Isı Transferi Çeşitleri: – Üç temel ısı transferi modu vardır; İletim (Conduction), Konveksiyon (Convection) ve Radyasyon (Radiation).
1. İletim (Conduction)
Isı transferi için maddesel bir ortam gerektiren transfer şeklidir. Bu maddesel ortam katı, sıvı veya gaz olabilir.
Katılarda, malzemenin belirli bir bölümünün sıcaklığı, ısı transferi ile artırılıyorsa; bu, malzemenin o bölümünün iç enerjisinin arttığı anlamına gelir. Malzemenin o bölgesinde bulunan moleküller ileri geri titreşir, bu süreçte komşu moleküllerle etkileşir, çarpışırlar ve enerji transfer ederler. Katılar ayrıca serbest elektronlar içerirler, bu serbest elektronlar, bulundukları yerden başka bir yere hareket ederken, dağılırken ve diğer serbest elektronlarla çarpışırken ısının iletilmesinden de sorumludur.
Sıvılarda ve gazlarda moleküller arasındaki mesafe katılara göre daha fazladır. İletimin gerçekleşmesi için sıvılarda ve gazlarda moleküllerin aktivitesi, başlangıç konumlarından çok uzağa hareket etmeyecek şekildedir. Moleküller arasındaki büyük mesafeler nedeniyle, katılara kıyasla iletimin kapsamı nispeten küçüktür. Bir ortam içinden ısı iletim hızı, cismin geometrisine, cisim içindeki sıcaklık farklılığına ve malzeme ortamının kendisinin tipine bağlıdır.
Fourier Isı İletim Yasası
Yukarıdaki şekilde gösterilen ve iki boyutu l kalınlığına göre oldukça büyük olan düz bir levha örnek alınsın. A levhanın yüzey alanı, T1 ve T2 levha yüzey sıcaklıkları (T1 > T2) olsun. Sıcaklık geçişi T1 ( sıcak yüzeyinden T2 (soğuk) yüzeyine doğru olacaktır. Sıcaklık zamanla değişmemektedir. Deneyler ısı geçişinin,
şeklinde olduğunu göstermiştir. Yukarıdaki ifadede görüldüğü gibi, katı bir cisimden ısı geçiş hızı (T1-T2) sıcaklık farkı ve A yüzeyi ile doğru, levha kalınlığı L ile ters orantılıdır. Orantı kat sayısı k, yukarıdaki ifadenin içerisine yerleştirilirse,
şeklinde elde edilir. Burada k malzemenin bir özelliği olup, ısı iletim katsayısı olarak tanımlanır. Termodinamiğin 2.yasası gereği ısı iletimi sıcaklığın azaldığı yönde olacaktır. Bu nedenle sıcaklık farkı ile ısı akısı ters işaretlidir. Pozitif yönde ısı geçişi elde etmek için, yukarıdaki ifadenin önüne ( – ) işareti konulmuştur. Verilen ifade gerçekte aşağıda gösterildiği gibi, ısı iletim katsayısının bir tanımı olup,
şeklinde yazılabilir. k ısı iletim katsayısının boyutu SI birim sisteminde W/mK veya W/moC’dır.
Isı iletim katsayısı birim kalınlıkta sıcaklık artışı için iletilen ısı transfer hızıdır ve malzemeden malzemeye değişir. Basınca göre değişimi sıcaklığa göre değişiminden daha az olması nedeniyle ihmal edilir. Bu sebeple, ısı iletim katsayısı sıcaklığın bir fonksiyonu olarak kabul edilebilir. Birçok durumda ısı iletim katsayısı aşağıda verilen ifadede görüldüğü gibi sıcaklığa göre lineer olarak değişir.
burada k0 = k(T0) olup, T0 referans sıcaklığıdır. β bir sabittir ve ısı iletiminin sıcaklık katsayısı olarak adlandırılır.Birimi 1/K’dir. Isı geçişi Fourier ısı iletim yasasında k yerine yukarıdaki ifade konulursa,
bağıntısı elde edilir.
