convección natural. Tipos de convección y en qué se diferencian

Coeficiente de conductividad térmica a temperatura ambiente.

El orden de magnitud del coeficiente de conductividad térmica para varias sustancias.

Convección Esta es la segunda forma de transferencia de calor en el espacio.

Convección- esta es la transferencia de calor en líquidos y gases con una distribución de temperatura desigual debido al movimiento de macropartículas.

La transferencia de calor junto con volúmenes macroscópicos de materia se llama transferencia de calor por convección, o simplemente convección.

Transferencia de calor entre superficie líquida y sólida. Este proceso tiene un nombre especial. transferencia de calor por convección(el calor se transfiere del líquido a la superficie o viceversa)

Pero la convección en su forma pura no existe, siempre va acompañada de conducción de calor, tal transferencia de calor conjunta se llama transferencia de calor por convección.

El proceso de intercambio de calor entre la superficie de un cuerpo sólido y un líquido se llama disipación de calor, y la superficie del cuerpo a través del cual se transfiere el calor - superficie de transferencia de calor o superficie de transferencia de calor.

Transferencia de calor es la transferencia de calor de un fluido a otro a traves de una pared solida que los separa.

Tipos de movimiento de fluidos. Distinguir entre convección forzada y natural. El movimiento se llama forzado si ocurre debido a fuerzas externas no relacionadas con el proceso de transferencia de calor. Por ejemplo, por la comunicación de energía al mismo mediante una bomba o un ventilador. El movimiento se llama libre, si está determinado por el proceso de transferencia de calor y ocurre debido a la diferencia en las densidades de macropartículas de fluido caliente y frío.

Movimiento.modos, líquidos. El movimiento de un fluido puede ser constante e inestable. establecido llamado movimiento en el que la velocidad en todos los puntos del espacio ocupado por el fluido no cambia con el tiempo. Si la velocidad del flujo cambia con el tiempo (en magnitud o dirección), entonces el movimiento será transitorio.

Estableció experimentalmente dos modos de movimiento de fluidos: laminar y turbulento. A flujo laminar todas las partículas de fluido se mueven paralelas entre sí y con respecto a las superficies circundantes. A modo turbulento las partículas de un líquido se mueven al azar, desordenadamente. Junto con el movimiento dirigido a lo largo del flujo, las partículas pueden moverse a través y hacia el flujo. En este caso, la velocidad del líquido cambia continuamente tanto en magnitud como en dirección.

La selección de regímenes laminar y turbulento ha gran importancia, ya que el mecanismo de transferencia de calor en los líquidos será diferente según el modo. En régimen laminar, el calor en la dirección transversal del flujo se transfiere solo por conducción de calor, y en la dirección del flujo se transfiere solo por conducción de calor, y en turbulento, además, debido a vórtices turbulentos o convección.

El concepto de capa límite. Los estudios han demostrado que en el flujo de un fluido viscoso que lava un cuerpo, a medida que se acerca a su superficie, la velocidad disminuye y se vuelve igual a cero en la superficie misma. La conclusión de que la velocidad de un fluido que se encuentra sobre la superficie de un cuerpo es cero se denomina hipótesis de adherencia. Es válido siempre que el líquido pueda ser considerado como un medio continuo.

Deje que un flujo de fluido ilimitado se mueva a lo largo de una superficie plana (Fig.). La velocidad del fluido lejos de ella es igual a w0, y en la superficie misma, según la hipótesis de no deslizamiento, es igual a cero. Por lo tanto, cerca de la superficie hay una capa de líquido congelado llamada capa límite dinámica, en la que la velocidad varía de 0 a ...... Dado que la velocidad en la capa límite tiende a w 0 asintóticamente, se introduce la siguiente definición de su espesor: espesor capa límite dinámica es la distancia desde la superficie a la que la velocidad difiere de w0 en cierta cantidad, generalmente 1%.

