【प्रतिदिन एक प्रश्न】 रसायन इंजीनियरिंग सिद्धांत 221: संवहन द्वारा ऊष्मा हस्तांतरण (2 नवंबर)
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अब से “रसायन विज्ञान सिद्धांत” विभाग में “प्रतिदिन एक प्रश्न” नामक कार्यक्रम शुरू हो रहा है। इसका उद्देश्य लोगों को रसायन विज्ञान संबंधी बुनियादी ज्ञान को मजबूत करने में मदद करना है। आगे चलकर “रसायन विज्ञान के सिद्धांत”, “पदार्थों का स्थानांतरण एवं पृथक्करण”, “रसायन विज्ञान में ऊष्मागतिकी” आदि विषयों पर भी कार्यक्रम शुरू किए जाएंगे। हम आशा करते हैं कि सभी लोग इस कार्यक्रम का सक्रिय रूप से समर्थन करेंगे। “प्रतिदिन एक प्रश्न” कार्यक्रम में दिए गए प्रश्नों के उत्तर सीधे ही दिए जाएंगे; 1 दिन बाद यह विषय बंद कर दिया जाएगा! ! भाग लेने पर ही 3 वित्तीय पुरस्कार मिलते हैं; सही उत्तर देने पर अतिरिक्त 3 वित्तीय पुरस्कार भी मिलते हैं।सरल प्रश्न: संवहन द्वारा ऊष्मा स्थानांतरण की प्रक्रिया क्या है?
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों में बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तेज़ गति से घूर्णन होता है, जिससे कण आपस में मिल जाते हैं एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता। ； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ तेज़ी से घूमने लगता है, जिससे विभिन्न कण आपस में मिल जाते हैं एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रह जाता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
यह ऊष्मा संचरण का एक तरीका है; इसमें पदार्थों के प्रत्यक्ष संपर्क या मिश्रण के माध्यम से ऊष्मा स्थानांतरित होती है।
कृपया संवहनीय ऊष्मा हस्तांतरण की प्रक्रिया के बारे में विस्तार से बताइए।
उत्तर: जब गर्म तरल पदार्थ किसी पाइप में बहता है, तो अशांत धारा में तरल पदार्थ तेज़ी से गति करता है, जिससे चक्र बन जाते हैं। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रह जाता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
उत्तर: जब गर्म तरल पदार्थ किसी पाइप में बहता है, तो अशांत धारा में तरल पदार्थ तेज़ी से गति करता है, जिससे चक्र बन जाते हैं। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रह जाता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
तरल या गैस में ऊष्मा का एक स्थान से दूसरे स्थान तक स्थानांतरण।
संवहनीय ऊष्मा-स्थानांतरण, ऊष्मा-स्थानांतरण का एक मूलभूत तरीका है। ऊष्मा ऊर्जा, तरल या गैस में एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुँचने की प्रक्रिया है। मुख्य रूप से, कणों की स्थिति में होने वाले परिवर्तनों के कारण ही तापमान समान हो जाता है। यह तरल पदार्थों एवं गैसों में ऊष्मा-स्थानांतरण की प्रक्रिया है; अर्थात् ऊष्मा, तरल या गैस में एक स्थान से दूसरे स्थान तक स्थानांतरित होती है।
कृपया, संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण की प्रक्रिया के बारे में विस्तार से बताइए।
उत्तर: संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण, ठंडे एवं गर्म तरल पदार्थों के कणों के आपसी स्थानांतरण के माध्यम से होता है। जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों के माध्यम से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र उथल-पुथल होती है; इससे घूर्णन उत्पन्न होता है, जिससे कण आपस में मिल जाते हैं एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। तापमान काफी समान होता है; लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं होता। लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में एक पतली परत होती है, जिसमें तरल पदार्थ प्रवाहित होता है। इस पतली परत में ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचरण के माध्यम से होता है, अर्थात् अणुओं के माध्यम से।
