:ﻢﯿﻧاﻮﺧ ﯽﻣ ﻞﺼﻓ ﻦﯾا رد ﻪﮐ ﯽﺒﻟﺎﻄﻣwp.kntu.ac.ir/mojra/HT1-chap1.pdf:ﻢﯿﻧاﻮﺧ ﯽﻣ ﻞﺼﻓ ﻦﯾا رد ﻪﮐ ﯽﺒﻟﺎﻄﻣ

*

:مطالبی که در این فصل می خوانیم

مقدمه اي بر مفهوم فیزیکی پدیده انتقال حرارت

انتقال حرارت و ترمودینامیک؟

مکانیزمهاي متداول در انتقال حرارت رسانایی(Conduction) جابجایی(Convection) تابش(Radiation)

Chapter1: Basics of Heat Transfer Dr. Afsaneh MojraChapter1: Basics of Heat Transfer Dr. Afsaneh Mojra

1/101

در مهندسیحرارتمثال هایی از کاربرد پدیده انتقال

Thermographyof the Whole body


2/101


Thermography of a brain tumor Thermography image of the head beforeand after a phone call


3/101


Thermal contours of the fins in a rotary system


4/101


Thermal contours ofthe fluid passing through acylindrical system


5/101


Thermal contours of thewhole human body. Humanbody acts as a heat sink.


6/101


• Cooling Mechanism of Human Body


7/101


بررسی توزیع دما در دو سیستم گرمایشی متفاوت در یک اتاق بسته(ventilationsystem)

توزیع یکنواخت دما در سیستم گرمایشی کفی و کاهش پرت انرژي


8/101


Sleeping and resting individuals lose about 25% of their heat throughrespiration (a combination of convection and evaporation) andinsensible perspiration from the skin (evaporation). The remaining 75%is dry heat loss from the body surface. Sleeping bags slow ThermalConduction by trapping dead air as a thermal barrier between your bodyand the environment.


Heat Transfer in aSleeping Bag

Heat Transfer in aSleeping Bag

9/101



Thermal contoursof the wholehuman body indifferent outdoorconditions

Thermal contoursof the wholehuman body indifferent outdoorconditions

10/101


Temperature profile in the shell-side, and along one of the tubes in aheat exchanger.


11/101


Keypad in idle state - in visible light (left) and in thermal imaging(right). Minimal ambient temperature variations are present due todifferent thermal characteristics of materials used in the safe.


12/101


A sequence of keys is being pressed (1-5-9). The difference in colors onthe right is due to IR camera automatically adjusting to relatively hightemperature of human body, to avoid overexposure and blooming.


13/101


Code entry complete. All pressed keys are still clearly readable inthis thermogram; the sequence of digits can be inferred from therelative temperature of these spots - ones with lower registeredtemperature (more faint color) were pressed earlier than others.


14/101


از کل انتقال حرارت بدن از کف پا % 4بیش از (کانتورهاي انتقال حرارت از کف پا.)صورت می گیرد


15/101


Three-dimensional modelof an “Electro Resistance furnace”


16/101


• FEM heat transfer modeling


17/101



18/101


• Physiological Thermoregulation


19/101

انرژي، صورت هاي مختلف انرژي و تغییرات آن

:شکل هاي متداولی از انرژي عبارتند از. در طبیعت انرژي به اشکال مختلف وجود دارد•انرژي حرارتی•انرژي مکانیکی•انرژي جنبشی•انرژي پتانسیل•انرژي الکتریکی•انرژي مغناطیسی•انرژي شیمیایی•...انرژي هسته اي و •

(e=E/M). نشان داده می شودEانرژي یک سیستم مجموع همه این اشکال می باشد و با •نامدرونیانرژيباشد،میسیستممولکولیساختارانرژيبهمربوطکهانرژيازصورتی•

Uباودارد (u=U/M)شودمیدادهنشان.:انرژيواحد•

• International system: Joule; English system: Btu (British thermal unit)


20/101


مقدمه اي بر مفهوم فیزیکی پدیده انتقال حرارت= + ( )• Kinetic energy is related to the average velocity and the degree of activity

of the molecules which are proportional to the temperature.

