Тақырып. Жылу алмасу негіздері.

Қ арастырылатын кең істікте температурасы жоғ ары жақ тан температурасы тө мен жақ қ а қ арай жылудың ө здігінен тасымалдануын жылу алмасу деп атайды. Олай болса, температура айырымы жылу тасымалдау процесінің қ оздырушы кү ші болып табылады, ал тасымалданатын жылу шамасы дененің кең істігіндегі температураның ү лестірілу сипатымен, яғ ни температуралық ө ріспен байланысты болады.

Температуралық ө ріс деп уақ ыттың белгілі кезең індегі дененің (кең істіктің) барлық нү ктелеріндегі температура мә ндерінің жиынын айтады.

Температура уақ ыт τ бойынша ө згеретін жағ дайда температуралық ө ріс қ алыптаспағ ан, ө згермейтін жағ дайда қ алыптасқ ан болады. Жалпы жағ дайда (ү ш ө лшемді, қ алыптаспағ ан) температуралық ө ріс t = ł (x, y, z, τ) тең деумен бейнеленеді.

Температуралары бірдей нү ктелер изотермиялық бетті қ ұ райды. Изотермиялық беттерді жазық тық пен қ иып ө тсе, қ иылыста изотермиялық сызық тар пайда болады.

Температура ө згеру қ арқ ындылығ ын температура градиенті сипаттайды. Ол температура артатын жақ қ а қ арай изотермиялық бетке нормаль бойынша бағ ытталғ ан вектор (3 сурет).

3-сурет.

Температура градиентінің сандық мә нісі температураның нормаль бойынша алынғ ан туындысына тең:

grad t =

Изотермиялық беттен уақ ыттың бірлігінде ө тетін жылу шамасы жылу ағ ыны деп аталады. Белгісі Q, Вт. Ауданның бірлігінен ө тетін жылу ағ ыны жылу ағ ынының тығ ыздығ ы q болып табылады:

q = , Вт / м²,

мұ нда dF -беттің ауданы, м².

Жылудың тасымалдануы ү ш негізгі ә дістермен орындалады. Олар: жылу ө ткізгіштік, жылу сә улелену жә не конвекциялық тасымалдау.

Жылу ө ткізгіштік ә дісімен жылудың таралуы.

Дененің қ ұ рылымдық бө лшектерінің қ имылы жә не бір-ьірімен соқ тығ ысу нә тижесінде ішкі энергияны тасымалдауды жылу ө ткізгіштік деп атайды.

Тә жірибе жолымен анық талғ ан Фурье заң ы бойынша dF ауданы арқ ылы ө тетін жылу ағ ыны температураның градиентіне жә не dF ауданғ а тура пропорционал:

dQ = - λ ,

ал аудан бірлігі ү шін: q = , q = - λ , (26)

мұ ндағ ы λ -жылу ө ткізгіштік коэффициент, Вт /(м.К), дененің жылу ө ткізу қ абілетін сипаттайтын жылу физикалық параметр. Ә р тү рлі заттар мен материалдар ү шін мә ні ә р тү рлі болады. Металдардың жылу ө ткізгіштігі жоғ ары болады: λ = 20 -400, Вт /(м.к).

Метал емес қ атты материалдардың жылу ө ткізгіштігі 10 Вт/мК тө мен. Кеуекті материалдар ү шін (шыны мақ та, пробка т.б.)

Мұ ндай заттар жылу оқ шаулағ ыш материалдарғ а жатады.

Сұ йық тық тар ішінде жылуды ең жақ сы ө ткізетіні су (λ =0, 6).

Газдар жылуды ең нашар ө ткізетін заттар болып табылады. Мысалы ауа ү шін λ = 0, 026 Вт /мК.

Сә улелі жылу алмасу.

