U molekulalar, elektronlar va elementar zarrachalar agregatlarining bir-biri bilan to'qnashuvi tufayli amalga oshiriladi. (Issiqlik ko'proq isitiladigan jismdan kamroq isitiladigan tanaga o'tadi). Yoki metallarda: kristall panjaraning tebranishlarini bir zarrachadan ikkinchisiga bosqichma-bosqich o'tkazish (panjara zarrachalarining elastik tebranishlari - fonon issiqlik o'tkazuvchanligi).
Konvektiv transport;
Bu o'tkazish suyuqlik zarralari harakati bilan bog'liq va moddalarning mikroskopik elementlarining harakati bilan bog'liq bo'lib, u sovutish suyuqligining erkin yoki majburiy harakati bilan amalga oshiriladi;
Er qobig'idagi harorat gradienti ta'sirida nafaqat issiqlikning, balki materiyaning ham konvektiv oqimlari paydo bo'ladi. Termohidrodinamik bosim gradienti paydo bo'ladi.
Shuningdek, gidrodinamik bosim gradienti sodir bo'lganda, neft kollektorda muhrsiz saqlanib qolishi hodisasini ham kuzatish mumkin.
3. Radiatsiya tufayli issiqlik uzatish.
Radioaktiv birlik parchalanish jarayonida issiqlikni chiqaradi va bu issiqlik nurlanish orqali chiqariladi.
33. Neft va gaz hosil bo'lishining issiqlik xossalari, xususiyatlari va foydalanish sohasi.
Issiqlik xususiyatlari:
1) Issiqlik sig'imi koeffitsienti c
2) Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti l
3) Issiqlik tarqalish koeffitsienti a
1. Issiqlik sig'imi:
c – berilgan sharoitda moddaning haroratini bir darajaga oshirish uchun zarur bo‘lgan issiqlik miqdori (V, P=const).
s=dQ/dT
Moddaning o'rtacha issiqlik sig'imi: c=DQ/DT.
Chunki Tog' jinslarining namunalari turli xil massa va hajmlarga ega bo'lishi mumkin, bunda ko'proq tabaqalashtirilgan baholash uchun issiqlik sig'imining maxsus turlari kiritiladi: massa, hajmli va molyar;
· Maxsus massa issiqlik sig'imi [J/(kg×deg)]:
S m =dQ/dT=S/m
Bu namunaning birlik massasini bir darajaga o'zgartirish uchun zarur bo'lgan issiqlik miqdori.
· Maxsus hajmli issiqlik sig'imi [J/(m 3 ×K)]:
S v =dQ/(V×dT)=r×S m,
bu erda r - zichlik
P, V=const holatida uni bir darajaga oshirish uchun birlikka berilishi kerak bo'lgan issiqlik miqdori.
· Maxsus molyar issiqlik sig'imi [J/(mol×K)]:
S n =dQ/(n×dT)=M×S m,
bu erda M - nisbiy molekulyar massa [kg/kmol]
Haroratni bir darajaga o'zgartirish uchun moddaning moliga berilishi kerak bo'lgan issiqlik miqdori.
Issiqlik sig'imi qatlamning qo'shimcha xususiyatidir:
S i = j=1 N SC j ×K i, bu erda SC i =1, K – fazalar soni.
Issiqlik sig'imi qatlamning g'ovakligiga bog'liq: g'ovaklik qanchalik katta bo'lsa, issiqlik sig'imi shunchalik past bo'ladi.
(s×r)=s sq ×r sq ×(1-k p)+s ×r s ×k p,
bu yerda s z – g‘ovaklarni to‘ldirish koeffitsienti;
k p – porozlik koeffitsienti.
Issiqlik o'tkazuvchanligi.
l [Vt/(m×K)] jinsning kinetik (yoki issiqlik) energiyasini bir elementdan ikkinchisiga o‘tkazish xususiyatini tavsiflaydi.
Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti – yuzi birlik kattaligiga ega bo‘lgan moddaning kub hajmidan vaqt birligida o‘tadigan issiqlik miqdori, boshqa yuzlarida esa bir daraja harorat farqi saqlanib qoladi (DT = 1°).
Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti quyidagilarga bog'liq:
ü skeletning mineral tarkibi. Koeffitsient qiymatlarining tarqalishi o'n ming martaga yetishi mumkin.
Masalan, olmos uchun eng katta l 200 Vt/(m×K), chunki uning kristalida deyarli strukturaviy nuqsonlar yo'q. Taqqoslash uchun havo l 0,023 Vt/(m×K), suv – 0,58 Vt/(m×K).
ü skeletning to'liqlik darajasi.
ü Suyuqliklarning issiqlik o'tkazuvchanligi.
kabi parametr mavjud kontaktli issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti
.
Kvarts eng yuqori aloqa koeffitsientiga ega - 7-12 Vt / (m × K). Keyinchalik gidrokimyoviy cho'kindilar, tosh tuzi, silvit va angidrit keladi.
Ko'mir va asbest kamaytirilgan aloqa koeffitsientiga ega.
Issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti uchun qo'shilish kuzatilmaydi, bog'liqlik qo'shimchalar qoidasiga bo'ysunmaydi.
Masalan, minerallarning issiqlik o'tkazuvchanligini quyidagicha yozish mumkin:
1gl=Sv i ×1gl i ,
bu yerda 1gl i l i-fazaning v i hajmli tarkibli logarifmi.
Muhim xususiyat - issiqlik qarshiligi deb ataladigan issiqlik o'tkazuvchanligining o'zaro bog'liqligi.
Issiqlik qarshiligi tufayli biz termal maydonlarning murakkab taqsimlanishiga egamiz. Bu termal konvektsiyaga olib keladi, buning natijasida maxsus turdagi konlar paydo bo'lishi mumkin - oddiy muhr emas, balki termodinamik.
Termodinamik qarshilik zichlik, o'tkazuvchanlik, namlik, shuningdek (shimoliy hududlarda) muz miqdorining pasayishi bilan kamayadi.
Issiqlik bosimining o'zgarishi jarayonida suv neft, gaz yoki havo bilan almashtirilganda, qatlamli heterojenlik, anizotropiya hodisasi ortishi bilan ortadi.
