نقل الحرارة موصل. نقل الحرارة موصل نقل الحرارة في أنبوب دائري
يتم تنفيذه بسبب تصادم الجزيئات والإلكترونات ومجموعات الجسيمات الأولية مع بعضها البعض. (تنتقل الحرارة من الجسم الأكثر سخونة إلى الجسم الأكثر برودة). أو في المعادن: الانتقال التدريجي لاهتزازات الشبكة البلورية من جسيم إلى آخر (الاهتزازات المرنة لجزيئات الشبكة - التوصيل الحراري للفونون).
نقل الحمل
يرتبط هذا النقل بحركة جزيئات السوائل وينتج عن حركة العناصر المجهرية للمواد ؛ يتم تنفيذه بالحركة الحرة أو القسرية لسائل التبريد.
تحت تأثير التدرج الحراري في قشرة الأرض ، لا تنشأ تدفقات الحمل الحراري من الحرارة فحسب ، بل تنشأ أيضًا المادة. هناك تدرج ضغط حراري ديناميكي.
يمكن للمرء أيضًا أن يلاحظ مثل هذه الظاهرة أنه عندما يحدث تدرج ضغط هيدروديناميكي ، يتم الاحتفاظ بالزيت في الخزان بدون غطاء.
3. انتقال الحرارة المرتبط بالإشعاع.
تطلق الوحدة المشعة حرارة نتيجة الاضمحلال ، وتنطلق هذه الحرارة بسبب الإشعاع.
33. الخصائص الحرارية لخزان النفط والغاز وخصائصه ونطاقه.
الخصائص الحرارية هي:
1) معامل السعة الحرارية ج
2) معامل التوصيل الحراري ل
3) الانتشار الحراري أ
1. السعة الحرارية:
c هي كمية الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة مادة ما بمقدار درجة واحدة في ظل ظروف معينة (V ، P = const).
c = dQ / dT
متوسط السعة الحرارية للمادة: c \ u003d DQ / DT.
لأن يمكن أن يكون لعينات الصخور كتل وأحجام مختلفة ، ثم لإجراء تقييم أكثر تمايزًا ، يتم تقديم أنواع خاصة من السعة الحرارية: الكتلة والحجم والضرس.
· السعة الحرارية للكتلة النوعية [J / (كجم × درجة)]:
C م \ u003d dQ / dT \ u003d C / م
هذه هي كمية الحرارة المطلوبة لتغيير درجة واحدة لكل وحدة كتلة من العينة.
· السعة الحرارية الحجمية النوعية [J / (م 3 × ك)]:
C v \ u003d dQ / (V × dT) \ u003d r × C m ،
أين ص هي الكثافة
كمية الحرارة التي يجب توصيلها للوحدة من أجل زيادتها بدرجة واحدة ، في حالة P ، V = const.
· السعة الحرارية المولية المحددة [J / (مول × ك)]:
C n = dQ / (n × dT) = M × C · m ،
حيث M هو الوزن الجزيئي النسبي [كجم / كمول]
كمية الحرارة التي يجب نقلها إلى مول من مادة ما لتغيير درجة حرارتها بدرجة واحدة.
السعة الحرارية هي خاصية مضافة للتكوين:
С i = j = 1 N SС j × К i ، حيث SК i = 1 ، هو عدد المراحل.
تعتمد السعة الحرارية على مسامية التكوين: فكلما زادت المسامية ، انخفضت السعة الحرارية.
(s × r) = s sk × r sk × (1-k p) + s s × r s × k p ،
حيث cz هو عامل ملء المسام ؛
ك ف - معامل المسامية.
توصيل حراري.
l [W / (m × K)] يميز خاصية الصخور لنقل الطاقة الحركية (أو الحرارية) من عنصر إلى آخر.
معامل التوصيل الحراري - مقدار الحرارة التي تمر لكل وحدة زمنية عبر حجم مكعب من مادة ذات وجه بحجم وحدة ، بينما يتم الحفاظ على اختلاف درجة الحرارة على الوجه الآخر بدرجة واحدة (DT = 1 درجة).
يعتمد معامل التوصيل الحراري على:
التركيب المعدني للهيكل العظمي. يمكن أن يصل انتشار قيم المعامل إلى عشرة آلاف مرة.
على سبيل المثال ، أكبر لتر من الماس هو 200 واط / (م × ك) ، لأن لا تحتوي بلورتها عمليًا على أي عيوب هيكلية. للمقارنة ، الهواء هو 0.023 واط / (م × ك) ، الماء - 0.58 واط / (م × ك).
درجة امتلاء الهيكل العظمي.
ü التوصيل الحراري للسوائل.
هناك خيار مثل معامل التلامس للتوصيل الحراري
.
يحتوي الكوارتز على أعلى معامل اتصال - 7-12 واط / (م × ك). يأتي بعد ذلك الترسيب الهيدروكيميائي والملح الصخري والسلفن والأنهيدريت.
الفحم والأسبستوس لهما معامل اتصال منخفض.
لم يلاحظ إضافة لمعامل التوصيل الحراري ، والاعتماد لا يخضع لقاعدة الجمع.
على سبيل المثال ، يمكن كتابة الموصلية الحرارية للمعادن على النحو التالي:
1gl = Sv i × 1gl i ،
حيث 1gl i هو اللوغاريتم l للمرحلة i مع محتوى الحجم v i.
خاصية مهمة هي المعاملة بالمثل للتوصيل الحراري ، تسمى المقاومة الحرارية.
بسبب المقاومة الحرارية ، لدينا توزيع معقد للحقول الحرارية. هذا يؤدي إلى الحمل الحراري ، والذي يمكن أن تتشكل بسببه أنواع خاصة من الرواسب - ليس إطارًا عاديًا ، بل إطارًا حراريًا.
تتناقص المقاومة الديناميكية الحرارية مع انخفاض الكثافة والنفاذية والرطوبة وكذلك (في المناطق الشمالية) درجة محتوى الجليد.
يزداد عندما يتم استبدال الماء بالزيت أو الغاز أو الهواء في عملية تغيير الضغط الحراري ، مع زيادة في عدم تجانس الطبقات ، وظاهرة تباين الخواص.