उत्तर: संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण, ठंडे एवं गर्म तरल पदार्थों के कणों के आपसी स्थानांतरण के माध्यम से होता है। जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों के माध्यम से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र उथल-पुथल होती है; इससे घूर्णन उत्पन्न होता है, जिससे कण आपस में मिल जाते हैं एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। तापमान काफी समान होता है; लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं होता। लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में एक पतली परत होती है, जिसमें तरल पदार्थ प्रवाहित होता है। इस पतली परत में ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचरण के माध्यम से होता है, अर्थात् अणुओं के माध्यम से।
आम तौर पर यह 3 चरणों में होता है। सबसे पहले, तरल पदार्थ 1 का हीट एक्सचेंजर की दीवारों के साथ संवहनीय हीट एक्सचेंज होता है; फिर हीट एक्सचेंजर की दीवारों से ऊष्मा का संचरण होता है; और अंत में, हीट एक्सचेंजर की दीवारों का तरल पदार्थ 2 के साथ संवहनीय हीट एक्सचेंज होता है।
वाहक हीटिंग की प्रक्रिया के बारे में विस्तार से बताइए। जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ तेज़ी से गति करता है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, जिससे ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। ऐसी स्थिति में तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं होता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
उत्तर: जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र गति होती है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
संवहनीय ऊष्मा-स्थानांतरण, ऊष्मा-स्थानांतरण का एक मूलभूत तरीका है। ऊष्मा ऊर्जा, तरल या गैस में एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुँचने की प्रक्रिया है। मुख्य रूप से, कणों की स्थिति में होने वाले परिवर्तनों के कारण ही तापमान समान हो जाता है। यह तरल पदार्थों एवं गैसों में ऊष्मा-स्थानांतरण की प्रक्रिया है; अर्थात् ऊष्मा, तरल या गैस में एक स्थान से दूसरे स्थान तक स्थानांतरित होती है। मुख्य रूप से, कणों की स्थिति में होने वाले परिवर्तनों के कारण ही तापमान समान हो जाता है। यह तरल पदार्थों एवं गैसों में ऊष्मा संचरण का मुख्य तरीका है। लेकिन इसके साथ अक्सर ऊष्मा-संचरण भी होता है। आम तौर पर, उत्पन्न होने के कारणों के आधार पर, स्वाभाविक संवहन एवं जबरदस्ती प्रेरित संवहन ऐसे दो प्रकार होते हैं। प्रवाह की स्थिति के आधार पर, इसे स्तरीय ऊष्मा हस्तांतरण एवं अशांत ऊष्मा हस्तांतरण में विभाजित किया जा सकता ह जबकि, संवहन द्वारा ऊष्मा-हस्तांतरण की प्रक्रिया में, माध्यमों के आपस में विपरीत दिशाओं में संपर्क होने से, या ट्यूबों की दीवारों के माध्यम से ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इससे ऊष्मा संचरण की प्रक्रिया में सुधार होता है। उत्पादन प्रक्रिया में उपयोग होने वाले ऊष्मा-अंतरणक, संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण के बहुत ही उदाहरण हैं।