2. Konveksiyon (Convection)
Konveksiyon terimi en genel anlamıyla bir akışkanın hareketini ifade eder. Bu hareketin iki bileşeni vardır: sürüklenme ve yayılma.
Örneğin bir ırmağın üzerine bir miktar boya döktüğünüzü düşünün. Boya hem ırmakla birlikte sürüklenir hem de ırmağın içine yayılır. Konveksiyon bu iki hareketin toplamını ifade etmek için kullanılan bir terimdir.
Maddelerin konveksiyonuna benzer şekilde ısının konveksiyonundan da bahsedilebilir. Bu durumda ısı bir akışkan içinde hem “sürüklenir” hem de yayılır. Bu sürecin nasıl gerçekleştiğini aşağıdaki videoda izleyebilirsiniz.
Videoda bir sıvının ısıtıcı ile ısıtılması sırasında, ısının akışkan içinde nasıl dağıldığı görülüyor. Videoda en sıcak bölgeler beyaz renkle, en soğuk bölgeler ise mavi renkle gösteriliyor. Isıtıcının alevinin temas ettiği bölgedeki moleküller ısıtıcıdan aldıkları enerjiyi hem kendileri başka bölgelere taşıyor hem etraftaki moleküllere aktarıyor. Alevden doğrudan enerji alan bölgedeki moleküller birbirinden uzaklaştığı için bu bölgenin hacmi artıyor. Böylece genleşme sonucunda yoğunluğu azalan bölgedeki moleküller, yoğunluğu daha yüksek kısımların yaptığı basıncın etkisiyle yukarıya doğru sürükleniyor. Isı hareketinin diğer bileşeni olan yayılma ise yüksek enerjili moleküllerin düşük enerjili moleküllerle yaptığı çarpışmalar sırasında enerjilerinin bir kısmını bu moleküllere aktarması ile gerçekleşiyor.
Newton’un Viskoz Gerilimler Yasası
Newtonien akışkanlarda viskoz gerilimler için bir boyutlu olarak,
bağıntısı yazılabilir. Burada µ akışkanın özelliği ile ilgili dinamik viskoziteyi, y cidardan olan uzaklığı, dA diferansiyel alanı dF diferansiyel kayma kuvvetini, ve τ kayma gerilmesini gösterir.
Viskozite : Akışkanın akışa karşı gösterdiği direncin bir ölçümüdür. Sıvıların viskozitesi sıcaklıkla azalır, gazların viskozitesi ise sıcaklıkla artar. Birim boya karşı gelen kütle akış hızı dinamik viskozite olarak adlandırılır ve µ ile gösterilir. Birimi Ns/m2 veya kg/ms dir. Kinematik viskozite,
şeklinde verilir. Birimi m2/s dir.
Newton’un Soğuma Yasası
Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi bir katı yüzey üzerinden T∞ sıcaklıkta bir akışkan aksın. Yüzey ile temasta olan akışkan parçacıklarının hızları sıfırdır. Diğer akışkan parçacıkları durgun parçacıklar üzerinden kayarlar. Viskoz kuvvetler nedeniyle, cidarda parçacıkların sürüklenmesi engellenir. Viskoz kuvvetlerin etkisi yüzeyden başlayarak akış merkezine doğru azalır ve nihayet sınır tabaka kalınlığından sonra, parçacıkların hızı akışkan hızına ulaşır. Eğer katı yüzey sıcaklığı ile akışkan sıcaklığı arasında bir sıcaklık farkı varsa, bu takdirde yüzeyden durdun akışkan parçacıklarına doğru iletimle ısı geçişi olacaktır. Bu durumda yüzeydeki akışkan parçacıkları Tw yüzey sıcaklığına eşit olur ve sınır tabaka kalınlığı içinde asimtotik olarak serbest akış sıcaklığı olan T∞ değerine ulaşır ve aşağıdaki gibi yazılır.
Burada kf akışkanın ısı iletim katsayısı, Tf akışkan sıcaklığını, n yüzeye dik doğrultu ve w türevin yüzey boyunca olduğunu gösterir.
