Табиғаттағы және технологиядағы жылу алмасу

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ ОҚУ – АҒАРТУ МИНИСТРЛІГІ

Алматы қаласы Білім басқармасы

“Алматы технологиялық колледжі” КМҚК

СРС

Тақырыбы:  Табиғаттағы және технологиядағы жылу алмасу

Алматы, 2024 ж.

Жоспар:

• Кіріспе
• Негізгі бөлім

2.1 Табиғаттағы жылу алмасу

2.2 Технологиядағы жылу алмасу

• • Табиғаттағы және техникадағы жылу берілудің мысалдары
• Қорытынды
• Пайдаланылған әдебиеттер тізімі

 Кіріспе:

 Жылу алмасу – бұл денелер немесе жүйелер арасындағы температура айырмашылығы нәтижесінде жылудың берілу процесі. Бұл процесс табиғатта да, технологияда да үлкен рөл атқарады. Табиғатта жылу алмасу климаттық өзгерістер, тіршілік иелерінің өмір сүру жағдайларын қамтамасыз ету сияқты маңызды құбылыстарда байқалады. Технологияда бұл процесс энергияны тиімді пайдалану, құрылғылардың жұмысын оңтайландыру және түрлі өнеркәсіптік процестерді жүзеге асыру үшін қолданылады.

 Жылу алмасу үш негізгі әдіс арқылы жүзеге асады: жылуөткізгіштік, конвекция және сәуле шығару. Жылуөткізгіштік қатты денелерде жылудың молекулалар арасындағы тікелей байланыс арқылы берілуі болса, конвекция сұйықтар мен газдарда жылудың заттың қозғалысы арқылы таралуы болып табылады. Сәуле шығару – бұл электромагниттік толқындар арқылы жылудың таралуы.

 Осы жұмыста біз жылу алмасу процесінің маңыздылығын және оның табиғаттағы және технологиядағы әртүрлі көріністерін қарастырамыз. Бұл бізге жылу алмасудың негізгі принциптерін түсінуге және оның әртүрлі салаларда қалай қолданылатынын көрсетуге мүмкіндік береді.

 Негізгі бөлім.

 2.1 Табиғаттағы жылу алмасу

 Жылу алмасу – бұл денелер арасындағы немесе денелер мен қоршаған орта арасындағы жылудың берілу процесі. Табиғатта және технологияда жылу алмасу әртүрлі әдістер арқылы жүзеге асады: жылуөткізгіштік, конвекция және сәуле шығару.

Табиғаттағы жылу алмасу

• Жылуөткізгіштік:
  • Қатты денелерде: Мысалы, жердің беткі қабатынан тереңдіктерге дейінгі температура градиенті арқылы жылу беріледі.
  • Жануарлар әлемінде: Жануарлар тері арқылы қоршаған ортадан немесе оған жылу береді. Мысалы, арктикалық түлкілердің қалың жүні дене температурасын сақтауға көмектеседі.
• Конвекция:
  • Су мен ауа қозғалысы: Мұхиттардағы және атмосферадағы конвекциялық ағындар арқылы жылу тасымалданады. Бұл процесс климаттың қалыптасуына үлкен әсер етеді.
  • Өсімдіктер: Өсімдіктер транспирация арқылы жылуды таратады. Су булану кезінде жылуды сіңіреді, осылайша өсімдік салқындайды.
• Сәуле шығару:
  • Күннің сәулесі: Жер бетіне күн сәулелері арқылы энергия беріледі, бұл фотосинтез және климаттық процестерге әсер етеді.
  • Түнгі радиация: Түнде жер беті жылуды космосқа сәуле шығару арқылы жоғалтады.

