Hal ini terjadi karena tumbukan molekul, elektron, dan agregat partikel elementer satu sama lain. (Panas berpindah dari benda yang lebih panas ke benda yang kurang panas). Atau dalam logam: perpindahan getaran kisi kristal secara bertahap dari satu partikel ke partikel lainnya (getaran elastis partikel kisi - konduktivitas termal fonon).
Transportasi konvektif;
Perpindahan ini berhubungan dengan pergerakan partikel fluida dan disebabkan oleh pergerakan unsur-unsur mikroskopis zat; hal ini dilakukan oleh pergerakan bebas atau paksa dari cairan pendingin.
Di bawah pengaruh gradien suhu di kerak bumi, aliran konvektif tidak hanya panas, tetapi juga materi muncul. Gradien tekanan termohidrodinamik muncul.
Kita juga dapat mengamati fenomena bahwa ketika terjadi gradien tekanan hidrodinamik, minyak tertahan di reservoir tanpa segel.
3. Perpindahan panas akibat radiasi.
Unit radioaktif melepaskan panas saat meluruh, dan panas ini dilepaskan melalui radiasi.
33. Sifat termal pembentukan minyak dan gas, karakteristik dan area penggunaannya.
Sifat termal adalah:
1) Koefisien kapasitas panas c
2) Koefisien konduktivitas termal aku
3) Koefisien difusivitas termal a
1. Kapasitas panas:
c – jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar satu derajat pada kondisi tertentu (V, P=const).
с=dQ/dТ
Kapasitas kalor rata-rata suatu zat: c=DQ/DT.
Karena Sampel batuan dapat memiliki massa dan volume yang berbeda; untuk penilaian yang lebih berbeda, jenis kapasitas panas khusus diperkenalkan: massa, volumetrik, dan molar.
· Kapasitas panas massa spesifik [J/(kg×derajat)]:
m =dQ/dТ=С/m
Ini adalah jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah satuan massa sampel sebesar satu derajat.
· Kapasitas panas volumetrik spesifik [J/(m 3 ×K)]:
С v =dQ/(V×dТ)=r×С m,
di mana r adalah kepadatan
Jumlah kalor yang harus diberikan pada suatu satuan untuk menaikkannya sebesar satu derajat, dalam kasus P, V=konst.
· Kapasitas panas molar spesifik [J/(mol×K)]:
n =dQ/(n×dТ)=М×С m,
di mana M – massa molekul relatif [kg/kmol]
Jumlah kalor yang harus diberikan pada satu mol suatu zat untuk mengubah suhunya sebesar satu derajat.
Kapasitas panas merupakan sifat aditif suatu formasi:
С i = j=1 N SC j ×К i , di mana SC i =1, К – jumlah fase.
Kapasitas panas bergantung pada porositas formasi: semakin besar porositas, semakin rendah kapasitas panasnya.
(s×r)=s persegi ×r persegi ×(1-k p)+s ×r s ×k p,
dimana с з – koefisien pengisian pori;
k p – koefisien porositas.
Konduktivitas termal.
l [W/(m×K)] mencirikan sifat batuan untuk mentransfer energi kinetik (atau termal) dari satu elemen ke elemen lainnya.
Koefisien konduktivitas termal – jumlah kalor yang melewati tiap satuan waktu melalui volume kubik suatu zat dengan permukaan berukuran satuan, sedangkan pada permukaan lain perbedaan suhu dipertahankan sebesar satu derajat (DT = 1°).
Koefisien konduktivitas termal bergantung pada:
ü komposisi mineral kerangka. Penyebaran nilai koefisiennya bisa mencapai sepuluh ribu kali lipat.
Misalnya, l terbesar untuk sebuah berlian adalah 200 W/(m×K), karena kristalnya hampir tidak memiliki cacat struktural. Sebagai perbandingan, l udara adalah 0,023 W/(m×K), air - 0,58 W/(m×K).
ü derajat kepenuhan kerangka.
ü Konduktivitas termal cairan.
Ada parameter seperti hubungi koefisien konduktivitas termal
.
Kuarsa memiliki koefisien kontak tertinggi - 7-12 W/(m×K). Berikutnya adalah sedimen hidrokimia, garam batu, silvit, dan anhidrit.
Batubara dan asbes memiliki koefisien kontak yang berkurang.
Aditivitas untuk koefisien konduktivitas termal tidak diperhatikan, ketergantungan tidak mematuhi aturan aditif.
Misalnya, konduktivitas termal suatu mineral dapat ditulis sebagai berikut:
1gl=Sv saya ×1gl saya ,
dimana 1gl i adalah logaritma fase ke-1 dengan kandungan volumetrik vi .
Sifat penting adalah kebalikan dari konduktivitas termal, yang disebut ketahanan termal.
Karena ketahanan termal, kami memiliki distribusi medan termal yang kompleks. Hal ini menyebabkan konveksi termal, yang menyebabkan jenis endapan khusus dapat terbentuk - bukan segel biasa, tetapi segel termodinamika.
Resistensi termodinamika menurun seiring dengan penurunan kepadatan, permeabilitas, kelembaban, dan juga (di wilayah utara) derajat kandungan es.
Ini meningkat ketika air digantikan oleh minyak, gas atau udara dalam proses perubahan tekanan termal, dengan peningkatan heterogenitas berlapis, fenomena anisotropi.
