12. Issiqlik o’tkazuvchanlik. Reja

8.3.5. Ixtiyoriy shakldagi jismning issiqlik o‘tkazuvchanligi

Yuqorida ko‘rib chiqilgan mavzulardan ko‘rinib turibdiki, turli shakldagi jismlar uchun ma’lum bir issiqlik o‘tkazuvchanlik tenglamalari mavjud.

Ixtiyoriy shakldagi jismdan o‘tayotgan issiqlik miqdorini quyidagi tenglama yordamida aniqlash mumkin:
(8.34)

bu yerdaF_o‘rt – ixtiyoriy shakldagi jism yuzasi. Yassi va Silindrik devorlar uchun F₂/F₁<2 (F₁ – jismning ichki yuzasi; F₂ – jismning tashqi yuzasi) bo‘lganda

F_o‘rt=(F₁+F₂)/2 (8.35)

Silindrik sirtlar uchun F₂/F₁>2 bo‘lganda

F_o‘rt=(F₂-F₁)/2,3 lgF₂/F₁ (8.36)

Sharsimon davr uchun
(8.37)

Yuqorida keltirilgan barcha formulalar taxminiy hisoblar uchun qo‘llaniladi.

Murakkab shaklga ega bo‘lgan jismlarni issiqlik o‘tkazuvchanligini hisoblashda, odatda, alohida elementlar bo‘yicha hisoblash olib boriladi. Lekin, bunday usul ham taxminiy xarakterga ega. Shuning uchun, murakkab ob’ektlarning issiqlik o‘tkazuvchanligi haqidagi aniq ma’lumotlar tajriba yo‘li bilan olinadi. Agar devor temperaturasi har xil joylarda turlicha bo‘lsa, u holda devorning hisoblangan o‘rtacha temperaturasini aniqlash lozim:


(8.38)

bu yerda F₁, F₂ … F_n – temperaturasi o‘zgarmas bo‘lgan devor qismlari; t₁, t₂,…t_n – alohida qismlar temperaturasi.

8.4. Chegara shartlarining uchinchi turida statsionar issiqlik o‘tkazuvchanlik. Issiqlik uzatish koeffitsienti.
8.4.1. Yassi bir qatlamli va ko‘p qatlamli devor orqali issiqlik uzatish




8.7-rasm. Isituvchi muhitdan isitiladigan muhitga yassi devor orqali issiqlikning uzatilishi


Issiqlikni issiq muhitdan sovuq muhitga ular orasidagi ajratuvchi qattiq devor orqali uzatishga issiqlik uzatish deyiladi. Sanoatning istalgan sohasida qo‘llaniladigan turli issiqlik almashinuv qurilmalarida issiqlik tashuvchilar o‘rtasidagi issiqlik almashinuvi issiqlik uzatish yo‘li bilan amalga oshadi. Ajratuvchi devor issiqlikni yaxshi o‘tkazishi lozim bo‘lsa, u issiqlik o‘tkazuvchanligi yuqori bo‘lgan materialdan tayyorlanadi. Boshqa hollarda, masalan, issiqlik isroflarini kamaytirish lozim bo‘lsa, devor issiqlik izolyatsiya xossalari yaxshi bo‘lgan materialdan tayyorlanadi.
Issiqlik uzatish jarayonining asosiy masalasi, bu vaqt birligi ichida issiqlik tashuvchilar o‘rtasidagi ajratuvchi devor orqali uzatiladigan issiqlik miqdorini aniqlashdir.
Bundan tashqari issiqlik uzatish jarayonini o‘rganishda quyidagi masalalar ham ko‘rib chiqiladi:

• 
  berilgan issiqlik miqdoriga qarab, issiqlik tashuvchilar o‘rtasidagi devorning zarur bo‘lgan yuzasini aniqlash;
  
• 
  materialni ichki temperaturasi maksimal yo‘l qo‘yilgan qiymatidan ortmasligi uchun har bir qatlam sirtidagi temperaturani hisoblash.
  