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से होकर बहता है, तो अशांत धारा में तरल पदार्थ तेज़ी से गतिमान होता है, जिससे चक्रवात बनते हैं। इस कारण कण आपस में मिल जाते हैं एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है; इससे तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता। लेकिन पाइप की दीवार के निकट, एक बहुत ही पतली परत होती है, जिसमें तरल पदार्थ स्थिर गति से बहता है। इस पतली परत में ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही होता है। सूक्ष्म स्तर पर, ऊष्मा का संचरण अणुओं के माध्यम से होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए ऊष्मा-प्रतिरोध मुख्य रूप से परतधारा की निचली परत में ही होता है। नली के अंदर होने वाली परतधारा में भी ऊष्मा का संचरण मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही होता है। लेकिन तापमान में (अक्षीय, ऊर्ध्वाधर) वितरण होता है। इसके अलावा, घनत्व में अंतर होने के कारण कणों में प्रवाह होता है; इसलिए यह प्रक्रिया काफी जटिल है।
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र गति होती है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
कृपया, संवहनीय ऊष्मा हस्तांतरण की प्रक्रिया के बारे में विस्तार से बताइए।
**परिभाषा:** संवहन केवल तरल पदार्थों में ही होता है। यह तरल पदार्थ की स्थूल गति के कारण तरल पदार्थ के विभिन्न भागों के बीच होने वाली सापेक्ष गति के कारण ऊष्मा का हस्तांतरण है। उदाहरण के लिए, घुमावदार ट्यूबों में होने वाला संवहनीय ऊष्मा हस्तांतरण। चूँकि तरल पदार्थ के विभिन्न भाग आपस में संपर्क में होते हैं, इसलिए तरल पदार्थ की समग्र गति के कारण होने वाली ऊष्मा-संवहन के अलावा, तरल पदार्थ के सूक्ष्म कणों की गति के कारण भी ऊष्मा-संचरण होता है। इंजीनियरिंग में, तरल पदार्थों के ठोस सतहों से होकर गुजरने के दौरान ऊष्मा का स्थानांतरण एक आम प्रक्रिया है; इसे “संवहनी ऊष्मा स्थानांतरण” कहा जाता है। संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण का वर्णन आमतौर पर न्यूटन के शीतलन सिद्धांत के द्वारा किया जाता है। अर्थात्, जब tf तापमान वाला तरल पदार्थ, tw तापमान वाली गर्म दीवार द्वारा गर्म किया जाता है, तो प्रति वर्ग इकाई पर होने वाली ऊष्मा-हस्तांतरण दर को q = a(tw – tf) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। जब tf तापमान वाला तरल पदार्थ, tw तापमान वाली ठंडी दीवार द्वारा ठंडा किया जाता है, तो q = a(tf – tw) होता है। यहाँ, q, संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण की दर है, जिसकी इकाई W/m² है। ； a, अनुपात गुणांक है; इसे संवहनी ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक कहा जाता है, जिसकी इकाई W/(m²·℃) है। न्यूटन के शीतलन सूत्र के अनुसार, प्रति वर्ग इकाई क्षेत्रफल पर होने वाली संवहनी ऊष्मा-हस्तांतरण दर, तापमान-अंतर के समानुपात में होती है। मूल सिद्धांत: इंजीनियरिंग में, संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण का अर्थ है तरल पदार्थों एवं ठोस सतहों के बीच ऊष्मा का हस्तांतरण; ऐसा हस्तांतरण तरल पदार्थ के कणों की गति के कारण होता है। इसलिए, यह तरल पदार्थों के प्रवाह से घनिष्ठ रूप से संबंधित है। गर्म तरल, अपनी ऊष्मा को ठोस दीवारों तक पहुँचाता है; फिर वे दीवारें उस ऊष्मा को ठंडे तरल तक पहुँचाती हैं। जलगतिकी के अनुसार, जब कोई तरल पदार्थ किसी गोलाकार सतह से होकर बहता है, तो सतह के निकट हमेशा एक पतली परत ऐसी होती है, जिसमें तरल पदार्थ सतह के साथ-साथ प्रवाहित होता है; इसे ही “स्तरीय प्रवाह” कहा जाता है। जब तरल पदार्थ स्तरीय प्रवाह में होता है, तो प्रवाह की दिशा के लंबवत दिशा में ऊष्मा का स्थानांतरण मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही होता है। चूँकि अधिकांश तरल पदार्थों का ऊष्मा संचरण गुणांक कम होता है, इसलिए ऊष्मा संचरण में आने वाली बाधाएँ मुख्य रूप से लेयर्ड प्रवाह की निचली परत में ही होती हैं; तापमान अंतर भी मुख्य रूप से उसी परत में ही होता है। जबकि टर्बुलेंट माध्यम में, प्रवाही कणों के तीव्र मिश्रण के