Ko'mir, quruq va gaz bilan to'yingan jinslar eng katta issiqlik qarshiligiga ega.
Terrigen jinslardan karbonatli jinslarga o'tishda issiqlik qarshiligi pasayadi.
Galit, silvit, mirabelit, anhidrit kabi gidrokimyoviy cho'kindi, ya'ni minimal termal qarshilikka ega. qatlamli tuzli tuzilishga ega jinslar.
Gil qatlamlari, barcha qatlamlar orasida, maksimal issiqlik qarshiligi bilan ajralib turadi.
Bularning barchasidan xulosa qilishimiz mumkinki, issiqlik qarshiligi termal inersiya darajasini, issiqlik o'tkazuvchanligini belgilaydi.
Termal diffuziya.
Amalda, kabi koeffitsient termal diffuziya, bu beqaror issiqlik uzatish jarayonida harorat o'zgarishi tezligini tavsiflaydi.
a=l/(s×r), qachon l=const.
Aslida, "a" doimiy emas, chunki l - koordinatalar va harorat funksiyasi, c - g'ovaklik koeffitsienti, massa va boshqalar.
Rivojlanish jarayonida biz ichki issiqlik manbai paydo bo'lishi mumkin bo'lgan jarayonlardan foydalanishimiz mumkin (masalan, kislota in'ektsiyasi), bu holda tenglama quyidagicha ko'rinadi:
dT/dt=a×Ñ 2 T+Q/(s×r),
Bu erda Q - ichki issiqlik manbasining issiqligi, r - jinsning zichligi.
Issiqlik uzatish.
Keyingi muhim parametr issiqlik uzatish.
DQ=k t ×DT×DS×Dt,
bu erda k t - issiqlik uzatish koeffitsienti.
Uning jismoniy ma'nosi: harorat bir darajaga o'zgarganda, qo'shni qatlamlarga, sirt birligi orqali, vaqt birligida yo'qolgan issiqlik miqdori.
Odatda, issiqlik uzatish yuqoridagi va pastdagi qatlamlarga siljish bilan bog'liq.
34. Neft va gaz kollektorining fizik xossalarining o'zgarishiga haroratning ta'siri.
Tog' jinsi tomonidan so'rilgan issiqlik nafaqat kinetik issiqlik jarayonlariga, balki qatlamning termal kengayishi bilan bog'liq bo'lgan mexanik ishlarga ham sarflanadi. Ushbu termal kengayish alohida fazalar panjarasidagi atomlarning bog'lanish kuchlarining haroratga bog'liqligi, xususan, bog'lanish yo'nalishida paydo bo'lishi bilan bog'liq. Agar atomlar bir-biridan uzoqlashganda bir-biriga yaqinlashgandan ko'ra osonroq joy almashtirsa, bo'linuvchi atomlar markazlarining siljishi sodir bo'ladi, ya'ni. deformatsiya.
Haroratning oshishi va chiziqli deformatsiya o'rtasidagi bog'liqlik quyidagicha yozilishi mumkin:
dL=a×L×dT,
bu erda L - asl uzunlik [m], a - chiziqli termal kengayish koeffitsienti.
Xuddi shunday hajmli kengayish uchun:
dV/V=g t ×dT,
bu erda g t - hajmli termal deformatsiya koeffitsienti.
Har xil donalar uchun hajmli kengayish koeffitsientlari juda katta farq qilganligi sababli, zarba paytida notekis deformatsiyalar yuzaga keladi, bu esa qatlamning yo'q qilinishiga olib keladi.
Aloqa nuqtalarida kuchli stress kontsentratsiyasi mavjud bo'lib, bu qumni olib tashlashga va shunga mos ravishda toshning yo'q qilinishiga olib keladi.
Neft va gazning siljishi hodisasi ham bilan bog'liq hajmli kengayish. Bu Joule-Tompson jarayoni deb ataladi. Ish paytida hajmning keskin o'zgarishi sodir bo'ladi va siqilish effekti paydo bo'ladi (haroratning o'zgarishi bilan termal kengayish). Termodinamik debitometriya bu ta'sirni o'rganishga asoslangan.
Yana bitta parametrni kiritamiz - adiabatik koeffitsient : h s =dT/dr.
Differensial adiabatik koeffitsient bosimning o'zgarishiga qarab haroratning o'zgarishini aniqlaydi.
Adiabatik siqilishda h S >0 qiymati. Bunday holda, modda qiziydi. Istisno - bu suv, chunki ... 0¼4° oralig'ida u soviydi.
h S =V/(C p ×g)×a×T,
bu yerda V - hajm, T - harorat, a - chiziqli kengayish koeffitsienti, g - tortishish tezlanishi.
Joule-Tompson koeffitsienti drossel paytida harorat o'zgarishini aniqlaydi.
e=dT/dr=V/(Sr ×g)×(1 - a×T)=V/(Sr ×g) - h S ,
bu yerda V/(Sr×g) ishqalanish kuchlarining ishi hisobiga qizdirishni aniqlaydi
h S – adiabatik kengayish hisobiga moddaning sovishi.
Suyuqlik uchun V/Sr×g>>hS Þ Suyuqliklar qiziydi.
Gazlar uchun e<0 Þ Газы охлаждаются.
Amalda ular foydalanadilar shovqin o'lchovi quduqlar - gaz, harorat o'zgarganda, tebranish energiyasini chiqarib, shovqinni keltirib chiqaradigan hodisaga asoslangan usul.
35. Konni o'zlashtirish jarayonida neft va gaz kollektori xususiyatlarining o'zgarishi.
1. Tabiiy holatida qatlamlar katta chuqurliklarda joylashgan bo‘lib, geotermik qadamlarga qaraganda, bu sharoitda harorat 150° ga yaqin bo‘ladi, shuning uchun tog‘ jinslari o‘z xususiyatlarini o‘zgartiradi, degan fikrni aytish mumkin, chunki biz o‘tganimizda qatlamga termal muvozanatni buzish.
