Download to read offline
Heat-transfer-İntroduction-basics-yeavpeles
- 1. Bölüm 1: Girişve Temel Kavramlar Yoav Peles Department of Mechanical, Aerospace and Nuclear Engineering Rensselaer Polytechnic Institute Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
- 2. Amaçlar Bu bölüm tamamlandığında: •Termodinamik ve ısı transferi arasında nasıl bir ilişki olduğunu anlaşılmış olmalıdır, • Isıl enerji, enerjinin diğer türlerinden; ısı transferi ise diğer enerji türlerinin transferinden ayırt edilmelidir, • Hem genel enerji dengeleri hem de yüzey enerji dengeleri kurulabilmelidir, • Isı transferinin temel mekanizmaları olan iletim, taşınım ve ışınım, Fourier ısı iletim kanunu, Newton’un soğutma kanunu ve Stefan–Boltzmann ışınım kanunu anlaşılmış olmalıdır, • Uygulamada eşzamanlı, olarak gerçekleşen ısı transfer mekanizmaları belirlenmiş olmalıdır, • Isı kayıplarıyla ilintili maliyet bilinci geliştirilmiş olmalıdır ve • Uygulamada karşılaşılan çeşitli ısı transferi problemleri çözülebilmelidir.
- 3. Termodinamik ve IsıTransferi • Termodinamik bilimi, bir sistemin bir denge durumundan diğer bir denge durumuna geçişinde, aktarılan ısı transferi miktarı ile ilgilenmesi ve işlemin ne kadar süreceği hakkında bir ip ucu vermesi söz konusu değildir. • Isı transferi bilimi, sıcaklık farkının bir sonucu olarak bir sistemden diğerine transfer edilebilen bir enerji türü olan ısı ile ilgilenmektedir. Isı transferi, böylesi enerji transfer hızlarının bulunmasıyla ilgilenen bir bilim dalıdır.
- 4. • Thermodinamik, dengedurumları ve bir denge durumundan diğerine olan değişmelerle ilgilenir. Öte yandan ısı transferi, ısıl dengesi bozulmuş sistemlerle ilgilenir ve bu yüzden (ısı tranferi) dengenin olmadığı bir olaydır. • Bu yüzden, bir ısı transfer çalışması yalnızca termodinamik prensiplere dayanamaz. • Bununla birlikte termodinamiğin kanunları, ısı transferi bilimi için bir çerçeve oluşturur. Termodinamik ve Isı Transferi
- 5. Isı Transferi • Isıtransferi olması için temel gereklilik bir sıcaklık farkının olmasıdır. • İkinci kanun, ısının azalan sıcaklık yönünde transfer edilmesini gerektirir. • Isı transferi için zorlayıcı etki sıcaklık farkıdır. • Belirli bir yöndeki ısı transfer hızı, o yöndeki sıcaklık gradyanının (sıcaklıktaki değişim hızı) büyüklüğüne bağlıdır. • Sıcaklık gradyanı ne kadar büyükse, ısı transfer hızı o kadar yüksek olur.
- 6. Isı Transferinin UygulamaAlanları
- 7. Isı; önceleri, Kalorikteorisine dayanmakta olup, ısının kalorik denen akışkan benzeri, kütlesiz, renksiz, kokusuz ve tatsız, bir cisimden diğerine akabilen bir madde olduğunu öne sürer. Kalorik, bir maddeye eklendiğinde sıcaklığı artar, çıkarıldığında ise azalır. En sonunda İngiliz James P. Joule’un deneyleri, kuşku duyanları ısının bir madde olmadığına ikna etti ve böylelikle kalorik teorisini geçersiz kıldı. Ancak, kalorik teorisi, termodinamik ve ısı transferinin gelişmesine büyük katkı sağlamıştır. Kalorik teorisi, ısının yaratılamayacak veya yok edilemeyecek bir madde olduğunu öne sürmüş, ancak ellerin veya iki tahta parçasının birbirine sürtülmesiyle belli belirsiz bir ısı üretildiği bilinmekteydi. Kalorik teorisi
- 8. Mühendislik Isı Transferi Isıdeğiştiricileri, kazanlar, yoğuşturucular, radyatörler, ısıtıcılar, ocaklar, soğutucular ve güneş kollektörleri gibi ısı transfer cihazları, öncelikle ısı transfer çözümlemesi esas alınarak tasarlanır. Uygulamada karşılaşılan ısı transfer problemleri iki grupta incelenebilir: 1-) Isı transfer hızı hesaplama 2-) Boyutlandırma problemleri • Bir mühendislik düzeneği deneysel (deney ve ölçüm yapma) veya analitik olarak (çözümleme veya hesaplamayla) araştırılabilir. • Deneysel yaklaşım, gerçek fiziksel sistemin incelenmesi avantajına sahiptir ve istenen nicelik, deneysel hata sınırları içerisinde ölçme yoluyla belirlenir. • Ancak, pahalı, zaman alıcı ve çoğunlukla pratik değildir. Deneysel yaklaşım her zaman mümkün değildir. • Mesela bir yapının bütün ısıtma sistemi, genellikle yapı verilen özellikler esas alınıp gerçek olarak inşa edilmeden önce boyutlandırılmalıdır.
