کتاب انتقال حرارت هولمن
انتقال حرارت هولمن
تایپ شده با کیفیت بالا
با قابلیت جستجو
ترجمه اختصاصی سایت
ویرایش 10
فرمت :PDF
مترجم:آلا بحرانی و اسما بحرانی
بخشی از متن کتاب:
جی پی هولمن دارای مدرک دکترا در مهندسی مکانیک از دانشگاه ایالتی اوکلاهما است. او پس از دو سال به عنوان دانشمند پژوهشی در آزمایشگاه تحقیقاتی هوافضای رایت، به هیئت علمی دانشگاه متدیست جنوبی پیوست، جایی که در حال حاضر استاد بازنشسته مهندسی مکانیک است. وی همچنین سمت‌های اداری را به‌عنوان مدیر مرکز علوم حرارتی و دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی ، رئیس گروه مهندسی عمران و مکانیک و دستیار استاد رسانه آموزشی بر عهده داشته است. وی در طول مدت تصدی خود درSMU به مدت ۱۳ بار به عنوان عضو هیئت علمی برجسته توسط هیئت دانشجویی انتخاب شده است.
دکتر هولمن بیش از 30 مقاله در زمینههای مختلف انتقال حرارت و سه کتاب درسی پرکاربرد خود منتشر کرده است، انتقال حرارت (ویرایش نهم، 2002)، روشهای تجربی برای مهندسان (ویرایش هفتم، 2001)، و ترمودینامیک (ویرایش چهارم، 1988)، همه که توسط مک گراهیل منتشر شده، به زبانهای اسپانیایی، پرتغالی، ژاپنی، چینی، کرهای، و اندونزیایی ترجمه شده است، و در سراسر جهان توزیع شده است. او همچنین نویسنده تک نگاری سودمندی است و کتاب آنچه که هر مهندس درباره اکسل باید بداند (2006) توسط CRC Pressمنتشر شده است. دکتر هولمن همچنین برای صنعت در زمینههای انتقال حرارت و سیستمهای انرژی مشاوره میدهد.
یکی از اعضای ASEE، رئیس سابق بخش ملی مهندسی مکانیک و رئیس قبلی رؤسای گروه مهندسی مکانیک منطقه Xبوده است. دکتر هولمن عضو ASMEو دریافت کننده چندین جایزه ملی است: جایزه جورج وستینگهاوس از ASEE برای مشارکتهای برجسته در آموزش مهندسی (1972)، مدال طلای جیمز هری پاتر از ASMEبرای کمک به ترمودینامیک (1986)، ورسستر رید مدال طلای وارنر از ASME برای کمکهای برجسته به ادبیات دائمی مهندسی (1987) و جایزه Ralph Coats Roeاز ASEE به عنوان مربی برجسته مهندسی مکانیک سال (1995). در سال 1993 او مدال لومان را از دانشگاه ایالتی دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی دریافت کرد که هر ساله به یکی از فارغ التحصیلان مهندسی برجسته آن موسسه اعطا میشود.
انتقال حرارت علمی است که به دنبال پیش بینی انتقال انرژی است که ممکن است بین اجسام مادی به دلیل اختلاف دما اتفاق بیفتد. ترمودینامیک میآموزد که این انتقال انرژی به عنوان گرما تعریف میشود. علم انتقال حرارت نه تنها به دنبال توضیح چگونگی انتقال انرژی گرمایی است، بلکه به دنبال پیش‌بینی نرخی است که در آن مبادله در شرایط خاص مشخص میشود. این واقعیت که نرخ انتقال حرارت هدف مورد نظر یک تحلیل است، به تفاوت بین انتقال حرارت و ترمودینامیک اشاره میکند. ترمودینامیک با سیستمهای در تعادل سر و کار دارد. ممکن است برای پیش بینی مقدار انرژی مورد نیاز برای تغییر یک سیستم از یک حالت تعادل به حالت دیگر استفاده شود. از آنجایی که سیستم در طول فرآیند در تعادل نیست، ممکن است برای پیش بینی سرعت وقوع تغییر استفاده نشود. انتقال حرارت، اصول اول و دوم ترمودینامیک را با ارائه قوانین تجربی اضافی که ممکن است برای تعیین نرخهای انتقال انرژی مورد استفاده قرار گیرند، تکمیل میکند. همانطور که در علم ترمودینامیک، قوانین تجربی که به عنوان مبنای موضوع انتقال حرارت مورد استفاده قرار می‌گیرند، نسبتاً ساده هستند و به راحتی گسترش می‌یابند تا موقعیتهای عملی مختلفی را در بر گیرند.