2. Biz qachon suv omboriga suv quyish, bu suv sirt haroratiga ega. Suv qatlamga kirgach, qatlamni sovuta boshlaydi, bu muqarrar ravishda neftning mumlanishi kabi turli noqulay hodisalarga olib keladi. Bular. Agar yog'da kerosin komponenti mavjud bo'lsa, u holda sovutish natijasida kerosin tushadi va qatlamni yopib qo'yadi. Masalan, O‘zen konida neftning kerosin bilan to‘yinganlik harorati Tn = 35° (40°) bo‘lib, uni o‘zlashtirish jarayonida bu shartlar buzilgan, natijada qatlam harorati pasaygan, kerosin tushib ketgan, tiqilib qolgan va ishlab chiquvchilar uzoq vaqt davomida issiq suvni pompalashlari va barcha kerosin yog'da eriguncha qatlamni isitishlari kerak edi.
 |
3. Yuqori yopishqoqlikdagi moylar.
Ularni suyultirish uchun sovutish suvi ishlatiladi: issiq suv, qizib ketgan bug ', shuningdek, ichki issiqlik manbalari. Shunday qilib, manba sifatida yonish jabhasi ishlatiladi: moy yonadi va oksidlovchi etkazib beriladi.
Shveytsariya, Fransiya, Avstriya va Italiyada ham quyidagi loyihalar amalga oshirilmoqda:
Radioaktiv chiqindilar yordamida yog'larning yopishqoqligini pasaytirish usuli. Ular 10 6 yil davomida saqlanadi, lekin ayni paytda juda yopishqoq moyni isitadi, bu esa qazib olishni osonlashtiradi.
36. Neft va gaz qatlamlaridagi uglevodorod tizimlarining fizik holati va bu holatlarning xususiyatlari.
Keling, oddiy moddani olaylik va holat diagrammasini ko'rib chiqamiz:
R
C nuqtasi - bu xususiyatlar orasidagi farq yo'qoladigan muhim nuqta.
Shakllanishni tavsiflovchi bosim (P) va haroratni (T) juda keng diapazonda o'lchash mumkin: o'ndan MPa dan o'nlab MPa gacha va 20-40 ° dan 150 ° C dan yuqori. Bunga qarab uglevodorodlar bo'lgan konlarimiz gaz, neft va boshqalarga bo'linishi mumkin.
Chunki turli chuqurliklarda bosimlar normal geostatikdan g'ayritabiiy yuqorigacha o'zgarib turadi, keyin uglevodorod birikmalari konda gazsimon, suyuq yoki gaz-suyuq aralashmalar shaklida bo'lishi mumkin.
Yuqori bosimlarda gazlarning zichligi engil uglevodorod suyuqliklarining zichligiga yaqinlashadi. Bunday sharoitda og'ir neft fraktsiyalari siqilgan gazda erishi mumkin. Natijada, neft qisman gazda eriydi. Agar gaz miqdori ahamiyatsiz bo'lsa, unda bosim ortishi bilan gaz neftda eriydi. Shuning uchun gaz miqdori va uning holatiga qarab konlar quyidagilarga bo'linadi:
1. toza gaz;
2. gaz kondensati;
3. gaz va neft;
4. tarkibida erigan gaz bo'lgan neft.
Gaz-neft va neft-gaz konlari o'rtasidagi chegara o'zboshimchalik bilan belgilanadi. U ikki vazirlik: neft va gaz sanoatining mavjudligi munosabati bilan tarixan rivojlangan.
AQShda uglevodorod konlari gaz-kondensat koeffitsienti, zichligi va suyuq uglevodorodlarning rangiga ko'ra quyidagilarga bo'linadi:
1) gaz;
2) gaz kondensati;
3) gaz va neft.
Gaz kondensat koeffitsienti - suyuq mahsulotning kubometri uchun gaz miqdori.
Amerika standartiga ko'ra gaz kondensatlariga zichligi 740-780 kg/m 3 va gaz kondensat koeffitsienti 900-1100 m 3 / m 3 bo'lgan och rangli yoki rangsiz uglevodorod suyuqliklari olinadigan konlar kiradi.
Gaz konlari g'ovak hajmining 30% gacha bo'lgan og'ir uglevodorod fraktsiyalaridan iborat adsorbsiyalangan bog'langan neftni o'z ichiga olishi mumkin.
Bundan tashqari, ma'lum bosim va haroratlarda gaz qattiq holatda bo'lgan gazgidrat konlarining mavjudligi mumkin. Bunday konlarning mavjudligi gaz qazib olishni ko'paytirish uchun katta zaxiradir.
Ishlash jarayonida dastlabki bosim va harorat o'zgaradi va uglevodorodlarning konlarga texnogen o'zgarishi sodir bo'ladi.
Qanday bo'lmasin, uzluksiz rivojlanish tizimida neftdan gaz ajralib chiqishi mumkin, buning natijasida faza o'tkazuvchanligi pasayadi, yopishqoqlikning oshishi, chuqurlik zonasida bosimning keskin pasayishi, so'ngra kondensat yo'qolishi sodir bo'ladi. , bu kondensat tiqinlarining shakllanishiga olib keladi.
Bundan tashqari, gazni tashish jarayonida gazning fazaviy o'zgarishlari sodir bo'lishi mumkin.
38. Bir komponentli va ko'p komponentli tizimlarning fazali sxemalari.
Gips fazasi qoidasi (tizimning o'zgaruvchanligini ko'rsatadi - erkinlik darajalari soni)
N - tizim komponentlari soni
m - uning fazalari soni.
Misol: H 2 O (1 to'plam) N=1 m=2 Þ r=1
Siqilib qolganda R faqat bitta T
Bir komponentli tizim.
A dan B gacha siqish - suyuqlikning birinchi tomchisi (shudring nuqtasi yoki kondensatsiya nuqtasi P = P us)
D nuqtasida bug'ning oxirgi pufakchasi, bug'lanish yoki qaynash nuqtasi qoladi
Har bir izotermaning o'ziga xos qaynash va bug'lanish nuqtalari mavjud.
Ikki komponentli tizim
O'zgarishlar R Va T, ya'ni kondensatsiya boshlanishi bosimi har doim bug'lanish bosimidan kamroq bo'ladi.
Tegishli ma'lumotlar.
4-ma'ruza. ISILIK O'TKAZIShI.