- 9. • Fiziksel olayınaraştırılması iki önemli adım içerir: • Birinci adımda, olayı etkileyen bütün değişkenler tanımlanır, uygun kabuller, yaklaşımlar yapılır ve bu değişkenlerin birbirlerine olan bağımlılıkları araştırılır. İlgili fiziksel kanun ve prensiplere başvurulur ve problemin matematik formülasyonu yapılır. Denklemin kendi, bazı değişkenlerin diğerlerine bağımlılıklarının derecesini ve çeşitli terimlerin izafî önemini gösterecek ölçüde gayet öğreticidir. • İkinci adımda, problem uygun bir yaklaşım kullanılarak çözülür ve sonuçlar yorumlanır. • Bir mühendislik problemi üzerinde çalışılırken, çoğu zaman çok kesin fakat karmaşık bir model ile, yalın ama o kadar fazla duyarlı olmayan bir model arasında seçim yapma zorunluluğu oluşur.
- 10. • Doğru çözümgenellikle yeterli sonuçlar veren en basit modeldir. Mesela; patateslerin veya yuvarlak kalın bir biftek parçasının fırında pişirilmesi işlemi, su özelliklerine sahip küresel katı bir top gibi modellenerek, analitik olarak basit bir şekilde incelenebilir. • Mesela; uygun büyüklükte ısıtıcı seçmek için bir binanın ısı kayıpları çözümlenirken, beklenen en kötü şartlardaki ısı kayıpları bulunur ve o ısı kayıplarını karşılamaya yetecek büyüklükte bir kazan seçilir. • Mesela; bir eşanjör seçimi yapılırken, sert suyun kullanıldığı bir yerde zamanla oluşacak kireçlenme ve tortu tabakası da dikkate alınmalıdır.
- 11. Isı ve EnerjininDiğer Türleri • Enerji aşağıdaki gibi birçok biçimde bulunabilir: – ısıl, – mekanik, – kinetik, – potansiyel, – elektrik, – manyetik, – kimyasal, ve – nükleer. • Bunların toplamı bir sistemin E (veya birim kütle olarak e) toplam enerjisini oluşturur. • Enerjinin bütün mikroskobik biçimlerinin toplamına iç enerji denir ve U (veya birim kütle olarak u) ile gösterilir.
- 12. • İç enerji,moleküllern kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamı olarak görülebilir. • Moleküllerin kinetik enerjisi duyulur enerji veya duyulur ısı olarak adlandırılır. • Bir sistemin faz durumuyla ilgili iç enerjisine gizli enerji veya gizli ısı adı verilir. • Bir moleküldeki atomik bağlarla ilgili iç enerji, kimyasal (veya bağ) enerjisi olarak adlandırılır. • Atomun kendi çekirdeğinin içindeki bağlarla ilgili iç enerji nükleer enerji olarak adlandırılır.
- 13. İç Enerji veEntalpi • Akışkan akışı içeren sistemlerin çözümlemesinde, sık sık u ve Pv özelliklerinin kombinasyonu ile karşılaşılır. • Bu kombinasyon entalpi (h=u+Pv) olarak tanımlanır. • Burada Pv terimi akışkanın akış enerjisidir (veya akış işi).
