Heat Transfer Methods

Heat Transfer Methods

تُعرّف الحرارة على أنها صورة للطاقة التي تنتقل عبر حدود المجموعة نتيجة لوجود فرق أو تدرج في درجات الحرارة.

 ومن هذا التعريف نستنتج أن الجسم لا يحوي مطلقاً على حرارة ، وتعرف الحرارة فقط عندما تعبر الحدود أو تنتقل أي عند حدوث أنتقال حرارة Heat Transfer فإذا تصورنا أن هناك مجموعتين أولاهما قطعة نحاس والمجموعة الأخرى ماء بارد في كأس فأن أياً من المجموعتين لا يحوي حرارة (ولكنهما يحتويان طاقة) عند وضع النحاس في الماء وحدوث انتقال الحرارة فأن الحرارة تنتقل من النحاس الى الماء الى أن يحدث الأتزان في درجات الحرارة وعند هذه النقطة يتوقف أنتقال الحرارة لأن أنعدام الفرق في درجات الحرارة عند نهاية هذه العملية وأن أي المجموعتين لا يحوي حرارة.

 وحدات كمية الحرارة Units of Heat:

 هناك ثلاث وحدات مهمة تقاس بها كمية الحرارة هي:

1. السعرة Calorie cal: وهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة غرام واحد من الماء المقطر درجة مئوية واحدة.

 2.     الكيلو سعرة Kilo Calorie – Kcal: وهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلو غرام واحد من الماء المقطر درجة مئوية واحدة.

 3.     وحدة حرارية بريطانية British Thermal Unit BTU : وهي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة باوند واحد من الماء المقطر درجة فهرنهايتية واحدة.

       درجة الحرارة Temperature : 

 أن درجة الحرارة كمية نسبية ويقصد بلفظة الدرجة (الشدة) ويمكن أن تعرّف كعدد في مقياس معين ، ويمكن القول أن درجة الحرارة المطلقة لجسم ما تتناسب طردياً مع متوسط الطاقة الحركية لجزيئات ذلك الجسم.

      مقياس درجة الحرارة Measurements of Temp :

 توجد اربعة مقاييس مختلفة لدرجة الحرارة وهي:

 المقياس المئوي          Centigrade °C

 المقياس الفهرنهايتي     Fahrenheit °F

 المقياس المطلق (كلفن)  Kelvin °K

 مقياس رانكن            Rankine °R

والجدول التالي يبين العلاقة بين المقاييس الأربعة:

أن العلاقة بين المقاييس الأربعة يمكن تمثيلها بالمعادلات التالية:

°K = °C + 273

°F = 1.8 °C + 32

°R = °F + 460

مفاهيم أنتقال الحرارة: 

 أن أختلاف درجة الحرارة بين جسم ما مع جسم آخر أو مع الوسط الموجود فيه ، ينعدم مع الوقت حيث أن الحرارة تنساب (تجري) من المنطقة ذات الحرارة العالية الى المنطقة ذات الحرارة المنخفضة . أن هذه الظاهرة موجودة في كل حالات المادة : الصلبة ، والسائلة ، والغازية.

أن معرفة قوانين ظاهرة أنتقال الحرارة Heat Transfer والألمام التام بوسائل التحكم بنوعية وكيفية أنتقالها (أو جريانها) مهمة جداً وأساسية في أنجاز تصاميم وأنشاء الأجهزة الحرارية للأغراض الصناعية كالأفران ، والمراجل البخارية ، والمبادلات الحرارية Heat Exchangers ، ووسائل التبريد Cooling ، والتدفئة Heating والمراجل البخارية Boilers ، ومحطات الطاقة الحرارية.

