Moleküllerin, elektronların ve temel parçacıkların agregatlarının birbirleriyle çarpışması nedeniyle gerçekleştirilir. (Isı, daha fazla ısıtılmış bir gövdeden daha az ısıtılmış bir gövdeye doğru hareket eder). Veya metallerde: kristal kafesin titreşimlerinin bir parçacıktan diğerine kademeli olarak aktarılması (kafes parçacıklarının elastik titreşimleri - fonon termal iletkenliği).
Konvektif taşıma;
Bu transfer, akışkan parçacıklarının hareketi ile ilişkilidir ve maddelerin mikroskobik elemanlarının hareketinden kaynaklanır, soğutucunun serbest veya zorla hareketi ile gerçekleştirilir.
Yer kabuğundaki sıcaklık gradyanının etkisi altında, yalnızca ısının değil aynı zamanda maddenin de konvektif akışları ortaya çıkar. Bir termohidrodinamik basınç gradyanı ortaya çıkar.
Hidrodinamik basınç gradyanı oluştuğunda petrolün formasyonda bir conta olmadan tutulduğu olgusu da gözlemlenebilir.
3. Radyasyon nedeniyle ısı transferi.
Radyoaktif bir birim bozunurken ısı açığa çıkarır ve bu ısı radyasyon yoluyla açığa çıkar.
33. Petrol ve gaz oluşumunun termal özellikleri, özellikleri ve kullanım alanı.
Termal özellikler şunlardır:
1) Isı kapasitesi katsayısı c
2) Isıl iletkenlik katsayısı l
3) Termal yayılma katsayısı a
1. Isı kapasitesi:
c – belirli koşullar altında bir maddenin sıcaklığını bir derece artırmak için gereken ısı miktarı (V, P=sabit).
с=dQ/dТ
Bir maddenin ortalama ısı kapasitesi: c=DQ/DT.
Çünkü Kaya örnekleri farklı kütlelere ve hacimlere sahip olabilir; daha farklı bir değerlendirme için özel ısı kapasitesi türleri tanıtılmıştır: kütle, hacimsel ve molar.
· Özgül kütle ısı kapasitesi [J/(kg×derece)]:
С m =dQ/dТ=С/m
Bu, numunenin birim kütlesini bir derece değiştirmek için gereken ısı miktarıdır.
· Spesifik hacimsel ısı kapasitesi [J/(m3×K)]:
С v =dQ/(V×dТ)=r×С m,
r yoğunluk nerede
P, V=sabit durumunda, bir birimi bir derece artırmak için verilmesi gereken ısı miktarı.
· Spesifik molar ısı kapasitesi [J/(mol×K)]:
С n =dQ/(n×dТ)=М×С m,
burada M – bağıl moleküler kütle [kg/kmol]
Bir maddenin bir molünün sıcaklığını bir derece değiştirmek için verilmesi gereken ısı miktarı.
Isı kapasitesi oluşumun ilave bir özelliğidir:
С i = j=1 N SC j ×К ben , burada SC i =1, К – faz sayısı.
Isı kapasitesi, oluşumun gözenekliliğine bağlıdır: gözeneklilik ne kadar büyük olursa, ısı kapasitesi de o kadar düşük olur.
(s×r)=s metrekare ×r kare ×(1-k p)+s ×r s ×k p,
burada с з – gözenek doldurma katsayısı;
k p – gözeneklilik katsayısı.
Termal iletkenlik.
l [W/(m×K)] bir kayanın kinetik (veya termal) enerjiyi bir elementten diğerine aktarma özelliğini karakterize eder.
Isıl iletkenlik katsayısı – birim büyüklükte bir yüze sahip bir maddenin kübik hacminden birim zamanda geçen ısı miktarı, diğer yüzlerde ise bir derecelik sıcaklık farkı korunur (DT = 1°).
Isıl iletkenlik katsayısı şunlara bağlıdır:
ü iskeletin mineral bileşimi. Katsayı değerlerinin yayılımı on bin katına ulaşabilmektedir.
Örneğin bir elmas için en büyük l 200 W/(m×K)'dir çünkü kristalinde neredeyse hiçbir yapısal kusur yoktur. Karşılaştırma için, l hava 0,023 W/(m×K), su ise 0,58 W/(m×K)'dir.
ü iskeletin doluluk derecesi.
ü Sıvıların ısıl iletkenliği.
Şöyle bir parametre var temas termal iletkenlik katsayısı
.
Kuvars en yüksek temas katsayısına sahiptir - 7-12 W/(m×K). Daha sonra hidrokimyasal çökeltiler, kaya tuzu, silvit ve anhidrit gelmektedir.
Kömür ve asbestin temas katsayısı azaltılmıştır.
Isıl iletkenlik katsayısı için toplanabilirlik gözlenmez, bağımlılık toplanabilirlik kuralına uymaz.
Örneğin minerallerin ısı iletkenliği şu şekilde yazılabilir:
1gl=Sv i ×1gl ben ,
burada 1gl i hacimsel içerik v i ile li-inci fazın logaritmasıdır.
Önemli bir özellik, termal direnç adı verilen termal iletkenliğin karşılıklı olmasıdır.
Termal direnç nedeniyle termal alanların karmaşık bir dağılımına sahibiz. Bu, özel tipteki birikintilerin oluşabileceği termal konveksiyona yol açar - sıradan bir conta değil, termodinamik bir conta.
Termodinamik direnç yoğunluk, geçirgenlik, nem ve ayrıca (kuzey bölgelerde) buz içeriğinin derecesinin azalmasıyla azalır.
Anizotropi fenomeni olan katmanlı heterojenliğin artmasıyla birlikte termal basınç değişiklikleri sürecinde suyun yerini petrol, gaz veya hava aldığında artar.
