مقدمه‌ای بر انتقال حرارت:

انرژی حرارتی: یک سیستم ترمودینامیکی می‌تواند انرژی‌های متنوعی را در خود داشته باشد. انرژی حرارتی بخشی از انرژی داخلی کل یک سیستم ترمودینامیکی است که با دمای سیستم خود را نشان می‌دهد. وقتی انرژی حرارتی، به هر روش یا مکانیزم ممکن، منتقل می‌شود اصطلاحاً به آن انتقال حرارت می‌گویند. انتقال حرارت عبارت است از تبادل انرژی حرارتی درون یک سیستم و یا میان سیستم‌های فیزیکی مختلف که باهم اختلاف دما دارند. حرارت از طریق سه مکانیزم مختلف انتقال می‌یابد:

• هدایت (Conduction)
• همرفت (Convection)
• تابش (Radiation)

هر سه مکانیزم انتقال حرارت ممکن است هم‌زمان در یک سیستم اتفاق بیافتند. لازم به ذکر است که روش چهارمی نیز برای انتقال حرارت وجود دارد که عبارت است از انتقال جرم. مثلاً اگر یک جسم گرم از جایی به‌جای دیگری منتقل شود، طبیعتاً انرژی حرارتی آ‌ن نیز به همراهش منتقل می‌شود. این مکانیزم انتقال حرارت در مباحث عایق و عایق‌کاری، کاربردی نداشته و به آن نیز پرداخته نمی‌شود. هم‌چنین در مکانیزم‌های تبدیل انرژی ممکن است انرژی حرارتی به‌دست آید ولی در علوم ترمودینامیک، به‌طور جداگانه بررسی‌شده و در انتقال حرارت دنبال نمی‌شود. علت انتقال حرارت درون یک سیستم یا بین سیستم‌های مختلف، اختلاف دما و یا به عبارتی اختلاف در سطح انرژی حرارتی است. همواره حرارت از سطح انرژی بالاتر (دمای بالاتر) به سطح انرژی پایین‌تر (دمای پایین‌تر) جریان می‌یابد تا به تعادل حرارتی برسند (قانون دوم ترمودینامیک).

تعاریف موردنیاز:

عایق:

عایق عبارت است از ماده‌ای که نرخ انتقال جریان ماده یا انرژی را بین دو فضا کاهش داده یا آن را کاملاً مسدود می‌کند. مثلاً عایق‌های حرارتی نرخ انتقال حرارت (انرژی گرمایی) را به میزان چشم‌گیری کاهش می‌دهند. عمده‌ترین عایق‌ها، عایق‌های حرارتی، صوتی، ضد آتش و رطوبتی هستند.

هدایت:

عبارت است از انتقال حرارت از طریق تماس اجرام مختلف که باهم اختلاف دمایی دارند. هدایت بین هر دوسطحی که اختلاف دمایی داشته و به‌صورت فیزیکی باهم در تماس باشند، اتفاق می‌افتد. نرخ انتقال حرارت به‌صورت هدایت، بستگی به جنس مواد و ضریب انتقال حرارت آن‌ها و اختلاف دمای بین دو سطح دارد.

همرفت یا جابه‌جایی:

همرفت عبارت است از انتقال حرارت از طریق یک سیال مانند هوای پیرامون اجسام گرم و هم‌چنین مایعات. هوا به‌عنوان اصلی‌ترین منبع انتقال حرارت به طریق همرفت شناخته می‌شود. در همرفت همواره هوای گرم به سمت هوای سرد جریان می‌یابد.

ضریب هدایت گرمایی – ضریب انتقال حرارت:

ضریب هدایت گرمایی (k) خاصیتی از ماده بوده و عبارت است از مقدار انرژی گرمایی که ماده می‌تواند در واحد سطح، در واحد ضخامت و در واحد زمان و در دمای مشخصی، از خود عبور دهد. هرچه ضریب هدایت گرمایی کمتر باشد، نشان می‌دهد که ماده قابلیت انتقال انرژی گرمایی کمتری داشته و بیشتر برای عایق مناسب است. واحد ضریب انتقال حرارت در سیستم متریک w/m°K (وات بر متر درجه کلوین) و در سیستم اینچی Btu/hft°f (واحد گرمای بریتیش بر ساعت فوت درجه فارنهایت) می‌باشد. ضریب انتقال حرارت را با k نشان می‌دهند.

ضریب انتقال حرارت عایق‌های مختلف، بستگی به اختلاف درجه حرارت بین سطوح عایق، چگالی و عمر عایق دارد. معمولاً هرچه درجه حرارت بالاتر رود، ضریب انتقال حرارت عایق‌ها نیز افزایش‌یافته و عملکرد عایق کاهش می‌یابد. هم‌چنین با کاهش چگالی و افزایش عمر، ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد.

تخمین مقدار حرارت ازدست‌رفته و یا جذب‌شده:

در حالت بعدی و حالت پایدار (Steady State) نرخ جریان حرارت از درون عایق را می‌توان از رابطه فوریه به شرح زیر به دست آورد:

Q=-K.A. ^Dt/dx

 Q نرخ انتقال حرارت (J/hr – ژول بر ساعت)

A مساحت مقطعی است که حرارت از آن عبور می‌کند

K ضریب انتقال حرارت ماده عایق (J/hr.m. k)

Dt/dx گرادیان دما در طول ضخامت عایق

برای سطوح تخت رابطه فوق را می‌توان به‌صورت زیر نوشت:

Q=K.A. ^(T1-T2) /X

X ضخامت عایق است (m).

T₁ دمای ناحیه گرم‌تر (دمای بالاتر) (c°).

T₂ دمای ناحیه سردتر (دمای پایین‌تر) (° C).

برای سطوح لوله‌ها رابطه فوق به‌صورت زیر تبدیل می‌شود:

Q=k.A₂. ^(T1-T2) /R₂.Ln ^R2/R1

R₁ شعاع داخلی عایق لوله‌ای (m)

R₂ شعاع خارجی عایق لوله‌ای (m)

A₂ مساحت خارجی عایق لوله‌ای (m²)

با توجه به این‌که مقدار شعاع بحرانی در عایق‌کاری لوله‌ها R=k/h است و اغلب موارد در عایق‌کاری پشم سنگ شعاع خارجی لوله بیشتر از شعاع بحرانی است بنابراین افزایش ضخامت عایق می‌تواند در جهت کاهش انتقال حرارت باشد.

وقتی حرارت از طریق انتقال هدایت، به سطح خارجی رسید، مکانیزم‌های انتقال حرارت به همرفت و تابش تغییر می‌کنند. معمولاً فرض می‌شود که این مکانیزم‌ها، هم‌زمان باهم عمل می‌کنند؛ بنابراین برای سطح باید ضریب ترکیبی از هر دو مکانیزم در نظر گرفته شود:

H_s=h_c+h_r

H_s ضریب انتقال حرارت ترکیبی

H_c ضریب انتقال حرارت همرفت

H_r ضریب انتقال حرارت تابشی از سطح

با فرض این‌که تابش، در همان دمای محیط رخ می‌دهد، مقدار جریان حرارت از سطح عبارت است از:

Q=h_S.A(T_surf-T_amb)

T_surf دمای سطح خارجی عایق

T_amb دمای محیط

ضریب انتقال حرارت تابشی hr را می‌توان از رابطه زیر تخمین زد:

H_r=ϵ.σ. ^{(Tsurf4-Tamb4)} /(T_surf-T_amb)

 ϵ ضریب تابش سطح

σ ثابت بولتزمن