الفحم والصخور الجافة والمشبعة بالغاز لديها أعلى مقاومة للحرارة.
في الانتقال من الصخور الأرضية إلى الصخور الكربونية ، تقل المقاومة الحرارية.
الرواسب الهيدروكيميائية ، مثل الهاليت ، سيلفين ، ميرابيليت ، أنهيدريت ، لها مقاومة حرارية دنيا ؛ صخور ذات هيكل ملح رقائقي.
تبرز تكوينات الطين ، من بين جميع التكوينات ، لمقاومتها الحرارية القصوى.
من كل هذا يمكننا أن نستنتج أن المقاومة الحرارية تحدد درجة الجمود الحراري والتوصيل الحراري.
الانتشار الحراري.
في الممارسة العملية ، عامل مثل الانتشار الحراري، الذي يميز معدل تغير درجة الحرارة أثناء عملية نقل الحرارة غير الثابتة.
أ = لتر / (ج × ص) ،عندما l = const.
في الواقع ، "أ" ليست ثابتة ، لأن l دالة للإحداثيات ودرجة الحرارة ، و c هي معامل المسامية والكتلة وما إلى ذلك.
عند التطوير ، يمكننا استخدام العمليات التي يكون فيها مصدر حرارة داخلي ممكنًا (على سبيل المثال ، الحقن الحمضي) ، وفي هذه الحالة ستبدو المعادلة كما يلي:
dT / dt \ u003d a × Ñ 2 T + Q / (c × r) ،
حيث Q هي حرارة مصدر الحرارة الداخلي ، r هي كثافة الصخور.
انتقال الحرارة.
المعلمة المهمة التالية هي انتقال الحرارة.
DQ = k t × DТ × DS × Dt ،
حيث k t هو معامل انتقال الحرارة.
معناه المادي: كمية الحرارة التي دخلت الطبقات المجاورة ، من خلال وحدة السطح ، لكل وحدة زمنية عندما تتغير درجة الحرارة بدرجة واحدة.
عادة ، يرتبط انتقال الحرارة بالإزاحة في التكوينات العلوية والكامنة.
34. تأثير درجة الحرارة على التغير في الخصائص الفيزيائية لخزان النفط والغاز.
الحرارة التي تمتصها الصخور لا تنفق فقط على العمليات الحرارية الحركية ، ولكن أيضًا على أداء العمل الميكانيكي ، فهي مرتبطة بالتمدد الحراري للخزان. يرتبط هذا التمدد الحراري باعتماد قوى الترابط للذرات في شعرية الأطوار الفردية على درجة الحرارة ، على وجه الخصوص ، التي تظهر في اتجاه الروابط. إذا تم إزاحة الذرات بسهولة أكبر عند الابتعاد عن بعضها البعض مقارنة بالاقتراب ، يتم إزاحة مراكز الذرات الثاقبة ، أي تشوه.
يمكن كتابة العلاقة بين ارتفاع درجة الحرارة والتشوه الخطي على النحو التالي:
دل = أ × ل × دت,
حيث L هو الطول الأصلي [م] ، أ هو معامل التمدد الحراري الخطي.
وبالمثل لتوسيع الحجم:
dV / V = g t × dT ،
حيث g t هو معامل التشوه الحراري الحجمي.
نظرًا لأن معاملات التمدد الحجمي تختلف اختلافًا كبيرًا بالنسبة للحبوب المختلفة ، فستحدث تشوهات غير متساوية أثناء التأثير ، مما سيؤدي إلى تدمير التكوين.
عند نقاط التلامس ، يحدث تركيز قوي للضغوط ، مما يؤدي إلى إزالة الرمال ، وبالتالي تدمير الصخور.
ظاهرة إزاحة النفط والغاز مرتبطة أيضًا بـ توسيع الحجم. هذه هي ما يسمى بعملية جول طومسون. أثناء التشغيل ، هناك تغيير حاد في الحجم ، وهناك تأثير الاختناق (التمدد الحراري مع تغير درجة الحرارة). يعتمد القياس الديناميكي الحراري على دراسة هذا التأثير.
دعنا نقدم معلمة أخرى - معامل ثابت الحرارة : h s = dТ / dр.
يحدد معامل الحرارة التفاضلية التغير في درجة الحرارة اعتمادًا على التغيير في الضغط.
قيمة h S> 0 تحت ضغط ثابت الحرارة. في هذه الحالة ، يتم تسخين المادة. الاستثناء هو الماء لأن. في الفترة من 0¼4 درجة يبرد.
ح S \ u003d V / (C ص × ز) × أ × T ،
حيث V هو الحجم ، T هي درجة الحرارة ، أ هو معامل التمدد الخطي ، g هو تسارع الجاذبية.
يحدد معامل جول-طومسون التغير في درجة الحرارة أثناء الاختناق.
e \ u003d dT / dp \ u003d V / (C p × g) × (1 - a × T) \ u003d V / (C p × g) - h S ،
حيث يحدد V / (Cp × g) التسخين بسبب عمل قوى الاحتكاك
ح ق - تبريد المادة بسبب التوسع ثابت الحرارة.
للسوائل V / Cp × g >> hS Þ السوائل تسخن.
للغازات ه<0 Þ Газы охлаждаются.
في الممارسة العملية ، يستخدمون مستوى الضوضاءالآبار - طريقة تعتمد على الظاهرة عندما يطلق الغاز طاقة اهتزازية عندما تتغير درجة الحرارة ، مما يتسبب في حدوث ضوضاء.
35. التغييرات في خصائص مكمن النفط والغاز أثناء تطوير الرواسب.
1. في حالتها الطبيعية ، تكون الطبقات في أعماق كبيرة ، وبحسب الخطوات الحرارية الأرضية ، فإن درجة الحرارة في هذه الظروف تقترب من 150 درجة ، لذلك يمكن القول أن الصخور تغير خصائصها ، لأنه عند اختراق الطبقات ، فإننا كسر التوازن الحراري.