• potential energy is related to the intermolecular forces and is strongest insolids and weakest in gases

اگر انرژي کافی به سیستم داده شود، نیروي بین مولکولی شکسته شده و ماده تغییر فاز می •در اینحالت سیستم در فاز جدید .) مثال از حالت جامد به مایع یا گاز تبدیل می شود. (دهد


↑⇒ ↑⇒ ↑↑⇒ ↑⇒ ↑

21/101


.شودمیگفتهپنهانانرژيانرژي،اینبه.داردقبلیفازبهنسبتباالتريانرژيداراي

اما.باشدمیاستفادهقابلساکنسیالسیستمهايبرايدرونیانرژيتعریفاینوجنبشیانرژيترمهايبهدیگريترمباشد،جاريسیالیکماسیستمچنانچه

.استسیالجریانانرژيمیزانبیانگرکهشودمیاضافهمولکولیپتانسیل.باشدمی(h)آنتالپیکهداشتخواهددیگرينامکلانرژيمجموعدراینصورت


22/101


مقدمه اي بر مفهوم فیزیکی پدیده انتقال حرارت = + : ; : & :

پس از آشنایی مختصري با مفهوم انرژي، به ارتباط میان انرژي و گرادیان دما که اساس. پدیده انتقال حرارت می باشد، خواهیم پرداخت

• Specific heat is defined as the energy required to raise thetemperature of a unit mass of a substance by one degree


Specific Heats of Gases, Liquids, and SolidsSpecific Heats of Gases, Liquids, and Solids

23/101



SpecificHeats

SpecificHeats

at constant pressure(Cp)

at constant pressure(Cp)

at constant volume(Cv)

at constant volume(Cv)

>>24/101


در فشار ثابت به سیستم اجازه انبساط داده می شود و در نتیجه انرژي مورد نیاز : دلیلنه تنها براي افزایش دماي سیستم است بلکه مقداري نیز بصورت کار الزم براي افزایش

. حجم سیستم مورد نیاز است


For ideal gas: Cp=Cv+RFor ideal gas: Cp=Cv+R

∝ &∝ &: ∝: ∝

: ⇢: ⇢25/101


براي گاز ایده آل:

می توان این رابطه را بصورت زیر تقریب زد:


26/101


اغلب سیاالت و جامدات(:ماده غیر قابل تراکمبراي(

• where C is the average specific heat evaluated at the average temperature.


≁ &≅ ≅≁ &≅ ≅

27/101

انتقال انرژي

:مهمتعاریفحرارتیانرژي(Thermal Energy):ومولکولهامیکروسکپیرفتاربهکهمادهانرژي

)J/KgواحدUنماد(.میباشدمرتبطمستقیماجسمدمايباواستوابستهمادهاتمهايدما(Temperature):جسمیکحرارتیانرژيمیزاندادننشانبرايکهکمیتی

KواحدTنماد(میشودتعریف or C(حرارتانتقال(Heat Transfer):میدمااختالفدلیلبهانرژيحرکتیاتبادلبه

.گویندحرارت(Heat):گویندرامعینزمانیبازهیکدرشدهمنتقلحرارتیانرژيمقدار.

)JواحدQنماد(حرارتنرخ(Heat Rate):گفتهزمانواحددرشدهمنتقلحرارتیانرژيمقداربه

J/sواحد̇نماد(.میشود or W(


28/101


• For the special case of ̇ constant, the equation above reduces to

حرارتشار(Heat Flux):بروزمانواحددرشدهمنتقلحرارتیانرژيمقداربه.میشودگفتهسطحواحد


29/101



30/101



31/101

انتقال حرارت و ترمو دینامیک

ترمودینامیک :

محیطوسیستمبینحرارتوکارتبادلطریقازانرژيانتقالوتبادلترمودینامیکدر•باشندمینظرموردوانتهاییابتداییشرایطعملایندرمعموال.گیردمیقراربررسیمورد

