Жылуалмастыру

Жылуды бір объектіден екінші объектіге ауыстырып берудің үш жолы бар: жылуөткізгіштік арқылы; конвекция арқылы және сәулелік энергия арқылы. Осы жылуалмастыру әдістерінің механизмі әртүрлі, бір-біріне келіспейді:

- жылу өткізгіштік деп қатты денелердің бір-бірімен әрекетке кіріп жылу энергиясын бір-біріне беру процесін атайды.Ол үшін денелердің температурасы әртүрлі болуы керек;

- конвекция сұйық және газдарда жүзеге асатын процесс, жылу конвекцияда сұйық және газ тәрізді денелердің кеңістікте қозғалып массасын ауыстыру арқылы орындалады;

- сәулелік жылу алмастыру деп жылу энергиясы электрмагниттік толқын түрінде ауысатын жағдайды атайды.

Өндірістік процестерде, тұрмыстық және табиғаттық жағдайларда жылу алмастыру процестер үш түрге бірдей кездеседі. Сондықтанда осы түрінде бірдей зерттеген жөн.

3.1. Стационарды режимдегі жылуөткізгіштік

Жылуөткізгіштіктің негізгі заңы – Фурье заңы деп саналады. Фурье заңы эксперимент арқылы алынған.Осы заң бойынша берілген жылу мөлшері келесі теңдеу арқылы есептеледі:

(3.1)

мұндағы жылу ағынының тығыздығы,Вm/м²;

жылуөткізгіштік коэффициенті.

Минус белгісі жылу ағынымен температура градиенті бір- біріне қарсы бағытта ауысатынын көрсетеді.Жылуөткізгіштік коэффициенті заттардың жылу өткізу қабілетін анықтайтын физикалық қасиет.

Жылуөткізгіштік коэффициенттің физикалық мағынасы- температуралық

градиент grad t^ο = болған жағдайда изотермиялық беттіктен белгілі уақытта

өткен жылу мөлшерін көрсетеді:

(3.2)

коэффициентінің маңызы көптеген факторларға байланысты: заттың

жаратылысы, құрылысы, құрамы, тығыздығы, ылғалдығы, қысымы,

температурасы т.б.

Жылу өткізгіштік коэффициентін есептегенде немесе қажетті затты

тандағанда анықтама кестелерде келтірілген мәліметтер арқылы физикалық

параметрлерге сәйкес болғандығын ескеру керек.Пайдалану саласында

коэффициенті заттың температурасына байланысты. Осы себептен келесі

эмпириялық теңдеуді пайдалануға болады:

, (3.3)

мұндағы температура болған жағдайдағы жылуөткізгіштік

коэффициенті. Көптеген жағдайда

t – пайдаланған температура;

b – заттың жаратылысына байланысты коэффициент.

Дененің жылулық жағдайы немесе қызу дәрежесі температуралық өріспен

анықталады.

Температуралық өріс деп аталатын белгіленген уақытта таңдалған беттіктің әр нүктесіндегі температура маңызының жиынтығы.Температуралық

өрісті келесі түрде көрсетуге болады:

, (3.4)

мұндағы х,у,z- ағынды координаттар;

уақыт.

Егер температура уақытқа байланысты болып өзгерсе мұндай

температуралық өріс тұрақсыз деп аталады (стационарды емес). Пайдалану

режимді – тұрақсыз режим деп атайды. Егерде температура уақытқа байланысты болмаса температуралық өрісті тұрақты немесе стационарды деп атайды, ал жүзеге асатын процесс стационарды процесс деп аталады.

Фурье заңы жылу ауысу процесінің негіздерін анықтайды.Қажетті есепті шешу үшін дененің температуралық өрісін, формасын және өлшемдерін білу керек. Мұндай мәліметтер процестің шекті жағдайлары деп аталады. Жылу ауысу процесінің шекті жағдайлары үш түрлі әдіспен көрсетіледі:

1 түрді шекті жағдайлар - әр уақытта дененің беттігінде температура өрісі

беріледі;

2 түрді шекті жағдайлар - әр уақытта дененің әр нүктесінде жылу ағынының

тығыздығы көрсетіледі;

3 түрді шекті жағдайлар – денені қоршаған ортаның температурасы және

жылу алмастыру заңы беріледі.

3.1.1 Әр түрлі формалы беттіктердің жылуөткізгіштігі

- жалпақ көпқабатты ірге:

(3.5)

мұндағы іргенің ішкі және сыртқы беттігінде температура;

қабатының қалыңдығы;

қабатының жылуөткізгіштік коэффициенті.

Жалғыз қабатты жалпақ іргеге жоғарыда келтірілген теңдеу келесі түрде

ауысады:

(3.6)

іргенің жылу өткіздіру қабілеті,ал іргенің жылуға кедергісі деп аталады. Жылутехникалық есептерде көрсетілген екі өлшем бірдей пайдалынады. Көптеген есептерде көпқабатты іргедегі әр беттіктің температурасын анықтау керек, немесе ірге ішіндегі температурасын анықтау керек.(3- сурет).

3.1- сурет. Көпқабатты жалпақ іргеде температураның таралуы

a,б,с- көпқабатты іргенің бөлек қабаттары;

әр қабаттың жылуөткізгіштік коэффиценттері;

әр қабаттың қалыңдығы;

әр қабаттың беттік температурасы;

кездейсоқ температура.

(3.7)

- цилиндр тәрізді бір қабатты ірге

(3.8)

мұндағы цилиндр тәрізді іргенің (құбырдың) сыртқы және ішкі диаметрі. Көп қабатты цилиндр тәрізді іргеге келесі түрде жазылады:

(3.9)

Цилиндр тәрізді ірге ішіндегі температурасын анықтау үшін:

(3.10)

мұндағы ағынды координата.

- шар тәрізді ірге.

Шар тәрізді іргеден өткен жылу ағынының мөлшері келесі теңдеуден анықталады:

(3.11)

Осы теңдеуден шар тәрізді ішіндегі температура тарауының теңдеуін анықтауға болады:

(3.12)

мұндағы ағынды координата.

Жоғарыда келтірілген теңдеулер тек қана температураға байланысты болмаған жағдайда пайдаланады. Егерде жылуөткізгіштік коэффиценті температура өзгерген кезде өз мөлшерін өзгертетін болса жылуауысу процестерін есептеуге қосымша коэффициенттер керек. Көптеген жағдайларда қарапайым есеп жүргізу үшін байланысын тұрақты деп алуға болады.