ففي محطات الطاقة الحرارية مثلاً ، يكون الأعتماد الأساسي على توليد البخار لأستعماله في تشغيل العنفات (التوربينات البخارية) ثم المولدات الكهربائية. ويرتبط أنتقال الحرارة في بعض مراحل هذه العملية على أحتراق الوقود في المراجل حيث تعطى الحرارة للماء لتوليد البخار ذو الضغط والحرارة المرتفعتين High Press. & Temp steam. لغرض تشغيل العنفات (التوربينات) و(المولدات الكهربائية) ولغرض تكثيف البخار (ذي الضغط والحرارة الواطئتين بعد هذه العملية) بهدف إعادة أستعماله كماء لتوليد البخار في المرجل ، وتنجز هذه العملية من ماء التبريد وتُعطى للهواء في أبراج التبريد. ومن التطبيقات المهمة التي يتزايد دخولها مجال الصناعة والطاقة والعنفات الغازية التي تعتمد على كفاءة أستغلال حرارة الأحتراق للوقود الغازي ذي الضغط العالي.

طرق أنتقال الحرارة Heat Transfer Methods:

يحدث أنتقال الحرارة بثلاثة طرق وكالآتي:

1. التوصيل الحراري Conduction : أنتقال الحرارة في الأجسام الصلبة حيث تنتقل الحرارة من جزيء الى جزيء آخر.

2. الحمل الحراري Convection : يحدث هذا النوع في السوائل والغازات حيث أن القدرة الحرارية تنتقل مع المواد المنقولة.

3. الأشعاع الحراري Radiation : يحصل الأشعاع الحراري في الأجسام الصلبة والسائلة والغازية حيث أن لها القدرة على أصدار طاقة حرارية على شكل موجات  كهرومغناطيسية وبالعكس يمكنها أن تمتص مثل هذه القدرة الشعاعية . 

العلاقة الرياضية التي يقوم عليها أنتقال الحرارة:

أن المهمة الأولى في الصناعة هي التحكم بكمية الحرارة التي تنتقل خلال وحدة الزمن بين مادتين مختلفتين بدرجات الحرارة حيث نسمي هذا المقدار (التيار الحراري) الذي يعرّف على أنه (كمية الحرارة المنقولة خلال وحدة الزمن) .. وكالآتي:

 (Q = quantity of heat (cal – Btu : كمية الحرارة 

 (t = Time (sec – min) الزمن 

(q = Heat Flux (cal/sec, Btu/hr)    التيار الحراري

   التيار الحراري = كمية الحرارة / الزمن   أو    q = Q/t

 كثافة التيار الحراري:

 وهو كمية الحرارة المارة خلال وحدة السطوح وخلال وحدة الزمن. ويرمز لها بالرمز H

H = Q/ A.t    = q/A   = Btu/hr.ft³

 طرق أنتقال الحرارة

1. التوصيل Conduction:  

   أن آلية التوصيل الحراري يمكن فهمها من خلال معرفة التوصيل الحراري خلال الأجسام الصلبة لأن أنتقال الحرارة في هذه الحالة بطريقتي الحمل والأشعاع يمكن أهماله   ، ويكون أنتقال الحرارة بطريقة التوصيل على نوعين:

      أنتقال الحرارة الخطي – أنتقال الحرارة الشعاعي.

      أن الصيغة العامة التي تمثل معدل أنتقال الحرارة يمكن تبسيطها بالشكل التالي:

Rate = Driving force/Resisting force

   ففي حالة الحرارة تكون القوة الدافعة Driving Force هي فرق درجات الحرارة ( أو درجة حرارة الجسم ، والجسم البارد) أما المقاومة Resistance فتعتمد على نوعية المادة المصنوعة منها هذه الأجسام كذلك وعليه فأن:

التيار الكهربائي = فرق درجات الحرارة / المقاومة الحرارية

 أنتقال الحرارة الخطي:

   يتم هذا النوع من الأنتقال الحراري عبر الأجسام المستوية مثل جدران الافران سواء كانت متكونة من طبقة واحدة أو من عدة طبقات. ويتم حساب التيار الحراري المنتقل بطريقة التوصيل الخطي للأجسام المتكونة من طبقة واحدة فقط بأستخدام قانون فورير.