به عنوان نمونهای از انواع مختلف مشکلاتی که توسط ترمودینامیک و انتقال حرارت حل میشوند، خنک سازی یک میله فولادی داغ که در یک سطل آب قرار میگیرد را در نظر بگیرید. ترمودینامیک ممکن است برای پیش بینی دمای تعادل نهایی ترکیب میله فولادی و آب استفاده شود. ترمودینامیک به ما نمیگوید که چقدر طول میکشد تا به این شرایط تعادل برسیم یا دمای میله بعد از مدت زمان معینی قبل از رسیدن به شرایط تعادل چقدر خواهد بود. انتقال حرارت ممکن است برای پیش بینی دمای میله و آب به دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی تابعی از زمان استفاده شود.
اکثر خوانندگان با اصطلاحات استفاده شده برای سه حالت انتقال حرارت آشنا هستند: رسانایی، همرفت و تابش. در این فصل ما به دنبال توضیح کیفی مکانیزم این حالتها هستیم تا بتوان هر کدام را در منظر مناسب خود در نظر گرفت. فصلهای بعدی دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی نوع انتقال حرارت را به تفصیل بررسی میکنند.
1-1 انتقال حرارت هدایتی
تجربه نشان داده است هنگامی که یک گرادیان دما در یک جسم وجود دارد، انتقال انرژی از منطقه با دمای بالا به منطقه با دمای پایین وجود دارد. میگوییم که انرژی از طریق رسانایی منتقل میشود و نرخ انتقال حرارت در واحد سطح با گرادیان دمای معمولی متناسب است:
وقتی ثابت تناسب درج شود،
[1-1]
که در آن نرخ انتقال حرارت است و گرادیان دما در جهت جریان گرما است. ثابت مثبت رسانایی حرارتی ماده نامیده میشود و علامت منفی درج میشود تا اصل دوم ترمودینامیک برآورده شود. به عنوان مثال، همانطور که در سیستم مختصات شکل 1-1 نشان داده شده است، گرما باید در مقیاس دما به سمت پایین جریان یابد. معادله (1-1) به نام ژوزف فوریه، فیزیکدان ریاضی فرانسوی، قانون هدایت گرما فوریه نامیده میشود، که سهم بسیار مهمی در حل تحلیلی انتقال حرارت رسانایی داشت. توجه به این نکته مهم است که معادله (1-1) معادله تعیین کننده برای هدایت حرارتی است و دارای واحدهای وات بر متر بر درجه سانتیگراد در یک سیستم معمولی از واحدها است که در آن جریان گرما بر حسب وات بیان میشود.
اکنون با استفاده از معادله (1-1) به عنوان نقطه شروع، مسئله تعیین معادله اصلی را که انتقال گرما را در یک جامد انجام میدهد، تعیین میکنیم.
سیستم تک بعدی نشان داده شده در شکل 1-2 را در نظر بگیرید. اگر سیستم در حالت ثابت باشد، یعنی اگر دما با زمان تغییر نکند، مسئله ساده است و ما فقط باید معادله (1-1) را ادغام کنیم و مقادیر مناسب را جایگزین کنیم تا کمیت مورد نظر را حل کنیم. با این حال، اگر دمای جامد با گذشت دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی در حال تغییر باشد، یا اگر منابع گرما یا سینکهایی در جامد وجود داشته باشد، وضعیت پیچیده‌تر است. ما حالت کلی را در نظر میگیریم که در آن دما ممکن است با گذشت زمان تغییر کند و منابع گرما ممکن است در جسم وجود داشته باشد.
ما اشاره کردیم که رسانایی حرارتی دارای واحدهای وات بر متر بر درجه سانتیگراد است که شار گرما بر حسب وات بیان شود. توجه داشته باشید که یک نرخ گرما دخیل است، و مقدار عددی رسانایی حرارتی نشان میدهد که حرارت با چه سرعتی در یک ماده مشخص جریان می‌یابد. نرخ انتقال انرژی در مدل مولکولی مورد بحث در بالا چگونه در نظر گرفته میشود؟ واضح است که هرچه مولکول‌ها سریعتر حرکت کنند، سریعتر انرژی را منتقل میکنند. بنابراین رسانایی حرارتی یک گاز باید به دما وابسته باشد. یک حل تحلیلی ساده نشان میدهد که رسانایی حرارتی گاز با جذر دمای مطلق تغییر میکند. (ممکن است یادآوری شود که سرعت صوت در گاز با جذر دمای مطلق تغییر میکند؛ این سرعت تقریباً میانگین سرعت مولکول‌ها است. ) رسانایی حرارتی برخی از گازهای معمولی در شکل 1-4 نشان داده شده است. برای بیشتر گازها در فشارهای متوسط، رسانایی حرارتی به تنهایی تابعی از دما است. این بدان معنی است که دادههای گازی برای 1 اتمسفر (اتمسفر)، همانطور که در ضمیمه A آمده است، ممکن است برای طیف نسبتاً وسیعی از فشارها استفاده شود. هنگامی که فشار گاز به مرتبه فشار بحرانی آن میرسد یا به طور کلی، زمانی که رفتار غیر ایده آل گاز مشاهده دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی ، باید از منابع دیگر برای اطلاعات
مکانیزم فیزیکی رسانایی انرژی حرارتی در مایعات از نظر کیفی مانند گازها است. با این حال، وضعیت به طور قابل توجهی پیچیده‌تر است، زیرا دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی فاصله نزدیک‌تری دارند و میدان‌های نیروی مولکولی تأثیر زیادی بر تبادل انرژی در فرآیند برخورد دارند. رسانایی حرارتی برخی مایعات معمولی در شکل 1-5 نشان داده شده است.