Batubara, batuan kering dan jenuh gas memiliki ketahanan termal terbesar.
Ketika berpindah dari batuan terrigenous ke batuan karbonat, ketahanan termal menurun.
Sedimen hidrokimia seperti halit, silvit, mirabelit, anhidrit, yaitu memiliki ketahanan termal yang minimal. batuan dengan struktur garam pipih.
Lapisan tanah liat, di antara semua lapisan, menonjol karena ketahanan termal maksimumnya.
Dari semua ini kita dapat menyimpulkan bahwa ketahanan termal menentukan derajat inersia termal, konduktivitas termal.
Difusivitas termal.
Dalam praktiknya, koefisien seperti difusivitas termal, yang mencirikan laju perubahan suhu selama proses perpindahan panas tidak stabil.
а=l/(с×r), ketika l=konstanta.
Faktanya, “a” tidak konstan, karena l adalah fungsi koordinat dan suhu, dan c adalah fungsi koefisien porositas, massa, dll.
Selama pengembangan, kita dapat menggunakan proses di mana sumber panas internal dapat terjadi (misalnya injeksi asam), dalam hal ini persamaannya akan terlihat seperti ini:
dТ/dt=а×Ñ 2 Т+Q/(с×r),
dimana Q adalah panas sumber panas internal, r adalah massa jenis batuan.
Perpindahan panas.
Parameter penting berikutnya adalah perpindahan panas.
DQ=k t ×DТ×DS×Dt,
di mana k t adalah koefisien perpindahan panas.
Arti fisiknya: jumlah panas yang hilang ke lapisan di sekitarnya, melalui satuan permukaan, per satuan waktu ketika suhu berubah sebesar satu derajat.
Biasanya, perpindahan panas dikaitkan dengan perpindahan ke lapisan atas dan bawah.
34. Pengaruh suhu terhadap perubahan sifat fisik suatu reservoir minyak dan gas.
Panas yang diserap oleh batuan dihabiskan tidak hanya untuk proses termal kinetik, tetapi juga untuk kerja mekanis, yang berhubungan dengan ekspansi termal formasi. Ekspansi termal ini dikaitkan dengan ketergantungan gaya ikatan atom-atom dalam kisi masing-masing fase pada suhu, khususnya yang muncul pada arah ikatan. Jika atom-atom lebih mudah berpindah ketika menjauh satu sama lain daripada ketika mendekati satu sama lain, maka terjadi perpindahan pusat-pusat atom fisil, yaitu. deformasi.
Hubungan antara kenaikan suhu dan deformasi linier dapat ditulis:
dL=a×L×dT,
dimana L adalah panjang asli [m], a adalah koefisien muai panas linier.
Demikian pula untuk pemuaian volumetrik:
dV/V=g t ×dT,
di mana g t adalah koefisien deformasi termal volumetrik.
Karena koefisien muai volumetrik sangat bervariasi untuk butiran yang berbeda, deformasi yang tidak merata akan terjadi selama tumbukan, yang akan menyebabkan rusaknya formasi.
Pada titik-titik kontak terdapat konsentrasi tegangan yang kuat, yang mengakibatkan hilangnya pasir dan, karenanya, hancurnya batuan.
Fenomena perpindahan minyak dan gas juga dikaitkan dengan ekspansi volumetrik. Inilah yang disebut proses Joule-Thompson. Selama pengoperasian, terjadi perubahan volume yang tajam, dan terjadi efek pelambatan (ekspansi termal dengan perubahan suhu). Debitometri termodinamika didasarkan pada studi tentang efek ini.
Mari perkenalkan satu parameter lagi - koefisien adiabatik : h s =dТ/dр.
Koefisien adiabatik diferensial menentukan perubahan suhu tergantung pada perubahan tekanan.
Nilai h S >0 pada kompresi adiabatik. Dalam hal ini, zat tersebut memanas. Pengecualiannya adalah air, karena... dalam kisaran 0¼4° suhu menjadi dingin.
h S =V/(C p ×g)×a×T,
dimana V adalah volume, T adalah suhu, a adalah koefisien muai linier, g adalah percepatan gravitasi.
Koefisien Joule-Thompson menentukan perubahan suhu selama pelambatan.
e=dТ/dр=V/(Ср ×g)×(1 - a×Т)=V/(Ср ×g) - h S ,
dimana V/(Ср×g) menentukan pemanasan akibat kerja gaya gesekan
h S – pendinginan zat karena ekspansi adiabatik.
Untuk cairan V/Ср×g>>hS Þ Cairan memanas.
Untuk gas e<0 Þ Газы охлаждаются.
Dalam praktiknya mereka menggunakan metrik kebisingan sumur - metode yang didasarkan pada fenomena ketika gas, ketika suhu berubah, melepaskan energi getaran, menyebabkan kebisingan.
35. Perubahan sifat-sifat reservoir minyak dan gas selama pengembangan deposit.
1. Dalam keadaan alaminya, lapisan-lapisan tersebut terletak pada kedalaman yang sangat dalam, dan dilihat dari tahapan panas bumi, suhu dalam kondisi ini mendekati 150°, sehingga dapat dikatakan bahwa batuan tersebut mengubah sifatnya, karena ketika kita menembus. ke dalam lapisan mengganggu keseimbangan termal.