कारण, ऊष्मा संचरण हेतु कोई बाधा नहीं होती; अर्थात् टर्बुलेंट माध्यम में लगभग कोई तापमान-ांतर ही नहीं होता। लेयर्ड प्रवाह की निचली सतह एवं टर्बुलेंट प्रवाह के मुख्य भाग के बीच एक संक्रमण क्षेत्र होता है। इस संक्रमण क्षेत्र में, ऊष्मा संचरण एवं ऊष्मा संवहन दोनों ही कार्य करते हैं; जिसके कारण इस क्षेत्र का तापमान धीरे-धीरे बदलता रहता है। अतः, लेयर्ड प्रवाह की निचली परत में तापमान-अंतर अधिक होता है; ऊष्मा-स्थानांतरण में प्रमुख बाधा भी इसी परत में ही होती है। इसलिए, लेयर्ड प्रवाह की निचली परत की मोटाई δ को कम करना, संवहनी ऊष्मा-स्थानांतरण को बेहतर बनाने का एक महत्वपूर्ण तरीका है। ऊष्मा संचरण विज्ञान में, इस परत को “ऊष्मा संचरण सीमा परत” (Thermal Boundary Layer) भी कहा जाता है। द्रव्यमान-संचरण ऊष्मा-हस्तांतरण प्रक्रिया के विश्लेषण से पता चलता है कि इस जटिल ऊष्मा-हस्तांतरण प्रक्रिया पर कई कारकों का प्रभाव पड़ता है। सुविधा हेतु, इंजीनियरिंग में एक सरलीकृत विधि अपनाई जाती है; अर्थात् तरल पदार्थ के बीच का सम्पूर्ण ताप-ांतर एक पतली परत में ही माना जाता है, जिसकी मोटाई δ है। लेकिन इस पतली परत की मोटाई θ को मापना कठिन है; इसलिए λ/δ के स्थान पर α का उपयोग किया जाता है। इस प्रकार द्रव्यमान-संचरण ऊष्मा-हस्तांतरण दर को निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया जाता है। इस समीकरण को “द्रव्यमान-संचरण ऊष्मा-हस्तांतरण दर समीकरण” कहा जाता है; इसे “न्यूटन का शीतलन नियम” भी कहा जाता है। सूत्र में: Φ – संवहनी ऊष्मा हस्तांतरण दर। (ऊष्मा प्रवाह दर rw)
A – ऊष्मा संचरण का क्षेत्रफल, मीटर²
ΔT – संवहनीय ऊष्मा संचरण हेतु तापमान अंतर, °C/K
Tw – तरल पदार्थ के संपर्क में आने वाली दीवार का तापमान, °C
T – तरल पदार्थ का औसत तापमान
α – संवहनीय ऊष्मा संचरण गुणांक
R – संवहनीय ऊष्मा संचरण हेतु प्रतिरोध, °C/W
यह कोई सैद्धांतिक निष्कर्ष नहीं है; बल्कि यह एक अनुमान है। अर्थात्, यह माना जाता है कि प्रति इकाई क्षेत्रफल पर होने वाली ऊष्मा-हस्तांतरण दर, तापमान-अंतर ΔT के समानुप – सभी जटिल कारकों को ही संवहनी ऊष्मा-हस्तांतरण गुणांक α में शामिल कर दिया गया है। प्रभावित करने वाले कारक: ① ऊष्मा संचरण की प्रक्रिया में तरल पदार्थ में कोई चरण-परिवर्तन, वाष्पीकरण या संघनन होता है या नहीं। ②तरल पदार्थों की प्रवाह स्थिति एवं उसके कारण। ③तरल पदार्थों के प्रवाह के कारण: जबरदस्ती होने वाला संवहन, प्राकृतिक संवहन। ④वस्तुओं के भौतिक गुण: ρ, Cp, λ, μ, आयतन-विस्तार गुणांक आदि। ⑤ताप संचरण हेतु उपयोग में आने वाली सतहों का आकार, स्थान एवं अन्य विशेषताएँ।
**परिभाषा:** संवहन केवल तरल पदार्थों में ही होता है। यह तरल पदार्थ की स्थूल गति के कारण तरल पदार्थ के विभिन्न भागों के बीच होने वाली सापेक्ष गति के कारण ऊष्मा का हस्तांतरण है। उदाहरण के लिए, घुमावदार ट्यूबों में होने वाला संवहनीय ऊष्मा हस्तांतरण। चूँकि तरल पदार्थ के विभिन्न भाग आपस में संपर्क में होते हैं, इसलिए तरल पदार्थ की समग्र गति के कारण होने वाली ऊष्मा-संवहन के अलावा, तरल पदार्थ के सूक्ष्म कणों की गति के कारण भी ऊष्मा-संचरण होता है। इंजीनियरिंग में, तरल पदार्थों के ठोस सतहों से होकर गुजरने के दौरान ऊष्मा का स्थानांतरण एक आम प्रक्रिया है; इसे “संवहनी ऊष्मा स्थानांतरण” कहा जाता है। संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण का वर्णन आमतौर पर न्यूटन के शीतलन सिद्धांत के द्वारा किया जाता है। अर्थात्, जब tf तापमान वाला तरल पदार्थ, tw तापमान वाली गर्म दीवार द्वारा गर्म किया जाता है, तो प्रति वर्ग इकाई पर होने वाली ऊष्मा-हस्तांतरण दर को q = a(tw – tf) के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। जब