Kömürler, kuru ve gaza doymuş kayalar en büyük termal dirence sahiptir.
Karasal kayalardan karbonatlı kayalara doğru ilerledikçe termal direnç azalır.
Halit, silvit, mirabelit, anhidrit gibi hidrokimyasal çökeltiler, yani minimum termal dirence sahiptir. katmanlı tuz yapısına sahip kayalar.
Tüm katmanlar arasında kil katmanları maksimum termal dirençleriyle öne çıkıyor.
Bütün bunlardan, termal direncin termal atalet derecesini, termal iletkenliği belirlediği sonucuna varabiliriz.
Termal yayılım.
Uygulamada, aşağıdaki gibi bir katsayı termal yayılma kararsız bir ısı transfer işlemi sırasında sıcaklık değişim oranını karakterize eder.
а=l/(с×r), l=sabit olduğunda
Aslında “a” sabit değildir çünkü l koordinatların ve sıcaklığın bir fonksiyonudur ve c gözeneklilik katsayısının, kütlenin vb. bir fonksiyonudur.
Geliştirme sırasında, dahili bir ısı kaynağının oluşabileceği süreçleri kullanabiliriz (örneğin asit enjeksiyonu), bu durumda denklem şu şekilde görünecektir:
dТ/dt=а×Ñ 2 Т+Q/(с×r),
burada Q, iç ısı kaynağının ısısıdır, r, kayanın yoğunluğudur.
Isı transferi.
Bir sonraki önemli parametre ise ısı transferi.
DQ=k t ×DТ×DS×Dt,
burada k t ısı transfer katsayısıdır.
Fiziksel anlamı: Sıcaklık bir derece değiştiğinde birim zaman başına, birim yüzey boyunca komşu katmanlara kaybedilen ısı miktarı.
Tipik olarak ısı transferi, üstteki ve alttaki katmanlara yer değiştirmeyle ilişkilidir.
34. Sıcaklığın bir petrol ve gaz rezervuarının fiziksel özelliklerindeki değişiklikler üzerindeki etkisi.
Kaya tarafından emilen ısı sadece kinetik termal işlemlere değil aynı zamanda oluşumun termal genleşmesiyle ilişkili mekanik işlere de harcanır. Bu termal genleşme, bireysel fazların kafesindeki atomların bağlanma kuvvetlerinin, özellikle de bağlar yönünde ortaya çıkan sıcaklığa bağımlılığıyla ilişkilidir. Eğer atomlar birbirlerinden uzaklaşırken birbirlerine yaklaşırken olduğundan daha kolay yer değiştiriyorsa, bölünebilir atomların merkezlerinde bir yer değiştirme meydana gelir; deformasyon.
Sıcaklık artışı ile doğrusal deformasyon arasındaki ilişki şu şekilde yazılabilir:
dL=a×L×dT,
burada L orijinal uzunluk [m], a ise doğrusal termal genleşme katsayısıdır.
Benzer şekilde hacimsel genişleme için:
dV/V=g t ×dT,
burada g t hacimsel termal deformasyon katsayısıdır.
Hacimsel genleşme katsayıları farklı taneler için büyük ölçüde değiştiğinden, çarpma sırasında eşit olmayan deformasyonlar meydana gelecek ve bu da oluşumun tahrip olmasına yol açacaktır.
Temas noktalarında güçlü bir stres konsantrasyonu vardır, bu da kumun uzaklaştırılmasına ve buna bağlı olarak kayanın tahrip olmasına neden olur.
Petrol ve gazın yer değiştirmesi olgusu aynı zamanda aşağıdakilerle de ilişkilidir: hacimsel genişleme. Bu sözde Joule-Thompson sürecidir. Çalışma sırasında hacimde keskin bir değişiklik meydana gelir ve bir kısma etkisi meydana gelir (sıcaklık değişikliği ile termal genleşme). Termodinamik debitometri bu etkinin incelenmesine dayanmaktadır.
Bir parametre daha ekleyelim - adyabatik katsayı : h s =dТ/dр.
Diferansiyel adyabatik katsayı, basınçtaki değişime bağlı olarak sıcaklıktaki değişimi belirler.
Adyabatik sıkıştırma altında h S >0 değeri. Bu durumda madde ısınır. Bunun istisnası sudur, çünkü... 0¼4° aralığında soğur.
h S =V/(C p ×g)×a×T,
burada V hacimdir, T sıcaklıktır, a doğrusal genleşme katsayısıdır, g yer çekimi ivmesidir.
Joule-Thompson katsayısı, kısma sırasındaki sıcaklık değişimini belirler.
e=dТ/dр=V/(Ср ×g)×(1 - a×Т)=V/(Ср ×g) - h S ,
burada V/(Ср×g) sürtünme kuvvetlerinin çalışmasına bağlı ısınmayı belirler
h S – adyabatik genleşme nedeniyle maddenin soğuması.
Sıvı için V/Ср×g>>hS Þ Sıvılar ısınır.
Gazlar için e<0 Þ Газы охлаждаются.
Pratikte kullanıyorlar gürültü ölçümü kuyular - sıcaklık değiştiğinde gazın titreşim enerjisini serbest bırakarak gürültüye neden olduğu olgusuna dayanan bir yöntem.
35. Bir yatağın gelişimi sırasında petrol ve gaz rezervuarının özelliklerinde meydana gelen değişiklikler.
1. Doğal hallerinde katmanlar büyük derinliklerde bulunur ve jeotermal basamaklara bakılırsa bu koşullardaki sıcaklık 150°'ye yakındır, dolayısıyla kayaların özelliklerini değiştirdiği iddia edilebilir, çünkü biz nüfuz ettiğimizde katmanın içine Isı dengesini bozuyoruz.
