Μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή

Σε αυτό το άρθρο «Μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή» τα γεγονότα που σχετίζονται με τη μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή θα είναι συνοπτικά. Χρήσεις μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή σε αντλία, ανεμιστήρα οροφής, συσκευή αναρρόφησης.

Η μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή είναι ένας όρος που είναι μια ταξινόμηση μεταφοράς ή η μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή είναι ένας μηχανισμός που βοηθά στην παραγωγή κίνησης ενός ρέοντος ρευστού εφαρμόζοντας δύναμη από έξω. Σχεδόν παντού χρησιμοποιείται μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή όπως ατμοστρόβιλος, κεντρική θέρμανση και πολλά άλλα.

Τι είναι η μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή;

Παράλληλα με τη θερμική αγωγιμότητα, η φυσική μεταφορά και η θερμική μεταφορά είναι η ταξινόμηση της μεταφοράς της θερμότητας και επίσης επιτρέπουν επαρκή ποσότητα θερμικής ενέργειας που πρέπει να μετασχηματιστεί χωρίς καμία ταλαιπωρία.

Η μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή είναι στην πραγματικότητα μια πολύ ειδική ταξινόμηση της μεταφοράς θερμότητας. Με τη βοήθεια της μεταφοράς θερμότητας εξαναγκασμένης συναγωγής ένα ρευστό είναι εντύπωση ότι μετακινείται από το ένα are σε μια άλλη περιοχή ασκώντας δύναμη από την εξωτερική πλευρά. Σε αυτήν την περίπτωση, η ποσότητα της μεταφοράς θερμότητας είναι μια αύξηση για αυτό είναι ένας άλλος όρος είναι Heat Rises.

Εξίσωση μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή:

Όταν αναλύεται δυνητικά μικτή συναγωγή, σε αυτήν την περίπτωση, η φυσική παράμετρος γνωστή ως Αριθμός Αρχιμήδης.

Στον Αριθμό Αρχιμήδη οι δύο συνθήκες περιλαμβάνουν εξαναγκασμένη μεταφορά και χωρίς σχετική αντοχή. Η εξίσωση μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή δίνεται παρακάτω,

Ar = Gr/Re2

Που,

Ar = Αριθμός Αρχιμήδης

Gr = Αριθμός Grashof

Re = Αριθμός Reynolds

Με τη βοήθεια του αριθμού Grashof η δύναμη άνωσης είναι ρητή και με τη βοήθεια του αριθμού Reynolds η δύναμη αδράνειας είναι ρητή. Έτσι, από την εξίσωση μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή είναι σαφές ότι ο αριθμός του Αρχιμήδη σημαίνει επίσης αναλογία του αριθμού Grashof και τετράγωνο του αριθμού Reynolds.

Όταν η αξία του Ar < < 1 τότε αντιπροσωπεύει την εξίσωση μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή.

Η άλλη φυσική παράμετρος που εκφράζει τη μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή είναι ο αριθμός Peclet. Ο αριθμός Peclet είναι ο λόγος της κίνησης με ρεύμα μέσω της αγωγής και η κίνηση από υψηλότερη σε χαμηλότερη συγκέντρωση σημαίνει διάχυση.

Pe = UL/α

Όταν η τιμή του Pe > > 1 σημαίνει ότι η μεταφορά κυριαρχεί στη διάχυση.

Όταν η τιμή του Pe < < 1 σημαίνει ότι η διάχυση κυριαρχεί στην προσαγωγή.

μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή
Εικόνα – Αναγκαστική μεταφορά από ανεμιστήρα σε μηχανή χιονιού.
Image Credit - Wikipedia

Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή:

Η εξίσωση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή συζητείται παρακάτω:

Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή σε εσωτερική ροή και στρωτή ροή:-

Οι Tate και Sieder δίνουν μια έννοια συσχέτισης για να εξηγήσουν τη στρωτή χλωρίδα στο εφέ εισόδου.

