फिन (विस्तारित सतह)

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कुछ परिष्कृत तत्व

गर्मी हस्तांतरण के अध्ययन में, पंख सतह होते हैं जो संवहन को बढ़ाकर या वातावरण से गर्मी हस्तांतरण की दर को बढ़ाने के लिए एक वस्तु से विस्तारित होते हैं। किसी वस्तु के ऊष्मा चालन, संवहन या विकिरण की मात्रा यह निर्धारित करती है कि वह कितनी ऊष्मा स्थानांतरित करती है। वस्तु और प्राकृतिक वातावरण के बीच तापमान ढाल में वृद्धि, संवहन ताप हस्तांतरण गुणांक में वृद्धि, या वस्तु के सतह क्षेत्र में वृद्धि से गर्मी हस्तांतरण में वृद्धि होती है। कभी-कभी पहले दो विकल्पों को बदलना तार्किक संभावना या किफायती नहीं होता है। इस प्रकार, किसी वस्तु में एक फिन जोड़ने से, सतह क्षेत्र में वृद्धि होती है और कभी-कभी गर्मी हस्तांतरण की समस्याओं का एक किफायती समाधान हो सकता है।

वन-पीस फिनेड हीट सिंक बाहर निकालना , कास्टिंग, स्काइविंग मशीन, या मिलिंग (मशीनिंग) द्वारा निर्मित होते हैं।

सामान्य मामला

फिन के गर्मी हस्तांतरण के लिए एक सुगम समीकरण बनाने के लिए, कई मान्यताओं को बनाने की जरूरत है:

1. स्थिर अवस्था
2. लगातार भौतिक गुण (तापमान से स्वतंत्र)
3. कोई आंतरिक ताप उत्पादन नहीं
4. एक आयामी चालन
5. यूनिफ़ॉर्म क्रॉस-सेक्शनल एरिया
6. सतह क्षेत्र में समान संवहन

इन धारणाओं के साथ, ऊर्जा के संरक्षण का उपयोग फिन के अंतर क्रॉस सेक्शन के लिए ऊर्जा संतुलन बनाने के लिए किया जा सकता है:

${\dot {Q}}(x+dx)={\dot {Q}}(x)+d{\dot {Q}}_{conv}.$

फूरियर का नियम कहता है कि

${\dot {Q}}(x)=-kA_{c}\left({\frac {dT}{dx}}\right),$

कहाँ $A_{c}$ अंतर तत्व का क्रॉस-सेक्शनल क्षेत्र है। इसके अलावा, संवहनी गर्मी प्रवाह गर्मी हस्तांतरण गुणांक एच की परिभाषा के माध्यम से निर्धारित किया जा सकता है,

$q''=h\left(T-T_{\infty }\right),$

कहाँ $T_{\infty }$ आसपास का तापमान है। विभेदक संवहन ऊष्मा प्रवाह तब फिन क्रॉस-सेक्शन P की परिधि से निर्धारित किया जा सकता है,

$d{\dot {Q}}_{conv}=Ph\left(T-T_{\infty }\right)dx.$

ऊर्जा संरक्षण के समीकरण को अब तापमान के रूप में व्यक्त किया जा सकता है,

$-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x+dx}=-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x}+Ph\left(T-T_{\infty }\right)dx.$

इस समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करने और व्युत्पन्न की परिभाषा का उपयोग करने से तापमान के लिए निम्न अंतर समीकरण प्राप्त होता है,

$k{\frac {d}{dx}}\left(A_{c}{\frac {dT}{dx}}\right)-Ph\left(T-T_{\infty }\right)=0$;

बाईं ओर के व्युत्पन्न को फिन समीकरण के सबसे सामान्य रूप में विस्तारित किया जा सकता है,

$kA_{c}{\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}+k{\frac {dA_{c}}{dx}}{\frac {dT}{dx}}-Ph\left(T-T_{\infty }\right)=0.$

क्रॉस-अनुभागीय क्षेत्र, परिधि और तापमान सभी x के कार्य हो सकते हैं।

एकसमान क्रॉस-सेक्शनल एरिया

यदि फिन की लंबाई के साथ एक निरंतर क्रॉस-सेक्शन होता है, तो क्षेत्र और परिधि स्थिर होती है और तापमान के लिए अंतर समीकरण बहुत सरल हो जाता है