- 14. Gazların, Sıvıların veKatıların Özgül Isıları • İki tür özgül ısı vardır: – sabit hacimde özgül ısı cv, ve – sabit basınçta özgül ısı cp. • Bir saf maddenin özgül ısısı, genellikle sıcaklık ve basınç gibi iki bağımsız özelliğe bağlıdır. • Bununla birlikte, ideal gaz için bunlar sadece sıcaklığa bağlıdır. Özgül ısı bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını bir derece artırmak için gerekli enerji olarak tanımlanır.
- 15. Özgül Isılar • Düşükbasınçlarda bütün gerçek(real) gazlar ideal gaz gibi davranırlar ve bu yüzden özgül ısıları sadece sıcaklığa bağlıdır. • Bir ideal gazın iç enerjisinde ve entalpisindeki değişim yaklaşık olarak ortalama sıcaklıktaki özgül ısılar ile hesaplanır: • Özgül hacmi (veya yoğunluğu) sıcaklık ve basınçla değişmeyen maddelere sıkıştırılamaz maddeler denir. • Sıkıştırılamaz maddeler için sabit hacim ve sabit basınç özgül ısıları aynıdır. • Sıkıştırılamaz maddelerin özgül ısıları sadece sıcaklığa bağlıdır.
- 16. Enerji Transferi • Verilenbir kütleye veya kütleden enerji iki mekanizma ile aktarılabilir: – ısı transferi Q, ve – iş W. • Bir işlem esnasında transfer edilen ısı miktarı Q ile gösterilir. • Birim zamanda transfer edilen ısı miktarına ısı transfer hızı denir ve Q ile gösterilir. • Toplam ısı transfer miktarı Q , Dt zaman aralığı boyunca şağıdaki şekilde bulunabilir: • Isı transferi doğrultusuna dik birim alan başına ısı transfer hızı, ısı akısı olarak adlandırılır ve ortalama ısı akısı aşağıdaki şekilde ifade edilir: 0 (J) t Q Qdt 2 (W/m ) Q q A (1-6) (1-8)
- 17. Termodinamiğin Birinci Kanunu •Termodinamiğin birinci kanunu, bir işlem süresince enerjinin vardan yok, yoktan var edilemeyeceğini, sadece biçim değiştire- Bileceğini ifade eder: • Herhangi bir işleme tabi herhangi bir sistem için enerji dengesi şöyle yazılabilir:(hız cinsinden veya birim zaman) Sisteme giren toplam enerji Sitemden Çıkan toplam enerji Sistemin toplam enerjisindeki değişim - = (W) in out system E E dE dt Isı, iş ve kütle ile net enerji transfer hızı İç enerji, kinetik, potansiyel vb. enerjilerdeki değişim (1-9) (1-11)
- 18. • Isı transferiçözümlemesinde genellikle enerjinin, yalnız bir sıcaklık farkı sonucu transfer edilebilen şekilleriyle ilgilenilir. Dolayısıyla bir ısı dengesi yazmak ve nükleer, kimyasal ve elektrik enerjilerinin ısıl enerjiye dönüşümünü ısı üretimi olarak ele almak uygundur. • Bu durumda enerji dengesi şöyle yazılabilir: , (J) in out gen thermal system Q Q E E Net ısı transferi Sistemin ısıl enerjisindeki değişim Isı üretimi (1-13)
- 19. Enerji Dengesi Kapalı Sistemler •Kapalı sistem, iş yok ise: Sürekli-Akış Sistemleri (SAAS) • Bir giriş ve bir çıkışı olan bir sistem için: • Kinetik ve potansiyel enerjilerin ihmal edildiği, iş etkileşiminin olmadığı SAAS için enerji dengesi: (J) v Q mc T (kg/s) in out m m m (kJ/s) p Q m h mc T (1-15) (1-18) Yüzey Enerji Dengesi • Yüzeyde enerji dengesi:
- 20. Isı Transfer Mekanizmaları •Isı, üç farklı yolla aktarılabilir: – iletim (kondüksiyon), – taşınım (konveksiyon), – ışınım (radyasyon). • Isı transferinin bütün türleri bir sıcaklık farkını gerektirir. • Hepsi de yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki ortama doğrudur.