2. عندما نحن ضخ المياه في الخزان، هذه المياه لها درجة حرارة سطح. عند دخول الخزان ، يبدأ الماء في تبريد الخزان ، الأمر الذي سيؤدي حتمًا إلى أحداث سلبية مختلفة ، مثل إزالة الشعر بالشمع من الزيت. أولئك. إذا كان هناك مكون بارافين في الزيت ، فنتيجة للتبريد ، سوف يسقط البارافين ويسد الخزان. على سبيل المثال ، في حقل أوزين ، درجة حرارة تشبع الزيت بالبارافين Тн = 35 درجة (40 درجة) ، وخلال تطوره تم انتهاك هذه الظروف ، ونتيجة لذلك ، انخفضت درجة حرارة الخزان ، وانقطعت البارافين ، وحدث الانسداد واضطر المطورون إلى ضخ الماء الساخن لفترة طويلة وتسخين الخزان حتى يتم إذابة كل البارافين في الزيت.
 |
3. زيوت عالية اللزوجة.
لتسييلها ، يتم استخدام المبرد: الماء الساخن ، والبخار المحمص ، وكذلك مصادر الحرارة الداخلية. لذلك ، يتم استخدام واجهة الاحتراق كمصدر: يتم إشعال الزيت ويتم توفير عامل مؤكسد.
في سويسرا وفرنسا والنمسا وإيطاليا ، يتم أيضًا تنفيذ المشاريع التالية:
طريقة لتقليل لزوجة الزيوت بواسطة المخلفات المشعة. يتم تخزينها لمدة 10 6 سنوات ، ولكنها في نفس الوقت تقوم بتسخين الزيت عالي اللزوجة ، مما يسهل استخراجه.
36- الحالة الفيزيائية لأنظمة الهيدروكربون في مكامن النفط والغاز وخصائص هذه الدول.
لنأخذ مادة بسيطة وننظر في مخطط الحالة:
ص
النقطة C هي النقطة الحرجة التي عندها يختفي التمييز بين الخصائص.
يمكن قياس الضغط (P) ودرجة الحرارة (T) التي تميز الخزان في نطاق واسع جدًا: من أعشار MPa إلى عشرات MPa ومن 20-40 درجة إلى أكثر من 150 درجة مئوية. بناءً على ذلك ، يمكن تقسيم رواسبنا ، التي تحتوي على الهيدروكربونات ، إلى غاز ، ونفط ، إلخ.
لأن عند أعماق مختلفة ، تختلف الضغوط من جيوستاتي عادي إلى مرتفع بشكل غير طبيعي ، ومن ثم يمكن أن تكون مركبات الهيدروكربون في مخاليط غازية أو سائلة أو غازية سائلة في الرواسب.
عند الضغط العالي ، تقترب كثافة الغازات من كثافة سوائل الهيدروكربونات الخفيفة. في ظل هذه الظروف ، يمكن إذابة أجزاء الزيت الثقيل في الغاز المضغوط. نتيجة لذلك ، سيذوب الزيت جزئيًا في الغاز. إذا كانت كمية الغاز ضئيلة ، فعند زيادة الضغط يذوب الغاز في الزيت. لذلك ، اعتمادًا على كمية الغاز وحالته ، يتم تمييز الرواسب:
1. غاز نقي.
2. مكثفات الغاز.
3. الغاز والنفط.
4. الزيت المحتوي على الغاز المذاب.
الحدود بين الغاز والنفط ورواسب النفط والغاز مشروطة. لقد تطورت تاريخيًا فيما يتعلق بوجود وزارتين: صناعة النفط والغاز.
في الولايات المتحدة الأمريكية ، يتم تقسيم رواسب الهيدروكربون على قيمة عامل تكثيف الغاز وكثافة ولون الهيدروكربونات السائلة إلى:
1) الغاز
2) مكثف الغاز.
3) الغاز والنفط.
عامل مكثف الغاز هو كمية الغاز بالمتر المكعب لكل متر مكعب من إنتاج السائل.
وفقًا للمعيار الأمريكي ، تشتمل مكثفات الغاز على رواسب تنتج منها سوائل هيدروكربونية ملونة قليلاً أو عديمة اللون بكثافة 740-780 كجم / م 3 وعامل تكثيف الغاز 900-1100 م 3 / م 3.
قد تحتوي خزانات الغاز على نفط مصاحب ممتز ، يتكون من أجزاء هيدروكربونية ثقيلة ، حتى 30٪ من حجم المسام.
بالإضافة إلى ذلك ، عند بعض الضغوط ودرجات الحرارة ، من الممكن وجود رواسب هيدرات الغاز ، حيث يكون الغاز في حالة صلبة. إن وجود مثل هذه الرواسب هو احتياطي كبير لزيادة إنتاج الغاز.
أثناء عملية التطوير ، تتغير الضغوط الأولية ودرجات الحرارة وتحدث التحولات التكنولوجية للهيدروكربونات إلى رواسب.
بطريقة ما ، يمكن إطلاق الغاز من النفط في نظام تطوير مستمر ، ونتيجة لذلك سنشهد انخفاضًا في نفاذية الطور ، وزيادة في اللزوجة ، ويحدث انخفاض حاد في الضغط في منطقة البئر السفلية ، يليه ترسيب المكثفات ، مما يؤدي إلى تكوين سدادات التكثيف.
بالإضافة إلى ذلك ، أثناء نقل الغاز ، يمكن أن تحدث تحولات طورية للغاز.
38. مخططات المرحلة للأنظمة أحادية المكون ومتعددة المكونات.
قاعدة مرحلة الجبس (توضح تباين النظام - عدد درجات الحرية)
N - عدد مكونات النظام
م هو عدد مراحلها.
مثال: H 2 O (1 comp.) N = 1 m = 2 Þ r = 1
عندما تذبح صوحيد تي
نظام مكون واحد.
ضغط من A إلى B - أول قطرة من السائل (نقطة الندى أو نقطة التكثيف P \ u003d P us)
عند النقطة D ، تبقى فقاعة البخار الأخيرة ، نقطة التبخر أو نقطة الغليان
كل درجة حرارة لها نقاط الغليان والتبخير الخاصة بها.
نظام مكون من عنصرين
التغييرات صو تي، أي أن ضغط بداية التكثيف يكون دائمًا أقل من ضغط التبخر.
معلومات مماثلة.