.گیردنمیقراربحثموردانتقالنرخیاوانتقالایننحوهو

:شوددادهپاسخزیرسواالتبهکهاستاینبرسعیحرارتانتقالدرسدر•چیست؟حرارتانتقال•حرارت چگونه منتقل می شود؟•چرا مطالعه انتقال حرارت مهم است؟•


EquilibriumState 1

EquilibriumState 2

Q (W)Q (W)

32/101


Interest: how long it takes for the hot coffee to cool down?پاسخ به این مسأله از طریق

روش هاي آنالیز در ترمودینامیک .امکان پذیر نمی باشد

در انتقال حرارت بررسی می کنیم:نرخ حرارت تبادل یافته . 1و) میزان حرارت و زمان مورد نیاز(تغییرات دما در طی این پروسه. 2


33/101

با حاالت تعادل سیستم سر و کار دارد: ترمودینامیک .(Equilibrium States)با سیستمهایی سر و کار دارد که از حالت تعادل خارج شده اند: انتقال حرارت .

(Nonequilibrium States)

با این وجود قوانین ترمودینامیک اساس علم انتقال حرارت هستند؛ ابتدا به توضیح:مختصر قانون اول و دوم ترمودینامیک می پردازیم

شکلبهشکلیازبلکهبردبینازتواننمیراانرژي.استانرژيبقاياصلاولقانون.شودمیتبدیلدیگر

• The first law of thermodynamics, also known as the conservation ofenergy principle, states that energy can neither be created nor destroyed;it can only change forms.



34/101


قانون اول ترمودینامیک براي یک سیستم:

کار، حرارت و انتقال جرم: صورت انرژي ورودي یا خروجی از سیستمEnergy Balance


35/101


مقدار انرژي درونی سیستم با زمان تغییر نکند(براي حالت پایدار(

• In the absence of significant electric, magnetic, motion, gravity, andsurface tension effects (i.e., for stationary simple compressible systems):

معادلهوکنیممیصرفنظرحرارتازغیربهانرژياشکالازحرارت،انتقالمبحثدر•:آیدمیدرزیرصورتبهانرژيباالنس


36/101


در آن وجود ندارد) جریان(براي یک سیستم بسته که انتقال جرم:


37/101


باز داراي جریانبراي یک سیستم :(Steady-Flow Systems)

• Total energy content of a control volume during a steady-flow processremains constant (Ecv= constant).


38/101


• A surface contains no volume or mass, and thus no energy.• A surface can be viewed as a fictitious system whose energy content

remains constant during a process.

• Surface energy balance does not involve heat generation since a surfacedoes not have a volume


Surface Energy Balance

39/101



40/101



41/101



42/101



43/101



44/101



45/101



46/101



47/101



48/101


قانون دوم ترمودینامیک :هیچ.می شودسردترچايکهحالیدرمی شوندذوبچايفنجانداخلدریخقطعاتقطعاتچايفنجانیکداخلدرکهببینیممااگرداشتنخواهدترمودینامیکاولقانونباتناقضی

چنینهیچگاهما«امااستسازگارانرژيبقايقانونبااین.شودگرمترچايوشدهتشکیلیخ.نمی افتداتفاقچیزيچنینچراکهمی دهدتوضیحترمودینامیکدومقانون.»نمی بینیمراچیزي

2nd law: entropy of an isolated system never decreases.Heat is transferred in the direction of decreasing temperature.


49/101


هر دو قانون ترمودینامیک با گرادیان دما سر و کار دارند.

وجود گرادیان دما: اساس انتقال حرارت بین دو محیط

نرخ انتقال حرارت وابسته است به میزان گرادیان دما


∆ ↑≈ ↑̇

50/101

مکانیزم هاي انتقال حرارت

مکانیزمهاي متداول در انتقال حرارت رسانایی(Conduction) جابجایی(Convection) تابش(Radiation)اساس کلیه این مکانیزم ها وجود گرادیان دما می باشد.


