Дәрістер Модул 1. Жылуөткізгіштік

2 Дәрістер

Модул 1. Жылуөткізгіштік

Дәріс 1

2 Жылу өткізгіштік. Фурье заңы

3 Жылуөткізгіштік коэффициентінің физикалық мәні

4 Конвекция. Ньютон заңы

5 Жылу беру коэффициенті

6 Жылудың бір қабатты және көпқабатты жазық қабырғалар арқылы берілуі

7 Жылудың бір қабатты және көпқабатты цилиндр қабырғалары арқылы берілуі

8 Жылудың шар тәріздес қабырғалар арқылы берілуі

Әртүрлі температудағы денелерде жылу энергиясының бірінен екіншісіне өтуі жылуалмасу процессі деп аталады.

Жылу алмасу процесстерінің қозғаушы күші - ыстық және суық денелердің температуларының айырмасы болып табылады. Бұл қозғаушы күштің әсерінен термодинамиканың екінші заңына байланысты жылу ыстық денеден суық денеге өздігінен өтеді. Денелер арсындағы жылу алмасу еркін электрондар , атомдар және молекулалардың өзара энергия алмасуы арқасында болады. Жылу алмасуда қатынасатын денелерді жылу тасымалдағыштар деп атайды.

Жылуөту – жылу тарату процесстері жөніндегі ғылым. Жылу процесстеріне төмендегілер жатады: ысыту, суыту, конденсациялау және буландыру. Көптеген масса алмасу (Мысалы, айдау, суыту, кептіру т.б) және химиялық процесстердің өтуінде бұл процесстердің маңызы үлкен.

Жылу таратудың негізгі үш түрлі тәсілі бар: жылуөткізгіштік, жылулы сәуле шығару, конвекция.

Бірлік уақытында тасымалданатын жылуды жылулық ағын деп атайды. Оны белгілеп, Дж/с(Вт)–пен өлшейді.

Дененің беттік бірлігіне кететін жылулық ағын ағынның беттік жылулық тығыздығы деп аталады. Өлшем бірлігі Вт/м². Ағынның беттік жылулық тығыздығы мына формуламен анықталады:

,

(1)

Бір-біріне тиісіп тұратын өте кіші бөлшектердің тәртіпсіз қозғалысының нәтижесінде жылу өту процессі - жылу өткізгіштік деп аталады. Бұл қозғалыс газдар және тамшымалы сұйықтарда молекулалардың қозғалысы қатты денелерде кристалдық тордағы атомдардың тербелісі немеесе металдардағы еркін электрондар диффузиясы болуы мүмкі. Қатты денелердің жылу таратуының негізгі түрі жылу өткізгіштік болып табылады.

Газ немесе сұйық көлемінің әртүрлі нүктелеріндегі температуралар аыйрмашылығы салдарынан осы нүктелердегі тығыздықтар айырмасының нәтижесінде болатын жылу алмасуды еркін немесе табиғи конвекция деп атайды. Газ немесе сұйық көлемінің әртүрлі еріксіз қозғалысы (мысалы, насосо, компрессор жәрдемімен немесе араластырғышпен араластырғанда) салдарынан жылу алмасуды еріксіз конвекция деп атайды.

Ыстық газдан (сұйықтан) суық газға (сұйыққа) оларды бөліп тұрған қатты қабырға немесе бет арқылы жылу өту күрделілеу болады. Бұл процесті жылу өту деп атайды. Үздіксіз әрекетті аппараттарда әртүрлі нүктелердегі температура уақыт бойынша өзгермейді, мұндай аппараттардағы процес қалыптасқан (стационарлы) болады. Мерзімді әрекетті аппараттарда температура уақыт бойынша өзгереді. (Мысалы, ысытқанда немесе суытқанда), яғни жылу алмасу процесі қалыптаспаған (стационарлы емес)болады.

,

(2)

немесе жылулық ағынның тығыздығы үшін:

,

(3)

Сонымен, - ның мәні заттың табиғатына, структурасына, ылғалдылығына, температурасына т.б факторларға байланысты болады.

Газдардың жылуөткізгіштік коэффициенті 0,00620,165 Вт/мк аралығында болады. Температура көбейгенде  көбейеді.  тек жоғарғы (2000 атм.) және өте төменгі (0.03 атм.) қысымдарда өзгереді.

Газдардың жылуөткізгіштік коэффициентін төмендегі формуламен есептеуге болады:

,

(4)

мұндағы, – газдың динамикалық тұтқырлығы, Пас;

Сұйықтардың жылуөткізгіштік коэффициенті 0,1 0,7 Вт/мк аралығында болып температура көбейген сайын азаяды. Сұйықтар үшін -ны төмендегі формуламен есептеуге болады:

,

(5)

мұндағы, – сұйықтың тұрақты қысымдағы меншікте жылу-сыйымдылығы, Дж/кг К;

Жылу өткізгіштік () материалдардың кезектілігіне және ылғалдылығына байланысты. Ылғал материалдар үшін  құрғақ материалдарға қарағанда көп кезектілік  ны азайтады, себебі кезек арасындағы ауаның - сы аз. Ылғал материалдар үшін  құрғақ материалдарға қарағанда көп кезектілік  ны азайтады, себебі кезек арасындағы ауаның - сы аз.