- 21. İletim (Kondüksiyon) • İletim,parçacıklar arası etkileşmelerin sonucu olarak bir maddenin daha yüksek enerjili parçacıklarından bitişiklerindeki daha düşük enerjili olanlara enerji aktarılmasıdır. • İletim katılarda, sıvılarda ve gazlarda olabilir. – Gazlarda ve sıvılarda iletim, moleküllerin gelişigüzel hareketleri sırasında çarpışmaları ve yayılmaları sebebiyle olur. – Katılarda ise, kafeslerdeki moleküllerin titreşimleri ve bunun yanında serbest elektronlarla enerji aktarımı sonucu olur.
- 22. İletim 1 2 (W) cond T TT Q kA kA x x Burada k orantı sabiti olup, malzemenin ısıl iletkenliğidir, (W/mK) Diferansiyel formu şeklinde olup, Fourier’s ısı iletim kanunu olarak bilinir. (1-21) (1-22) (W) cond dT Q kA dx
- 23. Isıl İletkenlik • Birmalzemenin ısıl iletkenliği, malzemenin ısıyı iletme kabiliyetinin bir ölçüsüdür. • Isıl iletkenliğin yüksek değeri iyi bir ısı iletken • Düşük değeri kötü bir ısı iletken veya yalıtkan. • Bir katıda ısı iletiminin hızı katının ısıl iletkenliğiyle doğrudan orantılıdır.
- 24. Malzemelerin Isıl İletkenlikleri •Hava gibi gazların ısıl iletkenlikleri, bakır gibi saf metallerinkinden 104 çarpanı oranında farklıdır. • Gazların ve yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlikleri en düşük, saf kristal ve metallerinkiler ise en yüksektir.
- 25. • Bir malzemeninısıl iletkenliği, o malzemenin birim kalınlığından, birim alan ve birim sıcaklık farkı başına olan ısı transfer hızı olarak tanımlanabilir. • Yüksek ısıl iletkenlik değeri malzemenin iyi bir ısıl iletken olduğunu, düşük ısıl iletkenlik değeri ise malzemenin kötü bir ısıl iletken veya ısıl yalıtkan olduğunu gösterir.
- 26. Isıl İletkenlikler veSıcaklık • Malzemelerin ısıl iletkenlikleri sıcaklığa bağlı olarak değişir. • Isıl iletkenliğin sıcaklığa bağımlı olması iletim çözümlemelerinde önemli karmaşaya yol açar, hesaplamalarda sabitmiş gibi kabul edilir. • Yani bir malzeme normal olarak izotropik (her yönde üniform) kabul edilir.
- 27. Isıl Yayınım • Hemözgül ısı ve hem de ısıl kapasite malzemenin ısı depolama kapasitesini gösterir. • Isıl yayınım bir malzeme içerisinde ısının ne kadar hızlı yayıldığını gösterir. • Zamana bağlı ısı iletim çözümlemesinde görülmektedir. • Yüksek ısıl iletkenliğe veya düşük ısıl kapasiteye sahip bir malzemenin ısıl yayınımı yüksek olacaktır. • Isıl yayınım ne kadar yüksek olursa, ısının ortam içerisinde yayılması o kadar hızlı olur. • • Demir Su (1-23)
- 28. Taşınım (Konveksiyon) • Taşınım,bir katı yüzey ile ona bitişik, hareket halindeki sıvı veya gaz arasındaki enerji aktarımı türüdür; iletim ve akışkan hareketinin birleşik etkilerini kapsar. • Taşınımın genelde üç alt türü vardır: – Zorlanmış taşınım, – Doğal (veya serbest) taşınım, – Faz değişimi (sıvı/buhar, buhar/sıv, katı/sıvı,vb.) Taşınım = İletim + Adveksiyon (akışkan hareketi)
- 29. Taşınım • Taşınım ısıtransfer hızı Newton’un soğuma kanunu ile ifade edilir: • h , taşınım ısı transfer katsayısı olup, birimi W/m2 °C. • h, deneysel olarak bulunan ve değeri yüzey geometrisine, akışkan hareketinin tabiatına, akışkanın özelliklerine ve akışkanın yığın hızına bağlı bir parametredir. ( ) (W) conv s s Q hA T T (1-24)
- 30. Işınım (Radyasyon) • Işınım,atom veya moleküllerin elektronik düzenlerindeki değişmelerin sonucunda maddeden elektromanyetik dalgalar (veya fotonlar) şeklinde yayılan enerjidir. • Işınım ile ısı transferi bir aracı ortamın varlığına gerek duymaz. • Isı transferi çalışmalarında ısıl ışınım (cisimlerin sıcaklıkları sebebiyle yaydıkları ışınım türü) ile ilgilenilir. • Mutlak 0 K üzerindeki bütün cisimler ısıl ışınım yayarlar. Isıl ışınım,elektromanyetik spektrumun 0.1μm ile 100 μm lik kısmında gerçekleşir. • Işınım hacimsel bir olaydır. Bununla birlikte ısıl ışınıma karşı geçirgen olmayan (opak) katı malzemeler için ışınım genellikle yüzey olayı olarak göz önüne alınır. Bir vakum odasındaki sıcak bir cisim sadece ışıma yoluyla ısı kaybeder. İletim ve taşınımın aksine, kendilerinden daha soğuk bir ortamla ayrılmış olsalar dahi, iki cisim arasında ışımayla ısı transferi olabilir.
