A=سطح جسم جامد

tΔ=اختلاف درجه حرارت مابین جسم و سیال

= دمای سطح جسم داغ

= دمای متوسط سیال

در محاسبات حرارت مرکزی و تهویه مطبوع، معمولاً هوا به عنوان سیال در مجاورت سطوح تبادل حرارت قرار میگرد. ضریب انتقال سطحی را برای هوای خارج با   و برای هوای داخل با   نمایش میدهند.

واحد F عبارتند از:  و

تعیین مقدار حرارت  از طریق جابه جایی:

 چنانچه بخواهیم مقدار حرارت انتقال یافته توسط یک حجم معین هوای جابه جا شده را استفاده نماییم.=× V(–) تعیین کنیم، میتوانیم از فرمول

= حرارت منتقل شده بر حسب KW یا

= حرارت مخصوص (گرمای ویژه در فشار ثابت برای واحد حجم) هوا که مقادیر آن برابر است با:

در سیستم SI:

و در سیستم متریک:

V= حجم معین هوا بر حسب«  «

=دمای محیط سردتر«»            و=دمای محیط گرمتر«»