Ένας συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή στην εσωτερική ροή και τη στρωτή ροή μπορεί να εκφραστεί ως:

NuD = 1.86 (Re . Pr)1/3 (D/L)1/3bw})0.14

Που,

D = Εσωτερική διάμετρος

μb = Ιξώδες υγρού της μέσης θερμοκρασίας χύδην

μw= Ιξώδες υγρού στη θερμοκρασία τοιχώματος του σωλήνα

NuD= Αριθμός Nusselt

Re =  Αριθμός Reynolds

Pr = Αριθμός Prandtl

L = Μήκος του σωλήνα

Όταν η στρωτή ροή αναπτυχθεί πλήρως, τότε ο αριθμός Nusselt παραμένει σταθερός και η τιμή του αριθμού Nusselt θα είναι 3.66. Σε αυτή την περίπτωση ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας εξαναγκασμένης συναγωγής στο εσωτερικό ροή και στρωτή η ροή μπορεί να εκφραστεί ως

Nu_D = 3.66 + (0.065 x Re x Pr x D/L)/(1 + 0.04 x (Re x Pr x D/L)2/3

Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή σε εσωτερική ροή και τυρβώδη ροή:-

Όταν σε έναν κυκλικό σωλήνα ρέει υγρό, τότε ο αριθμός Reynolds παραμένει στο εύρος μεταξύ 10,000 και 12,000 και ο αριθμός Prandtl παραμένει στο εύρος μεταξύ 0.7 και 120. Συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή στο εσωτερικό ροή και ταραχώδης η ροή μπορεί να γραφτεί ως,

hd/k = (0.023 jd/μ)0.8 (μ γp/κ)n

Που,

d = Υδραυλική διάμετρος

μ = Ιξώδες ρευστού

k = Θερμική αγωγιμότητα για το χύμα υγρό

cp = Ισοβαρική θερμοχωρητικότητα για τη ρευστή ουσία

j = Ροή μάζας

n = 0.4 για θερμότερο τοίχο από το υγρό χύδην και 0.33 για πιο ψυχρό τοίχο από το υγρό χύδην

Πώς η εξαναγκασμένη συναγωγή επηρεάζει τη μεταφορά θερμότητας;

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή από την ελεύθερη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή είναι ότι μπορεί να αυξήσει μεγαλύτερη ποσότητα μεταφοράς θερμότητας.

Με τη βοήθεια της μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή η ποσότητα της μεταφοράς θερμότητας μπορεί να αυξηθεί με τη βοήθεια της δύναμης που ασκείται από την εξωτερική πλευρά. Οι σχέσεις μεταξύ της μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή και της μεταφοράς θερμότητας είναι ευθέως ανάλογες. Αυξάνοντας την εξαναγκασμένη συναγωγή αυξάνεται επίσης η μεταφορά θερμότητας της πηγής του συστήματος.

Τι επηρεάζει τον συντελεστή μεταφοράς θερμότητας;

Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή εξαρτάται από ορισμένους παράγοντες. Παρατίθενται παρακάτω,

Ταχύτητα ρευστού: -

Η ταχύτητα ρευστού ή η ταχύτητα ροής είναι ένα διανυσματικό πεδίο. Με τη βοήθεια της ταχύτητας του ρευστού η κίνηση ενός ρέοντος ρευστού μπορεί να προσδιοριστεί σε μαθηματική μορφή. Η συνολική ποσότητα μήκους της ταχύτητας του ρευστού προσδιορίζεται ως ταχύτητα ρευστού. Η ταχύτητα ροής στα ρευστά είναι το διανυσματικό πεδίο που παρέχει την ταχύτητα των ρευστών σε μια συγκεκριμένη στιγμή και θέση.