- 31. • Ts (K ) termodinamik sıcaklığa sahip bir yüzeyden yayılabilecek maksimum ışınım hızı Stefan–Boltzmann kanunu ile ifade edilebilir: • s =5.670X10-8 W/m2 ·K4 olup, Stefan–Boltzmann sabitidir. • Bu maksimum hızla ışınım yayan ideal yüzeye, karacisim denir. • e yüzeyin yayıcılık özelliğidir. Karacisim için e =1 dir. 4 ,max (W) emit s s Q AT Işınım - Yayıcılık (1-25)
- 32. 4 ,max (W) 0 1 emits s Q AT • Bütün gerçek yüzeylerden yayılan ışınım, aynı sıcaklıktaki karacisim tarafından yayılan ışınımdan azdır ve aşağıdaki gibi ifade edilir: (1-26) • 0 – 1 aralığında değişen yayıcılık özelliği, bir yüzeyin yayıcılığı olan karacisme ne kadar yakın olduğunun bir ölçüsüdür.
- 33. Işınım - Soğurganlık •Yüzeye gelen ışınım enerjisinin soğurulma oranı a soğurganlığıdır. • Bir karacisim üzerine gelen ışınımın tamamını soğurur. Yani karacisim, mükemmel bir yayıcı olduğu kadar mükemmel bir soğurgandır (a =1). • Genel olarak bir yüzeyin e ve a değerleri sıcaklığa ve ışınımın dalga boyuna bağlıdır. Çoğu uygulamada, bir yüzeyin ortalama soğurganlığı, ortalama yayıcılığına eşit alınabilir. 0 1
- 34. Işınım Yayıcılığı e, yüzeyalanı As ve termodinaik sıcaklığı Ts olan Bir yüzey, Tçev sıcaklığındaki çok geniş bir yüzey ile tamamen çevrelenmiş ve aralarında ışınımla etkileşmeyen hava gibi bir gaz var ise bu iki yüzey arasındaki net ışınım ısı transfer hızı: Bir yüzeyden veya bir yüzeye, taşınım ve ışınım ile olan toplam ısı transfer hızı: hbirleşik, taşınım ve ışınım etkilerini kapsayan birleşik ısı transfer katsayısıdır.
- 35. Eşzamanlı Isı transferMekanizmaları • Bir ortamda üçü birden olmayabilir. • Geçirgen olmayan katılarda yalnız iletim, yarı geçirgen katılarda ile iletim ve ışınım yoluyla olur. • Durgun akışkanlarda iletim ve belki ışınımla, akan akışkanlarda ise taşınım ve ışınım ile olur. Işınım yok ise akışkanın durumuna (durgun-hareketli) göre ya iletim veya taşınım ile olur. Akışkan içinde hem iletim hem de taşınım olmaz. • İletim ve taşınım maddesel ortama ihtiyaç duyduğundan vakum içinde sadece ışınım olur. !!!Bir ortamda ancak iki eşzamanlı ısı transferi gerçekleşebilir.