آشنایی با روش‌های انتقال حرارت ساختمان

انتقال حرارت ( heat transfer) به طور کلی در حرکت حرارت از دمای بالا به دمای پایین گفته میشود .در زمانی که بین دو نقطه گرادیان دمایی (اختلاف دما) وجود داشته باشد، بین آنها انتقال حرارت صورت می گیرد. به طور کلی حرارت به سه صورت هدایت (Conduction)، جابجایی (Convection) و تابش (radiation) منتقل می شود. انتقال حرارت هدایتی نیاز به محیط مادی داشته و در جامدات و سیالات رخ می دهد. انتقال حرارت جابجایی نیز نیاز به محیط مادی داشته و زمانی رخ می دهد که یک سیال بر روی یک سطح حرکت کند. انتقال حرارت تشعشعی نیاز به محیط مادی نداشته و  همیشه بین اجسامی که اختلاف دما دارند روی می دهد.

انتقال حرارت به صورت هدایت (Conduction)

انتقال حرارت هدایتی در اثر تماس فیزیکی جسم سرد با جسم گرم تر رخ می‌دهد. به عنوان مثال در پخت غذا که حرارت از طریق تماس مستقیم ماده‌ی غذایی با ظرف داغ به آن منتقل می‌شود، اتقال حرارت هدایتی رخ می‌دهد. در اشل میکروسکوپی، انتقال حرارت به یک جسم، باعث افزایش دامنه‌ی ارتعاش مولکول‌ها و اتم‌های آن می‌شود. انتقال حرارت هدایتی نیز در اثر ارتعاش اتم‌ها و مولکول ‌های پر انرژی تر و برخورد آنها با اتم ها و مولکول های کم انرژی‌تر و در نتیجه انتقال بخشی از انرژی به آنها، رخ می دهد. این نوع انتقال حرارت بیشتر درون اجسان صلب یا بین اجسام صلبی که با هم در تماس هستند رخ داده و کمتر در مورد سیالات (به خصوص گازها) اتفاق می افتد. هدایت در سیالات از طریق برخورد و نفوذ مولکولهای پرانرژی تر در بین مولکول های کم انرژی تر رخ می دهد. اما در جامدات،  به صورت ترکیبی از لرزش مولکولها و انتقال الکترون های آزاد بین آنها رخ می دهد. در شروع هدایت، از آنجا که گرادیان دمایی قابل توجه می باشد، لذا دمای جسم به صورت تابعی از زمان تغیر می کند. به این بخش از هدایت، هدایت گذرا می گویند. اما با گذشت زمان، گرادیان دمایی درون جسم ثابت شده و متغیر نمی باشد. به عبارت دیگر سیستم به حالت تعادل می رسد. در حالت تعادل، انرژی حرارتی خروجی از یک سطح مقطع، دقیقاً برابر با انرژی ورودی به آن می باشد. به این بخش از هدایت، هدایت پایا می گویند.

قابل ذکر است مطالعه و تحلیل هدایت گذرا از پیچیدگی زیادی برخوردار بوده و اغلب نیازمند روش های عددی یا تئوری های تقریب زنی است.

اگر ثابت این تناسب را K در نظر بگیریم (که به جنس دیواره بستگی دارد)، خواهیم داشت:

که به این معادله، معادله ی انتقال حرارت فوریه می گویند. در این رابطه، K نرخ انتقال حرارت در راستای x و dT/dx گرادیان دمایی در همان راستا می باشد.

انتقال حرارت به صورت جابجایی (Convection)

انتقال حرارت جابجایی یا همرفت، صورتی از انتقال انرژی بین یک سطح جامد و مایع یا گاز متحرک موجود در مجاورت آن است که ترکیبی از اثرات هدایت و حرکت سیال را در خود دارد. در واقع، انتقال حرارت همرفتی، جابجا شدن حرارت از یک مکان به مکان دیگر در اثر حرکت سیال است. فرآیندی است که در آن جابجا شدن حرارت در اثر جابجا شدن جرم رخ می دهد. هرچه حرکت سیال سریع تر باشد، نرخ انتقال حرارت بیشتر است. در غیاب هر گونه حرکت توده ای درون سیال، انتقال حرارت بین یک سطح جامد و سیال مجاور آن، به صورت هدایت ضعیف رخ می دهد. وجود حرکت توده ای در سیال، نرخ انتقال حرارت را افزایش می دهد، اما محاسبات آن را پیچیده می کند.

اگر یک سطح خنک شونده با جریان هوا را در نظر بگیریم، در ابتدا انرژی سطح از طریق هدایت به لایه ی هوای مجاور منتقل شده و پس از آن، این انرژی توسط جابجایی مولکول ها از سطح دور می شود. در واقع، این نوع انتقال حرارت با ترکیبی از هدایت و حرکت توده ای یا میکروسکوپی ذرات سیال که لایه ی مجاور را از سطح دور کرده و آن را با هوای خنک تر جایگزین می کند، روی می دهد. در شکل زیر گرادیان دمایی و گرادیان سرعت درون لایه ی مرزی سیال عبوری از روی سطح داغ نام برده شده را ملاحظه می کنید.

انتقال حرارت جابجایی، به دو صورت اجباری (forced) و آزاد (natural) رخ می دهد. جابجایی اجباری زمانی رخ می دهد که سیال توسط یک نیروی خارجی (توسط پمپ، فن و یا باد)، به صورت اجباری بر روی یک سطح جریان پیدا کند. جابجایی آزاد زمانی اتفاق می افتد که حرکت سیال توسط نیروی شناوری که به خاطر اختلاف چگالی (که در اثر گرادیان دمایی در سیال رخ می دهد) است، صورت گیرد. اگر اختلاف دما بین سطح جسم و هوای اطراف به اندازه ای بزرگ نباشد که بتواند بر مقاومت هوا غلبه کرده،  آن را به حرکت در آورده و باعث شروع جابجایی آزاد شود، انتقال حرارت بین جسم و هوا، از نوع هدایت می باشد.