${\frac {d^{2}T}{dx^{2}}}={\frac {hP}{kA_{c}}}\left(T-T_{\infty }\right).$

कहाँ $m^{2}={\frac {hP}{kA_{c}}}$ और $\theta (x)=T(x)-T_{\infty }$. स्थिरांक $C_{1}$ और $C_{2}$ अब उचित सीमा शर्तों को लागू करके पाया जा सकता है।

समाधान

पंख का आधार आम तौर पर एक स्थिर संदर्भ तापमान पर सेट होता है, $\theta _{b}(x=0)=T_{b}-T_{\infty }$. चार सामान्य रूप से संभव फिन टिप हैं ($x=L$) स्थितियाँ, हालाँकि: टिप को संवहन ताप हस्तांतरण, अछूता, एक स्थिर तापमान पर, या आधार से इतनी दूर परिवेश के तापमान तक पहुँचने के लिए उजागर किया जा सकता है।

पहले मामले के लिए, दूसरी सीमा शर्त यह है कि टिप पर मुक्त संवहन है। इसलिए,

$hA_{c}\left(T(L)-T_{\infty }\right)=-kA_{c}\left.\left({\frac {dT}{dx}}\right)\right\vert _{x=L},$

जो सरल करता है

$h\theta (L)=-k\left.{\frac {d\theta }{dx}}\right\vert _{x=L}.$

दो सीमा स्थितियों को अब उत्पादन के लिए जोड़ा जा सकता है

$h\left(C_{1}e^{mL}+C_{2}e^{-mL}\right)=km\left(C_{2}e^{-mL}-C_{1}e^{mL}\right).$

यह समीकरण स्थिरांक के लिए हल किया जा सकता है $C_{1}$ और $C_{2}$ तापमान वितरण खोजने के लिए, जो नीचे दी गई तालिका में है।

शेष मामलों के लिए एकीकरण के स्थिरांक खोजने के लिए एक समान दृष्टिकोण का उपयोग किया जा सकता है। दूसरे मामले के लिए, टिप को अछूता माना जाता है, या दूसरे शब्दों में शून्य का ताप प्रवाह होता है। इसलिए,

$\left.{\frac {d\theta }{dx}}\right\vert _{x=L}=0.$

तीसरे मामले के लिए, टिप पर तापमान स्थिर रहता है। इसलिए, सीमा शर्त है:

$\theta (L)=\theta _{L}$

चौथे और अंतिम मामले के लिए, फिन को असीम रूप से लंबा माना जाता है। इसलिए, सीमा शर्त है:

$\lim _{L\rightarrow \infty }\theta _{L}=0\,$

अंत में, हम गर्मी हस्तांतरण की समग्र दर निर्धारित करने के लिए फिन के आधार पर तापमान वितरण और फूरियर के नियम का उपयोग कर सकते हैं,

${\dot {Q}}_{\text{total}}={\sqrt {hPkA_{c}}}(C_{2}-C_{1}).$

समाधान प्रक्रिया के परिणामों को नीचे दी गई तालिका में संक्षेपित किया गया है।

Temperature distribution and heat transfer rate for fins of uniform cross sectional area

Case	Tip condition (x=L)	Temperature distribution	Fin heat transfer rate
A	Convection heat transfer	${\frac {\theta }{\theta _{b}}}={\frac {\cosh {m(L-x)}+\left({\frac {h}{mk}}\right)\sinh {m(L-x)}}{\cosh {mL}+\left({\frac {h}{mk}}\right)\sinh {mL}}}$	${\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}{\frac {\sinh {mL}+{\frac {h}{mk}}\cosh {mL}}{\cosh {mL}+{\frac {h}{mk}}\sinh {mL}}}$
B	Adiabatic	${\frac {\theta }{\theta _{b}}}={\frac {\cosh {m(L-x)}}{\cosh {mL}}}$	${\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}\tanh {mL}$
C	Constant Temperature	${\frac {\theta }{\theta _{b}}}={\frac {{\frac {\theta _{L}}{\theta _{b}}}\sinh {mx}+\sinh {m(L-x)}}{\sinh {mL}}}$	${\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}{\frac {\cosh {mL}-{\frac {\theta _{L}}{\theta _{b}}}}{\sinh {mL}}}$
D	Infinite Fin Length	${\frac {\theta }{\theta _{b}}}=e^{-mx}$	${\sqrt {hPkA_{c}}}\theta _{b}$