يحدث هذا النوع من نقل الحرارة بين ملامسة جسيمات الجسم الموجودة في مجال درجة الحرارة
تي = F ( x ، ذ ، ض , ر ), تتميز بتدرج درجة الحرارة ت.التدرج في درجة الحرارة عبارة عن متجه موجه على طول الخط الطبيعي n 0 إلى السطح المتساوي الحرارة في اتجاه زيادة درجة الحرارة:
خريجتي = ص ا dT / dn = ص ا تي
هناك مجالات حرارية: أحادي البعد وثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد; ثابتة وغير ثابتة الخواص ومتباين الخواص.
يعتمد الوصف التحليلي لعملية نقل الحرارة الموصلة على قانون فورييه الأساسي ، الذي يربط خصائص تدفق الحرارة الثابت الذي ينتشر في وسط متناحٍ أحادي البعد ، ومعلمات هندسية وحرارية فيزيائية للوسط:
س = λ (T. 1 -ت 2 ) S / l t أو P = س / ر = λ (ت 1 -ت 2 ) S / لتر
أين: - س هي كمية الحرارة المنقولة عبر العينة في الوقت المناسب ر , البراز؛
λ - معامل التوصيل الحراري لمادة العينة ، W / (m-deg.) ؛
تي 1 ، ت 2 - درجات حرارة القسمين "الساخن" و "البارد" من العينة ، على التوالي ، درجة ؛
SS - مساحة المقطع العرضي للعينة ، م 2 ؛
ل - طول العينة ، م ؛
ص - تدفق الحرارة ، W.
بناء على مفهوم التماثل الكهروحراري الذي يتم بموجبه قياس الكميات الحرارية ص وتي تطابق التيار الكهربائي أنا والجهد الكهربائي يو , دعونا نمثل قانون فورييه في شكل "قانون أوم" لقسم من الدائرة الحرارية:
P = ( تي 1 -ت 2 ) / لتر / λS = (تي 1 -ت 2 ) / ص تي (4.2)
هنا ، حسب المعنى المادي ، المعلمة ص تي هنالك حراري مقاومة قسم الدائرة الحرارية ، و 1 / λ - مقاومة حرارية محددة. يسمح لك هذا التمثيل لعملية نقل الحرارة الموصلة بحساب معلمات الدوائر الحرارية ، ممثلة بالنماذج الطوبولوجية ، والطرق المعروفة لحساب الدوائر الكهربائية. ثم ، كما هو الحال بالنسبة للدائرة الكهربائية ، فإن التعبير عن كثافة التيار في شكل متجه له الشكل
ي = – σ خريجيو ,
بالنسبة للدائرة الحرارية ، سيكون لقانون فورييه في شكل ناقل الشكل
ص = - λ خريج تي ,
أين ص - كثافة تدفق الحرارة ، وتشير علامة الطرح إلى أن تدفق الحرارة ينتشر من الجزء المسخن إلى الجزء الأكثر برودة من الجسم.
بمقارنة التعبيرات (4.1) و (4.2) ، نرى ذلك بالنسبة لنقل الحرارة بالتوصيل
أ= أالقرص المضغوط = λ / ل
وبالتالي ، لزيادة كفاءة عملية نقل الحرارة ، من الضروري تقليل الطول ل الدائرة الحرارية وزيادة التوصيل الحراري لها λ
الشكل العام لوصف عملية انتقال الحرارة الموصلة هو المعادلة التفاضلية للتوصيل الحراري ، وهي تعبير رياضي لقوانين حفظ الطاقة وفورييه:
تزوج دي تي / د = λ x د 2 تي / dx 2 + λ ذ د 2 تي / دى 2 + λ ض د 2 تي / دز 2 + دبليو الخامس
أين مع -السعة الحرارية النوعية للوسط ، J / (kg-K) ؛
ع هي كثافة الوسط ، كجم / م 3 ؛
دبليو الخامس - الكثافة الظاهرية للمصادر الداخلية ، W / m 3 ؛
λ x λ ذ λ ض - موصلات حرارية محددة في اتجاهات محاور الإحداثيات (لوسط متباين الخواص).
4.2.2. نقل الحرارة بالحمل
هذا النوع من نقل الحرارة هو عملية فيزيائية معقدة يحدث فيها انتقال الحرارة من سطح الجسم الساخن إلى الفضاء المحيط بسبب غسله بتدفق سائل تبريد - سائل أو غاز - بدرجة حرارة أقل من درجة حرارة الجسم الساخن. في هذه الحالة ، تعتمد معلمات مجال درجة الحرارة وشدة انتقال الحرارة بالحمل الحراري على طبيعة حركة المبرد ، وخصائصه الفيزيائية الحرارية ، وكذلك على شكل وحجم الجسم.
لذلك ، يمكن أن تكون حركة تدفق المبرد حرة وإجبارية ، وهو ما يتوافق مع الظاهرة طبيعيو قسريالحمل. بالإضافة إلى ذلك ، تميز رقائقي و عنيف ذأنماط حركة التدفق ، وكذلك حالاتها الوسيطة ، اعتمادًا على نسبة القوى التي تحدد حركات التدفق هذه - قوى الاحتكاك الداخلي واللزوجة والقصور الذاتي.
بالتزامن مع الحمل الحراري ، يحدث نقل الحرارة الموصل بسبب التوصيل الحراري لسائل التبريد ، ومع ذلك ، فإن كفاءته منخفضة بسبب القيم الصغيرة نسبيًا للتوصيل الحراري للسوائل والغازات. في الحالة العامة ، تصف آلية نقل الحرارة قانون نيوتن-ريتشمان:
ف = أ كيلو بايت س ( تي 1 - ت 2 ), (4.3)
أين: أ كيلو بايت - معامل انتقال الحرارة بالحمل الحراري W / (م 2 درجة) ؛
تي 1 - ت 2 2 هي درجات حرارة الجدار والمبرد ، على التوالي ، K ؛
س - سطح التبادل الحراري ، م 2.
