همرفت طبیعی انواع همرفت و تفاوت آنها

ضریب هدایت حرارتی در دمای اتاق.

ترتیب بزرگی ضریب هدایت حرارتی برای مواد مختلف.

همرفتاین دومین راه انتقال حرارت در فضا است.

همرفت- این انتقال گرما در مایعات و گازها با توزیع دمای ناهموار به دلیل حرکت ذرات بزرگ است.

انتقال گرما همراه با حجم های ماکروسکوپی ماده نامیده می شود انتقال حرارت همرفتی، یا به سادگی همرفت.

انتقال حرارت بین سطح مایع و جامد این فرآیند یک نام خاص دارد. انتقال حرارت همرفتی(گرما از مایع به سطح منتقل می شود یا برعکس)

اما همرفت به شکل خالص آن وجود ندارد، همیشه با هدایت گرما همراه است، چنین انتقال حرارت مشترکی نامیده می شود. انتقال حرارت همرفتی

فرآیند تبادل حرارت بین سطح جسم جامد و مایع را می گویند اتلاف گرماو سطحی از بدن که گرما از طریق آن منتقل می شود - سطح انتقال حرارت یا سطح انتقال حرارت.

انتقال حرارتانتقال گرما از یک سیال به سیال دیگر از طریق دیواره جامدی است که آنها را از هم جدا می کند.

انواع حرکت سیالهمرفت اجباری و طبیعی را تشخیص دهید. جنبش نامیده می شود مجبور شداگر به دلیل نیروهای خارجی غیر مرتبط با فرآیند انتقال حرارت رخ دهد. مثلاً به دلیل انتقال انرژی به آن توسط پمپ یا فن. جنبش نامیده می شود رایگان، اگر با فرآیند انتقال حرارت مشخص شود و به دلیل تفاوت در چگالی ذرات درشت سیال گرم شده و سرد رخ دهد.

حرکت.حالات، مایعات.حرکت سیال می تواند ثابت و ناپایدار باشد. ایجادچنین حرکتی نامیده می شود که در آن سرعت در تمام نقاط فضای اشغال شده توسط سیال با زمان تغییر نمی کند. اگر سرعت جریان در زمان (در قدر یا جهت) تغییر کند، آنگاه حرکت خواهد بود گذرا.

به طور تجربی دو حالت حرکت سیال ایجاد شد: آرام و آشفته. در جریان آرامهمه ذرات سیال به موازات یکدیگر و با سطوح محصور حرکت می کنند. در حالت آشفتهذرات یک مایع به طور تصادفی و نامنظم حرکت می کنند. همراه با حرکت جهت دار در طول جریان، ذرات می توانند در عرض و به سمت جریان حرکت کنند. در این حالت، سرعت مایع به طور مداوم هم از نظر مقدار و هم در جهت تغییر می کند.

انتخاب رژیم های آرام و متلاطم دارد پراهمیت، از آنجایی که مکانیسم انتقال حرارت در مایعات بسته به حالت متفاوت خواهد بود. در رژیم آرام، گرما در جهت عرضی جریان فقط با هدایت گرما و در جهت جریان فقط با رسانش گرما و در آشفته علاوه بر آن به دلیل گردابه های آشفته یا همرفت منتقل می شود.

مفهوم لایه مرزیمطالعات نشان داده است که در جریان سیال چسبناکی که جسمی را شستشو می دهد، با نزدیک شدن به سطح آن، سرعت کاهش می یابد و در خود سطح برابر با صفر می شود. به این نتیجه‌گیری که سرعت سیال روی سطح جسم صفر است، فرضیه چسبندگی می‌گویند. تا زمانی معتبر است که مایع را بتوان به عنوان یک محیط پیوسته در نظر گرفت.

اجازه دهید یک سیال نامحدود در امتداد یک سطح صاف حرکت کند (شکل). سرعت سیال دور از آن برابر w0 و در خود سطح طبق فرضیه عدم لغزش برابر با صفر است. بنابراین در نزدیکی سطح لایه ای از مایع منجمد وجود دارد که به آن می گویند لایه مرزی پویاکه در آن سرعت از 0 تا ...... از آنجایی که سرعت در لایه مرزی به طور مجانبی به w 0 نزدیک می شود، تعریف زیر از ضخامت آن ارائه شده است: ضخامت. لایه مرزی پویافاصله ای از سطحی است که در آن سرعت با w0 به میزان معینی، معمولاً 1٪ متفاوت است.

با حرکت در امتداد سطح، ضخامت لایه مرزی افزایش می یابد. ابتدا یک لایه مرزی آرام تشکیل می شود که با افزایش ضخامت ناپایدار شده و فرو می ریزد و به یک لایه مرزی متلاطم تبدیل می شود. با این حال، حتی در اینجا، در نزدیکی سطح، یک زیرلایه لایه نازک حفظ شده است…….، که در آن مایع به صورت آرام حرکت می کند. روی انجیر تغییر سرعت را در لامینار (بخش I) و آشفته (بخش II) در امتداد نشان می دهد.

