کنترل دما توسط جدار خارجی

اهمیت کنترل دما توسط نما یا جدار خارجی:

با کاهش انرژی های تجدید ناپذیر، آلایندگی هوا و هزینه تامین سوخت از یک سو ، و از سوی دیگر کاهش ظرفیت سیستمهای حرارتی و رطوبتی از سوی دیگر میل به استفاده از جدار نما با کمترین تبادل حرارتی را دو چندادن می نماید

ارزش کاستن هدایت حرارتی

دلایل اقتصادی:

۱-کاهش ظرفیت تاسیسات گرمایشی و سرمایشی (اقتصادی جهت سازنده)

۲- کاهش ارتفاع سقف کاذب که بر کاهش ارتفاع ستون دیوار برشی و سطح نما تاثیر گذار است(اقتصادی جهت سازنده )

۳-کاهش هزینه سوخت (اقتصادی جهت بهره بردار و اقتصادی برای دولتهای که یارانه هزینه می کنند)

۴-کاهش دبی دودکشها و رایزها و افزایش سطح مفید بنا

دلایل محیطی:

۱-در بسیاری از ساختمانها از سوخت های فسیلی استفاده می گردد که هم آلایندگی برای شهر و محیط دارند و نیز در ساختمانهای بلند مرتبه انتقال دودکش مشعلها به محلی که نما را کثیف نکند یک ضرورت می باشد

دلایل توسعه علمی و اقتصادی:

افزایش علم و تجربه و در مواقع نوآوری سبب فروش علم و محصول به ملل دیگر می گردد

نمونه موردی

ساختمان رایشتاگ (پارلمان آلمان)

در این بنا از هیچگونه انرژی فسیلی استفاده نشده است

در گنبد شیشه ای این بنا نقابی هوشمند جهت عبور نور در زمستان یا ممانعت از ورود نور در تابستان است.

۱

تصویر ۱ نقاب کنترل کننده نور خورشید

حرارت به چه روشهای هدایت یا عبور می کند:

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،جابجایی و تابش 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. تفاوت بین  ترمو دینامیک وانتقال حرارت در این است که در ترمودینامیک در  مورد نرخ ومکانیزم سیستم ها آنها بحثی نمیکند ولی انتقال حرارت در مورد نرخ ومکانیزم انها بحث میکند.

یا به بیانی دیگر:

روش های انتقال حرارت: سه روش انتقال حرارت عبارتند از  هدایت یا رسانش (Conduction)، جابه جایی یا وزش یا همرفت (Convection) و تابش(Radiation).  هدایت مانند جریان گرما از سر گرم میله آهنی به سر دیگر آن، وزش مانند جریان گرمای باد گرم در صحرا و تابش مانند جریان گرما از خورشید به ما است. در شکل بالا این سه روش نمایش داده شده است.

۲

 

انتقال حرارت به روش هدایت (رسانش): انتقال گرما در اجسام جامد به روش هدایت انجام می شود. در کوره های هوای گرم و در دیگ ها، گرمای شعله از طریق بدنه ی فولادی یا چدنی اتاقگ احتراق به سیال طرف دیگر که هوا یا آب است انتقال می یابد. وقتی جسم گرم می شود میانگین سرعت مولکول هایش به سرعت افزایش می یابد. مولکول های با انرژی بالا به مولکول های نزدیک برخورد نموده آن ها را نیز به حرکت وا می دارند. بدین ترتی انرژی گرمایی در اجسام جامد انتقال می یابد.

به دلیل اختلاف در ساختمان مولکولی، هدایت در جامدات بیشتر از مایعات و در مایعات بیشتر از گازهاست. چون انتقال گرما به روش هدایت با تماس مستقیم مولکول ها انجام می شود و فاصله مولکول های گازها از هم زیاد است انتقال حرارت به روش هدایت در گازها مشکل تر است.

مقدار گرمای انتقال یافته از یک جسم به روش هدایت به عوامل زیر بستگی دارد.

۱- اختلاف دمای سطح گرم و سطح سرد(Δt): اختلاف دما علت انتقال گرماست بنابراین هرچه Δt بیشر شود انتقال حرارت بیشتر خواهد شد.

۲- سطح مقطع جسم (A): بدیهی است هرچه سطح بزرگ تر باشد مولکول هایی که گرما را منتقل می نمایند بیش تر خواهند بود.