 2.2 Технологиядағы жылу алмасу

• Жылуөткізгіштік:
  • Құрылыс материалдары: Ғимараттардың қабырғалары жылу оқшаулағыш материалдармен қапталады, бұл ішкі температураны тұрақты ұстап тұруға көмектеседі. Мысалы, пенопласт немесе минералды жүн сияқты материалдар ішкі және сыртқы температура арасындағы айырмашылықты азайтуға көмектеседі, бұл ғимараттың ішіндегі температураны тұрақты ұстап тұрады және энергияны үнемдеуге ықпал етеді.
  • Электроника: Компьютер процессорларының жылуын тарату үшін радиаторлар қолданылады. Мысалы, компьютерлердегі процессорлар радиаторлар мен желдеткіштер арқылы салқындатылады.
• Конвекция:
  • Жылу алмастырғыштар: Өндірістік процестерде, мысалы, мұнай өңдеу зауыттарында, сұйықтық немесе газ арқылы жылу алмастырғыштар қолданылады. Олар бір сұйықтықтан екінші сұйықтыққа жылуды тиімді тасымалдауға мүмкіндік береді. Қазандықтар мен конденсаторлар да осы принципке негізделген.
  • Климаттық жүйелер: Кондиционерлер мен желдеткіштер бөлмедегі ауаны салқындату немесе жылыту үшін қолданылады. Кондиционерлерде салқындатқыш сұйықтық буланып, ауа салқындайды, ал жылытқыштарда ауа жылыту элементтері арқылы жылытылады.

 Конвективтік жылу алмасу немесе жай ғана конвекция - сұйықтықтар мен газдардың қозғалысы арқылы жылуды бір көлемнен екінші көлемге беру процесі, бұл процесс негізінен жылуды масса алмасу арқылы беру болып табылады.

 Сұйықтық массасының қозғалысы қатты бет пен сұйықтық арасындағы жылу алмасу сияқты көптеген физикалық жағдайларда жылу алмасуды жақсартады.

 Сұйықтар мен газдардағы жылу алмасу процесінде әдетте конвекция басым болады. Кейде жылу берудің үшінші әдісі деп атағанымен, конвекция әдетте сұйықтық ішіндегі жылу өткізгіштіктің (диффузия) және сұйықтықтың көлемдік ағынына байланысты жылу берудің бірлескен әсерін сипаттау үшін қолданылады.

 Сұйықтық ағынымен жылу алмасу процесі адвекция деп аталады, бірақ таза адвекция әдетте сұйықтықтардағы масса алмасумен байланысты термин, мысалы, өзендегі малтатастардың адвекциясы. Сұйықтықтағы жылу алмасу жағдайында сұйықтықтағы адвекция арқылы беру әрқашан диффузия арқылы жылу берумен (өткізгіштік деп те аталады) жүреді, конвекция процесі адвекция және диффузия/өткізу арқылы жылу берудің қосындысы ретінде түсініледі.

 Еркін немесе табиғи конвекция сұйықтықтың көлемдік қозғалыстары (ағындар мен токтар) температураға тәуелді сұйықтықтың тығыздығының өзгеруі нәтижесінде пайда болатын қалқымалы күштердің әсерінен пайда болған кезде пайда болады. Мәжбүрлі конвекция сұйықтықтағы токтар желдеткіштер, араластырғыштар және сорғылар сияқты сыртқы құралдармен индукцияланғанда пайда болады.

• Сәуле шығару:
  • Күн панельдері: Күн энергиясын жинап, оны электр энергиясына айналдыру. Бұл панельдер фотондардың әсерінен электр тогын өндіреді, бұл экологиялық таза және жаңартылатын энергия көзі болып табылады.
  • Инфрақызыл жылытқыштар: Жылыту құрылғылары инфрақызыл сәулелер арқылы жылу береді. Инфрақызыл жылытқыштар кеңістіктегі ауа емес, тікелей объектілерді жылытады, бұл оларды тиімді және үнемді жылыту әдісі етеді.

 2.3 Табиғаттағы және техникадағы жылу берілудің мысалдар

 Жылу беру - жылу энергиясын ыстық денеден азырақ ыстық денеге тікелей (байланыс арқылы) немесе аралық (өткізгіш) немесе қандай да бір материалдың бөлгіш бөлігі (дене немесе орта) арқылы берудің физикалық процесі. Бір жүйенің физикалық денелері әртүрлі температурада болғанда, термодинамикалық тепе-теңдік орнағанша жылу энергиясы беріледі немесе жылу бір денеден екінші денеге беріледі. Жылудың өздігінен өтуі әрқашан ыстық денеден азырақ ыстық денеге жүреді, бұл термодинамиканың екінші заңының салдары және бұл процесс қайтымсыз.

 Барлығы 3 қарапайым (элементарлық) жылу беру механизмі бар:

• жылу өткізгіштік,
• конвекция,
• термиялық сәулелену.