51/101

رسانایی: مکانیزم هاي انتقال حرارت

اختالفوجوددلیلبهبرشیتنشبدونسیالیاوجامدجسمیکدرحرارتانتقال.گویندهدایتیحرارتانتقالراجسمآندردمابه.دهدمیرخترگرمجسمباسردجسمفیزیکیتماساثردرهدایتیحرارتانتقال

بهداغظرفباغذاییمادهمستقیمتماسطریقازحرارتکهغذاپختدرمثالعنوان.دهدمیرخهدایتیحرارتانتقالشود،میمنتقلآنارتعاشدامنهافزایشباعثجسم،یکبهحرارتانتقالمیکروسکوپی،ابعاددر

وهااتمارتعاشاثردرنیزهدایتیحرارتانتقال.شودمیآنهاياتموهامولکولنتیجهدروترانرژيکمهايمولکولوهااتمباآنهابرخوردوترانرژيپرهايمولکول

.دهدمیرخآنها،بهانرژيازبخشیانتقال


Conduction

52/101


درهمباکهصلبیاجسامبینیاصلباجساندرونبیشترحرارتانتقالنوعاین.افتدمیاتفاق)گازهاخصوصبه(سیاالتمورددرکمترودادهرخهستندتماس


53/101


نفوذوبرخوردطریقازسیاالتدرهدایتکمهايمولکولبیندرترپرانرژيمولکولهاي

صورتبهجامدات،دراما.دهدمیرخترانرژيهايالکترونانتقالومولکولهالرزشازترکیبی

.دهدمیرخآنهابینآزاد


54/101


صورتبهجسمدمايباشد،میتوجهقابلدماییگرادیانکهآنجاازهدایت،شروعدربااما.گویندمیگذراهدایتهدایت،ازبخشاینبه.کندمیتغییرزمانازتابعی

دیگرعبارتبه.باشدنمیمتغیروشدهثابتجسمدروندماییگرادیانزمان،گذشتسطحیکازخروجیحرارتیانرژيتعادل،حالتدر.رسدمیتعادلحالتبهسیستم

پایاهدایتهدایت،ازبخشاینبه.باشدمیآنبهوروديانرژيبابرابردقیقاًمقطع،.گویندمی

• Rate of heat conduction through a medium depends on the geometry ofthe medium, its thickness, and the material of the medium, as well as thetemperature difference across the medium.


55/101



where the constant ofproportionality k is the thermalconductivity of the material, whichis a measure of the ability of amaterial to conduct heat

56/101


• dT/dx: slope of the temperature curve on a T-x diagram• Heat is conducted in the direction of decreasing temperature, and the

temperature gradient becomes negative when temperature decreaseswith increasing x.

• The heat transfer area A is always normal to the direction of heattransfer.


Fourier’s law of heat conduction(1822)

57/101


• For heat loss through a 5-m-long, 3-m-high, and 25-cm-thick wall, forexample, the heat transfer area is A=15 m2. Wall thickness has no effecton A.


58/101



59/101



60/101



61/101


The property Cp is a material ability to store thermal energy. Cp 4.18 kJ/kg · °C for water and 0.45 kJ/kg · °C for iron at room

temperature, which indicates that water can store almost 10 times theenergy that iron can per unit mass.

Thermal conductivity k is a measure of a material’s ability to conductheat.

k 0.608 W/m · °C for water and k 80.2 W/m · °C for iron at roomtemperature: iron conducts heat more than 100 times faster than water

Thus water is a poor heat conductor relative to iron, although water is anexcellent medium to store thermal energy.


ThermalConductivity

62/101



ℎ → ℎ→

k: rate of heat transfer through a unit thickness of thematerial per unit area per unit temperature difference

63/101


روش تجربی بدست آوردنk


64/101


thermal conductivity of gases is proportional to the square root of theabsolute Temperature T, and inversely proportional to the square root ofthe molar mass M.

thermal conductivity of helium (M 4) is much higher than those of air(M 29) and argon (M 40).

