انتقال حرارت

انتقال حرارت جابجایی

انتقال حرارت

تعداد بازدید: 26277
کد مطلب: 3689
تاریخ انتشار: 10:18 16 فروردين 1391
تاریخ آخرین ویرایش : 16:07 10 دي 1391
 
 

انتقال حرارت جابجایی یا همرفت، صورتی از انتقال انرژی بین یک سطح جامد و مایع یا گاز متحرک موجود در مجاورت آن است که ترکیبی از اثرات هدایت و حرکت سیال را در خود دارد. در واقع، انتقال حرارت همرفتی، جابجا شدن حرارت از یک مکان به مکان دیگر در اثر حرکت سیال است. فرآیندی است که در آن جابجا شدن حرارت در اثر جابجا شدن جرم رخ می دهد. هرچه حرکت سیال سریع تر باشد، نرخ انتقال حرارت بیشتر است. در غیاب هر گونه حرکت توده ای درون سیال، انتقال حرارت بین یک سطح جامد و سیال مجاور آن، به صورت هدایت ضعیف رخ می دهد. وجود حرکت توده ای در سیال، نرخ انتقال حرارت را افزایش می دهد، اما محاسبات آن را پیچیده می کند.

اگر یک سطح خنک شونده با جریان هوا را در نظر بگیریم، در ابتدا انرژی سطح از طریق هدایت به لایه ی هوای مجاور منتقل شده و پس از آن، این انرژی توسط جابجایی مولکول ها از سطح دور می شود. در واقع، این نوع انتقال حرارت با ترکیبی از هدایت و حرکت توده ای یا میکروسکوپی ذرات سیال که لایه ی مجاور را از سطح دور کرده و آن را با هوای خنک تر جایگزین می کند، روی می دهد. در شکل زیر گرادیان دمایی و گرادیان سرعت درون لایه ی مرزی سیال عبوری از روی سطح داغ نام برده شده را ملاحظه می کنید.

 

انتقال حرارت جابجایی، به دو صورت اجباری (forced) و آزاد (natural) رخ می دهد. جابجایی اجباری زمانی رخ می دهد که سیال توسط یک نیروی خارجی (توسط پمپ، فن و یا باد)، به صورت اجباری بر روی یک سطح جریان پیدا کند. جابجایی آزاد زمانی اتفاق می افتد که حرکت سیال توسط نیروی شناوری که به خاطر اختلاف چگالی (که در اثر گرادیان دمایی در سیال رخ می دهد) است، صورت گیرد. اگر اختلاف دما بین سطح جسم و هوای اطراف به اندازه ای بزرگ نباشد که بتواند بر مقاومت هوا غلبه کرده،  آن را به حرکت در آورده و باعث شروع جابجایی آزاد شود، انتقال حرارت بین جسم و هوا، از نوع هدایت می باشد.

 

 

اگر انتقال حرارت با تغییر فاز سیال همراه شود نیز از نوع جابجایی در نظر گرفته می شود.  علت این نام گذاری، حرکت القا شده به سیال در طول فرایند تغیر فاز است، مثل بالا رفتن حباب های بخار در طول جوشش و یا پایین آمدن قطرات آب در طول کندانس.

علی رغم پیچیدگی انتقال حرارت جابجایی، می توان نرخ آن را به صورت زیر در نظر گرفت که به قانون خنک شوندگی نیوتون معروف است:

 

 

ثابت انتقال حرارت جابجایی (h)، ویژگی سیال نبوده و تابعی از تمام پارامترهای تأثیرگذار بر جابجایی مثل: هندسه سطح، چگونگی حرکت سیال، ویژگی های سیال و سرعت توده ای درون سیال است. مقادیر معمول h در جدول زیر ارائه شده اند:

 

نوع جابجایی

W/m

جابجایی آزاد گازها

25-2

جابجایی آزاد مایعات

1000-10

جابجایی اجباری گازها

250-25

جابجایی اجباری مایعات

20000-50

جوش و کندانس

100000-2500

 

 

به عنوان جمع بندی بحث مطرح شده، می توان بیان کرد که انتقال حرارت جابجایی ترکیبی از هدایت و حرکت سیال است که یکی از مکانیزم های بنیادی انتقال حرارت می باشد.