 Жылу өткізгіштік

 Микроскопиялық масштабта жылу өткізгіштік ыстық, жылдам қозғалатын немесе тербелетін атомдар мен молекулалар көрші атомдармен және молекулалармен әрекеттесіп, олардың кинетикалық энергиясының бір бөлігін сол бөлшектерге бергенде пайда болады. Басқаша айтқанда, көрші атомдар бір-біріне қатысты қозғалғанда немесе электрондар бір атомнан екінші атомға ауысқанда жылу өткізгіштік арқылы беріледі. Жылу өткізгіштік жылуды қатты дененің ішінде немесе термиялық байланыстағы қатты заттар арасында тасымалдаудың ең маңызды құралы болып көрінеді. Сұйықтардың, әсіресе газдардың жылу өткізгіштігі төмен. Контактілі жылу өткізгіштік – жанасатын қатты денелер арасындағы жылу өткізгіштік туралы зерттеу.[2] Бөлшектердің макроскопиялық қозғалысынсыз бір көлемнен екінші көлемге жылу беру процесі жылу өткізгіштік деп аталады. Мысалы, қолыңызды суық стакан суға қойғанда, жылу жылы теріден суық шыныға өтеді, бірақ қолыңыз шыныдан бірнеше сантиметр қашықтықта болса, жылу өткізгіштік аз болады, өйткені ауа нашар жылу өткізгіш.

 Сондай-ақ элементтік типтердің қосындысы болып табылатын жылу берудің әртүрлі түрлері бар. Негізгілері:

• жылу беру (сұйық немесе газ ағындары мен қатты дененің беті арасындағы конвективті жылу алмасу),
• жылу беру (ыстық ортадан (сұйық, газ немесе қатты) суық ортаға оларды бөліп тұратын қабырға арқылы жылу алмасу),
• конвективті-сәулелік жылу алмасу (сәулелену және конвекция арқылы біріктірілген жылу беру),
• термомагниттік конвекция.

 Ішкі жылу көздері - жылу энергиясын сырттан берусіз немесе берусіз материалдық денелердің ішінде жылу энергиясын өндіру процесін сипаттайтын жылу алмасу теориясындағы тұжырымдама. Ішкі жылу көздеріне мыналар жатады:

• электр тогын пайдалану кезінде жылу өндіру,
• ядролық реакциялар кезінде жылу бөлінуі,
• химиялық реакциялар кезінде жылу бөлінуі.

 Жылу беру әдісі бойынша жылу алмастырғыш аппаратура беттік және араластырғыш болып бөлінеді. Беттік жылу алмастырғыштарда жылу алмасу процесі жылу өткізгіш материалдан жасалған қабырғалар арқылы жүреді. Араластыру құрылғыларына келетін болсақ, жылу беру жұмыс орталары араласқан кезде орын алады.

 Аралас жылу алмастырғыштардың конструкциясы беттік жылу алмастырғыштарға қарағанда қарапайым және бұл модификациялардағы жылу толық пайдаланылады. Дегенмен, олар жұмыс ортасын араластыруға рұқсат етілген жағдайларда ғана жарамды.

 Өз кезегінде беттік жылу алмастырғыштар регенеративті және рекуперативті болып бөлінеді. Соңғысында жылу алмасу бөлу қабырғалары арқылы жүреді, ал жылу ағыны қабырғаның әрбір нүктесінде бірдей бағытты сақтайды. Рекуперативті жылу алмастырғыштарға: құбырлы, секциялық, екі құбырлы, бұралмалы, шашыратқыш жылу алмастырғыштар, қанатты және спиральды жылу алмастырғыштар, пластиналы жылу алмастырғыштар, графиттік жылу алмастырғыштар жатады.

 Регенеративті жылу алмастырғыштарда салқындатқыштар бір қыздыру бетімен кезектесіп жанасады. Жылу ағынының бағыты, бұл жағдайда қабырғаның әрбір нүктесінде мезгіл-мезгіл өзгереді.