2. Saat kita memompa air ke dalam reservoir, air ini memiliki suhu permukaan. Begitu air memasuki formasi, ia mulai mendinginkan formasi, yang pasti akan menimbulkan berbagai fenomena yang tidak menguntungkan, seperti waxing minyak. Itu. Jika terdapat komponen parafin di dalam minyak, maka akibat pendinginan parafin akan rontok dan menyumbat formasi. Misalnya di lapangan Uzen, suhu saturasi minyak dengan parafin adalah Tn = 35° (40°), dan dalam pengembangannya kondisi tersebut dilanggar, akibatnya suhu formasi menurun, parafin rontok, terjadi penyumbatan dan pengembang harus memompa air panas dalam waktu lama dan memanaskan formasi sampai semua parafin larut dalam minyak.
 |
3. Minyak dengan viskositas tinggi.
Untuk mencairkannya, digunakan cairan pendingin: air panas, uap super panas, serta sumber panas internal. Jadi, bagian depan pembakaran digunakan sebagai sumber: oli dinyalakan dan zat pengoksidasi disuplai.
Proyek berikut juga sedang dilaksanakan di Swiss, Prancis, Austria, dan Italia:
Suatu metode untuk mengurangi viskositas minyak dengan menggunakan limbah radioaktif. Mereka disimpan selama 10-6 tahun, tetapi pada saat yang sama memanaskan minyak yang sangat kental, sehingga lebih mudah untuk diekstraksi.
36. Keadaan fisik sistem hidrokarbon dalam formasi minyak dan gas serta karakteristik keadaan tersebut.
Mari kita ambil substansi sederhana dan perhatikan diagram keadaan:
R
Titik C adalah titik kritis dimana perbedaan antar sifat hilang.
Tekanan (P) dan suhu (T), yang menjadi ciri formasi, dapat diukur dalam rentang yang sangat luas: dari sepersepuluh MPa hingga puluhan MPa dan dari 20-40° hingga lebih dari 150°C. Tergantung pada ini, deposit kita yang mengandung hidrokarbon dapat dibagi menjadi gas, minyak, dll.
Karena pada kedalaman yang berbeda, tekanan bervariasi dari geostatik normal hingga sangat tinggi, maka senyawa hidrokarbon dapat berbentuk gas, cair, atau dalam bentuk campuran gas-cair di dalam endapan.
Pada tekanan tinggi, massa jenis gas mendekati massa jenis cairan hidrokarbon ringan. Dalam kondisi ini, fraksi minyak berat dapat larut dalam gas terkompresi. Akibatnya minyak akan terlarut sebagian dalam gas. Jika jumlah gasnya sedikit, maka dengan meningkatnya tekanan, gas tersebut larut dalam minyak. Oleh karena itu, tergantung pada jumlah gas dan kondisinya, endapan dibedakan:
1. gas murni;
2. gas kondensat;
3. gas dan minyak;
4. minyak bumi yang mengandung gas terlarut.
Batas antara cadangan gas-minyak dan minyak-dan-gas bersifat sewenang-wenang. Secara historis berkembang sehubungan dengan keberadaan dua kementerian: industri minyak dan gas.
Di Amerika, endapan hidrokarbon dibagi menurut nilai faktor gas-kondensat, kepadatan dan warna hidrokarbon cair menjadi:
1) gas;
2) kondensat gas;
3) gas dan minyak.
Faktor kondensat gas adalah jumlah gas dalam meter kubik per meter kubik produk cair.
Menurut standar Amerika, kondensat gas mencakup endapan dari mana cairan hidrokarbon berwarna terang atau tidak berwarna dengan kepadatan 740-780 kg/m 3 dan faktor kondensat gas 900-1100 m 3 /m 3 diekstraksi.
Endapan gas mungkin mengandung minyak terikat yang teradsorpsi, terdiri dari fraksi hidrokarbon berat, yang mencapai hingga 30% volume pori.
Selain itu, pada tekanan dan temperatur tertentu, dimungkinkan adanya endapan gas hidrat, dimana gas berbentuk padat. Kehadiran deposit tersebut merupakan cadangan yang besar untuk meningkatkan produksi gas.
Selama proses pengembangan, tekanan awal dan suhu berubah dan terjadi transformasi teknogenik hidrokarbon menjadi endapan.
Entah bagaimana, gas dapat dilepaskan dari minyak selama sistem pengembangan berkelanjutan, akibatnya akan terjadi penurunan permeabilitas fasa, peningkatan viskositas, terjadi penurunan tekanan yang tajam di zona lubang bawah, diikuti dengan hilangnya kondensat. , yang akan menyebabkan pembentukan sumbat kondensat.
Selain itu, transformasi fasa gas dapat terjadi selama transportasi gas.
38. Diagram fase sistem komponen tunggal dan multikomponen.
Aturan fase gipsum (menunjukkan variabilitas sistem - jumlah derajat kebebasan)
N - jumlah komponen sistem
m adalah jumlah fasenya.
Contoh: H 2 O (1 set) N=1 m=2 Þ r=1
Saat macet R hanya satu T
Sistem satu komponen.
Kompres dari A ke B - tetes cairan pertama (titik embun atau titik kondensasi P=P us)
Di titik D tersisa gelembung uap terakhir, titik penguapan atau titik didih
Setiap isoterm mempunyai titik didih dan titik penguapannya masing-masing.
Sistem dua komponen
Perubahan R Dan T, yaitu tekanan awal kondensasi selalu lebih kecil dari tekanan penguapan.