Сә улелі энергия электромагниттік толқ ындар арқ ылы тасымалданады. Электромагниттік сә улелер ішінде толқ ын ұ зындық тары 0, 8 ден 800 мкм дейін жылу сә улелердің ғ ана жылуғ а айналу дә режесі жоғ ары болады. Барлық денелердің жылу сә улелері бар. Сә улелі жылу алмасу энергияның екі рет тү рлену нә тижесінде орындалады. Алдымен жылу энергия сә улелі энергияғ а айналады, содан соң қ айта жылу энергияғ а ө теді, сә улелі жылу алмасудың негізгі заң дарының бірі- Стеран- Больцмен заң ы- дененің бетінен шығ арылатын сә улелі ағ ынның тығ ыздығ ы Е мен оның абсолютті температурасын былай байланыстырады:

Е = ε · Со (Т / 100)⁴ (27)

мұ нда ε - дененің қ аралық дә режесі, С₀ =5, 67 Вт /(м².К⁴) -- абсолютті қ ара дененің (абсолютті қ ара дене деп бетіне тү скен сә улелі энергияны толығ ымен сің іріп алатын денені айтады.) сә улелену қ ажеті.

Ә р тү рлі " сұ р" денелердің қ аралық дә режелері олардың табиғ аты, беттің кү йі жә не температурасымен анық талады.

Екі денелер арасындағ ы сә улелі энергияның қ орытынды ағ ыны Q_c, Вт Стеран-Больцман заң ының негізінде табылады:

Q_c = ε _k∙ C₀ ∙ [(T₁ / 100)⁴ - (T₂ / 100)⁴] ∙ F, (28)

мұ нда Ғ - ның сә улелерді қ абылдайтын бет, м², ε _k -келтірілген қ аралық дә режеде, сә улелену арқ ылы жылу алмасатын денелердің қ аралық дә режелеріне тә уелді болатын шама. Газ тә різді орта мен қ оршағ ан қ абырғ алар арасындағ ы жылу сә улелердің қ орытынды ағ ыны (аудан бірлігі ү шін):

q_c = ε _k ∙ C₀ ∙ [(T_г / 100)⁴- (T_қ /100)⁴], (29)

мұ нда ε _k - сә улелі жылу алмасу орындалатын жү йенің келтірілген қ аралық дә режесі; Т_г- газдың температурасы, К; Т_қ - қ абырғ аның температурасы, К. Газ тә різді ортамен қ абырғ алары арасындағ ы сә улелі жылу алмасудың қ арқ ындылығ ы сә улелену жылу беріліс коэффициенті α _c (Вт /(м².К) сипатталынады. α _c мә нісі газбен қ оршағ ан қ абырғ алардың қ аралық дә режелері жә не температураларына байланысты анық талады.

Конвективтік жылу алмасу.

Сұ йық тың немесе газдың макрокө лемдерінің бір-біріне қ атысты қ озғ алуын конвекция деп атайды. Егер конвекция температурасы ә р текті ортада орындалатын болса, ортаның макрокө лемдерінің (бө лшектерінің) орын ауыстыру нә тижесінде жылу алмасу пайда болады.

Жылудың конвекциямен тасымалдануына жылу ө ткізгіштік ә р қ ашан ере жү реді. Мұ ндай біріктірілген процесс конвективтік жылу алмасу деп аталады.

Техникада кө бінесе сұ йық (газ) ағ ыны жә не қ оршағ ан қ атты денелер беттерімен конвективтік жылу беріліс деп аталатын жылу алмасу процесі кездеседі.

Бұ л процес сұ йық тың (газдың) қ озғ алу сипатымен байланысты.

Пайда болу табиғ аты бойынша сұ йық тың (газдың) екі тү рлі қ озғ алуын айырады- еркін жә не еріксіз. Еркін деп сұ йық тың немесе газдың қ ыздырылғ ан жә не суық бө лшектерінің тығ ыздық тары айырымы нә тижесіндегі пайда болатын қ озғ алысты айтады. Еріксіз қ озғ алыс (конвекция) сыртқ ы механикалық қ оздырушылар (насостар, желдеткіштер ж.т.б) ә рекетінен пайда болады.