قانون فورير Fourier Law : ينص هذا القانون على أن كمية الحرارة المنتقلة خلال وحدة الزمن (التيار الحراري) خلال الجسم المنتظم تتناسب طردياً مع المساحة السطحية لأنتقال الحرارة ومع مقدار تغير درجة الحرارة وعكسياً مع السمك أو طول المسار الذي تنتقل فيه الحرارة.

ولكن ماهي المواد ذات التوصيل الجيد ، وماهي الموصلات ذات التوصيل الرديء؟

 – المواد جيدة التوصيل: الذهب – الفضة – النحاس – الحديد – الألمنيوم – الرخام.

 – المواد رديئة التوصيل: الخشب – الصوف – الخزف – الزجاج.

أن عامل التوصيل الحراري خاصية فيزياوية تعتمد على :

 1. درجة الحرارة.

 2. طبيعة المادة (نوع المادة – حالة المادة “سائلة ، صلبة ، غازية” – نقاوة المادة).

 وهناك جداول خاصة لقيم عامل التوصيل الحراري لمختلف المواد حيث يكون عامل التوصيل الحراري للعوازل أقل بكثير منه للمواد جيدة التوصيل.

 2. الحمل الحراري Convection:

    وهو أنتقال الحرارة من مكان الى آخر بحركة مادة الوسط نفسها. كما يحدث في الهواء أو جهاز تسخين الماء حيث يمتص المائع (الغاز أو السائل) كمية من الحرارة في جهة من جهاته فينتقل الجزء الساخن بتأثير الأختلاف في الكثافة الى جهة أخرى ليمتزج مع جزء من السائل أو الغاز ويعطيه كمية من الحرارة التي قام بأمتصاصها وتولد حركة المادة من المناطق ذات الدرجة الحرارية العالية الى المناطق ذات الدرجة الحرارية الواطئة تياراً يسمى بتيار الحمل Convection Current .

يسمى هذا التيار بالحمل الطبيعي Natural Convection إذا كان ناتجاً عن التغيير في الكثافة ويسمى بالحمل الأضطراري (القسري) Forced Convection إذا كان ناتجاً عن قوة خارجية كالمروحة والمضخة أو ما شابه ذلك.

نفرض أن لدينا مائعاً (سائلاً أو غازاً) يتحرك فوق سطح ساخن فأننا نجد طبقة رقيقة film من المائع ملامسة للجدار الساخن لا تتحرك ويقل سمك هذه الطبقة إذا كان جريان المائع على السطح جرياناً أضطرابياً Turbulent Flow وفي كلتا الحالتين من أنتقال التيار الحراري  (يتم أنتقال التيار الحراري بالحمل الطبيعي أو القسري) يتركز أنتقال الحرارة على الطبقة الرقيقة التي لا تتحرك والملامسة للسطح حيث يتأثر النقل الحراري في هذه الطبقة الرقيقة من شدة التوصيل الحراري والحمل الحراري معاً حيث تنتقل الحرارة من السطح الى المائع بالتوصيل أما خلال المائع نفسه فتنتقل بالحمل.

أن جميع السوائل والغازات محاطة في مناطق التماس أو الحدود مع الجدران الصلبة التي تحويها بطبقة رقيقة من هذا السائل أو الغاز ولقد أثبت أن أنتقال الحرارة يتم في هذه الطبقة الرقيقة جداً بعملية التوصيل Conduction وليس من السهل قياس سمك هذه الطبقة التي هي في الواقع تمثل مقاومة لأنتقال الحرارة ولغرض ايجاد صيغة للتعبير عن هذه المقاومة فقد عبر عنها بدلالة مقلوب معامل أنتقال الحرارة 1/h . ولمجرد أعطاء فكرة عن سمك الطبقات المقاومة للحرارة في الموائع فقد وجد بشكل عام أن سمك طبقات الغاز يبلغ حوالي 0.1 من الأنج ، وللبخار المتكاثف  على أنبوب يبلغ حوالي 0.0001 من الأنج. وبذلك يكون عامل الحمل الحراري متأثراً بسمك هذه الطبقة الرقيقة وسمك هذه الطبقة يتأثر بدوره بنوعية الجريان على السطح.