2. Ne zaman biz rezervuara su pompalamak Bu suyun bir yüzey sıcaklığı vardır. Su formasyona girdiğinde formasyonu soğutmaya başlar ve bu da kaçınılmaz olarak petrolün cilalanması gibi çeşitli olumsuz olaylara yol açar. Onlar. Yağda parafin bileşeni varsa soğuma sonucunda parafin düşecek ve oluşumu tıkayacaktır. Örneğin Uzen sahasında yağın parafine doyma sıcaklığı Tn = 35° (40°) olup, geliştirilmesi sırasında bu koşullar ihlal edilmiş, bunun sonucunda oluşum sıcaklığı azalmış, parafin dökülmüş, tıkanma meydana gelmiş ve geliştiricilerin uzun süre sıcak su pompalaması ve tüm parafin yağda çözünene kadar oluşumu ısıtması gerekiyordu.
 |
3. Yüksek viskoziteli yağlar.
Bunları sıvılaştırmak için bir soğutucu kullanılır: sıcak su, aşırı ısıtılmış buhar ve dahili ısı kaynakları. Böylece kaynak olarak bir yanma cephesi kullanılır: yağ ateşlenir ve bir oksitleyici sağlanır.
Aşağıdaki projeler ayrıca İsviçre, Fransa, Avusturya ve İtalya'da da uygulanmaktadır:
Radyoaktif atık kullanılarak yağların viskozitesinin azaltılmasına yönelik bir yöntem. 10 6 yıl boyunca depolanırlar, ancak aynı zamanda yüksek viskoziteli yağı ısıtarak çıkarılmasını kolaylaştırırlar.
36. Petrol ve gaz oluşumlarındaki hidrokarbon sistemlerinin fiziksel durumu ve bu durumların özellikleri.
Basit bir madde alalım ve durum diyagramını ele alalım:
R
C noktası özellikler arasındaki farkın ortadan kalktığı kritik noktadır.
Oluşumu karakterize eden basınç (P) ve sıcaklık (T), çok geniş bir aralıkta ölçülebilir: onda MPa'dan onlarca MPa'ya ve 20-40°'den 150°C'ye kadar. Buna bağlı olarak hidrokarbon içeren yataklarımız gaz, petrol vb. olarak ayrılabilir.
Çünkü farklı derinliklerde basınçlar normal jeostatikten anormal derecede yükseklere kadar değişir, bu durumda hidrokarbon bileşikleri yatakta gaz, sıvı veya gaz-sıvı karışımları formunda olabilir.
Yüksek basınçlarda gazların yoğunluğu hafif hidrokarbon sıvılarının yoğunluğuna yaklaşır. Bu koşullar altında ağır yağ fraksiyonları sıkıştırılmış gaz içerisinde çözünebilir. Sonuç olarak, yağ gazın içinde kısmen çözülecektir. Gaz miktarı önemsizse, artan basınçla gaz yağda çözünür. Bu nedenle, gaz miktarına ve durumuna bağlı olarak birikintiler ayırt edilir:
1. saf gaz;
2. gaz yoğunlaşması;
3. gaz ve petrol;
4. Çözünmüş gaz içeren petrol.
Gaz-petrol ve petrol-gaz yatakları arasındaki sınır keyfidir. Tarihsel olarak iki bakanlığın varlığıyla bağlantılı olarak gelişti: petrol ve gaz endüstrileri.
ABD'de hidrokarbon yatakları, gaz yoğuşma faktörünün değerine, sıvı hidrokarbonların yoğunluğuna ve rengine göre aşağıdakilere ayrılır:
1) gaz;
2) gaz yoğunlaşması;
3) gaz ve petrol.
Gaz yoğunlaşma faktörü, metreküp sıvı ürün başına metreküp cinsinden gaz miktarıdır.
Amerikan standardına göre gaz yoğuşmaları, 740-780 kg/m3 yoğunluğa ve 900-1100 m3/m3 gaz yoğuşma faktörüne sahip, açık renkli veya renksiz hidrokarbon sıvılarının çıkarıldığı birikintileri içerir.
Gaz birikintileri, gözenek hacminin %30'unu oluşturan, ağır hidrokarbon fraksiyonlarından oluşan adsorbe edilmiş bağlı yağ içerebilir.
Ayrıca belirli basınç ve sıcaklıklarda gazın katı halde olduğu gaz hidrat birikintilerinin varlığı da mümkündür. Bu tür yatakların varlığı, gaz üretimini artırmak için büyük bir rezervdir.
Geliştirme sürecinde başlangıç basınçları ve sıcaklıkları değişir ve hidrokarbonların teknolojik olarak yataklara dönüşmesi meydana gelir.
Sürekli geliştirme sistemi sırasında bir şekilde yağdan gaz açığa çıkabilir, bunun sonucunda faz geçirgenliğinde azalma, viskozitede artış, dip delik bölgesinde basınçta keskin bir düşüş meydana gelir ve ardından yoğuşma kaybı meydana gelir. yoğuşma tıkaçlarının oluşmasına yol açacaktır.
Ayrıca gazın taşınması sırasında gaz fazı dönüşümleri meydana gelebilir.
38. Tek bileşenli ve çok bileşenli sistemlerin faz diyagramları.
Alçı faz kuralı (sistemin değişkenliğini gösterir - serbestlik derecesi sayısı)
N - sistem bileşenlerinin sayısı
m, fazlarının sayısıdır.
Örnek: H 2 O (1 takım) N=1 m=2 Þ r=1
Sıkıştığında R sadece bir T
Tek bileşenli sistem.
A'dan B'ye sıkıştırın - ilk sıvı damlası (çiy noktası veya yoğunlaşma noktası P = P us)
D noktasında son buhar kabarcığı kalır, buharlaşma veya kaynama noktası
Her izotermin kendine ait kaynama ve buharlaşma noktaları vardır.