tf तापमान वाला तरल पदार्थ, tw तापमान वाली ठंडी दीवार द्वारा ठंडा किया जाता है, तो q = a(tf – tw) होता है। यहाँ, q, संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण की दर है, जिसकी इकाई W/m² है। ； a, अनुपात गुणांक है; इसे संवहनी ऊष्मा हस्तांतरण गुणांक कहा जाता है, जिसकी इकाई W/(m²·℃) है। न्यूटन के शीतलन सूत्र के अनुसार, प्रति वर्ग इकाई क्षेत्रफल पर होने वाली संवहनी ऊष्मा-हस्तांतरण दर, तापमान-अंतर के समानुपात में होती है। मूल सिद्धांत: इंजीनियरिंग में, संवहनीय ऊष्मा-हस्तांतरण का अर्थ है तरल पदार्थों एवं ठोस सतहों के बीच ऊष्मा का हस्तांतरण; ऐसा हस्तांतरण तरल पदार्थ के कणों की गति के कारण होता है। इसलिए, यह तरल पदार्थों के प्रवाह से घनिष्ठ रूप से संबंधित है। गर्म तरल, अपनी ऊष्मा को ठोस दीवारों तक पहुँचाता है; फिर वे दीवारें उस ऊष्मा को ठंडे तरल तक पहुँचाती हैं। जलगतिकी के अनुसार, जब कोई तरल पदार्थ किसी गोलाकार सतह से होकर बहता है, तो सतह के निकट हमेशा एक पतली परत ऐसी होती है, जिसमें तरल पदार्थ सतह के साथ-साथ प्रवाहित होता है; इसे ही “स्तरीय प्रवाह” कहा जाता है। जब तरल पदार्थ स्तरीय प्रवाह में होता है, तो प्रवाह की दिशा के लंबवत दिशा में ऊष्मा का स्थानांतरण मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही होता है। चूँकि अधिकांश तरल पदार्थों का ऊष्मा संचरण गुणांक कम होता है, इसलिए ऊष्मा संचरण में आने वाली बाधाएँ मुख्य रूप से लेयर्ड प्रवाह की निचली परत में ही होती हैं; तापमान अंतर भी मुख्य रूप से उसी परत में ही होता है। जबकि टर्बुलेंट माध्यम में, प्रवाही कणों के तीव्र मिश्रण के कारण, ऊष्मा संचरण हेतु कोई बाधा नहीं होती; अर्थात् टर्बुलेंट माध्यम में लगभग कोई तापमान-ांतर ही नहीं होता। लेयर्ड प्रवाह की निचली सतह एवं टर्बुलेंट प्रवाह के मुख्य भाग के बीच एक संक्रमण क्षेत्र होता है। इस संक्रमण क्षेत्र में, ऊष्मा संचरण एवं ऊष्मा संवहन दोनों ही कार्य करते हैं; जिसके कारण इस क्षेत्र का तापमान धीरे-धीरे बदलता रहता है। अतः, लेयर्ड प्रवाह की निचली परत में तापमान-अंतर अधिक होता है; ऊष्मा-स्थानांतरण में प्रमुख बाधा भी इसी परत में ही होती है। इसलिए, लेयर्ड प्रवाह की निचली परत की मोटाई δ को कम करना, संवहनी ऊष्मा-स्थानांतरण को बेहतर बनाने का एक महत्वपूर्ण तरीका है। ऊष्मा संचरण विज्ञान में, इस परत को “ऊष्मा संचरण सीमा परत” (Thermal Boundary Layer) भी कहा जाता है। द्रव्यमान-संचरण ऊष्मा-हस्तांतरण प्रक्रिया के विश्लेषण से पता चलता है कि इस जटिल ऊष्मा-हस्तांतरण प्रक्रिया पर कई कारकों का प्रभाव पड़ता है। सुविधा हेतु, इंजीनियरिंग में एक सरलीकृत विधि अपनाई जाती है; अर्थात् तरल पदार्थ के बीच का सम्पूर्ण ताप-ांतर एक पतली परत में ही माना जाता है, जिसकी मोटाई δ है। लेकिन इस पतली परत की मोटाई θ को मापना कठिन है; इसलिए λ/δ के स्थान पर α का उपयोग किया जाता है। इस प्रकार द्रव्यमान-संचरण ऊष्मा-हस्तांतरण दर को निम्नलिखित रूप में व्यक्त किया जाता है। इस समीकरण को “द्रव्यमान-संचरण ऊष्मा-हस्तांतरण दर समीकरण” कहा जाता है; इसे “न्यूटन का शीतलन नियम” भी कहा जाता है। सूत्र में: Φ – संवहनी ऊष्मा हस्तांतरण दर। (ऊष्मा प्रवाह दर rw)
A – ऊष्मा संचरण का क्षेत्रफल, मीटर²
ΔT – संवहनीय ऊष्मा संचरण हेतु तापमान अंतर, °C/K
Tw – तरल पदार्थ के संपर्क में आने वाली दीवार का तापमान, °C
T – तरल पदार्थ का औसत तापमान
α – संवहनीय ऊष्मा संचरण गुणांक
R – संवहनीय ऊष्मा संचरण हेतु प्रतिरोध, °C/W