Informasi terkait.
Kuliah 4. PERPINDAHAN PANAS KONDUKTIF.
4.1 Persamaan Fourier untuk tiga dimensi nonstasioner
bidang suhu
4.2 Koefisien difusivitas termal. Arti fisik
4.3 Kondisi keunikan – kondisi batas
4.1 Persamaan Fourier untuk tiga dimensi nonstasioner
bidang suhu
Studi tentang setiap proses fisik dikaitkan dengan pembentukan hubungan antara besaran-besaran yang menjadi cirinya. Untuk membangun ketergantungan seperti itu ketika mempelajari proses konduktivitas termal yang agak rumit, metode fisika matematika digunakan, yang intinya adalah mempertimbangkan proses tersebut tidak di seluruh ruang yang diteliti, tetapi dalam volume dasar materi selama periode yang sangat kecil. waktu. Hubungan antara besaran-besaran yang terlibat dalam perpindahan panas dengan konduktivitas termal ditentukan oleh persamaan diferensial - persamaan Fourier untuk bidang suhu non-stasioner tiga dimensi.
Saat menurunkan persamaan diferensial konduktivitas termal, asumsi berikut dibuat:
Tidak ada sumber panas internal;
Tubuhnya homogen dan isotropik;
Hukum kekekalan energi digunakan - perbedaan antara jumlah panas yang masuk ke volume dasar karena konduktivitas termal selama waktu dτ dan yang keluar darinya selama waktu yang sama dihabiskan untuk mengubah energi internal volume dasar. Dalam pertimbangan.
Tubuh berisi parallelepiped dasar dengan tepi dx, dy, dz. Temperatur permukaannya berbeda-beda, sehingga kalor melewati paralelepiped searah sumbu x, y, z.
Gambar 4.1 Untuk menurunkan persamaan panas diferensial
Menurut hipotesis Fourier, banyaknya kalor yang melewati luas dx·dy selama waktu dτ adalah sebagai berikut:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image003_138.gif" width="253" height="46 src="> (4.2)
di mana https://pandia.ru/text/80/151/images/image005_105.gif" width="39" height="41"> menentukan perubahan suhu dalam arah z.
Setelah transformasi matematis, persamaan (4.2) akan ditulis:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image007_78.gif" width="583" height="51 src=">, setelah disingkat:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image009_65.gif" width="203" height="51 src="> (4.4)
https://pandia.ru/text/80/151/images/image011_58.gif" width="412" height="51 src="> (4.6)
Sebaliknya menurut hukum kekekalan energi:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image013_49.gif" width="68" height="22 src=">.gif" width="203" height="51 src=">. (4.8)
Nilai https://pandia.ru/text/80/151/images/image017_41.gif" width="85" height="41 src="> (4.9)
Persamaan (4.9) disebut persamaan panas diferensial atau persamaan Fourier untuk medan suhu tiga dimensi yang tidak tunak tanpa adanya sumber panas internal. Ini adalah persamaan dasar ketika mempelajari proses konduktivitas termal dan menetapkan hubungan antara perubahan suhu temporal dan spasial pada titik mana pun di bidang suhu.
Persamaan diferensial konduktivitas termal dengan sumber panas di dalam tubuh:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image019_35.gif" width="181" height="50">
Oleh karena itu, perubahan suhu terhadap waktu di setiap titik pada tubuh sebanding dengan nilainya A.
Nilai https://pandia.ru/text/80/151/images/image021_29.gif" width="26" height="44">. Dalam kondisi yang sama, suhu benda yang memiliki difusivitas termal lebih tinggi meningkat lebih cepat. Jadi gas memiliki koefisien difusivitas termal yang kecil, dan logam memiliki koefisien yang besar.
Dalam proses termal non-stasioner A mencirikan laju perubahan suhu.
4.3 Kondisi keunikan – kondisi batas
Persamaan diferensial konduktivitas termal (atau sistem persamaan diferensial perpindahan panas konvektif) menjelaskan proses ini dalam bentuk yang paling umum. Untuk mempelajari suatu fenomena atau kelompok fenomena perpindahan panas secara konduksi atau konveksi, perlu diketahui: distribusi suhu dalam tubuh pada saat awal, suhu lingkungan, bentuk geometris dan dimensi tubuh, parameter fisik lingkungan dan tubuh, kondisi batas yang mencirikan distribusi suhu pada permukaan tubuh atau kondisi interaksi termal tubuh dengan lingkungan.
Semua fitur khusus ini digabungkan menjadi apa yang disebut kondisi keunikan atau kondisi batas yang termasuk:
1) Kondisi awal . Kondisi distribusi suhu dalam tubuh dan suhu lingkungan pada saat awal τ = 0 ditentukan.
2) Kondisi geometris . Mereka mengatur bentuk, dimensi geometris tubuh dan posisinya dalam ruang.
3) Kondisi fisik . Tetapkan parameter fisik lingkungan dan tubuh.
4) Kondisi perbatasan dapat ditentukan dalam tiga cara.
Kondisi batas jenis pertama : distribusi suhu pada permukaan tubuh diatur setiap saat;
Kondisi batas jenis kedua : Ditetapkan oleh kerapatan fluks panas di setiap titik pada permukaan benda pada saat tertentu.
Kondisi batas jenis ketiga : diatur oleh suhu lingkungan sekitar benda dan hukum perpindahan panas antara permukaan benda dan lingkungan.
