3 Тақырып. Жылу алмасу негіздері.

Қарастырылатын кеңістікте температурасы жоғары жақтан температурасы төмен жаққа қарай жылудың өздігінен тасымалдануын жылу алмасу деп атайды. Олай болса,температура айырымы жылу тасымалдау процесінің қоздырушы күші болып табылады, ал тасымалданатын жылу шамасы дененің кеңістігіндегі температураның үлестірілу сипатымен, яғни температуралық өріспен байланысты болады.

Температуралық өріс деп уақыттың белгілі кезеңіндегі дененің (кеңістіктің) барлық нүктелеріндегі температура мәндерінің жиынын айтады.

Температура уақыт τ бойынша өзгеретін жағдайда температуралық өріс қалыптаспаған, өзгермейтін жағдайда қалыптасқан болады. Жалпы жағдайда (үш өлшемді, қалыптаспаған) температуралық өріс t = ł(x,y,z, τ) теңдеумен бейнеленеді.

Температуралары бірдей нүктелер изотермиялық бетті құрайды. Изотермиялық беттерді жазықтықпен қиып өтсе, қиылыста изотермиялық сызықтар пайда болады.

Температура өзгеру қарқындылығын температура градиенті сипаттайды. Ол температура артатын жаққа қарай изотермиялық бетке нормаль бойынша бағытталған вектор (3 сурет).

3-сурет.

Температура градиентінің сандық мәнісі температураның нормаль бойынша алынған туындысына тең:

grad t =

Изотермиялық беттен уақыттың бірлігінде өтетін жылу шамасы жылу ағыны деп аталады. Белгісі Q , Вт. Ауданның бірлігінен өтетін жылу ағыны жылу ағынының тығыздығы q болып табылады:

q =,Вт / м²,

мұнда dF -беттің ауданы, м².

Жылудың тасымалдануы үш негізгі әдістермен орындалады. Олар: жылу өткізгіштік, жылу сәулелену және конвекциялық тасымалдау.

Жылу өткізгіштік әдісімен жылудың таралуы.

Дененің құрылымдық бөлшектерінің қимылы және бір-ьірімен соқтығысу нәтижесінде ішкі энергияны тасымалдауды жылу өткізгіштік деп атайды.

Тәжірибе жолымен анықталған Фурье заңы бойынша dF ауданы арқылы өтетін жылу ағыны температураның градиентіне және dF ауданға тура пропорционал:

dQ = - λ ,

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

мұндағы λ -жылу өткізгіштік коэффициент, Вт /(м.К), дененің жылу өткізу қабілетін сипаттайтын жылу физикалық параметр. Әр түрлі заттар мен материалдар үшін мәні әр түрлі болады. Металдардың жылу өткізгіштігі жоғары болады: λ = 20 -400 , Вт /(м.к).

Метал емес қатты материалдардың жылу өткізгіштігі 10 Вт/мК төмен. Кеуекті материалдар үшін ( шыны мақта, пробка т.б.)

Мұндай заттар жылу оқшаулағыш материалдарға жатады.

Сұйықтықтар ішінде жылуды ең жақсы өткізетіні су ( λ =0,6).

Газдар жылуды ең нашар өткізетін заттар болып табылады. Мысалы ауа үшін λ = 0,026 Вт /мК.

Сәулелі жылу алмасу.

Сәулелі энергия электромагниттік толқындар арқылы тасымалданады. Электромагниттік сәулелер ішінде толқын ұзындықтары 0,8 ден 800 мкм дейін жылу сәулелердің ғана жылуға айналу дәрежесі жоғары болады. Барлық денелердің жылу сәулелері бар. Сәулелі жылу алмасу энергияның екі рет түрлену нәтижесінде орындалады. Алдымен жылу энергия сәулелі энергияға айналады, содан соң қайта жылу энергияға өтеді, сәулелі жылу алмасудың негізгі заңдарының бірі- Стеран- Больцмен заңы- дененің бетінен шығарылатын сәулелі ағынның тығыздығы Е мен оның абсолютті температурасын былай байланыстырады:

Е = ε · Со ( Т / 100)⁴ (27)

мұнда ε- дененің қаралық дәрежесі, С₀ =5,67 Вт /(м².К⁴) -- абсолютті қара дененің (абсолютті қара дене деп бетіне түскен сәулелі энергияны толығымен сіңіріп алатын денені айтады.) сәулелену қажеті.

Әр түрлі "сұр" денелердің қаралық дәрежелері олардың табиғаты, беттің күйі және температурасымен анықталады.