İki bileşenli sistem
Değişiklikler R Ve T yani yoğuşmanın başlangıç basıncı her zaman buharlaşma basıncından küçüktür.
İlgili bilgi.
Ders 4. İLETKEN ISI TRANSFERİ.
4.1 Üç boyutlu durağan olmayanlar için Fourier denklemi
sıcaklık alanı
4.2 Termal yayılma katsayısı. Fiziksel anlam
4.3 Teklik koşulları – sınır koşulları
4.1 Üç boyutlu durağan olmayanlar için Fourier denklemi
sıcaklık alanı
Herhangi bir fiziksel sürecin incelenmesi, onu karakterize eden nicelikler arasında bir ilişkinin kurulmasıyla ilişkilidir. Oldukça karmaşık bir termal iletkenlik sürecini incelerken böyle bir bağımlılık oluşturmak için, özü, incelenen alanın tamamında değil, sonsuz küçük bir süre boyunca temel bir madde hacminde süreci dikkate almak olan matematiksel fizik yöntemleri kullanıldı. zamanın. Isı iletkenliği yoluyla ısı transferinde yer alan miktarlar arasındaki bağlantı, bir diferansiyel denklem - üç boyutlu sabit olmayan bir sıcaklık alanı için Fourier denklemi - ile kurulur.
Isıl iletkenliğin diferansiyel denklemini türetirken aşağıdaki varsayımlar yapılır:
Dahili ısı kaynağı yoktur;
Gövde homojen ve izotroptur;
Enerjinin korunumu yasası kullanılır - dτ süresi boyunca termal iletkenlik nedeniyle temel hacme giren ve aynı zamanda onu terk eden ısı miktarı arasındaki fark, söz konusu temel hacmin iç enerjisini değiştirmek için harcanır. .
Gövde, kenarları dx, dy, dz olan temel bir paralel boru içerir. Yüzlerin sıcaklıkları farklıdır, bu nedenle ısı paralel borudan x, y, z eksenleri yönünde geçer.
Şekil 4.1 Diferansiyel ısı denklemini türetmek için
Fourier hipotezine göre, dτ süresi boyunca dx·dy alanından aşağıdaki miktarda ısı geçer:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image003_138.gif" width = "253" height = "46 src = "> (4.2)
burada https://pandia.ru/text/80/151/images/image005_105.gif" width="39" height="41"> z yönündeki sıcaklık değişimini belirler.
Matematiksel dönüşümlerden sonra denklem (4.2) yazılacaktır:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image007_78.gif" width = "583" height = "51 src = ">, kısaltmadan sonra:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image009_65.gif" genişlik = "203" yükseklik = "51 src = "> (4.4)
https://pandia.ru/text/80/151/images/image011_58.gif" width = "412" height = "51 src = "> (4.6)
Öte yandan enerjinin korunumu yasasına göre:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image013_49.gif" genişlik = "68" yükseklik = "22 src = ">.gif" genişlik = "203" yükseklik = "51 src = ">. (4.8)
Değer https://pandia.ru/text/80/151/images/image017_41.gif" width = "85" height = "41 src = "> (4.9)
Denklem (4.9), iç ısı kaynaklarının yokluğunda üç boyutlu kararsız bir sıcaklık alanı için diferansiyel ısı denklemi veya Fourier denklemi olarak adlandırılır. Isıl iletkenlik süreçlerini incelerken temel denklemdir ve sıcaklık alanının herhangi bir noktasında zamansal ve uzaysal sıcaklık değişiklikleri arasında bir bağlantı kurar.
Vücut içindeki ısı kaynakları ile termal iletkenliğin diferansiyel denklemi:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image019_35.gif" width="181" height="50">
Bundan, vücudun herhangi bir noktasında zamanla sıcaklıktaki değişimin, değerle orantılı olduğu sonucu çıkar. A.
Değer https://pandia.ru/text/80/151/images/image021_29.gif" width="26" height="44">. Aynı koşullar altında, daha yüksek termal yayılıma sahip olan gövdenin sıcaklığı artar Yani gazların termal yayılım katsayısı küçük, metallerin ise büyük katsayısı vardır.
Durağan olmayan termal işlemlerde A Sıcaklık değişim hızını karakterize eder.
4.3 Teklik koşulları – sınır koşulları
Isıl iletkenliğin diferansiyel denklemi (veya konvektif ısı transferinin diferansiyel denklemleri sistemi) bu süreçleri en genel biçimde açıklar. İletim veya konveksiyon yoluyla ısı transferi ile ilgili belirli bir olguyu veya olgu grubunu incelemek için bilmeniz gerekir: başlangıç anındaki vücuttaki sıcaklık dağılımı, ortam sıcaklığı, vücudun geometrik şekli ve boyutları, çevrenin ve vücudun fiziksel parametreleri, vücudun yüzeyindeki sıcaklık dağılımını karakterize eden sınır koşulları veya vücudun termal etkileşim koşulları çevre ile.
Tüm bu özel özellikler sözde bir araya getirilmiştir. benzersizlik koşulları veya sınır koşulları içeren:
1) Başlangıç koşulları . τ = 0 zamanının başlangıç anında gövdedeki sıcaklık dağılımı ve ortam sıcaklığı koşulları belirtilmiştir.
2) Geometrik koşullar . Vücudun şeklini, geometrik boyutlarını ve uzaydaki konumunu belirlerler.
3) Fiziksel koşullar . Çevrenin ve vücudun fiziksel parametrelerini ayarlayın.
4) Sınır koşulları üç şekilde belirtilebilir.
Birinci türden sınır koşulu : vücut yüzeyindeki sıcaklık dağılımı herhangi bir an için ayarlanır;
İkinci türün sınır koşulu : Herhangi bir an için vücut yüzeyinin her noktasındaki ısı akısı yoğunluğuna göre ayarlanır.