مع البساطة الخارجية لوصف قانون نيوتن-ريتشمان ، فإن تعقيد تحديد كفاءة عملية نقل الحرارة بالحمل الحراري يكمن في حقيقة أن قيمة المعامل أ كيلو بايت يعتمد على العديد من العوامل ، أي هي دالة للعديد من معلمات العملية. ابحث عن التبعية بشكل صريح أ كيلو بايت = Fأ 1 , أ 2 ، ...، أ ي , ...، أ ن ) غالبًا ما يكون مستحيلًا ، نظرًا لأن معلمات العملية تعتمد أيضًا على درجة الحرارة.
يساعد حل هذه المشكلة لكل حالة محددة نظرية التشابهدراسة خصائص الظواهر المتشابهة وطرق إثبات تشابهها. على وجه الخصوص ، لقد ثبت أن مسار العملية الفيزيائية المعقدة لا يتم تحديده من خلال معلماتها الفيزيائية والهندسية الفردية ، ولكن من خلال مجمعات قانون الطاقة بلا أبعاد المكونة من معلمات أساسية لمسار هذه العملية ، والتي تسمى معايير التشابه . ثم يتم تقليل الوصف الرياضي للعملية المعقدة إلى تجميع هذه المعايير ، أحدها يحتوي على القيمة المرغوبة kv ، معادلة المعيار , شكلها صالح لأي نوع من أنواع هذه العملية. ومع ذلك ، إذا لم يكن من الممكن وضع معايير تشابه ، فهذا يعني أنه تم حذف بعض معلمات العملية المهمة من الاعتبار ، أو يمكن استبعاد بعض معلمات هذه العملية من الاعتبار دون حدوث ضرر كبير.
يتم شرح عملية نقل الحرارة عن طريق التوصيل الحراري من خلال تبادل الطاقة الحركية بين جزيئات المادة وانتشار الإلكترونات. تحدث هذه الظواهر عندما تختلف درجة حرارة مادة ما في نقاط مختلفة أو عندما يتلامس جسمان بدرجات حرارة مختلفة.
ينص القانون الأساسي للتوصيل الحراري (قانون فورييه) على أن كمية الحرارة التي تمر عبر جسم متجانس (متجانس) لكل وحدة زمنية تتناسب طرديًا مع منطقة المقطع العرضي العادية لتدفق الحرارة ومع التدرج الحراري على طول التدفق
حيث P T هي قوة تدفق الحرارة المنقولة عن طريق التوصيل الحراري ، W ؛
ل - معامل التوصيل الحراري ؛
د - سمك الجدار ، م ؛
ر 1 ، ر 2 - درجة حرارة السطح الساخن والبارد ، ك ؛
S - مساحة السطح ، م 2.
من هذا التعبير ، يمكننا أن نستنتج أنه عند تطوير تصميم REM ، يجب أن تكون الجدران الموصلة للحرارة رقيقة ، ويجب توفير اتصال حراري في مفاصل الأجزاء في المنطقة بأكملها ، ويجب اختيار المواد ذات الموصلية الحرارية العالية.
ضع في اعتبارك حالة انتقال الحرارة من خلال جدار مسطح بسمك د.
الشكل 7.2 - انتقال الحرارة عبر الجدار
يتم تحديد مقدار الحرارة المنقولة لكل وحدة زمنية عبر جزء من الجدار بمساحة S بواسطة الصيغة المعروفة بالفعل
تتم مقارنة هذه الصيغة مع معادلة قانون أوم للدوائر الكهربائية. من السهل التحقق من التشابه الكامل بينهما. لذا فإن مقدار الحرارة لكل وحدة زمنية P T يتوافق مع مقدار التيار I ، فإن التدرج في درجة الحرارة (t 1 - t 2) يتوافق مع فرق الجهد U.
تسمى العلاقة حراريالمقاومة ويشار إليها بواسطة R T ،
لا يسمح لنا التناظر المدروس بين تدفق تدفق الحرارة والتيار الكهربائي بملاحظة عمومية العمليات الفيزيائية فحسب ، بل يسهل أيضًا حساب التوصيل الحراري في الهياكل المعقدة.
إذا كان العنصر المراد تبريده في الحالة المعتبرة موجودًا على مستوى درجة حرارة t ST1 ، إذن
t CT1 \ u003d P T d / (lS) + t CT2.
لذلك ، لتقليل t CT1 ، من الضروري زيادة مساحة سطح إزالة الحرارة ، وتقليل سمك الجدار الناقل للحرارة ، واختيار المواد ذات الموصلية الحرارية العالية.
لتحسين الاتصال الحراري ، من الضروري تقليل خشونة الأسطح الملامسة ، وتغطيتها بمواد موصلة للحرارة ، وخلق ضغط التلامس بينها.
تعتمد جودة الاتصال الحراري بين العناصر الهيكلية أيضًا على المقاومة الكهربائية. كلما انخفضت المقاومة الكهربائية لسطح التلامس ، كلما قلت مقاومته الحرارية ، كان تبديد الحرارة أفضل.
كلما انخفضت إزالة حرارة البيئة ، كلما استغرق إنشاء وضع ثابت لنقل الحرارة وقتًا أطول.
عادةً ما يكون جزء التبريد في التصميم هو الهيكل أو الجسم أو الغطاء. لذلك ، عند اختيار خيار تصميم التخطيط ، فإنك تحتاج إلى النظر فيما إذا كان جزء التبريد من الهيكل المحدد للتثبيت لديه شروط للتبادل الحراري الجيد مع البيئة أو أنه مقاوم للحرارة.
تتميز الظروف الفعلية للكتلة والطاقة في أنواع مختلفة من عمليات الهندسة الحرارية والظواهر الطبيعية بمجموعة معقدة من الظواهر المترابطة ، بما في ذلك عمليات الإشعاع ونقل الحرارة الموصل والحمل الحراري. نقل الحرارة الموصّل للإشعاع - أحد أكثر أنواع نقل الحرارة شيوعًا في الطبيعة والتكنولوجيا
يتبع الشكل الرياضي لمشكلة انتقال الحرارة الإشعاعي الموصل من معادلة الطاقة ، مكملاً بشروط الحدود المقابلة. على وجه الخصوص ، عند دراسة انتقال الحرارة الإشعاعي في طبقة مسطحة من وسط ماص ومشع بحدود رمادية معتمة ، يتم تقليل المشكلة إلى حل معادلة الطاقة
(26.10.2)
بشروط الحدود
هنا كثافة تدفق بلا أبعاد للإشعاع الناتج ؛ - معيار انتقال الحرارة الإشعاعي ؛ - معيار اعتماد التوصيل الحراري للوسيط على درجة الحرارة ؛ - درجة حرارة بلا أبعاد في قسم الطبقة ذات السماكة.