Hukum pertukaran panas konvektif antara permukaan benda padat dan lingkungan sangatlah kompleks. Teori perpindahan panas konvektif didasarkan pada persamaan Newton-Richmann, yang menetapkan hubungan antara kerapatan fluks panas pada permukaan benda q dan tekanan suhu (tst - tl), di bawah pengaruh perpindahan panas yang terjadi pada permukaan tubuh:
q = α·(tst – tl), W/m2 (4.11)
Dalam persamaan ini, α adalah koefisien proporsionalitas, yang disebut koefisien perpindahan panas, W/m2 derajat.
Koefisien perpindahan panas mencirikan intensitas pertukaran panas antara permukaan tubuh dan lingkungan. Secara numerik sama dengan jumlah panas yang dilepaskan (atau dirasakan) oleh satuan permukaan tubuh per satuan waktu ketika perbedaan suhu antara permukaan tubuh dan lingkungan adalah 1 derajat. Koefisien perpindahan panas bergantung pada banyak faktor dan penentuannya sangat sulit. Saat memecahkan masalah konduktivitas termal, nilainya biasanya dianggap konstan.
Menurut hukum kekekalan energi, jumlah panas yang dilepaskan oleh satu satuan permukaan suatu benda ke lingkungan per satuan waktu akibat perpindahan panas harus sama dengan panas yang disuplai oleh konduktivitas termal ke satuan permukaan. per satuan waktu dari bagian dalam tubuh:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image023_31.gif" width="55" height="47 src="> - proyeksi gradien suhu ke arah normal ke situs dF.
Persamaan di atas merupakan rumusan matematis dari kondisi batas jenis ketiga.
Memecahkan persamaan diferensial konduktivitas termal (atau sistem persamaan untuk proses perpindahan panas konvektif) dalam kondisi tidak ambigu tertentu memungkinkan untuk menentukan bidang suhu di seluruh benda untuk setiap saat, yaitu, untuk menemukan fungsi dari bentuk: t = f(x, y, z, τ).
Jenis pertukaran panas ini terjadi antara partikel-partikel benda yang bersentuhan yang terletak di medan suhu
T = F ( X , kamu, z , T ), ditandai dengan gradien suhu T. Gradien suhu adalah vektor yang diarahkan sepanjang garis normal n 0 ke permukaan isotermal searah kenaikan suhu:
lulusanT = P Hai dT/hari = P Hai T
Ada medan termal: satu dimensi, dua dimensi, dan tiga dimensi; stasioner dan non stasioner; isotropik dan anisotropik.
Deskripsi analitis dari proses perpindahan panas konduktif didasarkan pada hukum dasar Fourier, yang menghubungkan karakteristik aliran panas stasioner yang merambat dalam medium isotropik satu dimensi, parameter geometris dan termofisika medium:
Q =λ(T 1 -T 2 )L/lt atau P = Q /t =λ (T 1 -T 2 )S/l
Di mana: - Q - jumlah panas yang ditransfer melalui sampel dari waktu ke waktu T , kotoran;
λ - koefisien konduktivitas termal bahan sampel, W/(m-derajat);
T 1 , T 2 - suhu bagian "panas" dan "dingin" dari sampel, masing-masing derajat;
SS - luas penampang sampel, m2;
aku - panjang sampel, m;
R - aliran panas, W.
Berdasarkan konsep analogi elektrotermal, yang menyatakan besaran termal R DanT cocok dengan arus listrik SAYA dan potensi listrik kamu , Mari kita nyatakan hukum Fourier dalam bentuk "hukum Ohm" untuk suatu bagian rangkaian termal:
P = ( T 1 -T 2 )/aku/ λS = (T 1 -T 2 )/R T (4.2)
Di sini, menurut arti fisik, parameternya R T Ada panas resistansi bagian sirkuit termal, dan 1/ λ - ketahanan termal spesifik. Representasi proses perpindahan panas konduktif ini memungkinkan untuk menghitung parameter rangkaian termal yang diwakili oleh model topologi dan metode yang diketahui untuk menghitung rangkaian listrik. Kemudian, seperti halnya rangkaian listrik, persamaan rapat arus dalam bentuk vektor memiliki bentuk
J = – σ lulusankamu ,
untuk rangkaian termal, hukum Fourier dalam bentuk vektor akan berbentuk
P = - λ lulusan T ,
Di mana R - rapat fluks panas, dan tanda minus menunjukkan bahwa fluks panas merambat dari bagian benda yang dipanaskan ke bagian benda yang lebih dingin.
Membandingkan ekspresi (4.1) dan (4.2), kita melihat bahwa untuk perpindahan panas konduktif
A= A CD = λ / aku
Oleh karena itu, untuk meningkatkan efisiensi proses perpindahan panas, perlu dilakukan pengurangan panjang aku sirkuit termal dan meningkatkan konduktivitas termalnya λ
Bentuk umum untuk menggambarkan proses perpindahan panas konduktif adalah persamaan diferensial konduktivitas termal, yang merupakan ekspresi matematis dari hukum kekekalan energi dan Fourier:
Menikahi dT / dt = λ X D 2 T / dx 2 + λ kamu D 2 T / mati 2 + λ z D 2 T / dz 2 + W ay
Di mana Dengan - kapasitas panas spesifik medium, J/(kg-K);
p - massa jenis medium, kg/m3;
W ay - kepadatan volumetrik sumber internal, W/m 3 ;
λ X λ kamu λ z - konduktivitas termal spesifik dalam arah sumbu koordinat (untuk media anisotropik).