Issiqlik uzatish nixoyatda murakkab jarayon bo‘lib, unda issiqlik barcha usullar; issiqlik o‘tkazuvchanlik, konvektsiya va nurlanish bilan uzatiladi. Haqiqatdan ham, devor bo‘lishi munosabati bilan issiqlik uzatish uch jarayondan tashkil topadi. Birinchi jarayon– issiqlikni konvektsiya usuli bilan issiq muhitdan devorga uzatilishi. Konvektsiya xar doim issiqlik o‘tkazuvchanlik bilan birga, ba’zida esa nurlanish bilan birga ro‘y beradi. Ikinchi jarayon - issiqlikni devordan issiqlik o‘tkazuvchanlik usuli bilan uzatilishi. Uchinchi jarayon-issiqlikni konvektsiya yo‘li bilan devorning ikkinchi sirtidan sovuq muhitga uzatilishi.

Qaynoq issiqlik tashuvchidan (issiq muhit) devorga berilgan issiqlik miqdori Nyuton-Rixman formulasidan aniqlanadi:


(8.38)

bu yerda: -temperaturasi t₁ bo‘lgan qaynoq issiqlik tashuvchidan devor sirtiga issiqlik berish koeffitsenti; F- yassi devorning yuzasi.

Issiqlik o‘tkazuvchanlik usuli bilan devor orqali uzatilgan issiqlik oqimi quyidagi tenglamadan aniqlanadi:
Q (8.39)
Devorning ikkinchi sirtidan sovuq muhitga uzatilgan issiqlik miqdori:


(8.40)

bu yerda: - devorning ikkinchi sirtidan sovuq muhitga issiqlik berish koeffitsenti.

Ko‘rib chiqilayotgan issiqlik uzatish jarayoni statsionar tartibda borganligi sababli, devor qancha issiqlik olsa, shuncha uzatadi. Yuqoridagi tenglamalarni temperaturalar farqiga nisbatan yechamiz:

Tengliklarni xadma-xad qo‘shib issiqlik oqimini
(8.41)

yoki issiqlik oqimining zichligini aniqlaymiz:

(8.42)
(8.42) tenglamadagi kattalik k xarfi bilan belgilanadi va issiqlik uzatish koeffitsenti deb aytiladi:
(8.43)

u holda

yoki (8.44)

Issiqlik uzatish koefitsenti devorning yuza birligidan vaqt birligi ichida qaynoq issiqlik tashuvchidan sovuq issiqlik tashuvchiga, ularning temperaturalari farqi 1⁰ bo‘lgandagi uzatilgan issiqlik miqdoriga teng.

(8.44) tenglama issiqlik uzatish tenglamasi deyiladi. k ni aniqlash uchun, avvalo va larni aniqlash lozim. k ning qiymati har doim eng kichik qiymatidan ham kichikroq bo‘ladi. Issiqlik uzatish koeffitsentiga teskari kattalik issiqlik uzatilishining termik qarshiligi deyiladi:


(8.45)

Agar issiqlik ko‘p qatlamli devor orqali uzatilgan bo‘lsa, u holda (8.42) formulaning maxrajiga barcha qiymatlarning termik qarshiliklarining yig‘indisini qo‘yish lozim:

(8.46)

Ko‘p qatlamli davrning issiqlik uzatish koeffitsienti:

(8.47)
va umumiy termik qarshiligi:
(8.48)

Yassi devor sirtlaridagi temperaturalarni aniqlaymiz:

Agarda  va k ma’lum va bo‘lsa, t_dev, va t _dev2 larni quyidagi formulalardan aniqlash mumkin:

₁(t₁ - t_dev1) =k(t₁-t₂), (8.49)

₂(t_dev2- t₂) =k(t₁-t₂),

t_dev1= t₁- k(t₁-t₂),

t_dev2= t₂ + (t₁-t₂).

8.4.2. Bir qatlamli va ko‘p qatlamli Silindrik devor orqali issiqlik uzatish


8.8-rasm.
Bir jinsli Silindrik devor orqali temperaturasi t₁ va issiqlik berish koeffitsienti ₁ bo‘lgan qaynoq issiqlik tashuvchidan, temperaturasi t₂ va issiqlik berish koeffitsienti ₂ bo‘lgan sovuq issiqlik tashuvchiga issiqlik uzatilayotgan bo‘lsin (8.8-rasm).
U holda issiqlik oqimi uchun quyidagi uchta tenglamani yozish mumkin:

Bu uch tenglamani temperaturalar farqiga nisbatan yechib, keyin xadma-xad qo‘shib quyidagini hosil qilamiz:

(8.50)
bu yerda
(8.51)

issiqlik uzatishning chiziqli koeffitsienti deb aytiladi, uningi birligi Vt/(mgrad).