المعادلة (26.10.1) هي معادلة تكاملية تفاضلية غير خطية ، حيث يتم وصفها وفقًا للمعادلة (26.9.13) بتعبير متكامل ، ويتم تقديم قيمة درجة الحرارة المرغوبة في المعادلة (26.10.1) صراحةً وضمنيًا من خلال قيمة التوازن لكثافة تدفق الإشعاع:
على التين. يعطي الشكل 26.19 نتائج حل المعادلة (26.10.1) التي حصل عليها N.A Rubtsov و F. تشير النتائج المذكورة أعلاه حول توزيع درجة الحرارة في طبقة من وسيط ماص مع قيمة متوسط التردد لمعامل امتصاص الحجم إلى الأهمية الأساسية لمراعاة التفاعل المشترك والإشعاعي الموصّل في نقل الطاقة الحرارية الكلية.
أرز. 26.19. توزيع درجة الحرارة في طبقة الوسط الماص للسمك البصري عند
يتم لفت الانتباه إلى حساسية تأثيرات التفاعل للخصائص البصرية للحدود (خاصة للقيم الصغيرة لمعيار نقل الحرارة الإشعاعي الموصل:.
يؤدي الانخفاض في انبعاث الجدار الساخن (انظر الشكل 26.19) إلى إعادة توزيع أدوار المكونات الإشعاعية والموصلية لتدفق الطاقة الحرارية. يتناقص دور الإشعاع في نقل الحرارة للجدار الساخن ، ويتم تسخين الوسط المجاور له بسبب التوصيل من الجدار. يتكون النقل اللاحق للطاقة الحرارية إلى الجدار البارد من التوصيل والإشعاع الناتج عن الإشعاع الطبيعي للوسط ، بينما تنخفض درجة حرارة الوسط مقارنة بالقيمة التي سيكون للوسيط في حالة نقل حرارة موصل واحد. يؤدي التغيير في الخصائص البصرية للحدود إلى إعادة هيكلة جذرية لمجالات درجة الحرارة.
في السنوات الأخيرة ، فيما يتعلق بالتطبيق الواسع للتكنولوجيا المبردة ، أصبحت مشكلة نقل الحرارة بالإشعاع في درجات الحرارة المبردة (دراسات الخصائص البصرية ، وفعالية العزل الحراري في الأجهزة فائقة التوصيل وأجهزة التبريد) مهمة بشكل أساسي. ومع ذلك ، حتى هنا من الصعب تخيل عمليات نقل الحرارة الإشعاعي في شكل مكرر. على التين. يوضح الشكل 26.20 نتائج الدراسات التجريبية التي أجراها N. كما تم عرض حساب مجال درجة الحرارة الثابتة وفقًا للمعادلات (26.4.1) ، على افتراض أن الآلية الرئيسية لانتقال الحرارة هي الإشعاع. يشير التناقض بين النتائج التجريبية والمحسوبة إلى وجود آلية نقل حرارة إضافية موصلة مرتبطة بوجود غازات متبقية بين الشاشات. لذلك ، يرتبط تحليل نظام نقل الحرارة هذا أيضًا بالحاجة إلى النظر في نقل الحرارة الإشعاعي الموصل.
إن أبسط مثال على انتقال الحرارة بالحمل الإشعاعي المشترك هو نقل الحرارة في طبقة مسطحة من الغاز الممتص المنفوخ إلى تدفق مضطرب لغاز عالي الحرارة يتدفق حول صفيحة نفاذة. تتم مواجهة مشاكل من هذا النوع عند النظر في التدفق بالقرب من النقطة الأمامية وعند تحليل إزاحة الطبقة الحدودية عن طريق النفخ الشديد لغاز ممتص من خلال لوحة مسامية.
يتم تقليل المشكلة ككل إلى النظر في مشكلة القيمة الحدودية التالية:
تحت شروط الحدود
هنا - معيار بولتزمان الذي يميز نسبة الحمل الإشعاعي لمكونات تدفق الحرارة في وسط بخصائص فيزيائية حرارية ثابتة - القيم المميزة (في المنطقة غير المضطربة أو عند حدود نظام عدم التوازن) ، على التوالي ، للسرعة ودرجة الحرارة ؛ هي دالة توزيع السرعة بلا أبعاد في منطقة إزاحة الطبقة الحدودية.
على التين. يعرض الشكل 26.21 نتائج الحل العددي للمشكلة (26.10.3) - (26.10.4) للحالة المعينة:؛ انبعاثية الصفيحة المنفذة ؛ انبعاث تيار حر لقيم مختلفة من Bo. كما يمكن رؤيته ، في حالة Bo الصغيرة ، التي تميز الكثافة المنخفضة لإمداد الغاز من خلال اللوحة المسامية ، يتم تشكيل ملف تعريف درجة الحرارة بسبب انتقال الحرارة الإشعاعي بالحمل الحراري. مع زيادة Bo ، يصبح دور الحمل الحراري في تكوين ملف تعريف درجة الحرارة هو السائد. مع زيادة السماكة الضوئية للطبقة ، تزداد درجة الحرارة قليلاً عند Bo صغير ، وبالتالي تنخفض مع زيادة Bo.
على التين. رسم 26.22 اعتمادًا يميز حقن الغاز الماص المطلوب للحفاظ على الحالة المعزولة حرارياً للوحة ، اعتمادًا على السماكة الضوئية لطبقة الإزاحة. هناك اعتماد واضح للمعيار Bo على الحد الأدنى ، عندما يجعل الوجود الضئيل لمكون الغاز الممتص من الممكن تقليل استهلاك الغاز المحقون بشكل كبير. اتضح أن إنشاء سطح عاكس للغاية يكون فعالاً ، بشرط أن يكون السماكة البصرية للغاز المحقون صغيرًا ، مع مراعاة الطبيعة الانتقائية لامتصاص الإشعاع في ظل الظروف قيد النظر لا يؤدي إلى تغييرات جوهرية في طبيعة ملامح درجة الحرارة. لا يمكن قول هذا عن تدفقات الإشعاع ، التي يؤدي حسابها دون مراعاة نوافذ الشفافية الضوئية إلى أخطاء جسيمة.
