انواع روش های انتقال حرارت

انتقال حرارت ( heat transfer) به طور کلی در حرکت حرارت از دمای بالا به دمای پایین گفته میشود .در زمانی که بین دو نقطه گرادیان دمایی (اختلاف دما) وجود داشته باشد، بین آنها انتقال حرارت صورت می گیرد. به طور کلی حرارت به سه صورت رسانش یا هدایتی (Conduction)،جابجایی یا همرفت(Convection) و تابشی یا تشعشعی(Radiation) منتقل می شود. انتقال حرارت هدایتی نیاز به محیط مادی داشته و در جامدات و سیالات رخ می دهد. انتقال حرارت جابجایی نیز نیاز به محیط مادی داشته و زمانی رخ می دهد که یک سیال بر روی یک سطح حرکت کند.

انتقال حرارت جابجایی، به دو صورت اجباری (forced) و آزاد یا طبیعی (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 سطح مورد نظر جریان پیدا کند. جابجایی آزاد زمانی اتفاق می افتد که حرکت سیال بدون وجود هیچ عامل غیر طبیعی و صرفا توسط نیروی شناوری که به خاطر اختلاف دما ایجاد شده 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.انتقال گرما در مایعات و گازها به وسیله روش جا به جایی صورت می گیرد. جریان باد کره زمین، گرمایی که از روی شعله بالا می رود، مکش دودکش بخاری نمونه هایی از وزش طبیعی هستند. استفاده از یک پمپ برای گردش آب گرم یا سرد یا استفاده از یک بادبزن برای به جریان انداختن هوای گرم یا سرد نمونه هایی از وزش اجباری هستند. در هر حال همرفت انتقال گرما به وسیله حرکت مولکول ها از یک محل به محل دیگر است. بدین صورت که مولکول های گرم شده از یک محل به محل دیگر حرکت کرده و گرما را با خود جابه جا می کنند. هوا در اثر تماس با وسیله گرم کننده مانند رادیاتور یا بخاری گرم شده، انبساط می یابد و در نتیجه سبک تر شده، به طرف بالا حرکت می کند و هوای سرد و سنگین به آرامی جای آن را می گیرد و این عمل تکرار می شود.

انتقال حرارت تشعشعی نیاز به محیط مادی نداشته و همیشه بین اجسامی که اختلاف دما دارند روی می دهد.علم  ترمودینامیک در مورد نرخ ومکانیزم انتقال حرارت  بحثی نمیکند و تنها در مورد میزان آن بحث می کند ولی علم انتقال حرارت در مورد نرخ ومکانیزم انها بحث میکند.

نمونه‌هایی از انتقال گرمای رسانشی:

انتهای آزاد یک قاشق فلزی که به طور ناگهانی در فنجان قهوهٔ داغی غوطه ور می‌شود.

انرژی حرارتی که از طریق دیوار اتاق به محیط خارج در یک روز سرد زمستانی منتقل می‌شود.

نمونه‌ای از انتقال گرمای جابجایی:

فن‌های کامپیوتر که بردهای داخل کیس کامپیوتر را خنک می‌کنند.

نمونه‌ای از انتقال گرمای تشعشی:

انتقال حرارت از سطح یک فلز داغ سرخ شده به محیط اطراف بدون تماس.

مثال:

بررسی انتقال حرارت در فلاسک چای:

در فلاسک چای اگر شرایط واقعی را بخواهیم در نظر بگیریم، هر 3 راه انتقال حرارت رسانشی، جابجایی، تشعشعی وجود دارد. هدف از ایجاد فلاسک این است که چای و یا محتوای خود را از انتقال حرارت با محیط بازدارد، و انتقال گرما را به شدت کاهش دهد. برای جلوگیری از انتقال حرارت رسانشی که مهم ترین عامل انتقال حرارت از مایع داخل فلاسک می باشد، از آنجایی که رسانش نیاز به ماده دارد تمام فضای داخل شیشه حبابی فلاسک حالت خلاء نسبی دارد. برای جلوگیری از انتقال گرمای جابجایی نیز باید از بزرگ در نظر گرفتن اندازه فلاسک بدون نیاز، پرهیز کردتا سطح تماس هوا با بدنه فلاسک کاهش یابد. با توجه به اینکه اثر انتقال حرارت رسانش و جابجایی تا حدود زیادی با این روش‌ها کاهش می‌یابد به سراغ انتقال حرارت تشعشعی می‌رویم. برای کاهش این نوع از انتقال حرارت نیز جداره را آینه‌ای می‌سازیم تا اثر تابش نیز ناچیز شود.

ضریب 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

 انتقال حرارت در بخاری ها :

در انواع مختلف بخاری تمام روش های سه گانه شرح داده شده برای انتقال گرما به محیط وجود دارد ولی بیشترین نرخ انتقال حرارت از طریق روش همرفت یا جابجایی انجام می شود.در بخاری های خانگی هوای در تماس با بدنه بخاری به روش جابجایی طبیعی(Natural (Convection گرما را جذب می کند و سپس به دلیل گرم شدن به سمت بالای اتاق به صورت طبیعی حرکت میکند و هوای سرد پایین اتاق جای آن را میگیرد،با تکرار این روند هوای اتاق مدام گرم تر می شود ولی به دلیل عدم وجود فن چرخش هوا کند است.

در هیتر های صنعتی به دلیل وجود فن انتقال حرارت جابجایی از نوع اجباری می باشد(Forced Convection)که طبق جدول بالا حدود ده برابر ضریب انتقال حرارت جابجایی بیشتری دارد و انتقال گرما با سرعت و مقدار بیشتری انجام می پذیرد که این روش را بسیار بهینه تر از روش قبلی می نماید.هم چنین رادیات انتقال گرما طوری طراحی شده که بیشترین سطح درگیری را با باد فن داشته باشد تا انتقال گرمای جابجایی به اوج خود برسد.