Ортаның турбулентті қозғалысында ағын ядросындағы жылуалмасуы механизмі турбуленттік толқысулық салдарынан болатын араласудың қарқындылығымен сипатталады. Турбулентті толқысулық ядродағы температулардың мәнінің кейбір орташа t – ге дейін теңесуін қамтамасыз етеді. Сондықтан, ядродағы жылуалмасу ең алдымен тасымалдағыштың қозғалыс сипатымен анықталады. Қабырғаға жақындаған сайын жылу берудің қарқындылығы төмендейді. Қабырға жанында қалыңдығы  - ға тең жылулы шекаралық қабат т.б. Бұл қабат гидродинамикалық шекаралық қабатқа ұқсас болады, бірақ олардың қалыңдығы әртүрлі.

Конвекция жылуалмасу механизмнің өте күрделілігіне байланысты жылу беруді есептеу қиын. Қабырғадан сұйыққа (немесе сұйықтан қабырғаға) берілген жылу шамасын дәл есептеу үшін қабырға жанындағы температуралық градиентті және бет бойынша жылу тасымалдағыштың температуралық өзгеруін білу керек. Бұларды анықтау өте қиын.

Сондықтан, жылуберудің есептеуін жеңілдету үшін оның негізіне Ньютонның суыту заңын пайдаланады. Бұл заң бойынша: жылуалмасу бетінен сұйыққа (немесе керісінше сұйықтан қатты дене бетіне) берілген жылу мөлшері (dQ) қабырға бетіне (df) қабырға мен сұйықтың температураларының айырмасына (tқ-tс) және уақытқа (d) тура пропорционал:

,

(6)

мұндағы,  - жылуберу коэффициенті деп аталады. Жылуберу коэффициентінің мәні қабырға мен қоршаған орта (тамшылы сұйық немесе газ) арасындағы жылу алмасудың қарқындылығын сипаттайды. Оның  өлшем бірлігі Вт/м²к.

Қарапайым және көп тараған тапсырма ретінде жылу тығыздығының ағынын анықтау болып табылады. Қабырға беттеріндегі температуралар және қабырғаның қалыңдығы болатын жазық қабырғада өтетін жылу ағынының тығыздығы , Вт/м², мына төмендегі формуламен анықталады.

,

(1)

немесе жылулық ағынының қуаты үшін , Вт:

.

(2)

Бұл формула жылулық есептеулерде өте кең таралған. Бұл формула тегіс жазық қабырғалар үшін ғана пайдаланылмайды, сонымен қатар, күрделі қабырғалар қабаты үшін де қолданылады.

Тегіс жазық көпқабатты қабырғалар үшін мына формуламен қолданады:

.

(3)

Цилиндрлық қабырғалар құбырлар арқылы берілетін, жылу тасмалдағыштар құбырлар арқылы жиі қозғалады және құбырдың цилиндрлік қабырғасы арқылы берілетін жылу ағынын есептеу қажет болады.

Бірқабатты цилиндрлық қабырғалар арқылы өтетін жылу ағыны , Вт мына формуламен анықталады:

.

(4)

Көп қабатты цилиндрлік қабырға үшін:

.

(5)

Шар тәріздес қабырғалар үшін , Вт мына формула арқылы анықталады:

.

(6)

Жылуалмасу; жылуалмасу процесі; жылу таратудың негізгі тәсілдерін; жылуөткізгіштік; жылуөткізгіштік коэффициенті; Фурье заңының; Ньютон формуласын; көпқабатты жазық қабырғалар; цилиндрлік бір және көпқабатты қабырғалар; жазық қабырғалар; термиялық кедергі; шар тәріздес бет; жылу ағыны.

1 Жылу алмасу процесі дегеніміз не?

2 Жылу алмасу процесінің негізгі қозғаушы күшін қалай табады?

3 Жылу таратудың негізгі тәсілдерін атаңыз

4 Жылуөткізгіштік деп нені айтады

5 Фурье заңының формуласын жазыңыз

6 Жылуөткізгіштік коэффициенті нені сипаттайды?

7 Ньютон формуласын жазыңыз

8 Жылу өткізгіштік үшін бір және көпқабатты жазық қабырғалар арқылы өтетін жылу ағынының формуласын жаз.

9 Цилиндрлік бір және көпқабатты қабырғалар арқылы өтетін жылу ағынының формуласын жаз

10 Температуралардың жазық қабырғалар қалыңдығы рақылы өтуі қай заңмен реттеледі.

11 Қабырғалардың жылу өтімділігі дегеніміз не ?

12 Термиялық кедергі дегеніміз не?

13 Шар тәріздес беттен өтетін жылу ағынының формуласын жазыңыз.

2 Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача». – М.: Высшая школа, 1980. – б.3-15

3 Асамбаев А.Ж. «Техникалық термодинамиканың негіздері» - 2006. – б.4-16

4 Баскаков Б.В., Берг О.К., Витт и др. «Теплотехника» - М.: Энергоатомиздат., 1991. – б. 4-11, б. 40-41

5 Энергетиканың электрондық энциклопедиясы.

Модул 1. Жылуөткізгіштік