Circuite de incalzire prin efect Joule
Vilcu Georgiana EPA I
Transferul caldurii prin conductie:
Cum se propagă căldura prin conducţie? Atunci când încălzim capătulunei bare metalice, căldura se propagă cu repeziciune către celălalt capăt.Vibraţia moleculelor de la capătul fierbinte al barei devine din ce în ce maiputernică pe măsură ce temperatura creşte, iar în timp ce moleculele se ciocnesccu altele aflate în vecinătate, o parte din energia lor cinetică este transferatăacestora care la rândul lor o transferă altora şi aşa mai departe. Astfel energiamişcării termice este transferată de la o moleculă la următoarea, moleculelerămânând în poziţia lor iniţială. Electronii liberi joacă, de asemenea, un rolimportant în conducţia căldurii. Aceştia, în deplasarea lor, vor ajunge în părţilemai reci ale metalului, unde îşi vor transfera energia electronilor de aici saureţelei atomice. Aceasta este şi motivul pentru care metalele sunt atât de buneconducătoare de căldură. Alte substanţe solide (ca de exemplu lemnul, sticla,plasticul nu conduc atât de bine căldura, ele numindu-se izolatoare termice.Vasele de bucătărie sunt adesea făcute din metal, tocmai datorită faptului cămetalul propagă bine căldura de la sursa de foc către alimente, în timp cemânerele vaselor sunt din materiale izolante care îl feresc pe cel ce utilizeazăvasele să se ardă la mâini. Schimbul de căldură poate fi studiat atât în regim de variabil cât şi înregim permanent sau staţionar. În regim variabil, temperatura în diferite puncteale corpului variază cu timpul, iar în regim staţionar (permanent) temperaturacorpului într-un punct oarecare nu mai variază. În acest ultim caz, cantitatea decăldură ce vine dintr-un elemant de volum este egală cu cea care pleacă din acelelement.Din legea Fourier se poate constata că cu cât creşte conductivitateatermică, schimbul de căldură se măreşte, ceilalţi factori neschimbaţi. De aceea osubstanţă pentru care K este mare este un bun conducător de căldură, iar pentruK mic, substanţa este slab conducătoare de căldură sau un bun izolator. Nuexistă un conducător de căldură perfect (K=∞) sau un izolator termic perfect(K=0).
Termenul de convecţie este asociat transferului de căldură provocat dedeplasarea unei porţiuni calde a substanţei în interiorul acesteia, având ca efectformarea unor curenţi.Corpurile nu intră în contact, spre deosebire de transferul căldurii princonducţie. Fenomenul de convecţie are loc într-un mediu fluid.Exemple în care este implicată convecţia pot fi: curgerea sângelui princorp, sistemul de încălzire cu apă caldă sau cu aer cald (tirajul sobelor saufuncţionarea caloriferelor). De ce se încălzeşte tot conţinutul unui vas pus pe foc,deşi numai fundul acestuia este în contact direct cu sursa de căldură? Aceastase explică prin curenţii de convecţie ce transportă căldura dinspre regiunile caldespre cele reci. Aceşti curenţi apar şi circulă în toate fluidele în care existădiferenţe de temperatură.Convecţia este determinată de două cauze, corespunzând la două tipuride procese:1) Diferenţa de densitate a fluidului, provocată de diferenţa detemperatură dintre diferitele puncte ale acestuia conduce la apariţiaunei mişcări libere (naturale) şi atunci are loc convecţia liberă saunaturală.2) Efectul unei acţiuni mecanice exterioare (pompă, ventilator) asuprafluidului ce determină apariţia unei mişcări forţate conduce la oconvecţie forţată.Regimul de curgere este caracterizat prin numărul lui Reynolds. În funcţiede valoarea acestui număr (Re) se disting următoarele categorii de procese detransfer termic prin convecţie: Convecţie în regim laminar, când 04000.Cunoaşterea regimului de curgere este esenţială pentru înţelegereamecanismului convecţiei: În regim laminar, convecţia se realizează prin conducţie termică înfluid;
În regim turbulent convecţia are loc prin conducţie termică în stratullimită (stratul de fluid din vecinătatea peretelui) şi prin transfer de masă şiimpuls în zona centrală a curgerii În figura din stânga se prezintă distribuţia de viteze a fluidului dintr-o conductă circulară dreaptă în cazul mişcării fluidului ideal. Nu există frecări şi ca urmare distribuţia de viteze este constantă. În figura din dreapta se prezintă distribuţia de viteze a fluidului dintr-o conductă circulară dreaptă în cazul mişcării laminare a fluidului real. Particulele de fluid curg în straturi paralele cu axa conductei. Distribuţia de viteze este parabolică, având un maxim în axul conductei.