Jenis pertukaran panas ini adalah proses fisik yang kompleks di mana perpindahan panas dari permukaan benda yang dipanaskan ke ruang sekitarnya terjadi karena pencuciannya oleh aliran pendingin - cair atau gas - dengan suhu lebih rendah dari suhu tersebut. tubuh yang panas. Dalam hal ini, parameter medan suhu dan intensitas perpindahan panas konvektif bergantung pada sifat pergerakan cairan pendingin, karakteristik termofisiknya, serta bentuk dan ukuran benda.
Dengan demikian, pergerakan aliran pendingin bisa bebas dan dipaksakan, yang sesuai dengan fenomena yang terjadi alami Dan dipaksa konveksi. Selain itu, ada laminar Dan bergolak th mode pergerakan aliran, serta keadaan perantaranya, bergantung pada rasio gaya yang menentukan pergerakan aliran ini - gaya gesekan internal, viskositas, dan inersia.
Bersamaan dengan pertukaran panas konvektif, pertukaran panas konduktif terjadi karena konduktivitas termal cairan pendingin, tetapi efisiensinya rendah karena nilai koefisien konduktivitas termal cairan dan gas yang relatif rendah. Secara umum, mekanisme perpindahan panas ini dijelaskan oleh hukum Newton-Richmann:
P = A K.B. S ( T 1 - T 2 ), (4.3)
Di mana: A K.B. - koefisien perpindahan panas secara konveksi, W/(m 2 -derajat);
T 1 - T 2 2 - suhu dinding dan cairan pendingin, masing-masing, K;
S - permukaan pertukaran panas, m2.
Terlepas dari kesederhanaan deskripsi hukum Newton-Richmann, kesulitan dalam menilai efisiensi proses perpindahan panas konvektif secara kuantitatif terletak pada kenyataan bahwa nilai koefisien A K.B. tergantung pada banyak faktor, mis. adalah fungsi dari banyak parameter proses. Temukan ketergantungan secara eksplisit A K.B. = FA 1 , A 2 , ..., A J , ..., A N ) seringkali tidak mungkin, karena parameter proses juga bergantung pada suhu.
Ini membantu untuk memecahkan masalah ini untuk setiap kasus tertentu teori kesamaan, mempelajari sifat-sifat fenomena serupa dan metode untuk menetapkan kesamaannya. Secara khusus, telah dibuktikan bahwa jalannya proses fisik yang kompleks tidak ditentukan oleh parameter fisik dan geometri individualnya, tetapi oleh kompleks hukum pangkat tak berdimensi yang terdiri dari parameter-parameter penting untuk jalannya proses ini, yang disebut kriteria kesamaan . Kemudian deskripsi matematis dari suatu proses yang kompleks direduksi menjadi kompilasi dari kriteria ini, salah satunya berisi nilai a q yang diinginkan, persamaan kriteria , bentuk yang berlaku untuk semua jenis proses ini. Jika kriteria kesamaan tidak dapat dibuat, ini berarti bahwa beberapa parameter penting dari proses dihilangkan dari pertimbangan, atau beberapa parameter dari proses ini dapat dihilangkan dari pertimbangan tanpa banyak kerusakan.
Di antara proses perpindahan panas yang kompleks, perbedaan dibuat antara pertukaran panas radiasi-konvektif dan radiasi-konduktif.
dibagi dengan jumlah mereka. Perpindahan panas konduksi radiasi pada lapisan datar untuk kondisi awal lainnya dibahas dalam [L. 5, 117, 163]; untuk lapisan silinder - di [L. 116].
Jadi mengapa, di wilayah yang diklasifikasikan sebagai lapisan terfluidisasi partikel besar, koefisien perpindahan panas maksimum meningkat seiring dengan bertambahnya diameter? Ini semua tentang pertukaran panas gas-konveksi. Dalam lapisan partikel kecil, laju filtrasi gas terlalu rendah untuk komponen perpindahan panas konvektif “mewujud”. Namun seiring bertambahnya diameter butir, diameternya bertambah. Meskipun perpindahan panas konduktif rendah, dalam lapisan terfluidisasi partikel besar, pertumbuhan komponen konvektif mengkompensasi kerugian ini.
Bab empat belas Perpindahan panas konduksi radiasi
14-2. Perpindahan panas konduksi radiasi pada lapisan datar media penyerap abu-abu tanpa sumber panas
14-3. Pertukaran panas konduksi radiasi pada lapisan datar media selektif dan hamburan anisotropik dengan sumber panas
Jadi, berdasarkan uraian di atas dan beberapa penelitian lain yang lebih spesifik, menjadi jelas bahwa perpindahan panas konduksi radiasi dalam sistem yang mengandung sumber panas volumetrik jelas belum cukup dipelajari. Secara khusus, pengaruh selektivitas medium dan permukaan batas serta pengaruh anisotropi volume dan hamburan permukaan belum dijelaskan. Sehubungan dengan hal tersebut, penulis melakukan pendekatan analitis terhadap masalah perpindahan panas radiasi-koduktif pada lapisan datar.
perpindahan panas termal dan konvektif. Kasus khusus dari panduan perpindahan panas ini adalah: perpindahan panas radiasi dalam media bergerak (tanpa adanya perpindahan konduktif), perpindahan panas radiasi-konduktif dalam media diam (tanpa adanya perpindahan panas konvektif (perpindahan) dan “perpindahan panas konvektif” murni. dalam media bergerak, ketika tidak ada perpindahan radiasi Sistem persamaan lengkap yang menggambarkan proses perpindahan panas radiasi-konvektif telah dibahas dan dianalisis dalam IB Bab 12.