4.1 Uch o'lchovli statsionar uchun Furye tenglamasi
harorat maydoni
4.2 Issiqlik tarqalish koeffitsienti. Jismoniy ma'no
4.3 Yagonalik shartlari - chegara shartlari
4.1 Uch o'lchovli statsionar uchun Furye tenglamasi
harorat maydoni
Har qanday jismoniy jarayonni o'rganish uni tavsiflovchi miqdorlar o'rtasidagi munosabatni o'rnatish bilan bog'liq. Issiqlik o'tkazuvchanligining ancha murakkab jarayonini o'rganishda bunday bog'liqlikni o'rnatish uchun matematik fizika usullari qo'llanildi, uning mohiyati jarayonni butun o'rganilayotgan fazoda emas, balki cheksiz kichik davrda materiyaning elementar hajmida ko'rib chiqishdan iborat. vaqt. Issiqlikni issiqlik o'tkazuvchanligi bilan uzatishda ishtirok etadigan miqdorlar orasidagi bog'liqlik differentsial tenglama - uch o'lchovli statsionar bo'lmagan harorat maydoni uchun Furye tenglamasi bilan o'rnatiladi.
Issiqlik o'tkazuvchanligining differentsial tenglamasini olishda quyidagi taxminlar amalga oshiriladi:
Ichki issiqlik manbalari yo'q;
Tana bir hil va izotropdir;
Energiyaning saqlanish qonuni qo'llaniladi - dt vaqt ichida issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli elementar hajmga kirgan va bir vaqtning o'zida undan chiqadigan issiqlik miqdori o'rtasidagi farq elementar hajmning ichki energiyasini o'zgartirishga sarflanadi. ko'rib chiqilmoqda.
Tanasida chetlari dx, dy, dz bo'lgan elementar parallelepiped mavjud. Yuzlarning harorati har xil, shuning uchun issiqlik parallelepiped orqali x, y, z o'qlari yo'nalishlarida o'tadi.
4.1-rasm Differensial issiqlik tenglamasini chiqarish
Furye gipotezasiga ko'ra, dt vaqt ichida dx·dy maydonidan quyidagi issiqlik miqdori o'tadi:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image003_138.gif" width="253" height="46 src="> (4.2)
bu erda https://pandia.ru/text/80/151/images/image005_105.gif" width="39" height="41"> z yo'nalishidagi harorat o'zgarishini aniqlaydi.
Matematik o'zgarishlardan so'ng (4.2) tenglama yoziladi:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image007_78.gif" width="583" height="51 src=">, qisqartirilgandan keyin:
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)
Boshqa tomondan, energiya saqlanish qonuniga ko'ra:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image013_49.gif" width="68" height="22 src=">.gif" width="203" height="51 src=">. (4.8)
Qiymat https://pandia.ru/text/80/151/images/image017_41.gif" width="85" height="41 src="> (4.9)
(4.9) tenglama ichki issiqlik manbalari bo'lmaganda uch o'lchovli beqaror harorat maydoni uchun differentsial issiqlik tenglamasi yoki Furye tenglamasi deb ataladi. Bu issiqlik o'tkazuvchanlik jarayonlarini o'rganishda asosiy tenglama va harorat maydonining istalgan nuqtasida vaqtinchalik va fazoviy harorat o'zgarishlari o'rtasidagi aloqani o'rnatadi.
Tana ichidagi issiqlik manbalari bilan issiqlik o'tkazuvchanligining differentsial tenglamasi:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image019_35.gif" width="181" height="50">
Bundan kelib chiqadiki, tanadagi har qanday nuqta uchun vaqt o'tishi bilan haroratning o'zgarishi qiymatga mutanosibdir A.
Qiymat https://pandia.ru/text/80/151/images/image021_29.gif" width="26" height="44">. Xuddi shu sharoitda termal tarqalish qobiliyati yuqori bo'lgan tananing harorati ortadi. tezroq. Shunday qilib, gazlar kichik issiqlik diffuziya koeffitsientiga ega, metallar esa katta koeffitsientga ega.
Statsionar bo'lmagan issiqlik jarayonlarida A haroratning o'zgarish tezligini tavsiflaydi.
4.3 Yagonalik shartlari - chegara shartlari
Issiqlik o'tkazuvchanligining differentsial tenglamasi (yoki konvektiv issiqlik uzatishning differentsial tenglamalari tizimi) bu jarayonlarni eng umumiy shaklda tavsiflaydi. O'tkazuvchanlik yoki konveksiya orqali issiqlik uzatishning ma'lum bir hodisasi yoki hodisalari guruhini o'rganish uchun siz quyidagilarni bilishingiz kerak: boshlang'ich momentdagi tanadagi haroratning taqsimlanishi, atrof-muhit harorati, tananing geometrik shakli va o'lchamlari, atrof-muhit va tananing fizik parametrlari, tananing yuzasida haroratning tarqalishini tavsiflovchi chegara shartlari yoki tananing termal o'zaro ta'siri. atrof-muhit bilan.
Bu barcha o'ziga xos xususiyatlar deb ataladigan narsalarga birlashtirilgan yagonalik shartlari yoki chegara shartlari jumladan:
1) Dastlabki shartlar . Tanadagi haroratni taqsimlash shartlari va vaqtning boshlang'ich momentida atrof-muhit harorati t = 0 ko'rsatilgan.
2) Geometrik shartlar . Ular tananing shakli, geometrik o'lchamlari va uning kosmosdagi holatini o'rnatadilar.
3) Jismoniy sharoitlar . Atrof-muhit va tananing jismoniy parametrlarini o'rnating.
4) Chegara shartlari uchta usulda aniqlanishi mumkin.
Birinchi turdagi chegara holati : tana yuzasida harorat taqsimoti istalgan vaqt uchun o'rnatiladi;
Ikkinchi turdagi chegara holati : Istalgan vaqt uchun tananing sirtining har bir nuqtasida issiqlik oqimining zichligi bilan o'rnatiladi.
Uchinchi turdagi chegara holati : tanani o'rab turgan muhit harorati va tananing yuzasi va atrof-muhit o'rtasidagi issiqlik uzatish qonuni bilan o'rnatiladi.