प्रदर्शन

फिन के प्रदर्शन को तीन अलग-अलग तरीकों से वर्णित किया जा सकता है। पहली अंतिम प्रभावशीलता है। यह फिन हीट ट्रांसफर रेट का अनुपात है (${\dot {Q}}_{f}$) वस्तु की ऊष्मा अंतरण दर के लिए यदि उसमें कोई फिन नहीं था। इसके लिए सूत्र है:

$\epsilon _{f}={\frac {{\dot {Q}}_{f}}{hA_{c,b}\theta _{b}}},$

कहाँ $A_{c,b}$ आधार पर अंतिम क्रॉस-आंशिक क्षेत्र है। फिन परफॉर्मेंस को फिन एफिशिएंसी द्वारा भी जाना जा सकता है। यह पंख की ऊष्मा अंतरण दर और पंख की ऊष्मा अंतरण दर का अनुपात है यदि पूरा पंख आधार तापमान पर होता है,

$\eta _{f}={\frac {{\dot {Q}}_{f}}{hA_{f}\theta _{b}}}.$

$A_{f}$ इस समीकरण में फिन के सतह क्षेत्र के बराबर है। फिन दक्षता हमेशा एक से कम होगी, क्योंकि पूरे फिन के तापमान को बेस तापमान पर मानते हुए गर्मी हस्तांतरण दर में वृद्धि होगी।

तीसरे तरीके से फिन के प्रदर्शन का वर्णन समग्र सतह दक्षता के साथ किया जा सकता है,

$\eta _{o}={\frac {{\dot {Q}}_{t}}{hA_{t}\theta _{b}}},$

कहाँ $A_{t}$ कुल क्षेत्रफल है और ${\dot {Q}}_{t}$ अपरिष्कृत आधार क्षेत्र और सभी फिन्स से ऊष्मा अंतरण का योग है। यह पंखों की एक सरणी के लिए दक्षता है।

• 

  कम दक्षता वाले कूलिंग फिन्स के साथ एल्युमिनियम हीट सिंक

• 

  उच्च दक्षता वाले कूलिंग फिन के साथ एल्यूमीनियम हीट सिंक।

उल्टे पंख (गुहा)

खुली गुहाओं को आसन्न पंखों के बीच बने क्षेत्रों के रूप में परिभाषित किया गया है और न्यूक्लियेट उबलने या संक्षेपण के आवश्यक प्रवर्तकों के लिए खड़ा है। इन गुहाओं का उपयोग आमतौर पर विभिन्न प्रकार के ताप पैदा करने वाले निकायों से गर्मी निकालने के लिए किया जाता है। 2004 से अब तक, कई शोधकर्ताओं को गुहाओं के इष्टतम डिजाइन की खोज करने के लिए प्रेरित किया गया है।

उपयोग करता है

पंखों का उपयोग आमतौर पर हीट एक्सचेंजिंग उपकरणों जैसे कारों में रेडियेटर , कंप्यूटर CPU ताप सिंक और बिजली संयंत्रों में उष्मा का आदान प्रदान करने वाला ्स में किया जाता है। उनका उपयोग नई तकनीक जैसे हाइड्रोजन ईंधन कोशिकाओं में भी किया जाता है। प्रकृति ने भी पंखों की घटना का लाभ उठाया है। जैकबबिट्स और फेनेक लोमड़ियों के कान उनके माध्यम से बहने वाले रक्त से गर्मी को मुक्त करने के लिए पंख के रूप में कार्य करते हैं।

संदर्भ

• Incropera, Frank; DeWitt, David P.; Bergman, Theodore L.; Lavine, Adrienne S. (2007). Fundamentals of Heat and Mass Transfer (6 ed.). New York: John Wiley & Sons. pp. 2–168. ISBN 978-0-471-45728-2.