فإذا اردنا حساب كمية الحرارة المنتقلة خلال وحدة الزمن (التيار الحراري) من السطح الى المائع تستخدم المعادلة التالية:

q = h . A. ΔT

 حيث أن : 

 q  = التيار الحراري المنتقل بطريقة الحمل.

 A  = المساحة السطحية لأنتقال الحرارة.

 ΔT = الفرق في درجات الحرارة للسطح أو المائع.

 h   = معامل أنتقال الحرارة Heat Transfer Coefficient

أن أهم التطبيقات العملية والأجهزة التي يتم فيها التبادل الحراري بطريقتي الحمل والتوصيل هي المبادلات الحرارية ، حيث يدخل فيها مائعان مختلفا درجة الحرارة ويتم تبادل الحرارة بينهما بحيث تكون كمية الحرارة المفقودة من المائع الحار لكمية الحرارة المكتسبة من قبل المائع البارد.

 3. الأشعاع الحراري Radiation:

    هو أنتقال الحرارة من جسم حار الى آخر بارد بدون واسطة مادية ويمكن أن ينتقل بالفراغ المطلق Absolute Vacuum بعكس التوصيل والحمل اللذين يحتاجان الى وسط مادي . والأشعاع عبارة عن طاقة طبيعية مماثلة الى طبيعة الضوء الأعتيادي فهي تتكون من مجال كهربائي متناوب بصحبة  مجلا مغناطيسي متذبذب بنفس الطور ويتمثل تغير شدة هذا المجال الكهرومغناطيسي مع الوقت بموجة جيبية  Sine Wave الى طول محدد يسمى  طول الموجة wave Length وعدد الموجات في وحدة الوقت  هو التردد Frequency.

أصل الطاقة الأشعاعية:

أن الطاقة الأشعاعية Radiant Energy تنشأ من الجزيئات للجسم المشع حيث أن ذرات هذه الجزيئات تتذبذب على شكل حركة توافقية بسيطة إذ أن ارتفاع درجة حرارة الجسم سوف يهيج الجزيئات التي سوف ينجم عنها أشعاع الطاقة ، فالجسم المشع عندما يبعث طاقة اشعاعية حرارية فأن ذلك يؤدي الى نقصان بسعة الذبذبات وأمتصاص الطاقة الأشعاعية يؤدي الى زيادة السعة للذبذبات.

ويقصد بالأشعاع الحراري الأنبعاث المستمر للطاقة من سطوح الأجسام المختلفة بأمواج كهرومغناطيسية وتشمل الأمواج الكهرومغناطيسية أمواج الراديو ، تحت الحمراء ، فوق البنفسجية ، أمواج الضوء المرئي ، الأشعة السينية ، وهذه الأمواج يختلف بعضها عن البعض الآخر بطول الموجة ، ويعتبر الأشعاع الحراري مهماً جداً في الحسابات والتصاميم للتطبيقات الحرارية كتصاميم الأفران والمراجل والتكييف (التدفئة والتبريد) وصناعات أخرى.

ما هي الأختلافات بين أنتقال الحرارة بالأشعاع وطرق أنتقال الحرارة الأخرى؟

1. لا يحتاج الأشعاع الحراري الى وسط مادي لأنتقال الحرارة خلاله.

2. تعتمد كمية الحرارة المنتقلة بالأشعاع على كل من أختلاف درجة الحرارة بين الجسمين وكمية الحرارة في كل منهما.

3. ينتقل الأشعاع بسرعة الضوء ممتلكاً كلاً من خصائص الموجات وخصائص الجزيئات.

4. ينتقل الأشعاع بخطوط مستقيمة من اي مشع ، يمكن أن يستقبل الأشعاع مباشرة فقط من قبل الأجسام التي يمكن رؤيتها من قبل المصدر المشع.