Pada persamaan (15-1), koefisien perpindahan panas total dari aliran ke dinding saluran dapat dicari berdasarkan (14-14) dan (14-15). Untuk tujuan ini, kami akan mempertimbangkan, dalam kerangka skema yang diadopsi, proses pertukaran panas antara media yang mengalir dan permukaan batas sebagai pertukaran panas konduksi radiasi antara inti aliran dan dinding saluran melalui lapisan batas dengan ketebalan b . Mari kita samakan suhu inti aliran dengan suhu kalorimetri rata-rata medium pada suatu bagian tertentu, yang dapat dilakukan dengan mempertimbangkan kecilnya ketebalan lapisan batas dibandingkan dengan diameter saluran dari permukaan batas [dengan suhu di bagian saluran tertentu T(x) dan kapasitas serapan ag], dan yang lainnya - dinding saluran (dengan suhu Tw dan kapasitas serapan aw), kita pertimbangkan proses konduksi radiasi perpindahan panas melalui lapisan batas. Menerapkan (14-14), kita memperoleh persamaan koefisien perpindahan panas lokal a pada bagian tertentu: Masalah perpindahan panas radiasi-konvektif, bahkan untuk kasus sederhana, biasanya lebih sulit daripada masalah perpindahan panas radiasi-konduktif. Di bawah ini adalah perkiraan solusi [L. 205] dari salah satu masalah umum perpindahan panas radiasi-konvektif. Penyederhanaan yang signifikan memungkinkan kami menyelesaikan solusinya.
Seperti yang ditunjukkan dalam [L. 88, 350], pendekatan tensor dalam kondisi tertentu merupakan metode yang lebih akurat yang membuka peluang baru dalam studi proses perpindahan panas secara radiasi. Dalam (L. 351] perkiraan tensor yang diusulkan (L. 88, 350] digunakan untuk memecahkan masalah gabungan perpindahan panas konduktif radiasi dan memberikan hasil yang baik. Selanjutnya, penulis menggeneralisasikan perkiraan tensor “dan kasus spektral dan total radiasi untuk indikasi sembarang hamburan volumetrik dan permukaan dalam sistem radiasi [L. 29, 89].
Dengan menggunakan metode berulang untuk memecahkan masalah perpindahan panas yang kompleks, pertama-tama kita harus menentukan nilai Qpea.i untuk semua zona dan menentukan pada integrator listrik dari tipe yang dijelaskan bidang suhu yang dihasilkan untuk distribusi yang diterima Qpea.i (i =l 2,..., n), yang menjadi dasar perhitungan bidang suhu perkiraan kedua semua besaran
Perpindahan panas konduksi radiasi dipertimbangkan dalam kaitannya dengan lapisan datar media pelemahan. Dua masalah telah terpecahkan. Yang pertama adalah pertimbangan analitis perpindahan panas konduksi radiasi pada lapisan datar suatu medium tanpa batasan suhu permukaan lapisan tersebut. Dalam hal ini, permukaan medium dan batas diasumsikan berwarna abu-abu, dan ada tidak ada sumber panas internal dalam medium. Solusi kedua berkaitan dengan masalah simetris pertukaran panas konduktif radiasi pada lapisan datar dari media yang selektif dan menghilang secara anisotropik dengan sumber panas di dalam lapisan.
Sebagai kasus khusus, dari sistem persamaan perpindahan panas yang kompleks, ikuti semua persamaan individu yang dipertimbangkan dalam teori hidrodinamika dan perpindahan panas: persamaan gerak dan kontinuitas medium, persamaan perpindahan panas konduktif murni, konvektif dan radiasi, persamaan perpindahan panas konduktif murni, konvektif dan radiasi, persamaan perpindahan panas konduktif radiasi dalam media stasioner dan, terakhir, persamaan perpindahan panas radiasi dalam media bergerak tetapi non-konduktif panas.
Pertukaran panas konduksi radiasi, yang merupakan salah satu dari enam jenis pertukaran panas kompleks, terjadi di berbagai bidang ilmu pengetahuan dan teknologi (astro dan geofisika, industri metalurgi dan kaca, teknologi elektrovakum, produksi material baru, dll.). Kebutuhan untuk mempelajari proses perpindahan panas konduksi radiasi juga menimbulkan masalah perpindahan energi pada lapisan batas aliran media cair dan gas dan masalah mempelajari konduktivitas termal berbagai bahan tembus cahaya.
tetapi untuk menghitung proses radiasi-"perpindahan panas konduktif IB kondisi dimana solusi yang diperoleh valid. Solusi numerik dari masalah memberikan gambaran yang jelas tentang proses yang diteliti untuk (kasus tertentu, tanpa memerlukan pengenalan banyak batasan yang melekat dalam studi analitis perkiraan. Baik solusi analitik maupun numerik tidak diragukan lagi merupakan kemajuan yang terkenal dalam studi proses perpindahan panas radiatif-tonduktif, meskipun sifatnya terbatas dan privat.