۳- ضخامت جسم (x): هدایت گرما با ضخامت جسم یا به عبارت دیگر فاصله بین سطح گرم و سطح سرد رابطه معکوس دارد. یعنی هرچه ضخامت جسم کم تر باشد هدایت گرما بیش تر خواهد بود.

۴- زمان عبور گرما (T)

۵- قابلیت هدایت گرمایی یا قابلیت گرما رسانی (K): تمام مواد نمی توانند گرما را با شدت یکسان هدایت نمایند. فلزات هادی یا گرمارسان های خوبی هستند. شیشه، آجر، بتن و چوب نسبتا هادی هستند و چوب پنبه، پشم سنگ، پلی اورتان و پلی استایرن هادی های خیلی ضعیف هستند. هادی های خیلی ضعیف را عایق یا گرمابند (Insulator) می نامند.

انتقال حرارت به روش جابه جایی ( همرفت یا وزش)همان طور که قبلا بیان شد مایعات و گازها گرمای قابل توجهی را هدایت نمی کنند. انتقال گرما در مایعات و گازها به وسیله روش جا به جایی صورت می گیرد. جریان باد کره زمین، گرمایی که از روی شعله بالا می رود، مکش دودکش بخاری نمونه هایی از وزش طبیعی هستند. استفاده از یک پمپ برای گردش آب گرم یا سرد یا استفاده از یک بادبزن برای به جریان انداختن هوای گرم یا سرد نمونه هایی از وزش اجباری هستند. در هر حال همرفت انتقال گرما به وسیله حرکت مولکول ها از یک محل به محل دیگر است. بدین صورت که مولکول های گرم شده از یک محل به محل دیگر حرکت کرده و گرما را با خود جابه جا می کنند. هوا در اثر تماس با وسیله گرم کننده مانند رادیاتور یا بخاری گرم شده، انبساط می یابد و در نتیجه سبک تر شده، به طرف بالا حرکت می کند و هوای سرد و سنگین به آرامی جای آن را می گیرد و این عمل تکرار می شود.

 

انتقال حرارت به روش تابشانتقال گرما به روش تابش به صورت حرکت موجی نظیر امواج نور است و بدون دخالت ماده واسطه از جسمی به جسمی دیگر منتقل می شود. بیش ترین انرژی گرمایی کره زمین به روش تابش از خورشید تامین می گردد. امواج گرمایی بر اساس دمای جسم منتشر کننده موج ممکن است قابل رویت یا نامرئی باشند مثلا اگر فلزی به اندازه کافی گرم شود سرخ شده و امواج گرمایی ابل رویت (نور) منتشر می کند. هنگامی که امواج تابشی مرئی و نامرئی به جسم برخورد نمایند سه بخش می شوند بخشی از جسم عبور می کند. بخشی منعکس می شود و قسمت دیگر جذب آن می گردد. بخشی از امواج تابشی که جذب جسم می شوند باعث بالا رفتن دمای آن جسم می گردد. اجسام با رنگ روشن و سطح براق مثل آینه بخش عمده انرژی تابشی را منعکس کی کنند در حالی که مواد با سطح تیره و زبر بیشتر اننرژی تابشی را جذب می کنند. جسم جذب کننده کامل را جسم سیاه می گویند. اجسام شفاف مانند شیشه و هوا بیشتر امواج تابشی را از خود عبور می دهند. دیوارهای خارجی رو به آفتاب ساختمان، به علت جذب انرژی تابشی دمای بالاتر از دمای محیط دارند. شیشه پنجره ها مقدار زیادی انرژی تابشی را به داخل ساختمان انتقال می دهند. ساختمان با شیشه خارجی زیاد و رو به آفتاب به عنوان یک تله گرمایی عمل می کند و در زمستان مطلوب است.

مقدار تابش به دمای منبع و به نوع سطح بستگی دارد. سطوح سیاه و ناصاف تابش کننده و جذب کننده خوبی هستند ولی سطوح براق، صاف و روشن تابش کننده و جذب کننده ضعیفی هستند چون بیشتر انرژی تابشی را منعکس می کنند.

