Bu bölümde ısı transferinin temelleri tanıtılıp, irdelendi

EGE ÜNİVERSİTESİ-MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MK312 ISI TRANSFERİ II (2+2) DERSİ-ÖZET BİLGİLER: 01 (02.2008)
Hazırlayanlar: Yrd.Doç.Dr.Hüseyin GÜNERHAN-Mak.Yük.Müh.Mehmet ERKEK
1
EGE ÜNİVERSİTESİ-MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MK312 ISI TRANSFERİ II (2+2) DERSİ
1.BÖLÜM ÖZETİ
Bu bölümde ısı transferinin temelleri tanıtılmış ve irdelenmiştir. Termodinamik, bir sistemin
bir işlem sırasında, bir denge konumundan diğerine geçerken meydana gelen toplam ısı
transferi miktarıyla ilgilenir. Isı transferi bilimi ise ısı transferi akımı ile (rate of heat transfer)
ilgilenir. Isı transferi akımı, ısı transferi donanımlarının tasarımı ve değerlendirilmesindeki en
temel niceliktir. Bir sistemdeki bütün enerji biçimlerinin toplamı, sistemdeki toplam enerjiyi
verir ve iç, kinetik ve potansiyel enerjileri içerir. İç enerji bir sistemdeki moleküler enerjiyi
temsil eder ve duyulur, gizli, kimyasal ve nükleer enerji biçimlerinden oluşur. İç enerjinin
duyulur ve gizli enerji biçimleri, sıcaklık farkı sonucunda bir ortamdan diğerine aktarılabilir.
Bu enerji biçimleri ısı veya ısıl enerji olarak bilinir. Yani, ısı transferi iki ortam arasındaki
sıcaklık farkından dolayı transferi gerçekleşen duyulur ve gizli enerji biçimleridir. Birim
(W) ” ile
zamanda gerçekleşen ısı transferi miktarı, ısı transfer akımı olarak adlandırılır ve “ Q
gösterilir. Birim alandan olan ısı transferi akımı ise, ısı akısı “ q (W / m²) ” olarak adlandırılır.
Sabit bir kütleden oluşan bir sistem kapalı sistem olarak adlandırılır. Sınırlarından kütle geçişi
olan bir sistem ise açık sistem veya kontrol hacmi olarak adlandırılır. Bir işleme tabi olan
herhangi bir sistem için “Termodinamiğin Birinci Yasası” veya enerji dengesi aşağıda
verildiği gibi ifade edilebilir:
E giren − E çıkan = ∆E sistem ( J)
Eğer hareketsiz, kapalı bir sistem yalnızca ısı transferi içeriyorsa ve sınırlarından bir iş
transferi yoksa enerji dengesi sadeleşerek aşağıda verilen duruma gelir:
Q = mC v ∆T [J ≡ kg.J /(kg°C). °C]
Burada Q sisteme doğru gerçekleşen veya sistemden gelen toplam (net) ısı transferidir. Eğer
akımı ile gerçekleşiyorsa, ∆ t zaman aralığında gerçekleşen ısı
ısı transferi sabit bir Q
⋅ ∆t [J ≡ W.s] ile bulunabilir.
transferi miktarı Q = Q
Bir giriş ve çıkışa sahip ve bu giriş ve çıkışı arasında ihmal edilebilir kinetik ve potansiyel
enerji değişimi olan bir kontrol hacmi için sürekli rejimde ve iş etkileşiminin olmadığı
koşullarda enerjinin korunumu bağıntısı aşağıda verildiği gibi ifade edilebilir:
= mC
p ∆T [W = (kg / s).J /(kg°C). °C]
Q
kontrol hacmine
= ρVA c [kg / s ≡ (kg / m³).(m / s).m²] kütlesel debi ve Q
Burada m
gerçekleşen net ısı transferi miktarıdır.
Isı, üç farklı şekilde transfer edilebilir: iletim, taşınım ve ışınım. İletim birbirine komşu olan
parçacıklar arasındaki etkileşim sonucunda, daha enerjetik olanlardan az olanlara doğru ısının
transferidir. Bu transfer şekli “Fourier Isı İletim Yasası” ile aşağıda verildiği gibi ifade edilir:
EGE ÜNİVERSİTESİ-MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MK312 ISI TRANSFERİ II (2+2) DERSİ-ÖZET BİLGİLER: 01 (02.2008)
Hazırlayanlar: Yrd.Doç.Dr.Hüseyin GÜNERHAN-Mak.Yük.Müh.Mehmet ERKEK
2
dT
Q
( W)
iletim = − k A
dx
Burada k, malzemenin ısıl iletkenliği [W/(mK) ≡ W/(m°C)], A, ısı transfer yönüne dik olan
dT
alan (m²),
ise, sıcaklık değişimidir (K/m ≡ °C/m). L kalınlığına sahip düzlemsel bir
dx
tabakadan gerçekleşen iletim (akımı) aşağıda verildiği gibidir:
∆T
Q
( W)
iletim = − k A
L
Burada ∆T (°C ≡ K) tabakanın iki yüzeyi arasındaki sıcaklık farkıdır.