The mechanism of heat conduction in a liquid is complicated by the factthat the molecules are more closely spaced, and they exert a strongerintermolecular force field.


≪ ≪65/101


Pure metals have high thermal conductivities. an alloy made of two metals of thermal conductivities k1 and k2 have a

conductivity k: k1<k<k2 . But this turns out not to be the case. The thermal conductivity of an alloy of two metals is usually much lower

than that of either metal. Even small amounts in a pure metal of “foreign” molecules that are good

conductors themselves seriously disrupt the flow of heat in that metal.For example, the thermal conductivity of steel containing just 1 percentof chrome is 62 W/m · °C, while the thermal conductivities of iron andchromium are 83 and 95 W/m · °C, respectively


66/101



The thermalconductivities of

materials varywith temperature

Assumption:k at the average

temperature

67/101



Thermal conductivity has direction.For an isotropic material it has the same value in all directions.

68/101



ThermalDiffusivity

: ℎBoth the specific heat C and the heat capacity Cp represent theheat storage capability of a material. But C expresses it per unitmass whereas C expresses it per unit volume, as can be noticedfrom their units J/kg · °C and J/m3 · °C, respectively.

material property that appears in the transient heat conduction

69/101


A small value of thermal diffusivity means that heat is mostly absorbedby the material and a small amount of heat will be conducted further.


larger → faster heat propagation

small → heat is mostly absorbed by the material and a smallamount of heat will be conducted

70/101



71/101



72/101



73/101



74/101



75/101

جابجایی: مکانیزم هاي انتقال حرارت

قرارمختلفدماهايدرکهآنرويازعبوريوسیالسطحیکبینحرارتانتقال.گویندجابجاییحرارتانتقالرادارند

combined effects of conduction and fluid motion

Consider the cooling of a hot block by blowing cool air over its topsurface. Energy is first transferred to the air layer adjacent to the block byconduction (due to random motion of air molecules).


Convection

76/101


This energy is then carried away from the surface by convection(bulk ormacroscopic motion of the air that removes the heated air near thesurface and replaces it by the cooler air).


77/101


پیچیدگیهايازآندرحرارتانتقالنرخمحاسبهوجابجاییحرارتانتقالپدیدهسرعتمیدانودمامیداناثربایستیاینکهخصوصا.استبرخوردارخودخاص

انتقالتحلیلوبررسیسادگیبراي.شوندگرفتهنظردرسیالدرهمزمانبصورت:میگیردصورتزیربنديدستهجابجاییحرارت

اجباريبجاییجا(Forced convection):سیالحرکتمنبعکهمی دهدرخزمانی....ودمندهپمپ،نظیر;خارجی باشدمنبعیکعمدتا

آزادیاطبیعیجابجایی(Natural or Free convection):کهمی دهدرخزمانینقاطدردمااختالفتوسطشدهایجادشناورينیروهايبدلیلعمدتاسیالحرکت

.دهدرخسیالدمايمختلفمخلوطجابجایی(Mixed convection):اثرگرفتننظردرکهمی دهدرخزمانی

آزادجابحاییکهنمودتوجهبایستی.باشداهمیتحایزاجباريوطبیعیجابجاییمنبعیکعمدتاسیالدرآوردنحرکتبهمنبعکهشرایطیدرولیدارد،وجودهمواره.کردنظرصرفمناسبتقریبباآزادجابجاییاثرازمی توانباشد،خارجی


78/101


heat transfer processes that involve change of phase of a fluid are alsoconsidered to be convection because of the fluid motion induced duringthe process, such as the rise of the vapor bubbles during boiling or thefall of the liquid droplets during condensation.