Silindrik devordan o‘tayotgan issiqlik oqimining zichligi quyidagiga teng.

Issiqlik uzatilishining chiziqli koeffitsienti, uzunligi 1 m bo‘lgan quvurdan vaqt birligi ichida qaynoq issiqlik tashuvchidan sovuq issiqlik tashuvchiga, ularning temperaturalari farqi 1 bo‘lganda uzatilayotgan issiqlik miqdoriga teng. Shuning uchun (8-32) tenglamani quyidagicha yozish mumkin:

Q=k_ts  l (t₁–t₂) (8.52)

Ko‘p qatlamli silindrik devordan o‘tayotgan issiqlik oqimi quyidagiga teng:

(8.53)

Ichki yoki tashqi sirtlarga nisbatan olingan issiqlik oqimining zichligi quyidagi tenglamalardan aniqlanadi:

Issiqlik uzatishning chiziqli koeffitsientiga teskari bo‘lgan kattalikka issiqlik uzatishning chiziqli termik qarshiligi deb aytiladi:

(8.54)

bu yerda -tashqi termik qarshiliklar; - ko‘p qatlamli Silindrik devorning termik qarshiligi; R_ts ning o‘lchov birligi mgrad/Vt.

Ichki sirtning temperaturasini quyidagi formuladan aniqlaymiz:
(8.55)
tashqi sirtniki esa:
(8.56)

8.4.3. Silindrik devorning kritik diametri

Ma’lumki, issiqlik o‘tkazuvchanlik koeffitsienti 0,2 Vt/(mgrad) dan kichik bo‘lgan materiallar issiqlik izolyatsiya materiallari deyiladi. Bunday materiallarga asbest, po‘kak, kigiz, yog‘och qipig‘i, shisha tolasi, torf va shunga o‘xshash materiallar kiradi. Quvurni izolyatsiyalash uchun ishlatilayotgan materiallarni issiqlik isroflarini kamaytirish shart-sharoitlarini ko‘rib chiqaylik. Silindrik quvur bir qatlamli izolyatsiya bilan qoplangan bo‘lsin. ₁, ₂, d₁, d₂, ₁, ₂, t₁ va t₂ lar o‘zgarmas bo‘lgan holda, termik qarshilik izolyatsiya qalinligi o‘zgarishi bilan qanday o‘zgarishini ko‘rib chiqaylik.

Ikki qatlamli Silindrik devorning termik qarshiligi tenglamasidan

izolyatsiyaning diametri d₃ ortishi bilan izolyatsiya qatlamining qarshiligi ham ortadi, lekin shu bilan bir vaqtda devordan tashqi muhitga issiqlik berishning termik qarshiligi kamayadi . Yuqoridagi tenglamani o‘ng qismidan d₃ bo‘yicha birinchi hosilani olib, uni nolga tenglaymiz:

U holda q=f(d₃) egri chiziqning ekstremalp nuqtasiga mos keluvchi kritik diametr quyidagi formuladan aniqlanadi:
(8.57)