Qattiq jism yuzasi va atrof-muhit o'rtasidagi konvektiv issiqlik almashinuvi qonunlari juda murakkab. Konvektiv issiqlik uzatish nazariyasi Nyuton-Rixman tenglamasiga asoslangan bo'lib, u jism yuzasidagi issiqlik oqimining zichligi q va harorat bosimi (tst - tl) o'rtasidagi bog'liqlikni o'rnatadi, uning ta'sirida issiqlik almashinuvi sodir bo'ladi. tananing yuzasi:
q = a·(tst – tl), Vt/m2 (4,11)
Ushbu tenglamada a - proportsionallik koeffitsienti, issiqlik uzatish koeffitsienti deb ataladi, Vt / m2 gradus.
Issiqlik uzatish koeffitsienti tananing yuzasi va atrof-muhit o'rtasidagi issiqlik almashinuvining intensivligini tavsiflaydi. Bu tana yuzasi va atrof-muhit o'rtasidagi harorat farqi 1 daraja bo'lganda, tana sirtining vaqt birligida chiqarilgan (yoki idrok etilgan) issiqlik miqdoriga son jihatdan tengdir. Issiqlik uzatish koeffitsienti ko'plab omillarga bog'liq va uni aniqlash juda qiyin. Issiqlik o'tkazuvchanligi masalalarini hal qilishda uning qiymati odatda doimiy deb hisoblanadi.
Energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra, issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli tananing birlik yuzasi tomonidan atrof-muhitga issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli vaqt birligida beriladigan issiqlik miqdori sirt birligiga issiqlik o'tkazuvchanligi bilan beriladigan issiqlikka teng bo'lishi kerak. tananing ichki qismlaridan vaqt birligiga:
https://pandia.ru/text/80/151/images/image023_31.gif" width="55" height="47 src="> - harorat gradientining dF maydoniga normal yo'nalish bo'yicha proektsiyasi.
Yuqoridagi tenglik uchinchi turdagi chegaraviy shartning matematik formulasidir.
Issiqlik o'tkazuvchanligining differensial tenglamasini (yoki konvektiv issiqlik uzatish jarayonlari tenglamalari tizimini) ma'lum bir noaniqlik sharoitida echish butun tanadagi harorat maydonini vaqtning istalgan momenti uchun aniqlashga, ya'ni funktsiyani topishga imkon beradi. shakl: t = f(x, y, z, t).
Ushbu turdagi issiqlik almashinuvi harorat maydonida joylashgan aloqa qiluvchi tana zarralari o'rtasida sodir bo'ladi
T = f ( x , y, z , t ), harorat gradienti bilan tavsiflanadi T. Harorat gradienti normal n 0 bo'ylab izotermik sirtga harorat ortishi yo'nalishi bo'yicha yo'naltirilgan vektordir:
gradT = P o dT/dn = P o T
Termal maydonlar mavjud: bir o'lchovli, ikki o'lchovli va uch o'lchovli; statsionar va statsionar bo'lmagan; izotrop va anizotrop.
Supero'tkazuvchilar issiqlik uzatish jarayonining analitik tavsifi bir o'lchovli izotrop muhitda tarqaladigan statsionar issiqlik oqimining xususiyatlari, muhitning geometrik va termofizik parametrlari bilan bog'liq bo'lgan asosiy Furye qonuniga asoslanadi:
Q =l(T 1 – T 2 )S/l t yoki P = Q /t =l (T 1 – T 2 )S/l
Qaerda: - Q - vaqt o'tishi bilan namuna orqali uzatiladigan issiqlik miqdori t , najas;
λ - namunali materialning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti, Vt/(m-deg.);
T 1 , T 2 - namunaning "issiq" va "sovuq" qismlarining harorati, mos ravishda daraja;
SS - namunaning ko'ndalang kesimi maydoni, m2;
l - namuna uzunligi, m;
R - issiqlik oqimi, V.
Elektrotermik analogiya kontseptsiyasiga asoslanib, unga ko'ra termal miqdorlar R VaT elektr tokiga mos keladi I va elektr potentsiali U , Termik zanjirning bir qismi uchun Furye qonunini "Ohm qonuni" ko'rinishida keltiramiz:
P = ( T 1 – T 2 )/l/ l S = (T 1 – T 2 )/R T (4.2)
Bu erda jismoniy ma'noga ko'ra, parametr R T Mavjud issiqlik termal zanjir qismining qarshiligi va 1/ λ - o'ziga xos termal qarshilik. Supero'tkazuvchi issiqlik uzatish jarayonining bunday tasviri topologik modellar va elektr davrlarini hisoblashning ma'lum usullari bilan ifodalangan termal davrlarning parametrlarini hisoblash imkonini beradi. Keyin, xuddi elektr zanjirida bo'lgani kabi, vektor ko'rinishidagi oqim zichligining ifodasi ham shaklga ega
j = – σ gradU ,
issiqlik zanjiri uchun vektor ko'rinishidagi Furye qonuni shaklga ega bo'ladi
p = - λ grad T ,
Qayerda R - issiqlik oqimining zichligi va minus belgisi issiqlik oqimining tananing qizdirilgan qismidan sovuqroq qismiga tarqalishini ko'rsatadi.
(4.1) va (4.2) iboralarni solishtirsak, biz o'tkazuvchan issiqlik uzatish uchun ekanligini ko'ramiz
a= a cd = λ / l
Shunday qilib, issiqlik uzatish jarayonining samaradorligini oshirish uchun uzunlikni qisqartirish kerak l issiqlik davri va uning issiqlik o'tkazuvchanligini oshirish λ
Supero'tkazuvchi issiqlik uzatish jarayonini tavsiflashning umumlashtirilgan shakli issiqlik o'tkazuvchanligining differentsial tenglamasi bo'lib, u energiya va Furyening saqlanish qonunlarining matematik ifodasidir:
Chorshanba dT / dt = λ x d 2 T / dx 2 + λ y d 2 T / dy 2 + λ z d 2 T / dz 2 + V v
Qayerda Bilan - muhitning solishtirma issiqlik sig'imi, J/(kg-K);
p - muhitning zichligi, kg/m3;
V v - ichki manbalarning volumetrik zichligi, Vt / m 3;
λ x λ y λ z - koordinata o'qlari yo'nalishlari bo'yicha o'ziga xos issiqlik o'tkazuvchanliklari (anizotrop muhit uchun).