यह कोई सैद्धांतिक निष्कर्ष नहीं है; बल्कि यह एक अनुमान है। अर्थात्, यह माना जाता है कि प्रति इकाई क्षेत्रफल पर होने वाली ऊष्मा-हस्तांतरण दर, तापमान-अंतर ΔT के समानुप – सभी जटिल कारकों को ही संवहनी ऊष्मा-हस्तांतरण गुणांक α में शामिल कर दिया गया है। प्रभावित करने वाले कारक: ① ऊष्मा संचरण की प्रक्रिया में तरल पदार्थ में कोई चरण-परिवर्तन, वाष्पीकरण या संघनन होता है या नहीं। ②तरल पदार्थों की प्रवाह स्थिति एवं उसके कारण। ③तरल पदार्थों के प्रवाह के कारण: जबरदस्ती होने वाला संवहन, प्राकृतिक संवहन। ④वस्तुओं के भौतिक गुण: ρ, Cp, λ, μ, आयतन-विस्तार गुणांक आदि। ⑤ताप संचरण हेतु उपयोग में आने वाली सतहों का आकार, स्थान एवं अन्य विशेषताएँ।
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों के माध्यम से बहता है, तो अशांत धारा में तरल पदार्थ तेज़ी से गतिमान होता है, जिससे चक्रवात बनते हैं। इस कारण कण आपस में मिल जाते हैं एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है; इससे तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता। लेकिन पाइप की दीवार के ठीक बगल में, एक बहुत ही पतली परत होती है, जिसमें तरल पदार्थ स्थिर धारा में बहता है (यह “स्थिर-धारा परत” है)। इस पतली परत में ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचरण के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह आणविक स्तर पर ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को लैमिनार प्रवाह की निचली परत म नल के आंतरिक स्तर पर होने वाली प्रवाह-प्रक्रिया में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही होता है। लेकिन चूँकि तापमान में अंतर होता है (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), इस कारण कणों का संवहन होता है, जिससे परिस्थितियाँ और जटिल हो जाती हैं।
तरल पदार्थ के प्रवाह के दौरान, ऊष्मा पाइप की दीवारों के माध्यम से बाहरी दीवार तक पहुँच जाती ह
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र गति होती है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तारों को मध्यम एवं निचली परतों में ही रखना नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र गति होती है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र गति होती है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
उत्तर: जब गर्म तरल पदार्थ पाइपों से बहता है, तो अशांत धाराओं के कारण तरल पदार्थ में तीव्र गति होती है, जिससे घूर्णन उत्पन्न होता है। इसके कारण तरल पदार्थ के कण आपस में मिल जाते हैं, एवं ऊष्मा का आदान-प्रदान होता है। इस प्रकार तापमान समान रहता है, एवं लगभग कोई तापमान-अंतर नहीं रहता।； लेकिन ट्यूब की दीवार के ठीक बगल में, परतदार प्रवाह वाले तरल पदार्थ की एक बहुत ही पतली परत होती है (परतदार प्रवाह की निचली परत)। इस पतली परत में, ऊष्मा का संचरण ऊष्मा-संचालन के माध्यम से होता है; सूक्ष्म स्तर पर, यह अणुओं के माध्यम से ही होता है। चूँकि तरल पदार्थों का ऊष्मा-संचरण गुणांक बहुत कम होता है, इसलिए थर्मल रेजिस्टेंस वाले तंतुओं को जलधारा की सतह के नीचे ही र नली के आंतरिक स्तर पर होने वाले प्रवाह में, ऊष्मा-स्थानांतरण भी मुख्य रूप से ऊष्मा-संचरण के माध्यम से ही ह लेकिन तापमान के कारण (अक्षीय एवं त्रिज्यीय दिशाओं में), घनत्व में अंतर होता है; इसके कारण कणों में प्रवाह होता है, जिससे स्थिति और भी जटिल हो जाती है।
संवहनीय ऊष्मा-स्थानांतरण, ऊष्मा-स्थानांतरण का एक मूलभूत तरीका है। ऊष्मा ऊर्जा, तरल या गैस में एक स्थान से दूसरे स्थान तक पहुँचने की प्रक्रिया है। मुख्य रूप से, कणों की स्थिति में होने वाले परिवर्तनों के कारण ही तापमान समान हो जाता है। यह तरल पदार्थों एवं गैसों में ऊष्मा-स्थानांतरण की प्रक्रिया है; अर्थात् ऊष्मा, तरल या गैस में एक स्थान से दूसरे स्थान तक स्थानांतरित होती है।