۳

محاسبه ضریب هدایتی(آزمایشگاه انتقال حرارت)

CANDUCTION

اگر دمای قسمتی از جسم نسبت به نوا حی دیگر آن بالاتر باشد حرارت از قسمت گرم به سمت قسمت سرد جریان می یابد. این پدیده را رسانش حرارتی یا هدایتی می نامند. در این پدیده چگونگی انتقال انرژی حرارتی در مورد جامدات به صورت جریان الکترونهای آزاد و یا انتقال انرژی ارتعاشی ذرات جسم به ذرات مجاور پایینتر می باشد. از این رو ذرات تشکیل دهنده جامدات در هدایت حرارتی, جابجایی فیز یکی نداشته و در جای خود باقی می مانند.

بیشتر جامدات که هادی خوب الکتریسیته هستند گرما را نیز به خوبی هدایت می کنند. مانند نقره و مس. مکانیسم هدایت حرارتی در گازها به صورت برخورد مولکولهای گاز و انتقال انرژی جنبشی میباشد. در مورد مایعات پدیده هدایت پیچیده تر بود. اما بیشتر مانند گازها می باشد.

شدت انتقال حرارت هدایتی (مقدار گرمای منتقل شده در زمان واحد) متناسب با شیب دما در جسم و اندازه سطح عبور می باشد.

هدایت حرارتی با قانون معروف فوریه به صورت زیر بیان میشود:

 

Q=- KA dt/dx

J/S=W/M.C*M2*C/M

 

دستگاه احاد si

 

TU/HR=btu/hr.ft.f * ft2 * f/ft

دستگاه آحاد انگلیسی

 

در این رابطه ضریب تناسب را ضریب هدایت حرارتی یا گرما رسا نایی جسم می گویند. و واحد آن در دستگاههای آحاد si و انگلیسی در بالا نشان داده شده است.

در این رابطه علامت منفی برای تطبیق جهت جریان گرما با شیب دما, افزوده شده است. در شکل ساده تر قانون فوریه به صورت زیر نوشته میشود:

 

Q=kA T1- T2 /L

ضریب هدایتی گرمایی,K :

ضریب هدایت حرارتی یا گرما رسانای یک خاصیت مهم حرارتی اجسام است و به نوع جسم و شرایط آن بستگی دارد. هر چه مقدار ضریب هدایت حرارتی جسم بیشتر باشد گرما از آن می گذرد. هر چه مقدار ضریب حرارتی جسم بیشتر باشد جسم هادی تر بوده و مقدار بیشتری گرما از آن می گذرد. هر چه این مقدار کمتر باشد جسم عایق تر یا نارسانا تر می باشد. مقدار تقریبی ضریب هدایت برخی فلزات , جامدات غیر فلزی, مایعات و گازها در کتابهای مرجع آمده است.

لازم است که بدانیم:

۱) مقدار ضریب هدایت حرارتی فلزات بالا بوده و برای نقره نزدیک  ۴۰۰w/m.c

۲)ضریب هدایت اجسام تابع جسم بوده و با تغییر  دما مقدار آن تغییر می کند.

۳)در دمای   c260 – مقدار ضریب گرما رسانایی اجسام بسیار افزایش می یابد. این پدیده را ابر رسانایی حرارتی می گویند. برخی از فلزات مانند مس با گرم شدن ضریب هدایت حرارتی آنها کاهش یافته و برخی دیگر از فلزات مانند آلو مینیم با گرم شدن ضریب ضریب هدایت حرارتی آنها افزایش یافته و رسانا تر می شوند.

۴)ضریب هدایت حرارتی بیشتر از انواع با تغییر دما تغییرات چندانی نداشته و حدود w/m.c    ۲۰ ثابت می مانند.

۵)ضریب هدایت حرارتی بیشتر مایعات (به جز’ آب) با تغییر دما تغیر  چندانی نکرده و حدود ۰٫۵w/m.c      ثابت می مانند.

 

۶)ضریب هدایت حرارتی آب (اشباع) حدود       ۰٫۶w/m.c میرسد و پس از افزایش دمای بیشتر مقدار آن کاهش می یابد.

۷)ضریب هدایت حرارتی بیشتر گازها با افزایش دما بالا می رود. مقدار تقریبی آن در دماهای معمولی کمتر از w/m.c  ۰,۱  است.

۸)مقدار ضریب هدایت حرارتی مواد عایق مورد استفاده در صنایع معمولا دارای k  کوچکتر ازw/m.c0.05 هستند.

 

هدف:

محاسبه ضریب هدایت حرارتی برنز و استیل اولین هدف ما در این آزمایش است و در قسمت دوم آزمایش هدف ما رسم یک SLOP است که شیب آن K/A- باشد. واضح است که هر چه مقدار Kبزرگتر باشد شیب بیشتری را باعث میشود.