Ushbu turdagi issiqlik almashinuvi murakkab jismoniy jarayon bo'lib, unda issiqlikning qizdirilgan jism yuzasidan atrofdagi bo'shliqqa o'tishi uni sovutish suvi - suyuqlik yoki gaz oqimi bilan yuvish natijasida sodir bo'ladi. isitiladigan tana. Bunday holda, harorat maydonining parametrlari va konvektiv issiqlik uzatish intensivligi sovutish suvi harakatining tabiatiga, uning termofizik xususiyatlariga, shuningdek tananing shakli va hajmiga bog'liq.
Shunday qilib, sovutish suvi oqimining harakati erkin va majburiy bo'lishi mumkin, bu hodisalarga mos keladi tabiiy Va majbur konvektsiya. Bundan tashqari, bor laminar Va turbulent th oqim harakatining rejimlari, shuningdek, ularning oraliq holatlari, bu oqim harakatlarini belgilovchi kuchlarning nisbatiga qarab - ichki ishqalanish, yopishqoqlik va inersiya kuchlari.
Konvektiv issiqlik almashinuvi bilan bir vaqtda, o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi sovutish suyuqligining issiqlik o'tkazuvchanligi tufayli sodir bo'ladi, ammo suyuqliklar va gazlarning issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientining nisbatan past qiymatlari tufayli uning samaradorligi past bo'ladi. Umumiy holda, bu issiqlik uzatish mexanizmi Nyuton-Rixman qonuni bilan tavsiflanadi:
P = a K.B. S ( T 1 - T 2 ), (4.3)
Qayerda: a K.B. - konveksiya bilan issiqlik uzatish koeffitsienti, Vt / (m 2 -deg.);
T 1 - T 2 2 - devor va sovutish suvi harorati, mos ravishda, K;
S - issiqlik almashinuvi yuzasi, m2.
Nyuton-Rixman qonunini tavsiflashning ko'rinib turgan soddaligiga qaramay, konvektiv issiqlik uzatish jarayonining samaradorligini miqdoriy jihatdan baholashning qiyinligi koeffitsientning qiymatini aniqlashdadir. a K.B. ko'p omillarga bog'liq, ya'ni. ko'p jarayon parametrlarining funktsiyasidir. Tobelikni aniq toping a K.B. = fA 1 , a 2 , ..., A j , ..., A n ) ko'pincha mumkin emas, chunki jarayon parametrlari haroratga ham bog'liq.
Har bir alohida holat uchun bu muammoni hal qilishga yordam beradi o'xshashlik nazariyasi, o'xshash hodisalarning xususiyatlarini o'rganish va ularning o'xshashligini aniqlash usullari. Xususan, murakkab jismoniy jarayonning borishi uning individual fizik va geometrik parametrlari bilan emas, balki ushbu jarayonning borishi uchun zarur bo'lgan parametrlardan tashkil topgan o'lchovsiz kuch-qonun komplekslari bilan aniqlanishi isbotlangan. o'xshashlik mezonlari . Keyin murakkab jarayonning matematik tavsifi ushbu mezonlar bo'yicha kompilyatsiya qilish uchun qisqartiriladi, ulardan biri kerakli qiymat a q ni o'z ichiga oladi, kriteriya tenglamasi , shakli ushbu jarayonning har qanday navlari uchun amal qiladi. Agar o'xshashlik mezonlarini tuzishning iloji bo'lmasa, bu jarayonning ba'zi muhim parametrlari ko'rib chiqilmaydi yoki bu jarayonning ba'zi parametrlari ko'p zarar etkazmasdan ko'rib chiqilishi mumkin.
Murakkab issiqlik uzatish jarayonlari orasida radiatsiya-konvektiv va radiatsiya-o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi farqlanadi.
ularning yig'indisiga bo'linadi. Boshqa boshlang'ich sharoitlar uchun tekis qatlamda radiatsiya o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish [L. 5, 117, 163]; silindrsimon qatlam uchun - [L. 116].
Xo'sh, nima uchun katta zarrachalarning suyuq qatlamlari deb tasniflangan mintaqada maksimal issiqlik uzatish koeffitsientlari diametrning oshishi bilan ortadi? Bu gaz-konvektiv issiqlik almashinuvi haqida. Kichik zarrachalar qatlamlarida issiqlik uzatishning konvektiv komponenti o'zini "ko'rsatishi" uchun gaz filtrlash tezligi juda past. Ammo don diametrining oshishi bilan u ortadi. Past o'tkazuvchan issiqlik o'tkazuvchanligiga qaramasdan, katta zarrachalarning suyuqlashtirilgan to'shagida konvektiv komponentning o'sishi bu kamchilikni qoplaydi.
O'n to'rtinchi bob Radiatsiya-o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish
14-2. Issiqlik manbalarisiz kulrang yutuvchi muhitning tekis qatlamida radiatsiya o'tkazuvchanligi issiqlik uzatish
14-3. Issiqlik manbalari bilan selektiv va anizotropik sochuvchi muhitning tekis qatlamida radiatsiya o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi
Shunday qilib, yuqoridagi va boshqa aniqroq ishlarga asoslanib, hajmli issiqlik manbalarini o'z ichiga olgan tizimlarda radiatsiya o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish etarli darajada o'rganilmaganligi aniq bo'ladi. Xususan, muhit va chegara sirtlarining selektivligi va hajm anizotropiyasining ta'siri va sirtning tarqalishi aniqlanmagan. Shu munosabat bilan muallif tekis qatlamda radiatsiya o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish muammosini taxminiy analitik hal qilishni o'z zimmasiga oldi.
termal va konvektiv issiqlik uzatish. Issiqlik uzatish bo'yicha ushbu qo'llanmaning alohida holatlari quyidagilardir: harakatlanuvchi muhitda radiatsiyaviy issiqlik uzatish (o'tkazuvchanlik yo'qligida), statsionar muhitda radiatsiya o'tkazuvchan issiqlik uzatish (konvektiv (o'tkazish) va sof "konvektiv issiqlik uzatish" bo'lmaganda. harakatlanuvchi muhitda, radiatsiyaviy uzatish mavjud bo'lmaganda, radiatsiya-konvektiv issiqlik uzatish jarayonlarini tavsiflovchi tenglamalarning to'liq tizimi IB 12-bobida ko'rib chiqilgan va tahlil qilingan.