Екі денелер арасындағы сәулелі энергияның қорытынды ағыны Q_c , Вт Стеран-Больцман заңының негізінде табылады:

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

мұнда Ғ- ның сәулелерді қабылдайтын бет, м², ε_k -келтірілген қаралық дәрежеде, сәулелену арқылы жылу алмасатын денелердің қаралық дәрежелеріне тәуелді болатын шама. Газ тәрізді орта мен қоршаған қабырғалар арасындағы жылу сәулелердің қорытынды ағыны ( аудан бірлігі үшін):

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

мұнда ε_k - сәулелі жылу алмасу орындалатын жүйенің келтірілген қаралық дәрежесі; Т_г- газдың температурасы, К; Т_қ - қабырғаның температурасы, К. Газ тәрізді ортамен қабырғалары арасындағы сәулелі жылу алмасудың қарқындылығы сәулелену жылу беріліс коэффициенті α_c ( Вт /(м².К) сипатталынады. α_c мәнісі газбен қоршаған қабырғалардың қаралық дәрежелері және температураларына байланысты анықталады.

Конвективтік жылу алмасу.

Сұйықтың немесе газдың макрокөлемдерінің бір-біріне қатысты қозғалуын конвекция деп атайды. Егер конвекция температурасы әр текті ортада орындалатын болса, ортаның макрокөлемдерінің ( бөлшектерінің) орын ауыстыру нәтижесінде жылу алмасу пайда болады.

Жылудың конвекциямен тасымалдануына жылу өткізгіштік әр қашан ере жүреді. Мұндай біріктірілген процесс конвективтік жылу алмасу деп аталады.

Техникада көбінесе сұйық (газ) ағыны және қоршаған қатты денелер беттерімен конвективтік жылу беріліс деп аталатын жылу алмасу процесі кездеседі.

Бұл процес сұйықтың (газдың) қозғалу сипатымен байланысты.

Пайда болу табиғаты бойынша сұйықтың (газдың) екі түрлі қозғалуын айырады- еркін және еріксіз.Еркін деп сұйықтың немесе газдың қыздырылған және суық бөлшектерінің тығыздықтары айырымы нәтижесіндегі пайда болатын қозғалысты айтады. Еріксіз қозғалыс (конвекция) сыртқы механикалық қоздырушылар (насостар, желдеткіштер ж.т.б) әрекетінен пайда болады.

Сұйықтың (газдың) ағыны ламинарлы немесе турбулентті тәртіппен қозғалады.

Ламинарлы тәртібіне қозғалысжайбарақат өтеді, сұйықтың қабаттары араласпай, бір-біріне параллельді қозғалады. Турбулентті тәртібінде сұйықтың қозғалысы бейберекет, құйынды болады. Дененің беті мен сұйық (газ) ағыны арасындағы конвективтік жылу берілік процестің қарқындылығын конвективтік жылу беру коэффициент  _k( Вт/(м².К)) сипаттайды.

Жалпы жағдайда _k коэффициенттің мәнісі дененің (каналдың) пішініне, оның геометриялық өлшемдеріне, сұйықтың (газдың) қозғалу жылдамдығына, ағыс тәртібіне, сұйықпен қабырғаның температураларына және ағынның физикалық қасиеттеріне тәуелді болады. Конвективтік жылу алмасу кезіндегі беттен сұйыққа берілетін жылу ағыны Ньютон-Рихман теңдеумен есептеледі.

Q_к =  _к F ( t_б - t_су) (30)

мұнда Ғ- жылу алмасатын беттің ауданы, м²,

t_б - дене бетінің температурасы, ⁰С,

t_су - сұйықтың (газдың) температурасы, , ⁰С.

Күрделі жылу алмасу және жылуды алып беру.

Нақты жағдайлардың көбінде жылу өткізгіштік, жылудың конвекциясы және сәулеленуі қатарөтеді, яғни күрделі жылу алмасу орындалады. Мысалы, қазан қондырғының ошағындағы ыстық газ ағыны мен қабырға арасындағы жылу алмасу. Мұндай жағдайда жылу алмасудың қарқындылығын жылу беріліс коэффициеттердің қосындысымен бағалайды:

 = _к + _л. (31)

мұнда _k - конвективтік жылу берілік коэффициенті, _c - сәулелі жылу беріліскоэффициенті.

Сонда қабырға бетінің 1 м² ауданына конвекция және сәулелену арқылы келіп түсетін жылу ағыны Ньютон-Рихман формуласы негізінде былай анықталады:

q =  ( t_сұ -t_б) . (32)

Жылу техникалық құралдарда жылу ыстық ортадан (газдан, сұйықтан) суық ортаға бөліп тұратын қабырға арқылы тасымалданады. Мұндай процес жылуды алып беру деп аталады. Жылуды алып беру процесі ыстық ортадан берке қарай конвективтік жылу берілістен, қабырғаның жылу өткізгіштігінен және беттен суық ортаға қарай конвективтік жылу берілістен тұрады.