Üçüncü türün sınır koşulu : Vücudu çevreleyen ortamın sıcaklığı ve vücut yüzeyi ile çevre arasındaki ısı transferi kanunu tarafından belirlenir.
Katı bir cismin yüzeyi ile çevre arasındaki konvektif ısı alışverişinin yasaları çok karmaşıktır. Konvektif ısı transferi teorisi, bir cismin q yüzeyindeki ısı akısı yoğunluğu ile ısı transferinin etkisi altında sıcaklık basıncı (tst - tl) arasında bir ilişki kuran Newton-Richmann denklemine dayanmaktadır. vücudun yüzeyi:
q = α·(tst – tl), W/m2 (4.11)
Bu denklemde α, ısı transfer katsayısı olarak adlandırılan W/m2 derece orantı katsayısıdır.
Isı transfer katsayısı, vücut yüzeyi ile çevre arasındaki ısı alışverişinin yoğunluğunu karakterize eder. Vücut yüzeyi ile çevre arasındaki sıcaklık farkı 1 derece olduğunda, birim zaman başına vücut yüzeyinin bir birimi tarafından verilen (veya algılanan) ısı miktarına sayısal olarak eşittir. Isı transfer katsayısı birçok faktöre bağlıdır ve belirlenmesi oldukça zordur. Isıl iletkenlik problemlerini çözerken değeri genellikle sabit olarak alınır.
Enerjinin korunumu kanununa göre, bir cismin birim yüzeyinden birim zamanda ısı transferi nedeniyle çevreye verdiği ısı miktarı, ısı iletkenliği yoluyla birim yüzeye sağlanan ısıya eşit olmalıdır. Vücudun iç kısımlarından birim zaman başına:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image023_31.gif" width = "55" height = "47 src = "> - sıcaklık gradyanının dF bölgesine normal yönde yansıtılması.
Yukarıdaki eşitlik üçüncü türden bir sınır koşulunun matematiksel bir formülasyonudur.
Belirli belirsizlik koşulları altında termal iletkenliğin diferansiyel denkleminin (veya konvektif ısı transfer işlemleri için bir denklem sisteminin) çözülmesi, zaman içinde herhangi bir an için tüm gövdedeki sıcaklık alanını belirlemeyi, yani bir fonksiyonu bulmayı mümkün kılar. form: t = f(x, y, z, τ).
Bu tür ısı alışverişi, sıcaklık alanında bulunan temas halindeki vücut parçacıkları arasında meydana gelir.
T = F ( X ey, z , T ), sıcaklık gradyanı derecesi ile karakterize edilir T. Sıcaklık gradyanı, normal n 0 boyunca artan sıcaklık yönünde izotermal yüzeye yönlendirilen bir vektördür:
mezunT = P Ö dT/dn = P Ö T
Termal alanlar var: tek boyutlu, iki boyutlu ve üç boyutlu; sabit ve sabit olmayan; izotropik ve anizotropik.
İletken ısı transferi sürecinin analitik açıklaması, tek boyutlu izotropik bir ortamda yayılan sabit bir ısı akışının özelliklerini, ortamın geometrik ve termofiziksel parametrelerini ilişkilendiren temel Fourier yasasına dayanmaktadır:
Q =λ(T 1 -T 2 )S/l t veya P = Q /t =λ (T 1 -T 2 )S/l
Nerede: - Q - zaman içinde numuneden aktarılan ısı miktarı T , dışkı;
λ - numune malzemesinin ısıl iletkenlik katsayısı, W/(m-derece);
T 1 , T 2 - numunenin “sıcak” ve “soğuk” bölümlerinin sıcaklıkları sırasıyla derece;
SS - numunenin kesit alanı, m2;
ben - numune uzunluğu, m;
R - ısı akışı, W.
Elektrotermal analoji kavramına dayalı olarak termal büyüklükler R VeT elektrik akımını eşleştir BEN ve elektrik potansiyeli sen , Isıl devrenin bir bölümü için Fourier yasasını "Ohm yasası" biçiminde sunalım:
P = ( T 1 -T 2 )/l/ λS = (T 1 -T 2 )/R T (4.2)
Burada fiziksel anlamına göre parametre R T Orada termal termal devre bölümünün direnci ve 1/ λ - spesifik termal direnç. İletken ısı transfer işleminin bu temsili, topolojik modeller ve elektrik devrelerinin hesaplanmasına yönelik bilinen yöntemler tarafından temsil edilen termal devrelerin parametrelerinin hesaplanmasını mümkün kılar. O halde, tıpkı bir elektrik devresinde olduğu gibi, akım yoğunluğunun vektör formundaki ifadesi şu şekildedir:
J = – σ mezunsen ,
bir termal devre için Fourier yasası vektör biçiminde şu şekle sahip olacaktır:
P = - λ mezun T ,
Nerede R - ısı akısı yoğunluğu ve eksi işareti, ısı akışının vücudun ısıtılan kısmından daha soğuk kısmına yayıldığını gösterir.
(4.1) ve (4.2) ifadelerini karşılaştırdığımızda şunu görüyoruz: iletken ısı transferi için
A= A cd = λ / ben
Bu nedenle, ısı transfer prosesinin verimliliğini arttırmak için uzunluğun azaltılması gerekmektedir. ben termal devre ve termal iletkenliğini artırın λ
İletken ısı transferi sürecini tanımlamanın genelleştirilmiş bir şekli, enerjinin korunumu ve Fourier yasalarının matematiksel bir ifadesi olan termal iletkenliğin diferansiyel denklemidir:
evlenmek dT / dt = λ X D 2 T / dx 2 + λ sen D 2 T / ölmek 2 + λ z D 2 T / dz 2 + W v
Nerede İle - ortamın özgül ısı kapasitesi, J/(kg-K);
p - ortamın yoğunluğu, kg/m3;
W v - iç kaynakların hacimsel yoğunluğu, W/m3;
λ X λ sen λ z - Koordinat eksenleri yönündeki spesifik termal iletkenlikler (anizotropik bir ortam için).