 1. Желдер. Барлық желдер атмосферадағы үлкен масштабтағы конвекциялық ағындар. Конвекцияға мысалы теңіз жағасында болатын бриз желдерін келтіруге болады. Жазғы күндерде күн жылуы арқылы құрлық су бетіне қарағанда тез жылиды, оның себебі судың тығыздығы азайып және қысым судың бетіндегі суық ауаның қысымынан аз. Қорытындылай келгенде суық ауа теңіз бетімен жағаға жылжиды да ― жел соғады. Бұл күндізгі бриз. Түнде су ақырын салқындайды, ал құрлық бетіндегі ауа су бетіндегі ауадан суықтай болады. Осыдан түнгі бриз пайда болады. Түнгі бриз деп суық ауаның құрлықтан теңізге қозғалысын айтады.

 2. Тарту күші. Біз ауасыз отынның жанбайтынын білеміз. Егер оттыққа, пешке, самауыр мұржасына ауа бармаса от жанбайды. Әдеттегідей мұндай жағдайларда ауаның тарту күші қолданады. Мысалы зауыттарда, фабрикаларда, электростанцияларда тарту күшін жасау үшін оттықтың үстіне мұржа орнатады. Отын жанған кезде мұржаның ішіндегі ауа жыли бастайды. Осыдан ауаның тығыздығы азаяды. Біз оттық пен мұржадағы ауаның қысымы оның сыртындағы ауаның қысымынан аз екенін білеміз. Қысымның әр түрлілігінен суық ауа оттықтың ішіне, ал жылы ауа биікке көтеріліді ― тарту күші пайда болады. Мұржа биіктеген сайын тарту күші де көбейеді. Себебі мұржа мен оның сыртындағы ауа қысымдарының айырмашылығы арта түседі.

  3. Пәтерлерді жылыту мен салқындату. Жердің суық аймақтарында тұратын кейбір мемлекеттің тұрғындары өз үйлерін жылытады. Ал тропик пен субтропикте орналасқан мемлекеттерде қаңтардағы ауаның температурасы +20 мен +30°С жетеді. Мұндай жерлерде пәтерлердегі ауаны салқындатуға арналған техника қолданылады. Жылыту да, салқындату да конвекция негізінде жасалған. Салқындату құралдары кәдімгі конвекция жасау үшін биікте төбеге жақын орналасқан. Өйткені суық ауаның тығыздығы жылы ауаның тығыздығынан жоғары болғандықтан ол төменге түседі. Жылыту құралдары төменде орналасады. Қазіргі үлкен үйлерде су арқылы жұмыс істейтін жылыту құралдарын қолданады. Оның ішіндегі судың циркуляциясы мен пәтердегі ауаның жылынуы конвекцияның арқасында жүреді. Егер жылыту құралы пәтердің ішінде орналасса, үйдің астында суды жылытатын жылытқыш пеш бар. Жылытқыш пешке вертикаль бағытында жүргізілген құбыр арқылы қыздырылған су, үйдің төбесінде орналасқан бакқа барады. Сол бактан құбырлар жүйесі арқылы қыздырылған су пәтердің әр бөлмелерінде орналасқан радиаторлаға барып, жылу береді де, қайта жылытуға жылытқыш пешке барады. Осылай кәдімгі су циркуляциясы - конвекция болады. Үлкен үйлерде бұдан да қиын технологиялар қолданылады. Ыстық су бір бөлмеде орналасқан жылытқыш пеш арқылы әр түрлі ғимараттарға беріледі. Суды ғимараттарға арнайы насостар арқылы береді. Солай жасанды конвекцияны қолданады.

 4. Жылу берілу мен өсімдік әлемі. Ауаның төменгі қабаты мен топырақтың үстіңгі қабатындағы температура өсімдіктің дамуына үлкен әсер етеді. Мысалға қараңғы, жыртылған топырақ қатты жылиды да, өсімдік өскен жерге қарағанда тез суиды. Жердің төменгі ауа қабатының және топырақтың үстіңгі қабатында температураның өзгерістері жиі болып тұрады. Күндіз топырақ энергияны жұтады да, түнде керсінше салқындайды. Оның жылынуына және салқындауына өсімдіктердің тигізетін әсері бар. Топырақ пен ауаның жылу алмасуына ауа райының да әсері бар. Ашық, бұлтсыз түнде топырақ қатты суиды. Себебі топырақтан шыққын жылу ешқандай бөгетсіз кеңістікке кетеді. Көктемде мұндай түндерде топырақта таңазыту болу мүмкін. Егер ауа райы бұлтты болса, онда бұлттар Жерді жауып сәулелену арқылы топырақты энергия жоғалтудан қорғайды, өзіндік экран рөлін ойнайды. Тағы топырақтың температурасын жоғарлатуға арналған учаскелер ― жылыжайлар деп аталады. Олар түгелдей Күн сәулесін қолдануға арналған.Топырақ учаскесін шыны рамамен немесе жылтыр пленкамен қаптайды. Шыны көзге көрінетін күн сәулесін өткізеді де, қара топырақты жылытады және көзге көрінбейтін сәулелерді жібермейді. Сонымен қатар шыны немесе пленка конвекцияны болдырмайды. Осылай жылыжайлар энергияны ұстайтын қақпан болады. Жылыжайларда қоршалмаған жерлерге қарағанда температура 10°С көп болады.