A medida que uno se mueve a lo largo de la superficie, el espesor de la capa límite aumenta. Primero, se forma una capa límite laminar, que se vuelve inestable a medida que aumenta el espesor y colapsa, convirtiéndose en una capa límite turbulenta. Sin embargo, incluso aquí, cerca de la superficie, se conserva una subcapa laminar delgada…., en la que el líquido se mueve laminarmente. En la fig. muestra el cambio de velocidad dentro de la laminar (sección I) y turbulenta (sección II) a lo largo

Convección- transferencia de calor por partículas de materia en movimiento. La convección tiene lugar solo en sustancias líquidas y gaseosas, así como entre un medio líquido o gaseoso y la superficie de un cuerpo sólido. En este caso, hay una transferencia de calor y conductividad térmica. El efecto combinado de la convección y la conducción de calor en la región límite cerca de la superficie se llama transferencia de calor por convección.

La convección tiene lugar en las superficies exterior e interior de las vallas del edificio. La convección juega un papel importante en el intercambio de calor de las superficies internas de la habitación. A valores diferentes temperatura de la superficie y del aire adyacente a ella, hay una transición de calor hacia una temperatura más baja. El flujo de calor transmitido por convección depende del modo de movimiento del líquido o gas que lava la superficie, de la temperatura, densidad y viscosidad del medio en movimiento, de la rugosidad de la superficie, de la diferencia entre las temperaturas de la superficie y del entorno. medio.

El proceso de intercambio de calor entre la superficie y el gas (o líquido) procede de manera diferente dependiendo de la naturaleza del movimiento del gas. Distinguir Convección natural y forzada. En el primer caso, el movimiento del gas se produce debido a la diferencia de temperatura entre la superficie y el gas, en el segundo, debido a fuerzas externas a este proceso (funcionamiento del ventilador, viento).

La convección forzada en el caso general puede ir acompañada del proceso de convección natural, pero dado que la intensidad de la convección forzada excede notablemente la intensidad de la convección natural, cuando se considera la convección forzada, la convección natural a menudo se desprecia.

En el futuro, solo se considerarán los procesos estacionarios de transferencia de calor por convección, asumiendo que la velocidad y la temperatura son constantes en el tiempo en cualquier punto del aire. Pero como la temperatura de los elementos de la habitación cambia con bastante lentitud, las dependencias obtenidas para las condiciones estacionarias se pueden extender al proceso condiciones térmicas no estacionarias de la habitación, en el que en cada momento considerado el proceso de transferencia de calor por convección en las superficies internas de las cercas se considera estacionario. Las dependencias obtenidas para condiciones estacionarias también se pueden extender al caso de un cambio repentino en la naturaleza de la convección de natural a forzada, por ejemplo, cuando se utiliza un dispositivo de recirculación para calentar una habitación (fancoil o sistema split en modo bomba de calor). encendido en una habitación. En primer lugar, el nuevo modo de movimiento del aire se establece rápidamente y, en segundo lugar, la precisión requerida de la evaluación de ingeniería del proceso de transferencia de calor es menor que las posibles imprecisiones por la falta de corrección. flujo de calor durante el estado de transición.

Para la práctica de ingeniería de los cálculos de calefacción y ventilación, es importante la transferencia de calor por convección entre la superficie de la envolvente o tubería del edificio y el aire (o líquido). En cálculos prácticos, para estimar el flujo de calor convectivo (Fig. 3), se utilizan las ecuaciones de Newton:

dónde q a- flujo de calor, W, transferido por convección desde el medio en movimiento a la superficie o viceversa;

ejército de reserva- temperatura del aire que lava la superficie de la pared, o C;

τ - temperatura de la superficie de la pared, o C;

α a- coeficiente de transferencia de calor por convección en la superficie de la pared, W / m 2. o C.

Fig.3 Intercambio de calor por convección de la pared con el aire

coeficiente de transferencia de calor por convección, un a - cantidad física, numéricamente igual a la cantidad de calor transferido del aire a la superficie de un cuerpo sólido por transferencia de calor por convección a una diferencia entre la temperatura del aire y la temperatura de la superficie del cuerpo igual a 1 o C.

Con este enfoque, toda la complejidad del proceso físico de transferencia de calor por convección radica en el coeficiente de transferencia de calor, un a. Naturalmente, el valor de este coeficiente es una función de muchos argumentos. Para uso práctico se aceptan valores muy aproximados un a.