Bu tür ısı değişimi, ısıtılan bir gövdenin yüzeyinden çevredeki alana ısı transferinin, gövdenin sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa sahip bir soğutucu - sıvı veya gaz - akışıyla yıkanması nedeniyle meydana geldiği karmaşık bir fiziksel işlemdir. ısıtılmış vücut. Bu durumda, sıcaklık alanının parametreleri ve konvektif ısı transferinin yoğunluğu, soğutucunun hareketinin doğasına, termofiziksel özelliklerine ve ayrıca vücudun şekline ve boyutuna bağlıdır.
Böylece, soğutucu akışının hareketi serbest ve zorlanmış olabilir; bu da şu olaya karşılık gelir: doğal Ve zoraki konveksiyon. Ayrıca, laminer Ve çalkantılı o Bu akış hareketlerini belirleyen kuvvetlerin - iç sürtünme, viskozite ve atalet kuvvetleri - oranına bağlı olarak akış hareketi modları ve bunların ara durumları.
Konvektif ısı değişimi ile eşzamanlı olarak, soğutucunun ısıl iletkenliği nedeniyle iletken ısı değişimi meydana gelir, ancak sıvıların ve gazların ısıl iletkenlik katsayısının nispeten düşük değerleri nedeniyle verimliliği düşüktür. Genel durumda, bu ısı transfer mekanizması Newton-Richmann yasasıyla açıklanmaktadır:
P = A K.B. S ( T 1 - T 2 ), (4.3)
Nerede: A K.B. - konveksiyonla ısı transfer katsayısı, W/(m2 -derece);
T 1 - T 2 2 - sırasıyla duvar ve soğutucu sıcaklıkları, K;
S - ısı değişim yüzeyi, m2.
Newton-Richmann yasasının tanımının görünürdeki basitliğine rağmen, konvektif ısı transfer sürecinin verimliliğini niceliksel olarak değerlendirmenin zorluğu, katsayı değerinin A K.B. birçok faktöre bağlıdır; birçok proses parametresinin bir fonksiyonudur. Bağımlılığı açıkça bulun A K.B. = FA 1 , A 2 , ..., A J , ..., A N ) Proses parametreleri aynı zamanda sıcaklığa da bağlı olduğundan çoğu zaman imkansızdır.
Her özel durum için bu sorunun çözülmesine yardımcı olur benzerlik teorisi, benzer olayların özelliklerini ve benzerliklerini belirleme yöntemlerini incelemek. Özellikle, karmaşık bir fiziksel sürecin seyrinin, bireysel fiziksel ve geometrik parametreler tarafından değil, bu sürecin seyri için gerekli olan parametrelerden oluşan boyutsuz kuvvet kanunu kompleksleri tarafından belirlendiği kanıtlanmıştır. benzerlik kriterleri . Daha sonra karmaşık bir sürecin matematiksel açıklaması, biri istenen değeri (q) içeren bu kriterlerin derlenmesine indirgenir, kriter denklemi , formu bu sürecin herhangi bir çeşidi için geçerlidir. Benzerlik kriterlerinin oluşturulması mümkün değilse, bu, ya sürecin önemli bir parametresinin dikkate alınmadığı ya da bu sürecin bazı parametrelerinin çok fazla zarar görmeden değerlendirmeden çıkarılabileceği anlamına gelir.
Karmaşık ısı değişimi süreçleri arasında radyasyon-konvektif ve radyasyon-iletken ısı değişimi arasında bir ayrım yapılır.
toplamına bölünür. Diğer başlangıç koşulları için düz bir tabakada radyasyon-iletim ısı transferi [L. 5, 117, 163]; silindirik bir katman için - [L. 116].
Peki neden büyük parçacıkların akışkan yatakları olarak sınıflandırılan bölgede maksimum ısı transfer katsayıları çap arttıkça artıyor? Her şey gaz-konvektif ısı değişimi ile ilgili. Küçük parçacıklardan oluşan katmanlarda, gaz filtrasyon hızları, ısı transferinin konvektif bileşeninin kendisini "göstermesi" için çok düşüktür. Ancak tane çapı arttıkça artar. Düşük iletken ısı transferine rağmen, büyük parçacıklardan oluşan akışkan yatakta konvektif bileşenin büyümesi bu dezavantajı telafi eder.
ON DÖRDÜNCÜ BÖLÜM Radyasyon-İletimle Isı Transferi
14-2. Isı kaynakları olmayan gri bir emici ortamın düz bir katmanında radyasyon iletimi ile ısı transferi
14-3. Isı kaynaklarına sahip seçici ve anizotropik olarak saçılan bir ortamın düz bir katmanında radyasyon iletimi ile ısı değişimi
Dolayısıyla, yukarıdakilere ve diğer bazı daha spesifik çalışmalara dayanarak, hacimsel ısı kaynakları içeren sistemlerde radyasyon iletimi ile ısı transferinin yeterince araştırılmadığı açıkça ortaya çıkmaktadır. Özellikle, ortam ve sınır yüzeylerinin seçiciliğinin etkisi ile hacim anizotropisinin ve yüzey saçılımının etkisi açıklığa kavuşturulmamıştır. Bununla bağlantılı olarak yazar, düz bir katmanda radyasyon-iletken ısı transferi problemine yaklaşık bir analitik çözüm üstlenmiştir.
termal ve konvektif ısı transferi. Isı transferine ilişkin bu kılavuzun özel durumları şunlardır: hareketli bir ortamda radyasyonla ısı transferi (iletken transferin yokluğunda), sabit bir ortamda radyasyon-iletken ısı transferi (konvektif (transfer) yokluğunda ve tamamen “konvektif ısı transferi) hareketli bir ortamda, ışınımsal aktarım olmadığında Işınım-konvektif ısı aktarımı süreçlerini tanımlayan denklem sisteminin tamamı IB Bölüm 12'de ele alınmış ve analiz edilmiştir.