Жылу алып беруді есептейтін теңдеулердің түрі қабырғаның пішініне тәуелді болады.

Жазық, көп қабаттардан тұратын қабырғадан өтетін жылу ағынының тығыздығын Вт/м² анықтайтын формуласында

Q= k ( t_су1 -t_су2)F , (33)

t_су1 және t_су2 - ыстық және суық орталардың температуралары; К- жылуды алып беру коэффициент, Вт /(м².К) төмендегі формула бойынша есептеледі

k = , (34)

 ₁ мен ₂ - ыстық және суық орта жақтарындағы жылу беру коэффициенттер, Вт /(м².К); б_і- і- і қабаттың қалыңдығы,м. λ₁ -і-і қабаттың материалының жылу өткізгіштік коэффициенті, Вт /(м².К); бі / λ₁ - і-і қабаттың термиялық кедергісі, м². К / Вт.

Цилиндрлік қабырғаның жылуды алып беруін есептегенде жылу ағынының сызықтық тығыздығы q_e , Вт/м деген шама қолданылады:

q_e = k_e π ( t_ce1-t_ce2) . (35)

мұнда _е- жылуды алып берудің сызықтық коэффициенті, Вт/ (м.К), бірнеше қабаттардан тұратын цилиндрлік қабырға үшін былай есептеледі:

. (36)

d₁ - цилиндрдің ішкі диаметрі; n - қабаттардың саны; d_n+1 n- ші қабаттың сыртқы диаметрі,м.

Жылу алмастырғыш аппараттар.

Жылу алмасатын сұйықтар мен газдарды жылу тасығыштар деп атайды.

Бір жылу тасығыштан екіншіге жылу тасымалдау орындалатын құрылғыны жылу алмастырғыш аппарат деп атайды.

Әрекет негізі бойынша аппараттарды рекуперативтік, регенеративтік, араластырулық және ішкі жылу қорымен қамтылған түрлеріне бөледі. Рекуперативтік аппаратта жылу ыстық жылу тасығыштан суық жылу тасығышқа оларды айырып тұратын қабырға қыздыру бет арқылы тасымалданады. Олар, мысалы, бу және су қыздыратын қазандар, конденсаторлар ж.т.б.).

Регенеративтік жылу алмастырғыш аппаратында ыстық және суық жылу тасығыштар қыздыру бет бойымен кезегімен өтіп шығады.Жылу алмасу бет бойымен ыстық жылу тасығыш ағып өткен кезде, қабырға жылуды қабылдап, қыздырылады, ал жылу тасығыш суып аппараттан шығарылады. Енді кезек суық жылу тасығышқа келеді. Ол ыстық бет бойымен өтіп шығу барысында қыздырылады. Мұндай аппараттарға қазан қондырғылардың және металлургия пештердің ауа қыздырғыштары жатады, сусымалы материалдарды қолданатын регенераторлар ж.т.б. жатады.

Араластырулық аппараттарда жылу алмасу ыстық және суық жылу тасығыштардың бір-бірімен араластыру нәтижесінде орындалады. Мұндай аппараттарға градирня, скруббер ж.т.б. жатады.

Ішкі жылу қорымен қамтылған жылу алмастырғыштарда әдеттегідей екі емес, бір жылу тасығыш қолданылады. Ол аппараттың өзінде бөлінетін жылуды қабылдайды. Мысалы, ядролық реактор, электрқыздырғыштар ж.т.б.

Жылу алмастырғыш аппараттар әр түрлі болғанымен жылуға есептелудің негізгі ережелері барлығы үшін бірдей болады. Аппараттардың жылуға есептелуі жұмысының қалыптасқан тәртібі үшін жүргізіледі және екі негізгі теңдеулердің шешуіне негізделеді. Олар жылу баланс теңдеуі және жылуды алып беру теңдеуі.

Ұсынылатын әдебиеттер: 1 нег. ( 259-264, 298-300, 314-316, 402, 403, 407, 411-422), 9 қос (48-58, 66-70).

Бақылау сұрақтары:

1. Температуралық өріс және температура градиенті ұғымдары.

2. Жылу өткізгіштік туралы жалпы түсініктер. Фурье заңы.

3. Жылу сәулелену туралы жалпы ұсыныстар. Старан-Больцман заңы.

4. Конвективтік жылу алмасу туралы жалпы ұсыныстар. Ньютон-Рихман теңдеуі.

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

6. Жылу алмастырғыш аппараттардың классификациясы.