 5. Термос. Жоғары температурадағы дене мен төменгі температурадағы дене аралығында жылу берілу процесі болса, олардың температураларының теңелуіне әкеп соғады. Мысалға бөлмеге ыстық шәугімді алып келсе, ол суып қалады. Оның ішкі энергиясының бір бөлігі оны қоршап тұрған заттарға беріледі. Дене қызымау немесе суымау үшін оның жылу берілуін азайту керек. Сонымен қатар энергия жылу берілуінің үш түрімен де берілмеуі керек. Олар: жылуөткізгіштік, конвекция, сәулелену. Суды ыстық күйінде сақтау, тамақ немесе мұз бен балмұздақты еруден сақтап қалу үшін термос қолданылады. Термос екі қабатты шыны ыдыстан тұрады. Оның ішкі қабаты жалтыраған металдан тұрады. Ал ыдыстың қабаттарының арасынан ауа сорылып алынған. Ауа жоқ бос жер жылу өткізбейді, жалтырыған металмен жасалған себебі энергияның сәуле арқылы берілуін тоқтатады. Термос сынып қалмауы үшін оны пробкамен бітеп, аузын қақпақпен жауып, картон немесе металдан жасалған футлярға салып қояды.

 Қорытынды

 Табиғаттағы және технологиядағы жылу алмасу процестері өмірдің әртүрлі аспектілерінде маңызды рөл атқарады. Табиғатта бұл процесстер климатты реттеуге, экожүйелердің тепе-теңдігін сақтауға және организмдердің тіршілігін қамтамасыз етуге көмектеседі. Технологияда жылу алмасу энергияны тиімді пайдалану, құрылғылардың тұрақтылығы мен жұмыс өнімділігін қамтамасыз ету үшін маңызды.

 Табиғаттағы жылу алмасу процестері жер бетінде климаттық және экологиялық тепе-теңдікті сақтауға маңызды әсер етеді. Жылу алмасу арқылы табиғатта энергия таралып, түрлі биологиялық және физикалық процестер жүзеге асады. Бұл процестердің дұрыс түсінілуі климаттық өзгерістерді болжау, экожүйелерді қорғау және табиғаттағы тепе-теңдікті сақтау үшін маңызды.

 Технологиядағы жылу алмасу процестері энергияны тиімді пайдалану және әртүрлі жүйелер мен құрылғылардың жұмысын оңтайландыру үшін маңызды. Жылуөткізгіштік, конвекция және сәуле шығару әдістерін қолдану арқылы біз энергия үнемдеу, өндірістік процестерді жетілдіру және тұрмыстық жағдайларды жақсарту мүмкіндіктеріне ие боламыз. Бұл процестердің дұрыс қолданылуы және басқарылуы экономикаға, экологияға және күнделікті өмірге оң әсер етеді.

 ПАЙДАНЫЛҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ: 

• Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен: Учеб. пособие — 2-е изд. — М: МЭИ, 2005.
• Исаченко В. П. и др. Теплопередача: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Энергия, 1975.
• Галин Н. М., Кириллов П. Л. Тепломассообмен. — М.:Энергоатомиздат, 1987.
• Карташов Э. М. Аналитические методы в теплопроводности твердых тел. — М.: Высш. шк., 1989.
• Крупнов Б. А., Шарафадинов Н. С. Руководство по проектированию систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. 2008
• Котляр Я. М., Совершенный В. Д., Стриженов Д. С. Методы и задачи тепломассообмена. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.
• Лыков А. В., Михайлов Ю. А. Теория переноса энергии и вещества. — Минск, АН БССР, 1959. — 330 с.