Newton katı bir yüzeyle temasta olan hareketli bir akışkan arasında birim alandan birim zamana geçen ısı akısını,
Bağıntısıyla verilmiştir. Burada Tw yüzey sıcaklığını, Tf sınır tabaka dışındaki akışkan sıcaklığını ve h taşınım katsayısını gösterir. Bu ifade Newton’un soğuma yasası olarak adlandırılır.
Isı taşınım katsayısının hesaplanması oldukça karmaşıktır. Deneysel olarak elde edilen ampirik bağıntılar yardımıyla bulunabilir. Isı taşınım katsayısı akışkanın özellikleri olan viskozite, yoğunluk, ısı iletim kat sayısı, akışkanın şekli, akış geometrisi ve akışkanın hızına bağlıdır. Boyutu SI birim sisteminde W/m2 K dir.
Isı ışınım katsayısı yüzey üzerinde lokal olarak farklı değerler alır. Mühendislik uygulamalarında yüzey boyunca ortalama ısı taşınım kat sayısı kullanılır. Yüzey boyunca ortalama ısı taşınım kat sayısı,
bağıntısı ile verilir.
ısı transferi proseslerinde, akışkanın haraketi bir pompa veya fan yardmıyla geçekleştirilirse, bu zorlanmış taşınım olarak adlandırılır. Eğer akışkan hareketi yoğunluk farkı nedeniyle kütlesel bir kuvvet etkisiyle gerçekleşirse, bu tür ısı taşınım olayına doğal taşınım denir. Yukarıdaki bağıntı ile verilen yüzey boyunca aşağıdaki gibi yazılır.
yukarıdaki ifadede verilen R=1 /hA değeri ısı taşınım direnci olarak adlandırılır.
3. Radyasyon (Radiation)
Radyasyon ile ısı transferi, elektromanyetik dalgaların yayınımı ile oluşur. Bu dalgalar, enerjiyi yayıldığı nesneden uzaklara taşırlar. Radyasyon, bir vakum veya herhangi bir şeffaf ortam (katı veya sıvı) yoluyla meydana gelir. Termal radyasyon, madde içerisinde bulunan atom ve moleküllerin yaptığı rastgele hareketlerin doğrudan sonucudur. Yüklü protonların ve elektronların hareketleri, elektromanyetik dalgaların yayılmasına neden olur.
Tüm malzemeler sıcaklıklarına göre termal enerji yaymaktadırlar. Malzeme ne kadar sıcaksa, o kadar çok termal enerji yayar. Güneş, güneş sistemi boyunca ısıyı yayan bir ısı radyasyonu örneğidir. Normal oda sıcaklığında, cisimler kızılötesi dalgalar olarak yayılırlar. Cisimlerin sıcaklıkları, yayılan dalga boyunu ve frenkansı üzerinde de bir etkiye sahiptir. Sıcaklık arttıkça, yayılan radyasyonun dalga boyları azalmaktadır ve böylelikle daha yüksek frekanslı daha kısa dalga boyları yayılır.
Yüzeye gelen ışınımın yansıyan kısmı (reflektiviti) yansıma katsayısı p , yutulan kısmı (obsorbtiviti) yutma katsayısı a ve geçen kısmı (transmissiviti) geçirme katsayısı τ ile verilir. Gelen ışınım 1 birim ise
p+a+ τ=1 yazılabilir. opak cisimler için τ =0 dır. Siyah bir cisim için a=1 alınır. Siyah cisme en yakın yüzeyler siyah karbon ve siyah platindir.
Stefan-Boltzmann Yasası
Bir yüzeyin birim alanından birim zamanda ışınım yayma gücü, yüzeyin mutlak sıcaklığının dördüncü kuvveti ile orantılıdır. Bu ifade,
Eb = σT4
Şekinde verilir. 1879 da Stefan tarafından verilen ve 1884’de Boltzmann tarafından teorik olarak elde edilen bağıntı Stefan-Boltzmann yasası olarak adlandırılır. Burada σ Stefan-Boltzmann sabiti T mutlak sıcaklık ve Eb siyah cisim için yayma gücüdür. SI birim sisteminde σ=5,67.10-8 W /M2 K4 şekindedir.