اگر انتقال حرارت با تغییر فاز سیال همراه شود نیز از نوع جابجایی در نظر گرفته می شود.  علت این نام گذاری، حرکت القا شده به سیال در طول فرایند تغیر فاز است، مثل بالا رفتن حباب های بخار در طول جوشش و یا پایین آمدن قطرات آب در طول کندانس.

علی رغم پیچیدگی انتقال حرارت جابجایی، می توان نرخ آن را به صورت زیر در نظر گرفت که به قانون خنک شوندگی نیوتون معروف است:

ثابت انتقال حرارت جابجایی (h)، ویژگی سیال نبوده و تابعی از تمام پارامترهای تأثیرگذار بر جابجایی مثل: هندسه سطح، چگونگی حرکت سیال، ویژگی های سیال و سرعت توده ای درون سیال است. مقادیر معمول h در جدول زیر ارائه شده اند:

به عنوان جمع بندی بحث مطرح شده، می توان بیان کرد که انتقال حرارت جابجایی ترکیبی از هدایت و حرکت سیال است که یکی از مکانیزم های بنیادی انتقال حرارت می باشد.

انتقال حرارت به صورت تابش (radiation)

تشعشع، انرژی ساطع شده از سطح سیال به صورت امواج الکترومغناطیس و به دلیل تغییرات الکتریکی اتم ها و مولکول هاست. بر خلاف هدایت و جابجایی، انتقال حرارت تشعشعی نیازی به محیط مادی ندارد. این انرژی با سرعت نور انتقال یافته و در محیط خلأ نیز حرکت می کند. تشعشع یک فرایند حجمی است و تمام جامدات، مایعات و گازها، جذب و ساطع کردن انرژی را انجام می دهند. اما به هرحال، تشعشع را برای جامدات غیر شفاف مانند سنگ و چوب که امواج ساطع شده از بخش های درونی آنها، به سطحشان نمی رسد، معمولاً به عنوان یک پدیده ی سطحی در نظر می گیرند. در این اجسام، تشعشع جذب شده نیز تنها تا عمق چند میکرون از سطح آنان اثر گذار است. لذا علت سطحی بودن تشعشع در مورد این اجسام، قابل درک است.

ماکزیمم انرژی تشعشعی که می تواند از سطح یک جسم با دمای مطلق ،T (کلوین) تابیده شود، توسط قانون استفان-بولتزمن برابر است با:

که  قایلیت انتشار سطح است که مقدار عددی آن بین صفر و یک است. قابلیت انتشار جسم سیاه برابر با 1 بوده و هرچه جسم مورد نظر، از جسم سیاه بیشتر فاصله بگیرد، این ضریب به سمت صفر میل می کند.

ویژگی مهم دیگر سطح در تشعشع، قابلیت جذب آن است.  ضریبی است که بیان می کند چه کسری از انرژی تابشی رسیده شده به سطح جسم توسط آن دریافت می شود. مقدار عددی این ضریب نیز بین صفر و یک می باشد. مشابه قابلیت انتشار، قابلیت جذب جسم سیاه نیز برابر با 1 بوده و برای سایر اجسام کمتر از 1 است.

به طور کلی، مقادیر  و مربوط به یک سطح، به دما و طول موج تابش بستگی دارد. قانون تابش کیریشهف بیان می کند که نرخ جذب و تابش یک سطح، در یک دما و طول موج خاص، با هم برابرند. از آنجا که در بسیاری از موارد، دمای سطح و دمای سطحی که منبع تشعشع است، از یک اردر هستند و مقدار میانگین ضریب نشر و جذب، با هم برابر فرض می شوند.

ویژگی مهم دیگر سطح در تشعشع، قابلیت جذب آن است.  ضریبی است که بیان می کند چه کسری از انرژی تابشی رسیده شده به سطح جسم توسط آن دریافت می شود. مقدار عددی این ضریب نیز بین صفر و یک می باشد. مشابه قابلیت انتشار، قابلیت جذب جسم سیاه نیز برابر با 1 بوده و برای سایر اجسام کمتر از 1 است

اختلاف بین نرخ جذب و تابش انرژی را نرخ خالص انتقال حرارت تشعشعی می گویند. وقتی که نرخ تابش یک سطح برابر با As، سطح آن A، دمای آن T و دمای مطلق سطحی که جسم را احاطه کرده است و تابش به آن منتقل می شود T باشد، نرخ خالص انتقال حرارت بین این دو سطح برابر است با:

از آنجا که تشعشع و جابجایی به موازات هم رخ می دهند، نرخ کلی انتقال حرارت را برابر با جمع این دو مقدار به دست می آوریم. اگر ثابتی را به عنوان ثابت ترکیبی انتقال حرارت ، تعریف کنیم که هم تشعشع را پوشش دهد و هم جابجایی را، نرخ کلی انتقال حرارت به صورت زیر تعریف می شود:

ثابت ترکیبی انتقال حرارت، در واقع همان ثابت جابجایی ایت که اثرات تشعشع در آن لحاظ شده است. معمولاً تشعشع در مقایسه با جابجایی طبیعی یا هدایت قایل توجه است، اما در مقایسه با جابجایی اجباری قابل چشم پوشی است. این مسئله به خصوص