Denklem (15-1)'de akıştan kanal duvarına kadar olan toplam ısı transfer katsayısı (14-14) ve (14-15)'e göre bulunabilir. Bu amaçla, benimsenen şema çerçevesinde, akan ortam ile sınır yüzeyi arasındaki ısı alışverişi sürecini, akış çekirdeği ile kanal duvarı arasında b kalınlığındaki bir sınır tabakası boyunca radyasyon iletimli ısı alışverişi olarak ele alacağız. . Akış çekirdeğinin sıcaklığını, belirli bir bölümdeki ortamın ortalama kalorimetrik sıcaklığına eşitleyelim, bu işlem, kanalın çapına kıyasla sınır tabakasının küçük kalınlığı dikkate alınarak yapılabilir. sınır yüzeylerinin [kanalın belirli bir bölümündeki sıcaklık T(x) ve soğurma kapasitesi ag ile birlikte] ve bir diğeri olarak - kanal duvarının (Tw sıcaklığı ve soğurma kapasitesi aw ile) radyasyon iletim sürecini dikkate alıyoruz sınır tabakasından ısı transferi. (14-14)'ü uygulayarak, belirli bir bölümde yerel ısı transfer katsayısı a için bir ifade elde ederiz: Radyasyon-konvektif ısı transferi problemleri, basit durumlarda bile, genellikle radyasyon-iletken ısı transferi probleminden daha zordur. Aşağıda yaklaşık bir çözüm verilmiştir [L. 205] radyasyon-konvektif ısı transferinin yaygın bir probleminden. Önemli basitleştirmeler çözümü tamamlamamıza olanak tanır.
[L. 88, 350], belirli koşullar altında tensör yaklaşımı, radyasyonla ısı transferi süreçlerinin incelenmesinde yeni fırsatlar açan daha doğru bir yöntemdir. (L.351]'de önerilen tensör yaklaşımı (L.88, 350), radyasyon-iletken ısı transferinin birleşik problemini çözmek için kullanılmış ve iyi sonuçlar vermiştir. Daha sonra yazar, tensör yaklaşımını "ve spektral ve durum" olarak genelleştirmiştir. yayılan sistemlerde hacimsel ve yüzey saçılımının keyfi göstergeleri için toplam radyasyon [L. 29, 89].
Karmaşık ısı transferi problemlerini çözmek için yinelemeli bir yöntem kullanarak, önce tüm bölgeler için Qpea.i'nin değerleri belirtilmeli ve açıklanan tipte bir elektrik entegratörü üzerinde kabul edilen Qpea.i dağılımı için ortaya çıkan sıcaklık alanını belirlemelidir (i) =l 2,..., n), buna dayanarak sıcaklık alanı tüm büyüklüklerin ikinci yaklaşımıyla hesaplanır
Radyasyon-iletim ısı transferi, zayıflatıcı bir ortamın düz bir katmanıyla ilişkili olarak dikkate alınır. İki sorun çözüldü. Birincisi, bir ortamın düz bir katmanında radyasyon-iletim ısı transferinin, katman yüzeylerinin sıcaklıklarına ilişkin herhangi bir kısıtlama olmaksızın analitik olarak ele alınmasıdır.Bu durumda, ortam ve sınır yüzeylerinin gri olduğu varsayılmıştır ve ortamda iç ısı kaynağı yok İkinci çözüm, katmanın içinde ısı kaynakları bulunan seçici ve anizotropik olarak dağılan bir ortamın düz bir katmanındaki radyasyon-iletken ısı değişiminin simetrik problemi ile ilgilidir.İlk problemin çözümünün sonuçları
Özel durumlar olarak, karmaşık ısı transferi denklemleri sisteminden, hidrodinamik ve ısı transferi teorisinde ele alınan tüm bireysel denklemler takip edilir: ortamın hareket ve sürekliliği denklemleri, tamamen iletken, konvektif ve radyasyonla ısı transferi denklemleri, sabit bir ortamda ışınımla iletken ısı transferi ve son olarak hareketli fakat ısıyı iletken olmayan bir ortamda ışınımla ısı aktarımının denklemleri.
Altı karmaşık ısı değişimi türünden biri olan radyasyon-iletim ısı değişimi, bilim ve teknolojinin çeşitli alanlarında (astro ve jeofizik, metalurji ve cam endüstrileri, elektrovakum teknolojisi, yeni malzemelerin üretimi vb.) Gerçekleşir. Radyasyon-iletimli ısı transferi süreçlerini inceleme ihtiyacı aynı zamanda sıvı ve gazlı ortam akışlarının sınır katmanlarında enerji aktarımı sorunlarına ve çeşitli yarı saydam malzemelerin ısıl iletkenliğinin incelenmesi sorunlarına da yol açmaktadır.
ancak radyasyon "iletken ısı transferi IB sürecini hesaplamak için elde edilen çözümlerin geçerli olduğu koşullar geçerlidir. Sorunun sayısal çözümleri, üzerinde çalışılan sürecin net bir resmini sağlar (belirli durumlarda, doğasında var olan birçok kısıtlamanın getirilmesini gerektirmeden) Yaklaşık analitik çalışmalarda Hem analitik hem de Sayısal çözümler, sınırlı ve özel doğasına rağmen, şüphesiz iyi bilinen bir ilerlemedir (radyatif-tondüktif ısı transferi süreçlerinin incelenmesinde).