در سیستم انگلیسی واحدها، جریان گرما بر حسب واحد حرارتی بریتانیا در ساعت ( )، مساحت بر حسب فوت مربع و دما بر حسب درجه فارنهایت بیان می شود. سپس هدایت حرارتی واحدهای خواهد داشت.
انرژی حرارتی ممکن است در جامدات با دو حالت هدایت شود: ارتعاش شبکه و انتقال توسط الکترون‌های آزاد. در رساناهای الکتریکی خوب تعداد نسبتاً زیادی الکترون آزاد در ساختار شبکهای ماده حرکت میکنند. همانطور که این الکترونها ممکن است بار الکتریکی را حمل کنند، همچنین ممکن است انرژی گرمایی را از یک ناحیه با دمای بالا به یک ناحیه با دمای پایین حمل کنند، مانند گازها. در واقع، این الکترونها اغلب به عنوان گاز الکترونی نامیده میشوند. انرژی همچنین ممکن است به عنوان انرژی ارتعاشی در ساختار شبکهای ماده منتقل شود. با این حال، به طور کلی، این حالت دوم انتقال انرژی به بزرگی انتقال الکترون نیست، و به همین دلیل رسانای الکتریکی خوب تقریباً همیشه رسانای گرمایی خوبی هستند، یعنی مس، آلومینیوم و نقره، و عایقهای الکتریکی معمولاً گرمای خوبی هستند. عایقها یک استثنای قابل توجه الماس است که یک عایق الکتریکی است، اما میتواند رسانایی حرارتی پنج برابر نقره یا مس داشته باشد. این دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی است که جواهرساز را قادر میسازد تا بین الماسهای اصلی و سنگهای تقلبی تمایز قائل شود. یک دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی کوچک در دسترس است که پاسخ سنگها را به یک پالس حرارتی اندازه گیری می کند. یک الماس واقعی واکنش بسیار سریع‌تری نسبت به سنگ غیراصلی نشان میدهد.
رسانایی حرارتی مواد عایق مختلف نیز در ضمیمه A آورده شده است. برخی از مقادیر معمولی 0.038 برای پشم شیشه و 0.78 برای شیشه پنجره هستند. در دماهای بالا، انتقال انرژی از طریق مواد عایق ممکن است شامل چندین حالت باشد: انتقال از طریق مواد جامد فیبری یا متخلخل. هدایت از طریق هوای محبوس شده در فضاهای خالی؛ و در دماهای به اندازه کافی بالا، تشعشع.
یک مشکل فنی مهم، ذخیره و انتقال مایعات برودتی مانند هیدروژن مایع در مدت زمان طولانی است. چنین کاربردهایی منجر به توسعه سوپرعایقها برای استفاده در این دماهای بسیار پایین (تا حدود 250- درجه سانتیگراد) شده است. موثرترین این سوپرعایقها شامل لایههای متعددی از مواد بسیار بازتابنده است که توسط اسپیسرهای عایق جدا شدهاند. کل سیستم تخلیه میشود تا رسانایی هوا به حداقل برسد و رسانایی حرارتی تا 0.3 امکان پذیر است. خلاصهای مناسب از رسانایی حرارتی چند ماده عایق در دماهای دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی در جدول 1-2 آورده شده است. اطلاعات بیشتر در مورد عایق چند لایه در مراجع 2 و 3 آورده شده است.