 

نحوه انجام آزمایش :

در ابتدای آزمایش فاصله بین نقاطی که می خواهیم بوسیله سنسور دمای آنها را اندازه بگیریم را اندازه گیری میکنیم. فاصله بین این نقاط   ۱٫۷۵cmاست. حال قطر المنت برنز و استیل را اندازه می گیریم. که به ترتیب ۳cm است. ابتدا المنت استیل را نصب می کنیم و آمپر و ولتاژ را می خوانیم. که به ترتیب۰٫۲Aو ۶۸V است. حال هر هشت نقطه دماهای مختلف را بدست آوریم.

که این نتایج از جدول زیر بدست آمده است:

استیل

 

T8 T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1
۳۲ C ۳۳ C ۳۵ C ۳۸ C ۳۸ C ۴۵ C ۵۱ C ۵۳ C

 

سپس المنت برنز را به جای استیل جای گذاری می کنیم(با همان ولتاژ و آمپر) و مجددا “بوسیله سنسور در هشت نقطه دما را اندازه می گیریم این نتایج را در جدول زیر گرد آوری میکنیم:

برنز

 

T8 T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1
۳۳ C ۳۴ C ۳۶ C ۳۸ C ۳۹ C ۴۶ C ۵۲ C ۵۵ C

 

اکنون باید بر اساس نتایج بدست آمده ضریب هدایت گرمایی را برای هر دو فلز  بدست آوریم و دیاگرامهای هر دو را بر حسب X و T بدست آوریم.

نتایج آزمایش:

استیل

Q=VI=0.2*68=13.6W

 

Q=-KA ∆x/∆t

 

∆t=t5 – t4= 36 – ۳۸=-۲

 

K= -q/A ∆x/∆t

 

K=-13.6/7.06*10-4*1.7*10-2/-2=168.5  W/M.C

 

A=(3.14)2* π D2/4=7.06*10-4

نتایج:    برنز

Q=V.I=0.2*68=13.6 W

 

A=π D2 / ۴=۷٫۰۶*۱۰-۴

 

ΔT=T5-T4=38 -39 = -1

 

Q/A=-K ΔT/ΔX     K=-q/A ΔX/ΔT

 

K=- 13.6/7.06*10-4 ۱٫۷۵۱۰-۲/-۱=۳۳٫۷۱ W/M.C

نتیجه گیری:

در این آزمایش پس از محاسبه ضرایب هدایت گرمایی استیل و برنز متوجه می شویم که برنز از ضریب هدایت بیشتری برخوردار است و استیل ضریب هدایت گرمایی کمتری دارد. و علت نیز آن است که استیل یک آلیاژ است و در ساختار آن کربن نیز وجود دارد که موجب کاهش هدایت گرما می شود.

همچنین پس از رسم دیاگرام هدایت گرمایی هر دو فلز مشاهده می شود که دیاگرام برنز داری شیب بزرگتری نسبت به استیل است و این دلیل بالاتر بودن میزان ضریب هدایت گرمایی برنز است.

 

مقاومت حرارتیR  

مقاومت حرارتی خصوصیتی از محیط است که در مقابل انتقال انرژی حرارتی در آن محیط مقاومت نموده و باعث کاهش آن می شود. مقاومت حرارتی هر محیط را با حرف R نشان می دهند و از رابطه:

بدست می آید که درآن x ضخامت و k ضریب هدایت حرارتی محیط مورد نظر می باشد (عمود بر جهت انتقال حرارت). واحدهای R در دستگاه SI و انگلیسی

R=X/K

واحد X = مترمربع

واحد k =

ضریب انتقال حرارتی جدار

U ، ضریب انتقال حرارتی جدار است که عبارتست از مقدار گرمایی که از واحد سطح یک جداره منتقل می­شود درحالیکه اختلاف دمای طرفین آن یک درجه سانتی گراد است. واحد اندازه گیری این کمیت W/m2K می­باشد.

ضریب انتقال حرارتی U با مقاومت حرارتی ارتباط دارد و از معادلات فوق ملاحظه می­شود که:

U = 1/Rt

 

 

نوشته :

منصور اجلّی

۲۴ دی ۹۴

 

 

 

 

http://facadec.ir/google64c2a2471513f0e4.html