79/101


Newton’s law of cooling

Note that at the surface, the fluid temperature equals the surfacetemperature of the solid.


h: convection heat transfer coefficient in W/m2 · °CAs: surface area through which convection heat transfer takes place,

Ts: surface temperatureT∞: temperature of the fluid sufficiently far from the surface

h is not a property of the fluid. It is an experimentally determinedparameter whose value depends on the surface geometry, the nature offluid motion, the properties of the fluid, and the bulk fluid velocity

h is not a property of the fluid. It is an experimentally determinedparameter whose value depends on the surface geometry, the nature offluid motion, the properties of the fluid, and the bulk fluid velocity

80/101



81/101



82/101



83/101

تشعشع: مکانیزم هاي انتقال حرارت

میمعیندمايدرطبیعیبصورتجسمیکازشدهمتصاعدانرژيبهحرارتیتشعشع.گویند

مایعاتوگازهاگرچهبودخواهدنظرمدجامداجسامازتشعشعدرسایندرعمدتا.دارندتشعشعنیزمولکولهايواتمهادرالکترونیساختارتغییراتازناشیحرارتیتشعشعکلیطوربه

.باشدمیمادهحرارتانتقالبرايانرژيحامليمادهیکبهنیازکهجابجاییوهدایتخالفبر

درونازکاملصورتبهتشعشعحتیونداشتهواسطيمادهبهنیازيتشعشعدارند،.شودمیمنتقلخألمیصورت)فوتونهاجریانیا(مغناطیسالکتروامواجتوسطتشعشعیحرارتانتقال

natural)انرژيگسیل(.گیرد emission


Radiation

84/101


All bodies at a temperature above absolute zero emit thermalradiation.

Radiation is a volumetric phenomenon, and all solids, liquids, andgases emit, absorb, or transmit radiation to varying degrees.However, radiation is usually considered to be a surface phenomenonfor solids since the radiation emitted by the interior regions of mostof materials can never reach the surface.

داردبستگیآنبزرگیوجسمدمايبهجسمیکگسیل.


EmissivityPower E (W/m2)توان گسیل

85/101


مشخص دماي جسم در یک از ) توان گسیل(شار حرارتی تشعشع حداکثرTs از رابطهStefan-Boltzmann بااست بدست می آید و برابر :

استوابستهسطحخصوصیاتبهحرارتیشاراینمقدار.


Emissivity Absorptivity

86/101


جسمازتشعشعمقدارحداکثر)سیاهجسماصطالحدر(الایدهسطحیا

.گرددمیساطعشودمیگفتهکاملکنندهگسیلآنبهکه.


Black Body

Emissivity

Perfect Emitter=̇ ,̇

87/101


تشعشعمقدار معموال براي اجسام واقعی.از مقدار حداکثر فوق می باشدکسري


: emissivity of the surface0 ≤ ≤ 1 : = 188/101


می توان ثابت کرد که جسمی گسیل کننده کامل تابش است که جاذب کامل تابش.باشد

تمام تابش ورودي به سطح خود را به طور کامل جذب کند .در گسیل منشا خود جسم است که در بازتابش اینطور . گسیل بازتابش نیست: توجه

.نیست


Perfect Absorber Black Body

= ̇ ,̇89/101


جذب انرژي تابشی

Another important radiation property of a surface is its absorptivity,which is the fraction of the radiation energy incident on a surface thatis absorbed by the surface.


Absorptivity

: absorptivity of the surface0 ≤ ≤ 1: = 1براي یک جسم مات

90/101


net rate of radiation heat transfer between these two surfaces


91/101


کردبیانتوانمینیززیربصورتراتشعشعیحرارتانتقال:=̇ ( − )hr:تشعشعیگرمايانتقالضریب


ℎ = + ( + )ℎ = + ( + )

92/101



93/101



94/101



95/101

مرکبحرارتمکانیزم هاي انتقال


96/101

مکانیزم هاي انتقال حرارت مرکب


97/101



98/101



99/101



100/101



101/101

:ﻢﯿﻧاﻮﺧ ﯽﻣ ﻞﺼﻓ ﻦﯾا رد ﻪﮐ ﯽﺒﻟﺎﻄﻣwp.kntu.ac.ir/mojra/HT1-chap1.pdf:ﻢﯿﻧاﻮﺧ ﯽﻣ ﻞﺼﻓ ﻦﯾا رد ﻪﮐ ﯽﺒﻟﺎﻄﻣ

Documents