Сұ йық тың (газдың) ағ ыны ламинарлы немесе турбулентті тә ртіппен қ озғ алады.

Ламинарлы тә ртібіне қ озғ алысжайбарақ ат ө теді, сұ йық тың қ абаттары араласпай, бір-біріне параллельді қ озғ алады. Турбулентті тә ртібінде сұ йық тың қ озғ алысы бейберекет, қ ұ йынды болады. Дененің беті мен сұ йық (газ) ағ ыны арасындағ ы конвективтік жылу берілік процестің қ арқ ындылығ ын конвективтік жылу беру коэффициент a _k(Вт/(м².К)) сипаттайды.

Жалпы жағ дайда a_k коэффициенттің мә нісі дененің (каналдың) пішініне, оның геометриялық ө лшемдеріне, сұ йық тың (газдың) қ озғ алу жылдамдығ ына, ағ ыс тә ртібіне, сұ йық пен қ абырғ аның температураларына жә не ағ ынның физикалық қ асиеттеріне тә уелді болады. Конвективтік жылу алмасу кезіндегі беттен сұ йық қ а берілетін жылу ағ ыны Ньютон-Рихман тең деумен есептеледі.

Q_к = a _к F (t_б - t_су) (30)

мұ нда Ғ - жылу алмасатын беттің ауданы, м²,

t_б - дене бетінің температурасы, ⁰С,

t_су - сұ йық тың (газдың) температурасы,, ⁰С.

Кү рделі жылу алмасу жә не жылуды алып беру.

Нақ ты жағ дайлардың кө бінде жылу ө ткізгіштік, жылудың конвекциясы жә не сә улеленуі қ атарө теді, яғ ни кү рделі жылу алмасу орындалады. Мысалы, қ азан қ ондырғ ының ошағ ындағ ы ыстық газ ағ ыны мен қ абырғ а арасындағ ы жылу алмасу. Мұ ндай жағ дайда жылу алмасудың қ арқ ындылығ ын жылу беріліс коэффициеттердің қ осындысымен бағ алайды:

a = a_к + a_л. (31)

мұ нда a_k - конвективтік жылу берілік коэффициенті, a_c - сә улелі жылу беріліскоэффициенті.

Сонда қ абырғ а бетінің 1 м² ауданына конвекция жә не сә улелену арқ ылы келіп тү сетін жылу ағ ыны Ньютон-Рихман формуласы негізінде былай анық талады:

q = a (t_сұ -t_б). (32)

Жылу техникалық қ ұ ралдарда жылу ыстық ортадан (газдан, сұ йық тан) суық ортағ а бө ліп тұ ратын қ абырғ а арқ ылы тасымалданады. Мұ ндай процес жылуды алып беру деп аталады. Жылуды алып беру процесі ыстық ортадан берке қ арай конвективтік жылу берілістен, қ абырғ аның жылу ө ткізгіштігінен жә не беттен суық ортағ а қ арай конвективтік жылу берілістен тұ рады.

Жылу алып беруді есептейтін тең деулердің тү рі қ абырғ аның пішініне тә уелді болады.

Жазық, кө п қ абаттардан тұ ратын қ абырғ адан ө тетін жылу ағ ынының тығ ыздығ ын Вт/м² анық тайтын формуласында

Q= k (t_су1 -t_су2)F, (33)

t_су1 жә не t_су2 - ыстық жә не суық орталардың температуралары; К- жылуды алып беру коэффициент, Вт /(м².К) тө мендегі формула бойынша есептеледі

k = , (34)

a ₁ мен a₂ - ыстық жә не суық орта жақ тарындағ ы жылу беру коэффициенттер, Вт /(м².К); б_і- і- і қ абаттың қ алың дығ ы, м. λ ₁ -і-і қ абаттың материалының жылу ө ткізгіштік коэффициенті, Вт /(м².К); бі / λ ₁ - і-і қ абаттың термиялық кедергісі, м². К / Вт.