(15-1) tenglamada oqimdan kanal devoriga umumiy issiqlik uzatish koeffitsientini (14-14) va (14-15) asosida topish mumkin. Shu maqsadda, biz qabul qilingan sxema doirasida, oqim yadrosi va kanal devori o'rtasidagi radiatsiya o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi sifatida oqayotgan muhit va chegara yuzasi o'rtasidagi issiqlik almashinuvi jarayonini qalinligi b bo'lgan chegara qatlami orqali ko'rib chiqamiz. . Oqim yadrosining haroratini ma'lum bir qismdagi muhitning o'rtacha kalorimetrik harorati bilan tenglashtiramiz, bu oqim yadrosini bitta deb hisoblagan holda, chegara qatlamining kichik qalinligini hisobga olgan holda amalga oshirilishi mumkin chegara sirtlari [kanalning ma'lum bir qismidagi harorat T(x) va yutilish sig'imi ag bilan] va boshqasi sifatida - kanal devori (Tw harorati va yutilish sig'imi aw bilan) biz radiatsiya o'tkazuvchanlik jarayonini ko'rib chiqamiz. chegara qatlami orqali issiqlik uzatish. (14-14) ni qo'llash orqali biz berilgan bo'limda mahalliy issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti a uchun ifodani olamiz: Radiatsion-konvektiv issiqlik uzatish masalalari, hatto oddiy holatlar uchun ham, odatda, radiatsiya o'tkazuvchan issiqlik uzatish masalasiga qaraganda qiyinroq. Quyida taxminiy yechim keltirilgan [L. 205] radiatsiya-konvektiv issiqlik uzatishning keng tarqalgan muammolaridan biri. Muhim soddalashtirishlar bizga yechimni yakunlash imkonini beradi.
Ko'rsatilgandek [L. 88, 350], ma'lum sharoitlarda tenzorning yaqinlashishi radiatsiya orqali issiqlik uzatish jarayonlarini o'rganishda yangi imkoniyatlar ochadigan aniqroq usuldir. (L. 351) da taklif qilingan tenzor yaqinlashuvi (L. 88, 350) radiatsiya o‘tkazuvchan issiqlik uzatishning qo‘shma muammosini hal qilishda qo‘llanildi va yaxshi natijalar berdi. Keyinchalik muallif tenzorga yaqinlashish “va spektral va spektral holatni umumlashtirdi. nurlanish tizimlarida ixtiyoriy ko'rsatkichlar hajmli va sirt tarqalishi uchun to'liq nurlanish [L. 29, 89].
Murakkab issiqlik uzatish muammolarini hal qilishning iterativ usulidan foydalanib, birinchi navbatda barcha zonalar uchun Qpea.i qiymatlarini belgilash va tavsiflangan turdagi elektr integratorida Qpea.i (i) qabul qilingan taqsimot uchun olingan harorat maydonini aniqlash kerak. =l 2,..., n), buning asosida harorat maydoni barcha miqdorlarning ikkinchi yaqinlashuvi hisoblanadi.
Radiatsiya-o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish zaiflashtiruvchi muhitning tekis qatlamiga nisbatan ko'rib chiqiladi. Ikkita muammo hal qilindi. Birinchisi, qatlam sirtlarining haroratiga nisbatan hech qanday cheklovlarsiz muhitning tekis qatlamida radiatsiya o'tkazuvchanlik issiqlik o'tkazuvchanligini analitik ko'rib chiqishdir, bu holda muhit va chegara sirtlari kulrang deb qabul qilingan va mavjud edi muhitda ichki issiqlik manbalari yo'q Ikkinchi yechim qatlam ichidagi issiqlik manbalari bilan selektiv va anizotropik tarqaladigan muhitning tekis qatlamidagi radiatsiya - o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi bilan bog'liq.
Maxsus holatlar sifatida kompleks issiqlik uzatish tenglamalari tizimidan gidrodinamika va issiqlik uzatish nazariyasida ko'rib chiqilgan barcha individual tenglamalar: muhitning harakati va uzluksizligi tenglamalari, sof o'tkazuvchan, konvektiv va radiatsion issiqlik uzatish tenglamalari, statsionar muhitda radiatsion-o'tkazuvchan issiqlik uzatish va nihoyat, harakatlanuvchi, lekin issiqlik o'tkazmaydigan muhitda radiatsiyaviy issiqlik uzatish tenglamalari.
Kompleks issiqlik almashinuvining olti turidan biri bo'lgan radiatsiya o'tkazuvchan issiqlik almashinuvi fan va texnikaning turli sohalarida (astro- va geofizika, metallurgiya va shisha sanoati, elektrovakuum texnologiyasi, yangi materiallar ishlab chiqarish va boshqalar) amalga oshiriladi. Radiatsiya-o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish jarayonlarini o'rganish zarurati, shuningdek, suyuq va gazsimon muhitlar oqimlarining chegara qatlamlarida energiya uzatish muammolari va turli shaffof materiallarning issiqlik o'tkazuvchanligini o'rganish muammolariga olib keladi.
lekin radiatsiya jarayonini hisoblash uchun-" Supero'tkazuvchilar issiqlik uzatish IB olingan echimlar tegishli bo'lgan shartlar. Muammoning raqamli echimlari o'rganilayotgan jarayonning aniq tasvirini beradi (aniq holatlar, o'ziga xos bo'lgan ko'plab cheklovlarni kiritishni talab qilmasdan) taxminiy analitik tadqiqotlarda ham analitik, ham raqamli echimlar, shubhasiz, taniqli (radiatsion-tonduktiv issiqlik uzatish jarayonlarini o'rganishda, ularning cheklangan va shaxsiy tabiatiga qaramay.