La ecuación (2.5) se puede reescribir convenientemente como:

dónde R a - resistencia a la transferencia de calor por convección en la superficie de la estructura de cerramiento, m 2. o C / W, igual a la diferencia de temperatura en la superficie de la cerca y la temperatura del aire durante el paso de un flujo de calor con una densidad superficial de 1 W / m 2 desde el superficie al aire o viceversa. Resistencia R a es el recíproco del coeficiente de transferencia de calor por convección un a.

Si estira la mano sobre una estufa caliente o sobre una bombilla eléctrica encendida, puede sentir cómo se elevan chorros de aire caliente sobre estos objetos. Una hoja de papel suspendida sobre una vela encendida o una bombilla eléctrica comienza a girar bajo la influencia del aire caliente que asciende.

Este fenómeno puede ser explicado de la siguiente manera. El aire entra en contacto con la lámpara caliente, se calienta, se expande y se vuelve menos denso que el aire frío circundante. La fuerza de Arquímedes, que actúa sobre el aire caliente desde el lado del aire frío de abajo hacia arriba, supera la fuerza de gravedad, que actúa sobre el aire caliente. Así, el aire caliente asciende, dando paso al aire frío.

Podemos observar fenómenos similares cuando un líquido se calienta desde abajo. Las capas cálidas de líquido, menos densas y, por lo tanto, más ligeras, son desplazadas hacia arriba por capas frías más densas y pesadas. Las capas frías de líquido, una vez caídas, son calentadas por una fuente de calor y nuevamente son desplazadas por un líquido menos calentado. Por lo tanto, tal movimiento calienta uniformemente toda el agua. Esto se puede ver más claramente si pones unos cristales de permanganato de potasio en el fondo del recipiente, que colorea el agua en violeta. En tales experimentos, podemos observar otro tipo de transferencia de calor: convección(palabra latina "convección"- transferir).

Cabe señalar que durante el proceso de convección, la energía es movida por los propios chorros de gas o líquido. Por ejemplo, en una habitación con calefacción, debido al fenómeno de la convección, el flujo de aire caliente sube al techo y el aire frío cae al suelo. Por lo tanto, el aire en la parte superior es mucho más cálido que cerca del suelo.

Hay dos tipos de convección: natural(o en otras palabras gratis) y forzado. Los ejemplos de fluido de calefacción y aire en una habitación son ejemplos de convección natural. Podemos observar convección forzada cuando agitamos el líquido con una cuchara, un agitador, una bomba.

Las sustancias como líquidos y gases deben calentarse desde abajo. Si hace lo contrario, caliéntelos desde arriba, no habrá convección. Las capas cálidas no pueden hundirse físicamente debajo de las capas frías, más densas y más pesadas. Por lo tanto, para que se produzca el proceso de convección, es necesario calentar los gases y líquidos desde abajo.

A sólidos la convección no puede ocurrir. Ya sabemos que en los sólidos, las partículas oscilan alrededor de un punto determinado, porque se mantienen unidos por atracción mutua. Por lo tanto, cuando los sólidos se calientan, no se puede formar ninguna sustancia en ellos. En los sólidos, la energía se puede transferir por conducción.

La convección está muy extendida en la naturaleza: en las capas inferiores atmósfera terrestre, mares, océanos, en las entrañas de nuestro planeta, en el Sol (en capas hasta una profundidad de ~ 20-30% del radio del Sol desde su superficie). Con la ayuda del fenómeno de la convección, los gases y líquidos se calientan en varios dispositivos técnicos.

Un ejemplo simple de convección también puede ser el enfriamiento de alimentos en un refrigerador. El gas freón que circula por los conductos del frigorífico enfría las capas de aire en la parte superior del refrigerador. El aire enfriado, al bajar, enfría todos los productos y luego vuelve a subir. Cuando coloquemos alimentos en el refrigerador, no impida la circulación de aire en él. La rejilla, ubicada detrás del refrigerador, sirve para eliminar el aire caliente que se forma en el compresor durante la compresión del gas. El mecanismo de enfriamiento de la parrilla también es convectivo, por lo que debe dejar espacio libre detrás del refrigerador para que la convección se realice sin dificultad.

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