Цилиндрлік қ абырғ аның жылуды алып беруін есептегенде жылу ағ ынының сызық тық тығ ыздығ ы q_e, Вт/м деген шама қ олданылады:

q_e = k_e π (t_ce1-t_ce2). (35)

мұ нда _е- жылуды алып берудің сызық тық коэффициенті, Вт/ (м.К), бірнеше қ абаттардан тұ ратын цилиндрлік қ абырғ а ү шін былай есептеледі:

. (36)

d₁ - цилиндрдің ішкі диаметрі; n - қ абаттардың саны; d_n+1 n- ші қ абаттың сыртқ ы диаметрі, м.

Жылу алмастырғ ыш аппараттар.

Жылу алмасатын сұ йық тар мен газдарды жылу тасығ ыштар деп атайды.

Бір жылу тасығ ыштан екіншіге жылу тасымалдау орындалатын қ ұ рылғ ыны жылу алмастырғ ыш аппарат деп атайды.

Ә рекет негізі бойынша аппараттарды рекуперативтік, регенеративтік, араластырулық жә не ішкі жылу қ орымен қ амтылғ ан тү рлеріне бө леді. Рекуперативтік аппаратта жылу ыстық жылу тасығ ыштан суық жылу тасығ ышқ а оларды айырып тұ ратын қ абырғ а қ ыздыру бет арқ ылы тасымалданады. Олар, мысалы, бу жә не су қ ыздыратын қ азандар, конденсаторлар ж.т.б.).

Регенеративтік жылу алмастырғ ыш аппаратында ыстық жә не суық жылу тасығ ыштар қ ыздыру бет бойымен кезегімен ө тіп шығ ады.Жылу алмасу бет бойымен ыстық жылу тасығ ыш ағ ып ө ткен кезде, қ абырғ а жылуды қ абылдап, қ ыздырылады, ал жылу тасығ ыш суып аппараттан шығ арылады. Енді кезек суық жылу тасығ ышқ а келеді. Ол ыстық бет бойымен ө тіп шығ у барысында қ ыздырылады. Мұ ндай аппараттарғ а қ азан қ ондырғ ылардың жә не металлургия пештердің ауа қ ыздырғ ыштары жатады, сусымалы материалдарды қ олданатын регенераторлар ж.т.б. жатады.

Араластырулық аппараттарда жылу алмасу ыстық жә не суық жылу тасығ ыштардың бір-бірімен араластыру нә тижесінде орындалады. Мұ ндай аппараттарғ а градирня, скруббер ж.т.б. жатады.

Ішкі жылу қ орымен қ амтылғ ан жылу алмастырғ ыштарда ә деттегідей екі емес, бір жылу тасығ ыш қ олданылады. Ол аппараттың ө зінде бө лінетін жылуды қ абылдайды. Мысалы, ядролық реактор, электрқ ыздырғ ыштар ж.т.б.

Жылу алмастырғ ыш аппараттар ә р тү рлі болғ анымен жылуғ а есептелудің негізгі ережелері барлығ ы ү шін бірдей болады. Аппараттардың жылуғ а есептелуі жұ мысының қ алыптасқ ан тә ртібі ү шін жү ргізіледі жә не екі негізгі тең деулердің шешуіне негізделеді. Олар жылу баланс тең деуі жә не жылуды алып беру тең деуі.

Ұ сынылатын ә дебиеттер: 1 нег. (259-264, 298-300, 314-316, 402, 403, 407, 411-422), 9 қ ос (48-58, 66-70).

Бақ ылау сұ рақ тары:

1. Температуралық ө ріс жә не температура градиенті ұ ғ ымдары.

2. Жылу ө ткізгіштік туралы жалпы тү сініктер. Фурье заң ы.

3. Жылу сә улелену туралы жалпы ұ сыныстар. Старан-Больцман заң ы.

4. Конвективтік жылу алмасу туралы жалпы ұ сыныстар. Ньютон-Рихман тең деуі.

5. Жылуды алып беру процесі. Жылу алып беру коэффициенттер.

6. Жылу алмастырғ ыш аппараттардың классификациясы.