Ushbu bobda muhitning tekis qatlamida radiatsiya-o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish muammosiga muallif tomonidan bajarilgan ikkita analitik yechim muhokama qilinadi. Birinchi yechim muammoni harorat, chegara sirtlarining yutilish qobiliyati va o'rta qatlamning optik qalinligi bo'yicha cheklovlar yo'qligida ko'rib chiqadi [L. 89, 203]. Ushbu yechim iteratsiya usuli bilan amalga oshirildi va muhit va chegara sirtlari kulrang deb qabul qilinadi va muhit hajmida issiqlik manbalari mavjud emas.
Guruch. 14-1. Muhitda ichki issiqlik manbalari bo'lmaganda yutuvchi va issiqlik o'tkazuvchi muhitning tekis qatlamida radiatsiya o'tkazuvchanlik issiqlik uzatish muammosini hal qilish sxemasi.
Eng batafsil tahliliy tadqiqot yuqorida ko'rib chiqilgan radiatsiya o'tkazuvchan issiqlik uzatish muammosi bo'yicha kulrang, sof yutuvchi muhit qatlami orqali qatlamning kulrang chegara sirtlarining harorati aniqlanganda va issiqlik manbalari mavjud bo'lmaganda amalga oshirildi. vositaning o'zi. Hajmdagi issiqlik manbalari mavjud bo'lgan chegara sirtlari bilan radiatsiyaviy va issiqlik o'tkazuvchi muhit qatlami o'rtasida radiatsiya o'tkazuvchanlik issiqlik almashinuvi muammosi ma'lum taxminlarni qabul qilgan holda juda cheklangan miqdordagi ishlarda ko'rib chiqildi.
Birinchi marta "radiatsiya-o'tkazuvchan issiqlik uzatish" jarayonlarida ichki issiqlik manbalarini hisobga olishga urinish [L. 208], bu erda manbalarning butun hajm bo'ylab bir xil taqsimlangan kulrang, tarqalmaydigan muhit qatlami orqali radiatsiya va issiqlik o'tkazuvchanligi bilan issiqlik uzatish muammosi ko'rib chiqildi. Biroq, ishda yo'l qo'yilgan matematik xato olingan natijalarni inkor etdi.
Issiqlik o'tkazuvchanligi bilan issiqlik uzatish jarayoni moddaning molekulalari orasidagi kinetik energiya almashinuvi va elektronlarning tarqalishi bilan izohlanadi. Bu hodisalar moddaning harorati turli nuqtalarda har xil bo'lganda yoki qizish darajasi har xil bo'lgan ikkita jismning aloqasi bilan sodir bo'ladi.
Issiqlik o'tkazuvchanligining asosiy qonuni (Furye qonuni) shuni ko'rsatadiki, bir hil (bir hil) jismdan vaqt birligida o'tadigan issiqlik miqdori issiqlik oqimiga normal bo'lgan kesma maydoniga va oqim bo'ylab harorat gradientiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.
bu erda R T - issiqlik o'tkazuvchanligi bilan uzatiladigan issiqlik oqimining kuchi, Vt;
l - issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsienti, ;
d - devor qalinligi, m;
t 1, t 2 - isitiladigan va sovuq yuzaning harorati, K;
S - sirt maydoni, m2.
Ushbu iboradan xulosa qilishimiz mumkinki, RES loyihasini ishlab chiqishda issiqlik o'tkazuvchan devorlari ingichka bo'lishi kerak, qismlarning ulanishlarida butun maydon bo'ylab issiqlik aloqasi ta'minlanishi va yuqori issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientiga ega bo'lgan materiallar tanlanishi kerak. .
Qalinligi d bo'lgan tekis devor orqali issiqlik o'tkazish holatini ko'rib chiqaylik.
7.2-rasm - Devor orqali issiqlik uzatish
S maydoni bo'lgan devorning bir qismi orqali vaqt birligiga o'tkaziladigan issiqlik miqdori allaqachon ma'lum bo'lgan formula bilan aniqlanadi
Bu formula elektr davrlari uchun Ohm qonuni tenglamasi bilan taqqoslanadi. Ularning to'liq o'xshashligini ko'rish qiyin emas. Shunday qilib, vaqt birligidagi issiqlik miqdori P T joriy qiymatga mos keladi I, harorat gradienti (t 1 - t 2) potentsial farq U ga to'g'ri keladi.
Munosabat deyiladi T e r m i k h e s k i m qarshilik va R T bilan belgilanadi,
Issiqlik oqimi va elektr tokining oqimi o'rtasidagi ko'rib chiqilgan analogiya nafaqat jismoniy jarayonlarning umumiyligini qayd etishga imkon beradi, balki murakkab tuzilmalarda issiqlik o'tkazuvchanligini hisoblashni osonlashtiradi.
Agar ko'rib chiqilayotgan holatda sovutilishi kerak bo'lgan element harorat t CT1 bo'lgan tekislikda joylashgan bo'lsa, u holda
t ST1 = P T d/(lS) + t ST2.
Shuning uchun t CT1 ni kamaytirish uchun issiqlik o'tkazuvchi sirt maydonini oshirish, issiqlik o'tkazuvchi devor qalinligini kamaytirish va yuqori issiqlik o'tkazuvchanlik koeffitsientiga ega materiallarni tanlash kerak.
Termal aloqani yaxshilash uchun aloqa qiladigan yuzalarning pürüzlülüğünü kamaytirish, ularni issiqlik o'tkazuvchi materiallar bilan qoplash va ular orasidagi aloqa bosimini yaratish kerak.
Strukturaviy elementlar orasidagi termal aloqa sifati ham elektr qarshiligiga bog'liq. Kontakt yuzasining elektr qarshiligi qanchalik past bo'lsa, uning termal qarshiligi qanchalik past bo'lsa, issiqlik tarqalishi shunchalik yaxshi bo'ladi.
Atrof-muhitning issiqlik chiqarish qobiliyati qanchalik past bo'lsa, statsionar issiqlik uzatish rejimini o'rnatish uchun qancha vaqt kerak bo'ladi.
Odatda dizaynning sovutish qismi shassi, korpus yoki korpusdir. Shuning uchun, dizayn tartibini tanlashda siz o'rnatish uchun tanlangan strukturaning sovutish qismi atrof-muhit bilan yaxshi issiqlik almashinuvi uchun shart-sharoitlarga egami yoki issiqlikka chidamliligini ko'rib chiqishingiz kerak.