Ο τύπος της ταχύτητας του ρευστού δίνεται παρακάτω:

Q = vA

Που,

Q = Ογκομετρικός ρυθμός ροής της υγρής ουσίας

V = Ταχύτητα της υγρής ουσίας

A = Επιφάνεια διατομής του ανοιχτού συστήματος

Πυκνότητα υγρού: -

Από το νόμο της μετατροπής της μάζας παίρνουμε μια σαφή αντίληψη για την πυκνότητα του ρευστού. Η μετατροπή των ρυθμών ροής μάζας δηλώνει ότι η ποσότητα της μάζας ενός συγκεκριμένου αντικειμένου δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. Η μάζα ενός σώματος μετριέται με την ισορροπία του μοχλού.

Η πυκνότητα του ρευστού μπορεί να οριστεί ως το, ένα αντικείμενο που περιέχει μάζα είναι σταθερό σε τυπική θερμοκρασία και πίεση.

Ο τύπος της πυκνότητας του ρευστού δίνεται παρακάτω:

ρ = m/v

Που,

ρ = Πυκνότητα υγρού

m = Μάζα του ρευστού

v = Όγκος του ρευστού

Η μονάδα SI της πυκνότητας του ρευστού είναι χιλιόγραμμο ανά κυβικό μέτρο

Artsy στήλη πυκνότητας
Εικόνα – Διαβαθμισμένος κύλινδρος που περιέχει διάφορα μη αναμίξιμα, διάφορα χρωματιστά υγρά με διαφορετικές πυκνότητες.
Image Credit - Wikipedia

Θερμική αγωγιμότητα:-

Η θερμική αγωγιμότητα δηλώνει ότι ο ρυθμός με τον οποίο η θερμότητα μεταφέρεται μέσω ενός δεδομένου υλικού είναι ανάλογος της αρνητικής τιμής της βαθμίδας θερμοκρασίας. Και είναι επίσης ανάλογο με την περιοχή μέσω της οποίας ρέει η θερμότητα, αλλά αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ των δύο ισοθερμικών επιπέδων.

Ο τύπος της θερμικής αγωγιμότητας δίνεται παρακάτω:

K = Qd/AΔT

Που,

K = Θερμική αγωγιμότητα και μονάδα είναι

Q = Η ποσότητα της μονάδας μεταφοράς θερμότητας είναι Joules/second ή Watts

d = Η απόσταση από τα δύο επίπεδα της ισοθερμικής μονάδας είναι  

A = Το εμβαδόν της μονάδας επιφάνειας είναι τετραγωνικά μέτρα

ΔT = Η μονάδα διαφοράς θερμοκρασίας είναι Kelvin

Απλός ορισμός της θερμικής αγωγιμότητας
Εικόνα – Η θερμική αγωγιμότητα μπορεί να οριστεί ως προς τη ροή θερμότητας q σε μια διαφορά θερμοκρασίας?
Image Credit - Wikipedia

Δυναμικό ιξώδες του ρευστού:

Το δυναμικό ιξώδες του ρευστού μπορεί να προκύπτει ως η αναλογία μεταξύ της διατμητικής τάσης προς τη διατμητική τάση. Η μονάδα του δυναμικού ιξώδους του ρευστού είναι το Pascal. Με τη βοήθεια του δυναμικού μπορούμε εύκολα να καταλάβουμε ποιο προϊόν πόσο παχύ και πώς μπορεί το ρευστό να ρέει σε μια κίνηση, μέσω του ιξώδους μπορούμε να αναγνωρίσουμε τη συμπεριφορά του ρευστού.

Ο τύπος του δυναμικού ιξώδους του ρευστού δίνεται παρακάτω:

η = T/γ

Που,

η = Δυναμικό ιξώδες του ρευστού

T = Διατμητική τάση

γ= Ρυθμός διάτμησης

Ιξώδες 1
Εικόνα – Προσομοίωση υγρών με διαφορετικά ιξώδη. Το υγρό στα αριστερά έχει χαμηλότερο ιξώδες από το υγρό στα δεξιά.
Image Credit - Wikipedia

Ειδική θερμότητα: -

Η ειδική θερμότητα μπορεί να προκύψει ως: η ποσότητα θερμότητας που χρειάζεται για να αυξηθεί η θερμοκρασία ενός γραμμαρίου ύλης κατά ένα βαθμό Κελσίου. Οι μονάδες της ειδικής θερμότητας είναι όπως θερμίδες ή τζάουλ ανά γραμμάριο ανά βαθμό Κελσίου.