1-3 انتقال حرارت جابجایی
به خوبی معلوم است که صفحه داغ فلزی وقتی در مقابل یک فن قرار میگیرد سریعتر از زمانی که در معرض هوای ساکن قرار میگیرد سرد میشود. ما میگوییم که گرما جابهجا میشود و به فرآیند انتقال حرارت همرفت میگوییم. اصطلاح همرفت یک مفهوم شهودی در مورد فرآیند انتقال حرارت به خواننده ارائه میدهد. با این حال، این مفهوم شهودی باید دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی یابد تا فرد بتواند به چیزی مانند یک حل تحلیلی کافی از مسئله دست یابد. به عنوان مثال، ما میدانیم که سرعت وزش هوا بر روی صفحه داغ به وضوح بر سرعت انتقال حرارت تأثیر میگذارد. اما آیا به روشی خطی بر خنک سازی تأثیر میگذارد؟ به عنوان مثال، اگر سرعت دو برابر شود، سرعت انتقال حرارت دو برابر خواهد شد؟ اگر صفحه را به جای هوا با آب خنک کنیم، باید احتمال دهیم که سرعت انتقال حرارت ممکن است متفاوت باشد، اما باز هم، چقدر تفاوت وجود خواهد داشت؟ این سؤالات را میتوان با کمک برخی تحلیلهای نسبتاً اساسی که در فصلهای بعدی ارائه میشود، پاسخ داد. در حال حاضر، مکانیزم فیزیکی انتقال حرارت جابهجایی را ترسیم میکنیم و ارتباط آن را با فرآیند هدایت نشان میدهیم.
صفحه گرم شده نشان داده شده در شکل 1-7 را در نظر بگیرید. دمای صفحه و دمای سیال است. سرعت جریان همانطور که نشان داده شده است ظاهر میشود و در نتیجه عملکرد ویسکوز در صفحه به صفر میرسد. از آنجایی که سرعت لایه سیال در دیوار صفر خواهد بود، گرما باید فقط از دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی رسانایی در آن نقطه منتقل شود. بنابراین ممکن است انتقال حرارت را با استفاده از رابطه (1-1) با رسانایی حرارتی سیال و گرادیان دمای سیال در دیوار محاسبه کنیم. پس چرا در صورتیکه گرما با رسانایی در این لایه جریان دارد، از انتقال حرارت همرفتی صحبت میکنیم و باید سرعت سیال را در نظر بگیریم؟ پاسخ این است که گرادیان دما بستگی به سرعتی دارد که سیال گرما را با خود میبرد. یک سرعت بالا یک گرادیان دمایی بزرگ ایجاد میکند و غیره. بنابراین، گرادیان دما در دیوار به میدان جریان بستگی دارد، و ما باید در تحلیل بعدی خود بیانی را ایجاد کنیم که این دو کمیت را مرتبط میکند. با این وجود، باید به خاطر داشت که مکانیزم فیزیکی انتقال حرارت در دیوار یک فرآیند رسانایی است.
برای بیان اثر کلی همرفت، از قانون خنک‌سازی نیوتن استفاده میکنیم:
در اینجا نرخ انتقال حرارت با اختلاف دمای کلی بین دیوار و سیال و سطح مرتبط است. این کمیت ضریب انتقال حرارت جابهجایی نامیده میشود و معادله (1-8) معادله تعیین‌کننده است. یک محاسبه تحلیلی از ممکن است برای برخی از سیستمها انجام شود. برای موقعیتهای پیچیده باید به صورت تجربی تعیین شود. ضریب انتقال حرارت به دلیل ارتباط آن با فرآیند هدایت در لایه نازک ثابت سیال در سطح دیوار، گاهی رسانایی لایهای نامیده میشود. از معادله (1-8) توجه میکنیم که وقتی جریان گرما بر حسب وات باشد، واحدهای آن بر حسب وات بر متر مربع بر درجه سانتیگراد هستند.
با توجه به بحث فوق، میتوان پیش بینی کرد که انتقال حرارت جابهجایی علاوه بر وابستگی آن به خواص حرارتی سیال (رسانایی گرمایی، گرمای ویژه، چگالی) به ویسکوزیته سیال نیز بستگی دارد.
این مورد انتظار است زیرا ویسکوزیته بر مشخصات سرعت و به تبع آن نرخ انتقال انرژی در ناحیه نزدیک دیوار تأثیر میگذارد.
اگر صفحه گرم شده بدون منبع دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی حرکت در معرض هوای اتاق قرار گیرد، حرکت هوا در نتیجه شیب چگالی نزدیک صفحه ورزیده میشود. ما این را همرفت طبیعی یا آزاد مینامیم، برخلاف همرفت اجباری، که در مورد دمیدن هوا توسط فن روی صفحه دانلود کتاب انتقال حرارت هولمن به زبان فارسی میشود. پدیدههای جوشش و تراکم نیز تحت موضوع کلی انتقال حرارت همرفتی دستهبندی میشوند. محدوده تقریبی ضرایب انتقال حرارت همرفتی در جدول 1-3 نشان داده شده است.