8.9-rasm
Bu tenglamadan ko‘rinib turibdiki, izolyatsiyaning kritik diametri quvurning o‘lchamlariga bog‘liq emas ekan. U izolyatsiyaning issiqligi o‘tkazuvchanlik koeffitsienti qanchalik kam bo‘lsa, shunchalik kamayadi va ₂ kamayishi bilan ortadi. Yuqoridagi tenglamani R_ts bo‘yicha ikkinchi hosilasi noldan katta, demak, kritik diametr termik qarshilikning minimumiga va issiqlik oqimining maksimumiga muvofiq keladi (8.9-rasm). (8.57) tenglama taxlili shuni ko‘rsatadiki, d_iz ortsa, lekin d_kr dan kichik bo‘lib qolsa, u holda issiqlik isroflari ortadi va izolyatsiyasiz quvurning issiqlik isroflaridan ham yuqori bo‘ladi (AK egri chiziq).
d_iz=d_kr bo‘lganda (K nuqta) isroflar maksimal bo‘ladi. Izolyatsiya diametrini bundan keyingi ortishi bilan d_iz>d_kr, issiqlik isroflari d_iz=d_kr holga qaraganda kamayadi (BK egri chiziq). Faqat d_iz=d₃ bo‘lgandagina, issiqlik isroflari yana izolyatsiyalangan quvurning issiqlik isroflari kabi bo‘ladi. Demak, izolyatsiya samarali ishlashi uchun, kritik diametr izolyatsiyasiz quvurning diametridan kichik bo‘lishi d_kr d₂ kerak (8.9-rasm).
Shunday qilib izolyatsiya devorning issiqlik isroflarini kamaytirishi uchun

bo‘lishi lozim.
(8.39) tenglamadan ko‘rinib turibdiki, agar po‘lat quvur uchun =46 Vt/(mK) va ₂ =14 Vt/(m²K) bo‘lsa, u holda d_kr=246:14=6,6 m bo‘ladi.
Shunday qilib, metall quvurlar uchun kritik diametrning chegara qiymati nihoyatda katta bo‘lib, u metrlarda o‘lchanadi. Diametrning bundan keyingi ortishi esa, quvurdan uzatilayotgan issiqlikni kamayishiga olib keladi. Shu diametr chegarasida esa, metall quvurning qalinligi ortgan sari undan issiqlik ko‘proq issiq muhitdan sovuq muhitga uzatiladi. Agar quvur issiqlik izolyatsiya materialidan, masalan asbestdan (=0,167 Vt/(mK)) tayyorlangan bo‘lsa, u holda ₂ ning oldingi qiymatida

(₂=14 Vt(m²K))

d_kr=20,167:14=0,024m=24 mm bo‘ladi.

Ya’ni, tashqi diametri 24 mm dan ortiq bo‘lgan bunday quvurlar uchun, izolyatsiya qalinligi ortishi bilan issiqlik uzatish kamayadi.

Beton quvurlar uchun = 1,17 Vt/(mk) va ₂=14 Vt/(m²k) da d_kr160 mm bo‘ladi.

8.4.4. Sharsimon devor orqali issiqlik uzatish

Statsionar tartibda va chegara shartlarining uchinchi turida quyidagilar ma’lum bo‘lsin: sharning ichki diametri d₁, tashqi diametri d₂, shar ichidagi issiq manba temperaturasi t₁ va sovuq manba temperaturasi t₂, issiq muhitdan shar ichki sirtiga issiqlik berish koeffitsienti ₁ va sharning tashqi sirtidan atrof muhitga issiqlik berish koeffitsienti ₂ bo‘lsin.

Statsionar holda barcha izotermik sirtlar uchun issiqlik oqimi o‘zgrmas bo‘ladi:

Bu tenglamalarni temperaturalar farqiga nisbatan yechib va hadma-had qo‘shib issiqlik oqimini qiymatini topamiz:

yoki
(8.58)

Bu yerda k_sh sharsimon devorning issiqlik uzatish koeffitsienti bo‘lib, uning birligi, Vt/grad

(8.59)

k_sh ga teskari bo‘lgan bo‘lgan kattalikka sharsimon devorning termik qarshiligi deb aytiladi:

(8.60)

8.4.5.Qovurg‘asimon devor orqali issiqlik uzatish

Agar devorning bir tomoni issiqlik berish koeffitsenti yuqori bo‘lgan suyuqlik bilan yuvib turilsa, ikkinchi tomoni esa issiqlik berish koeffitsenti kichik bo‘lgan gaz bilan yuvib turilsa, u holda issiqlik berishning termik qarshiliklarini tekislash uchun qovurg‘asimon sirtlar qo‘llaniladi. Devorni qovurg‘alash uning issiqlik almashininish yuzasini orttiradi va natijada issiqlik uzatishining termik qarshiligi kamayib, issiqlik oqimi ortadi.