Taşınım, katı bir yüzey ve ona komşu olan hareket halindeki sıvı veya gaz (akışkan) arasında
gerçekleşen ısı transferi şeklidir. Taşınım, içinde hem iletimden hem de akışkan hareketinden
gelen bileşik etkileri içerir. Taşınımla ısı transferi akımı “Newton Soğuma Yasası” ile aşağıda
verildiği gibi ifade edilir:
Q
taşınım = h A s (Ts − T∞ ) ( W)
Burada h, ısı taşınım katsayısıdır ve birimi [W/(m2°C) ≡ W/(m²K)] ile verilir. As ise, taşınımın
gerçekleştiği yüzeyin alanıdır (m²). Ts yüzey sıcaklığı (°C), T∞ ise yüzeyden yeteri kadar
uzakta akışkanın sıcaklığıdır (°C).
Işınım bir maddeden, yapısındaki atomların veya moleküllerinin elektronik şekillerinde
meydana gelen değişimler sonucunda enerjinin elektromanyetik dalgalar (veya fotonlar)
halinde yayılmasıdır. Ts mutlak sıcaklığına (K) sahip bir yüzeyin yayabileceği maksimum
4
(W)
ışınım miktarı “Stefan-Boltzmann Yasası” ile verilir. Buna göre Q
yayılan,max = σ A s Ts
yazılabilir. Burada σ Stefan-Boltzmann sabitidir, σ= 5.67 x 10-8 [W/(m2K4)].
Eğer ε yayma katsayısına (-) ve As alanına (m²) sahip Ts sıcaklığında (K) bir yüzey çok daha
büyük (veya siyah) Tsurr sıcaklığına (K) sahip bir yüzey tarafından tamamıyla sarılmışsa ve
aralarında ışınımı engellemeyen bir gaz (hava gibi) varsa bu iki yüzey arasındaki net ışınım
transferi aşağıda aşağıda verildiği gibidir:
4
4
Q
ışınım = ε σ A s (Ts − Tsurr ) (W)
Bu durumda küçük yüzeyi saran yüzeyin yayma katsayısının ve alanının net ısı transferine
etkisi yoktur.
Bir yüzeyin ne kadar ışınım yuttuğunu Q
yutulan = α Qgelen denklemi belirler. Burada Qgelen
yüzeye gelen ışınım miktarı ve α yüzeyin yutma katsayısıdır (-).
3
EGE ÜNİVERSİTESİ-MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ-MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
MK312 ISI TRANSFERİ II (2+2) DERSİ-ÖZET BİLGİLER: 01 (02.2008)
Hazırlayanlar: Yrd.Doç.Dr.Hüseyin GÜNERHAN-Mak.Yük.Müh.Mehmet ERKEK
Çizelge 1. Isı Transferi İşlemlerinin Özeti
Tür
İletim
Taşınım
Işınım
Mekanizma
Rastgele
moleküler
harekete bağlı
olarak enerji
yayılımı
Rastgele
moleküler
harekete bağlı
olarak enerji
yayılımına ek
olarak, kitlesel
harekete bağlı
enerji transferi
Elektromagnetik
dalgalar ile enerji
transferi
Denklem
q x = − k
dT ⎛ W ⎞
⎜
⎟
dx ⎝ m² ⎠
Denklem Katsayısı
k: ısı iletim katsayısı,
(Wm-1K-1 ≡ Wm-1°C-1)
[T ≡ (°C), x ≡ (m)]
q = h(Ts − T∞ ) (W / m²)
h: ısı taşınım katsayısı,
(Wm-2K-1 ≡ Wm-2°C-1)
[Ts ve T∞ ≡ (°C)]
[Ts: yüzey sıcaklığı, T∞: akışkan
sıcaklığı]
E s = σTs4 (W / m ²) [Siyah cismin
yayma gücü]
q = εσTs4 (W / m ²) [Gerçek
ε: yayma oranı, (-)
hr: ısı ışınım katsayısı,
(Wm-2K-1)
cisimlerin yaydığı ışınım akısı]
h r = εσ(Ts + T∞ )(Ts2 + T∞2 )
q = εσ(Ts4 − T∞4 ) (W / m ²)
[ (As / A ∞ ) → 0 için net ışınım akısı]
Ts − T∞ Ts için
= h A (T − T ) (W)
Q
r s
s
∞
(
A
/
A
)
→
0
için
net ışınım
[ s
∞
h r = 4εσTs3
miktarı]
[σ ≡ (5.67.10-8 Wm-2K-4), Ts ve T∞
≡ (K)]
[σ: Stefan-Boltzmann sabiti,
Ts: yüzey sıcaklığı, T∞: s yüzeyini
çevreleyen yüzey sıcaklığı,
As: yüzey alanı, A ∞ : s yüzeyini
çevreleyen yüzey alanı]
Taşınım
+
Işınım
Birleşik taşınım ve
ışınım
katsayısı,
q = h(Ts − T∞ ) + h r (Ts − T∞ ) (W / m²) h: ısı-2taşınım
-1
(Wm K )
[Ts ve T∞ ≡ (°C)]
hr: ısı ışınım katsayısı,
(Wm-2K-1)
[Ts: yüzey sıcaklığı, T∞: akışkan
sıcaklığı]
Kaynaklar:
1.Çengel YA, Heat and Mass Transfer A Practical Approach, Third Ed. in SI Units, ISBN
007-312930-5, McGraw-Hill, 2007.
2.Incropera FP, DeWitt DP, Introduction to Heat Transfer, Fourth Edition, ISBN 0-47138649-9, Wiley, 2002, NY.
3.Özışık, MN, Heat Transfer A Basic Approach, ISBN 0-07-066460-9, McGraw-Hill, 1985,
Singapore.
HG-ITIIÖB01-02.2008