Bu bölümde, düz bir ortam tabakasında radyasyon iletimi ile ısı transferi problemine yazar tarafından gerçekleştirilen iki analitik çözüm tartışılmaktadır. İlk çözüm, sıcaklıklar, sınır yüzeylerinin soğurma yetenekleri ve orta katmanın optik kalınlıkları ile ilgili kısıtlamaların olmadığı bir sorunu ele alır [L. 89, 203]. Bu çözüm yineleme yöntemiyle gerçekleştirilmiş olup, ortam ve sınır yüzeylerinin gri olduğu ve ortamın hacminde herhangi bir ısı kaynağının olmadığı varsayılmıştır.
Pirinç. 14-1. Ortamda dahili ısı kaynaklarının yokluğunda, emici ve ısı ileten bir ortamın düz bir tabakasında radyasyon iletimi ile ısı transferi problemini çözme şeması.
En ayrıntılı analitik çalışma, katmanın gri sınır yüzeylerinin sıcaklıkları belirlendiğinde ve ısı kaynaklarının yokluğunda, yukarıda ele alınan gri, tamamen emici bir ortam tabakası boyunca radyasyon iletken ısı transferi sorunu üzerinde gerçekleştirildi. ortamın kendisi. Hacimdeki ısı kaynaklarının varlığında, sınır yüzeyleri olan bir ışınım ve ısı iletken ortam tabakası arasındaki ışınım-iletim ısı alışverişi sorunu, belirli varsayımların benimsenmesiyle çok sınırlı sayıda çalışmada ele alınmıştır.
İlk kez, [L. 208], hacim boyunca kaynakların eşit dağılımına sahip, gri, saçılmayan bir ortam tabakası yoluyla radyasyon ve termal iletkenlik yoluyla ısı transferi sorunu göz önünde bulundurulmuştur. Ancak çalışmada yapılan bir matematik hatası, elde edilen sonuçları boşa çıkarmıştır.
Isı iletkenliği ile ısı transferi süreci, bir maddenin molekülleri arasındaki kinetik enerji değişimi ve elektronların difüzyonu ile açıklanmaktadır. Bu olaylar, bir maddenin sıcaklığı farklı noktalarda farklı olduğunda veya farklı ısınma derecelerine sahip iki cisim temas ettiğinde meydana gelir.
Isıl iletkenliğin temel yasası (Fourier yasası), birim zamanda homojen (homojen) bir gövdeden geçen ısı miktarının, ısı akışına normal kesit alanı ve akış boyunca sıcaklık gradyanı ile doğru orantılı olduğunu belirtir.
burada R T, termal iletkenlik tarafından iletilen ısı akışının gücüdür, W;
l - ısıl iletkenlik katsayısı, ;
d - duvar kalınlığı, m;
t 1, t 2 - ısıtılmış ve soğuk yüzeyin sıcaklığı, K;
S - yüzey alanı, m2.
Bu ifadeden RES tasarımı geliştirilirken ısı ileten duvarların ince yapılması, parçaların bağlantılarında tüm alan boyunca ısıl temasın sağlanması ve ısıl iletkenlik katsayısı yüksek malzemelerin seçilmesi gerektiği sonucuna varabiliriz. .
d kalınlığındaki düz bir duvardan ısı transferi durumunu ele alalım.
Şekil 7.2 - Duvardan ısı transferi
Duvarın S alanına sahip bir bölümünden birim zamanda aktarılan ısı miktarı, halihazırda bilinen formülle belirlenecektir.
Bu formül, elektrik devreleri için Ohm kanun denklemiyle karşılaştırılır. Tam benzetmelerini görmek zor değil. Yani birim zaman başına ısı miktarı P T mevcut I değerine karşılık gelir, sıcaklık gradyanı (t 1 - t 2) U potansiyel farkına karşılık gelir.
Tutum denir T e r m i ch e s k i m direnç ve R T ile gösterilir,
Isı akışının akışı ile elektrik akımı arasında dikkate alınan benzetme, yalnızca fiziksel süreçlerin ortaklığını not etmemizi sağlamakla kalmaz, aynı zamanda karmaşık yapılarda ısı iletkenliğinin hesaplanmasını da kolaylaştırır.
Ele alınan durumda soğutulması gereken eleman t CT1 sıcaklığına sahip bir düzlem üzerinde bulunuyorsa, o zaman
t ST1 = P T d/(lS) + t ST2.
Bu nedenle, t CT1'i azaltmak için, ısı giderici yüzeyin alanını arttırmak, ısı ileten duvarın kalınlığını azaltmak ve yüksek ısı iletkenlik katsayısına sahip malzemeleri seçmek gerekir.
Termal teması iyileştirmek için temas eden yüzeylerin pürüzlülüğünü azaltmak, bunları ısı ileten malzemelerle kaplamak ve aralarında temas basıncı oluşturmak gerekir.
Yapı elemanları arasındaki termal temasın kalitesi aynı zamanda elektriksel dirence de bağlıdır. Temas yüzeyinin elektrik direnci ne kadar düşük olursa, termal direnci de o kadar düşük olur ve ısı dağılımı o kadar iyi olur.
Ortamın ısı giderme kapasitesi ne kadar düşükse, sabit bir ısı transfer rejiminin kurulması o kadar uzun sürecektir.
Tipik olarak tasarımın soğutucu kısmı şasi, mahfaza veya mahfazadır. Bu nedenle, bir tasarım düzeni seçeneği seçerken, montaj için seçilen yapının soğutma kısmının çevre ile iyi ısı alışverişi için gerekli koşullara sahip olup olmadığına veya ısıya dayanıklı olup olmadığına bakmanız gerekir.