Η ειδική θερμότητα είναι επίσης γνωστή ως μαζική θερμοχωρητικότητα. Για παράδειγμα, η ειδική θερμότητα του νερού είναι 1 θερμίδα (ή 4.186 τζάουλ) ανά γραμμάριο ανά βαθμό Κελσίου.

Ο τύπος της ειδικής θερμότητας του ρευστού δίνεται παρακάτω,

Q = mcΔ T

Που,

Q = Θερμική ενέργεια

m = Μάζα του ρευστού

c = Ειδική θερμοχωρητικότητα

ΔT= Μεταβολή θερμοκρασίας

Θερμοκρασία νερού έναντι προστιθέμενης θερμότητας.svg
Εικόνα – Γράφημα θερμοκρασίας φάσεων νερού που θερμαίνεται από -100 °C έως 200 °C – το παράδειγμα διακεκομμένης γραμμής δείχνει ότι η τήξη και η θέρμανση 1 kg πάγου στους -50 °C σε νερό στους 40 °C χρειάζονται 600 kJ.
Image Credit - Wikipedia

Πώς να βρείτε συντελεστής μεταφοράς θερμότητας για αέρα;

Οι κοινές μονάδες που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση του συντελεστή μεταφοράς θερμότητας για τον αέρα παρατίθενται παρακάτω:

  1. 1 W/(m2Κ) = 0.85984 kcal/(hm20 C) = 0.1761 Btu/(ft2 h 0 F)
  2. 1 kcal/(hm20 C) = 1.163 W/(m2K) = 0.205 Btu/(ft2 h 0 F)
  3. Btu/hr – ft2 -0 F = 5.678 W/(m2Κ) = 4.882 kcal/(hm20 C)

Μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή μέσω σωλήνα:

Όταν σε έναν κυκλικό σωλήνα ρέει υγρό, τότε ο αριθμός Reynolds παραμένει στο εύρος μεταξύ 10,000 και 12,000 και ο αριθμός Prandtl παραμένει στο εύρος μεταξύ 0.7 και 120.

Ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή στην εσωτερική ροή και την τυρβώδη ροή μπορεί να γραφτεί ως:

hd/k = 0.023 (jd/μ)0.8 (μ γp/κ)n

Που,

d = Υδραυλική διάμετρος

μ= Ιξώδες ρευστού

k = Θερμική αγωγιμότητα για το χύμα υγρό

cp = Ισοβαρική θερμοχωρητικότητα για τη ρευστή ουσία

j = Ροή μάζας

n = 0.4 για θερμότερο τοίχο από το υγρό χύδην και 0.33 για πιο ψυχρό τοίχο από το υγρό χύδην

Οι ιδιότητες του ρέοντος ρευστού είναι απαραίτητες για την εφαρμογή στη μέθοδο της εξίσωσης και μπορούν να υπολογιστούν σε θερμοκρασία όγκου για αυτό το λόγο μπορεί να αποφευχθεί η επανάληψη.

Εφαρμογή μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή:

Η εφαρμογή της μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή παρατίθεται παρακάτω:

  1. Απομάκρυνση θερμότητας
  2. Προσομοίωση ψύκτρας
  3. Θερμική βελτιστοποίηση
  4. Μελέτες ευαισθησίας στη θερμότητα
  5. Προσομοίωση ηλεκτρικού ανεμιστήρα
  6. Ψύξη θήκης υπολογιστή
  7. Σχεδιασμός συστήματος ψύξης
  8. Σχεδιασμός συστήματος θέρμανσης
  9. Κεντρική μονάδα κατοχής με ανεμιστήρα
  10. Υδροψύκτη κεντρική μονάδα κατοχής
  11. Προσομοίωση πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος

Παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή:

Παραδείγματα μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή παρατίθενται παρακάτω:

  1. Σύστημα κλιματισμού
  2. Φούρνο με αέρα
  3. Αντλία
  4. Συσκευή αναρρόφησης
  5. Ανεμιστήρας οροφής
  6. Μπαλόνι θερμού αέρα
  7. Ψυγείο
  8. Ψυγεία αυτοκινήτου

Διαφορά μεταξύ ελεύθερης και εξαναγκασμένης μεταφοράς θερμότητας με συναγωγή:

Τα κύρια σημεία διαφοράς μεταξύ ελεύθερης και εξαναγκασμένης μεταφοράς θερμότητας συναγωγής δίνονται παρακάτω:

ΠαράμετροςΔωρεάν μεταφορά θερμότητας με συναγωγήΜεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή
ΟρισμόςΗ ελεύθερη μεταφορά θερμότητας με συναγωγή εμφανίζεται για διαφορά πυκνότητας μεταξύ του ρευστού υψηλότερης θερμοκρασίας και του ρευστού χαμηλότερης θερμοκρασίας.Με τη βοήθεια της εξαναγκασμένης μεταφοράς μεταφοράς θερμότητας ένα ρευστό είναι η εντύπωση ότι μετακινείται από τη μια περιοχή στην άλλη με την εφαρμογή δύναμης από την εξωτερική πλευρά
Εφαρμογή1. Εναλλάκτη θερμότητας
2. Πτερύγια αεριοστροβίλου
3. Ηλιακός θερμοσίφωνας
4. Πυρηνική σχεδιασμός αντιδραστήρα
5. Μόνωση καμπίνας αεροσκαφών
1. Σύστημα κλιματισμού
2. αντλία
3. Συσκευή αναρρόφησης
4. Ανεμιστήρας οροφής  
Ρυθμός μεταφοράς θερμότηταςΧαμηλή ταχύτητα μεταφοράς θερμότητας για ελεύθερη μεταφορά θερμότηταςΥψηλός ρυθμός μεταφοράς θερμότητας για εξαναγκασμένη μεταφορά θερμότητας
Εξωτερικός εξοπλισμόςΔεν χρειάζεταιΑπαιτείται
Κίνηση σωματιδίωνΑργάΚουνήσου γρηγορότερα
Μέγεθος εξοπλισμούΤο μέγεθος του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στη μεταφορά θερμότητας ελεύθερης μεταφοράς είναι μεγαλύτερο.Το μέγεθος του εξοπλισμού που χρησιμοποιείται στη μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή είναι μικρότερο.
Ροή μορίωνΜη ελεγχόμενοΕλεγχόμενη
Συντελεστής μεταφοράς θερμότηταςμείονΨηλά
Κίνηση των μορίωνΓια το λόγο της διαφοράς θερμοκρασίας και πυκνότητας εργασία μεταφοράς θερμότητας χωρίς συναγωγή.Για το λόγο της ασκούμενης δύναμης εφαρμόστε εργασία μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή.

Πώς λειτουργεί η μεταφορά θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή;

Εργασία μεταφοράς θερμότητας με εξαναγκασμένη συναγωγή όταν η περιοχή της αέριας ουσίας ή της υγρής ουσίας αντιμετωπίζει υψηλότερη θερμοκρασία ή χαμηλότερη θερμοκρασία συγκριτικά με μεγαλύτερη από τη γειτονική τους θερμοκρασία και προκαλεί διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του συστήματος και της γειτονικής θερμοκρασίας.

Το κενό θερμοκρασίας κάνει τους χώρους να μετακινούνται καθώς όσο υψηλότερη θερμοκρασία αυξάνεται ο λιγότερο πυκνός χώρος και η χαμηλότερη θερμοκρασία βυθίζεται πιο πυκνός χώρος.