Bab ini membahas dua solusi analitis yang dilakukan penulis terhadap masalah perpindahan panas konduksi radiasi pada lapisan datar suatu medium. Solusi pertama mempertimbangkan masalah tidak adanya batasan mengenai suhu, kemampuan penyerapan permukaan batas dan ketebalan optik lapisan medium [L. 89, 203]. Penyelesaian ini dilakukan dengan metode iterasi, diasumsikan permukaan medium dan batas berwarna abu-abu, serta tidak terdapat sumber panas pada volume medium.
Beras. 14-1. Skema penyelesaian masalah perpindahan panas konduksi radiasi pada lapisan datar media penyerap dan penghantar panas tanpa adanya sumber panas internal di dalam media.
Studi analitik paling rinci dilakukan pada masalah perpindahan panas konduktif radiasi melalui lapisan abu-abu, media penyerap murni ketika suhu permukaan batas abu-abu lapisan tersebut ditentukan dan tanpa adanya sumber panas di media itu sendiri. Masalah pertukaran panas konduksi radiasi antara lapisan media pemancar dan penghantar panas dengan permukaan batas dengan adanya sumber panas dalam volume telah dipertimbangkan dalam sejumlah karya yang sangat terbatas dengan penerapan asumsi-asumsi tertentu.
Untuk pertama kalinya, upaya untuk memperhitungkan sumber panas internal dalam proses “perpindahan panas konduksi radiasi” dilakukan di [L. 208], yang mempertimbangkan masalah perpindahan panas melalui radiasi dan konduktivitas termal melalui lapisan media abu-abu yang tidak tersebar dengan distribusi sumber yang seragam di seluruh volume. Namun, kesalahan matematis yang dilakukan dalam pekerjaan meniadakan hasil yang diperoleh.
Proses perpindahan panas melalui konduktivitas termal dijelaskan oleh pertukaran energi kinetik antara molekul suatu zat dan difusi elektron. Fenomena ini terjadi ketika suhu suatu zat berbeda pada titik yang berbeda atau ketika dua benda dengan derajat pemanasan berbeda bersentuhan.
Hukum dasar konduktivitas termal (hukum Fourier) menyatakan bahwa jumlah panas yang melewati suatu benda homogen (homogen) per satuan waktu berbanding lurus dengan luas penampang normal aliran panas dan gradien suhu sepanjang aliran.
dimana R T adalah kekuatan aliran panas yang ditransmisikan oleh konduktivitas termal, W;
aku - koefisien konduktivitas termal, ;
d - ketebalan dinding, m;
t 1, t 2 - suhu permukaan panas dan dingin, K;
S - luas permukaan, m2.
Dari ungkapan ini kita dapat menyimpulkan bahwa ketika mengembangkan desain RES, dinding penghantar panas harus dibuat tipis, kontak termal harus dipastikan di seluruh area sambungan bagian, dan bahan dengan koefisien konduktivitas termal yang tinggi harus dipilih. .
Mari kita perhatikan kasus perpindahan panas melalui dinding datar dengan ketebalan d.
Gambar 7.2 – Perpindahan panas melalui dinding
Banyaknya kalor yang berpindah per satuan waktu melalui suatu bagian dinding dengan luas S akan ditentukan dengan rumus yang telah diketahui
Rumus ini dibandingkan dengan persamaan hukum Ohm untuk rangkaian listrik. Tidak sulit untuk melihat analogi lengkapnya. Jadi jumlah kalor per satuan waktu P T sesuai dengan nilai arus I, gradien suhu (t 1 - t 2) sesuai dengan beda potensial U.
Sikap itu disebut T e r m i c h e s k i m resistensi dan dilambangkan dengan R T,
Analogi yang dipertimbangkan antara aliran aliran panas dan arus listrik tidak hanya memungkinkan kita untuk mencatat kesamaan proses fisik, namun juga memfasilitasi perhitungan konduktivitas termal dalam struktur yang kompleks.
Jika dalam kasus tersebut elemen yang perlu didinginkan terletak pada bidang yang mempunyai suhu t CT1, maka
t ST1 = P T d/(lS) + t ST2.
Oleh karena itu, untuk mengurangi t CT1, perlu dilakukan penambahan luas permukaan penghilang panas, pengurangan ketebalan dinding pemancar panas, dan pemilihan material dengan koefisien konduktivitas termal yang tinggi.
Untuk meningkatkan kontak termal, perlu untuk mengurangi kekasaran permukaan yang bersentuhan, menutupinya dengan bahan penghantar panas dan menciptakan tekanan kontak di antara keduanya.
Kualitas kontak termal antara elemen struktur juga bergantung pada hambatan listrik. Semakin rendah hambatan listrik pada permukaan kontak, semakin rendah hambatan termalnya, semakin baik pembuangan panasnya.
Semakin rendah kapasitas penghilangan panas suatu lingkungan, semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk membentuk sistem perpindahan panas stasioner.
Biasanya bagian pendingin dari desain adalah sasis, housing atau casing. Oleh karena itu, ketika memilih opsi tata letak desain, Anda perlu melihat apakah bagian pendingin dari struktur yang dipilih untuk pemasangan memiliki kondisi pertukaran panas yang baik dengan lingkungan atau tahan panas.