Teoria stratului limită Stratul limită este stratul de fluid din imediata vecinătate a unui corp solid în care se manifestă foarte intens efectul eforturilor tangenţiale şi în care se produce o variaţie accentuată a vitezei fluidului.
1-zona curentului exterior
2-zona stratului limită
Grosimea stratului limită este dată de distanţa măsurată la suprafaţa exterioară a corpului solid, perpendiculară pe acesta, până la care viteza diferă cu 1% faţă de viteza curentului exterior. Desprinderea stratului limită şi formarea vârtejurilor (cazul unui cilindru circular drept orizontal).
Figura a corespunde curgerii fluidului ideal. Fluidul care vine iniţial cu o energie cinetică spre punctul A, pe măsura apropierii de acest punct îşi transformă energia cinetică în energie de presiune. Apoi fluidul alunecă fără frecări pe conturul solid până în B, unde are din nou o energie cinetică maximă şi energie de presiune nulă. Lucrurile se petrec în continuare simetric iar la depărtarea de corp energia de presiune se transformă din nou în energie cinetică. Fluidul evoluează fără frecări pe contur astfel încât energia îşi menţine valoarea maximă iniţială. Figura b corespunde curgerii fluidului real. Energia cinetică se transformă în energie de presiune către punctul A; se deplasează fluidul cu frecări până în B, în care viteza scade şi apoi către D, astfel încât în D nu mai are viteză suficientă pentru a urma conturul solid al corpului. Fluidul întâlneşte o zonă de presiune ridicată şi ca urmare se produce desprinderea fluidului de corpul solid.
Ca urmare particula fluidă este împinsă către curentul de fluid exterior. Acesta reintroduce particula fluidă în stratul limită şi se formează astfel un vârtej care evoluează către aval, formându-se aşa numitele dâre hidrodinamice sau aerodinamice (care se mai numesc şi dâre turbionare). În mod practic, pentru a obţine corpuri cu coeficienţi de rezistenţă la înaintare mici, se determină experimental repartiţia de presiuni pe suprafaţa exterioară a corpului, se calculează integrala presiunii pe întreaga suprafaţă şi se determină în final coeficientul de rezistenţă la înaintare. Se modelează suprafaţa exterioară, experimental sau prin simulare numerică cu calculatorul, până la obţinerea coeficientului de rezistenţă la înaintare minim Efectul termic (denumit i efect Joule-Lenz) este reprezentat de disiparea căldurii într-un conductor traversat de un curent electric. Aceasta se datorează interac iunii particulelor curentului (de regulă electroni) cu atomii conductorului, interac iuni prin care primele le cedează ultimilor din energia lor cinetică, contribuind la mărirea agita iei termice în masa conductorului..
Aplica ii industriale Produsele folosite la încălzirea industrială, precum i pentru uzul casnic, func ionează pe baza efectului Joule-Lenz. Elementul de circuit comun în construc ia acestor produse este un rezistor (sau mai multe, grupate adecvat) în care se dezvoltă efectul Joule al curentului electric. Rezistorul său (elementul rezistiv care disipă căldura) este realizat din nicrom, feronicrom, fecral, kanthal, cromal .a. Aceste materiale sunt rezistente la temperaturi mari, au rezistivitate electrică ridicată i un coeficient mare de temperatură al rezistivită ii. Efectul termic al curentului electric are multiple aplica ii industriale: cuptoarele încălzite electric, tăierea metalelor, sudarea cu arc electric etc.
O alta aplicatie al acestor dispozitive de incalzire ar putea fi incalzirea prin pardoseala. incalzirea prin pardoseala isi are originea in sistemul de incalzire roman, denumit hypocaust. Acesta se realizeaza fie prin introducerea unui sistem de incalzire cu apa calda ce trece prin serpentinele inglobate in sapa de beton, fie prin inglobarea unor rezistente elecrice sub pardoseala caramica. Spre deosebire de incalzirea prin radiatoare, acest sistem elimina corpurile de incalzit de pe pereti, economisind spatiul, insa prezinta acelasi dezavantaj: al uscarii aerului.. Pentru a optimiza randamentul se pune si un termostat.