أرز. 26.21. توزيع درجة الحرارة في طبقة الستارة بسمك بصري
أرز. 26.20. الحركية المحسوبة والتجريبية لحقول درجة الحرارة في نظام من الشاشات المعدنية عند درجات حرارة النيتروجين السائل والهيليوم (- رقم الشاشة ؛ الوقت ، ح)
أرز. 26.22. اعتماد Bo على السماكة البصرية للطبقة عند وعلى التوالي
تمت الإشارة مرارًا وتكرارًا إلى الأهمية الأساسية لمراعاة انتقائية الإشعاع في الحسابات الحرارية في أعمال L.M Biberman ، المكرسة لحل المشكلات المعقدة لديناميكيات الغاز الإشعاعي.
بالإضافة إلى الطرق العددية المباشرة لدراسة النقل الحراري المشترك للحمل الإشعاعي ، فإن طرق الحساب التقريبية لها أهمية عملية خاصة. على وجه الخصوص ، بالنظر إلى القانون المحدد لانتقال الحرارة في طبقة حدية مضطربة مع تأثير ضعيف نسبيًا للإشعاع الحراري
(26.10.5)
نعتقد أن هذا هو مجمع بلا أبعاد لنقل الحرارة بالحمل الإشعاعي ، حيث هو معيار ستانتون الكلي ، والذي يعكس انتقال الحرارة المضطرب الإشعاعي إلى الجدار. في هذه الحالة ، Est ، حيث يوجد التدفق الحراري الكلي على الحائط ، والذي يحتوي على مكونات الحمل الحراري والإشعاعي.
يتم تقريب تدفق الحرارة المضطرب q ، كالمعتاد ، بواسطة كثير الحدود من الدرجة الثالثة ، يتم تحديد معاملاتها من الشروط الحدودية:
حيث E هي كثافة بلا أبعاد للإشعاع نصف الكروي الناتج عند نقاط الحدود الداخلية للطبقة الحدودية.
تتضمن الشروط الحدودية (26.10.6) معادلة الطاقة ، التي تم تجميعها لظروف المنطقة المجاورة للجدار وعند حدود التدفق غير المضطرب ، على التوالي. بالنظر إلى ذلك ، تتم كتابة المعلمة الخالية من الأبعاد المطلوبة للحساب على النحو التالي:
لاحظ أن شروط الحدود (26.10.6) تم تحديدها من خلال الشرط المقبول لتشكيل طبقة حد حرارية بالقرب من السطح الذي يطير بواسطة الوسيط المشع. هذا الظرف المهم جعل من الممكن افتراض
ما حدث في السائد
الحمل.
قيم ويتم تحديدها من تحليل الحلول فيما يتعلق بكثافة الإشعاع الناتج كما هو مطبق على حالة نظام مغلق يشكل الطبقة الحدودية. تعتبر الطبقة الحدودية المضطربة وسط امتصاص رمادي مع معامل امتصاص مستقل عن درجة الحرارة. السطح الانسيابي عبارة عن جسم رمادي متجانس بصريًا متساوي الحرارة. يشع الجزء غير المضطرب من التدفق ، خارج الطبقة الحدودية ، كجسم رمادي حجمي ، لا ينعكس عن سطحه ويكون عند درجة حرارة التدفق غير المضطرب. كل هذا يجعل من الممكن استخدام نتائج الاعتبار السابق للنقل الإشعاعي في طبقة مسطحة من وسط ماص ، مع الاختلاف الأساسي الذي يمكن هنا أن يؤخذ في الاعتبار انعكاس واحد فقط من سطح لوحة انسيابية.
المحاضرة 4. نقل الحرارة الموصل.
4.1 معادلة فورييه للأبعاد غير الثابتة
مجال درجة الحرارة
4.2 معامل الانتشار الحراري. المعنى المادي
4.3 شروط التفرد - شروط الحدود
4.1 معادلة فورييه للأبعاد غير الثابتة
مجال درجة الحرارة
ترتبط دراسة أي عملية فيزيائية بإقامة علاقة بين الكميات التي تميزها. لإثبات مثل هذا الاعتماد في دراسة عملية معقدة نوعًا ما للتوصيل الحراري ، تم استخدام طرق الفيزياء الرياضية ، والتي يتمثل جوهرها في النظر في العملية ليس في المساحة بأكملها قيد الدراسة ، ولكن في الحجم الأولي للمادة على مدى فترة زمنية قصيرة للغاية. يتم إنشاء العلاقة بين الكميات المتضمنة في نقل الحرارة بواسطة الموصلية الحرارية بواسطة معادلة تفاضلية - معادلة فورييه لمجال درجة حرارة غير ثابت ثلاثي الأبعاد.
عند اشتقاق المعادلة التفاضلية للتوصيل الحراري ، يتم عمل الافتراضات التالية:
لا توجد مصادر حرارة داخلية ؛
الجسم متجانس وخواص.
يتم استخدام قانون حفظ الطاقة - يتم إنفاق الفرق بين كمية الحرارة التي دخلت الحجم الأولي بسبب التوصيل الحراري خلال الوقت dτ وتركته خلال نفس الوقت على تغيير الطاقة الداخلية للحجم الأولي قيد النظر.
يتم تمييز خط متوازي أولي مع الحواف dx ، dy ، dz في الجسم. تختلف درجات حرارة الوجوه ، لذلك ، تمر الحرارة عبر خط الموازي في اتجاهات محاور x و y و z.
الشكل 4.1 لاشتقاق المعادلة التفاضلية للتوصيل الحراري
وفقًا لفرضية فورييه ، فإن الكمية التالية من الحرارة تمر عبر المنطقة dx dy في الوقت dτ:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image003_138.gif "width =" 253 "height =" 46 src = "> (4.2)
حيث يحدد https://pandia.ru/text/80/151/images/image005_105.gif "width =" 39 "height =" 41 "> التغير في درجة الحرارة في الاتجاه z.
بعد التحولات الرياضية ، ستتم كتابة المعادلة (4.2):
https://pandia.ru/text/80/151/images/image007_78.gif "width =" 583 "height =" 51 src = "> ، بعد التقصير:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image009_65.gif "width =" 203 "height =" 51 src = "> (4.4)
https://pandia.ru/text/80/151/images/image011_58.gif "width =" 412 "height =" 51 src = "> (4.6)
من ناحية أخرى ، وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image013_49.gif "width =" 68 "height =" 22 src = ">. gif" width = "203" height = "51 src =">. (4.8)
القيمة https://pandia.ru/text/80/151/images/image017_41.gif "width =" 85 "height =" 41 src = "> (4.9)
تسمى المعادلة (4.9) معادلة الحرارة التفاضلية أو معادلة فورييه لمجال درجة حرارة ثلاثي الأبعاد غير ثابت في غياب مصادر الحرارة الداخلية. إنها المعادلة الرئيسية في دراسة عمليات التوصيل الحراري و يؤسس علاقة بين تغيرات درجة الحرارة الزمانية والمكانية في أي نقطة في مجال درجة الحرارة.
المعادلة التفاضلية للتوصيل الحراري بمصادر الحرارة داخل الجسم:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image019_35.gif "width =" 181 "height =" 50 ">
ويترتب على ذلك أن التغير في درجة الحرارة بمرور الوقت لأي نقطة من الجسم يتناسب مع القيمة أ.
القيمة https://pandia.ru/text/80/151/images/image021_29.gif "width =" 26 "height =" 44 ">. في ظل نفس الظروف ، تزداد درجة حرارة الجسم الذي يتميز بانتشار حراري أعلى بشكل أسرع ، لذلك فإن الغازات صغيرة ، والمعادن تشتت حراريًا كبيرًا.
في العمليات الحرارية غير الثابتة أيميز معدل تغير درجة الحرارة.
4.3 شروط التفرد - شروط الحدود
تصف المعادلة التفاضلية للتوصيل الحراري (أو نظام المعادلات التفاضلية لنقل الحرارة بالحمل الحراري) هذه العمليات في الشكل الأكثر عمومية. لدراسة ظاهرة معينة أو مجموعة من ظواهر انتقال الحرارة عن طريق التوصيل الحراري أو الحمل الحراري ، من الضروري معرفة: توزيع درجة الحرارة في الجسم في اللحظة الأولى ، ودرجة الحرارة المحيطة ، والشكل الهندسي وأبعاد الجسم ، والمعايير الفيزيائية للوسط والجسم ، والظروف الحدودية التي تميز توزيع درجة الحرارة على سطح الجسم أو ظروف التفاعل الحراري للجسم مع البيئة.
يتم دمج كل هذه الميزات الخاصة في ما يسمى ب شروط التفرد أو شروط الحدود التي تشمل:
1) الشروط الأولية . يتم تعيين شروط توزيع درجة الحرارة في الجسم ودرجة الحرارة المحيطة في الوقت الأولي τ = 0.
2) الظروف الهندسية . تحديد الشكل والأبعاد الهندسية للجسم وموقعه في الفضاء.
3) الحالة الجسدية . اضبط المعلمات الفيزيائية للبيئة والجسم.
4) شروط الحدود يمكن تحديدها بثلاث طرق.
شرط الحدود من النوع الأول : يتم ضبط توزيع درجة الحرارة على سطح الجسم في أي لحظة من الزمن ؛
شرط الحدود من النوع الثاني : يتم ضبطها حسب كثافة تدفق الحرارة عند كل نقطة على سطح الجسم في أي لحظة من الزمن.
شرط الحدود من النوع الثالث : تحددها درجة حرارة البيئة المحيطة بالجسم ، وقانون انتقال الحرارة بين سطح الجسم والبيئة.
قوانين نقل الحرارة بالحمل الحراري بين سطح الجسم الصلب والبيئة معقدة للغاية. تستند نظرية نقل الحرارة بالحمل الحراري إلى معادلة نيوتن-ريشمان ، التي تحدد العلاقة بين كثافة تدفق الحرارة على سطح الجسم q وفرق درجة الحرارة (tct - tl) ، والذي يحدث تحت تأثير انتقال الحرارة على سطح الجسم:
q = α (tst - tl) ، W / m2 (4.11)
في هذه المعادلة ، α هو معامل التناسب ، يسمى معامل انتقال الحرارة ، W / m2 deg.
يميز معامل انتقال الحرارة شدة انتقال الحرارة بين سطح الجسم والبيئة. إنه يساوي عدديًا مقدار الحرارة المنبعثة (أو المتصورة) بواسطة وحدة من سطح الجسم لكل وحدة زمنية مع اختلاف درجة الحرارة بين سطح الجسم والبيئة بمقدار 1 درجة. يعتمد معامل انتقال الحرارة على العديد من العوامل ويكون تحديده صعبًا للغاية. عند حل مشاكل التوصيل الحراري ، يُفترض أن تكون قيمتها ، كقاعدة عامة ، ثابتة.
وفقًا لقانون حفظ الطاقة ، يجب أن تكون كمية الحرارة المنبعثة من وحدة سطح الجسم إلى البيئة لكل وحدة زمنية بسبب انتقال الحرارة مساوية للحرارة التي يتم توفيرها لسطح وحدة لكل وحدة زمنية عن طريق توصيل الحرارة من الأجزاء الداخلية للجسم:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image023_31.gif "width =" 55 "height =" 47 src = "> - إسقاط تدرج درجة الحرارة على الاتجاه الطبيعي للموقع dF.
المساواة المعطاة هي صياغة رياضية لشرط الحدود من النوع الثالث.
يسمح لك حل المعادلة التفاضلية للتوصيل الحراري (أو نظام المعادلات لعمليات نقل الحرارة بالحمل الحراري) في ظل ظروف معينة من التفرد بتحديد مجال درجة الحرارة في الجسم بأكمله في أي لحظة من الزمن ، أي للعثور على دالة بالشكل: t = f (x ، y ، z ، τ).