همرفت- انتقال گرما با حرکت ذرات ماده. همرفت فقط در مواد مایع و گاز و همچنین بین یک محیط مایع یا گاز و سطح جسم جامد صورت می گیرد. در این حالت انتقال گرما و هدایت حرارتی وجود دارد. اثر ترکیبی همرفت و رسانش گرما در ناحیه مرزی نزدیک سطح، انتقال حرارت همرفتی نامیده می شود.

همرفت در سطوح بیرونی و داخلی نرده های ساختمان صورت می گیرد. همرفت نقش مهمی در تبادل حرارت سطوح داخلی اتاق دارد. در ارزش های مختلفدمای سطح و هوای مجاور آن، انتقال گرما به دمای پایین‌تر وجود دارد. شار حرارتی منتقل شده توسط همرفت به حالت حرکت مایع یا گازی که سطح را می شویند، به دما، چگالی و ویسکوزیته محیط متحرک، به زبری سطح، به تفاوت بین دمای سطح و محیط اطراف بستگی دارد. متوسط.

فرآیند تبادل حرارت بین سطح و گاز (یا مایع) بسته به ماهیت وقوع حرکت گاز، متفاوت پیش می‌رود. تمیز دادن همرفت طبیعی و اجباریدر حالت اول، حرکت گاز به دلیل اختلاف دما بین سطح و گاز رخ می دهد، در مورد دوم - به دلیل نیروهای خارجی این فرآیند (عملکرد فن، باد).

همرفت اجباری در حالت کلی می تواند با فرآیند همرفت طبیعی همراه باشد، اما از آنجایی که شدت همرفت اجباری به طور قابل توجهی از شدت همرفت طبیعی فراتر می رود، هنگام در نظر گرفتن جابجایی اجباری، جابجایی طبیعی اغلب نادیده گرفته می شود.

در آینده، با فرض ثابت بودن سرعت و دما در زمان در هر نقطه از هوا، تنها فرآیندهای ثابت انتقال حرارت همرفتی در نظر گرفته خواهد شد. اما از آنجایی که دمای عناصر اتاق به آرامی تغییر می کند، وابستگی های به دست آمده برای شرایط ثابت را می توان به فرآیند تعمیم داد. شرایط حرارتی غیر ثابت اتاق، که در هر لحظه در نظر گرفته شده فرآیند انتقال حرارت همرفتی در سطوح داخلی نرده ها ثابت در نظر گرفته می شود. وابستگی های به دست آمده برای شرایط ثابت را می توان به تغییر ناگهانی ماهیت همرفت از طبیعی به اجباری نیز تعمیم داد، به عنوان مثال، هنگامی که یک دستگاه چرخش برای گرم کردن یک اتاق (فن کویل یا سیستم اسپلیت در حالت پمپ حرارتی) است. در یک اتاق روشن شد اولاً، حالت جدید حرکت هوا به سرعت برقرار می شود و ثانیاً، دقت مورد نیاز ارزیابی مهندسی فرآیند انتقال حرارت کمتر از عدم دقت احتمالی ناشی از عدم اصلاح است. جریان دمادر دوران گذار

برای تمرین مهندسی محاسبات گرمایش و تهویه، انتقال حرارت همرفتی بین سطح پوشش ساختمان یا لوله و هوا (یا مایع) مهم است. در محاسبات عملی، برای تخمین شار حرارتی همرفتی (شکل 3)، از معادلات نیوتن استفاده می شود:

جایی که q به- شار گرما، W، منتقل شده توسط همرفت از محیط متحرک به سطح یا بالعکس.

تا- دمای هوای شستشوی سطح دیوار، o C؛

τ - دمای سطح دیوار، o C؛

α به- ضریب انتقال حرارت همرفتی روی سطح دیوار، W/m 2. o C.

شکل 3 تبادل حرارتی همرفتی دیوار با هوا

ضریب انتقال حرارت جابجایی، یک به - کمیت فیزیکی، عددی برابر با مقدار حرارتی است که از هوا به سطح جسم جامد با انتقال حرارت همرفتی با اختلاف دمای هوا و دمای سطح بدن برابر 1 درجه سانتیگراد منتقل می شود.

با این رویکرد، کل پیچیدگی فرآیند فیزیکی انتقال حرارت همرفتی در ضریب انتقال حرارت نهفته است. یک به. طبیعتا مقدار این ضریب تابعی از آرگومان های زیادی است. برای استفاده عملی، مقادیر بسیار تقریبی پذیرفته شده است یک به.

معادله (2.5) را می توان به راحتی به صورت زیر بازنویسی کرد:

جایی که R به - مقاومت در برابر انتقال حرارت همرفتیبر روی سطح سازه محصور، m 2. o C / W، برابر با اختلاف دما در سطح نرده و دمای هوا در هنگام عبور یک شار حرارتی با چگالی سطح 1 W / m2 از سطح به هوا یا بالعکس مقاومت R بهمتقابل ضریب انتقال حرارت همرفتی است یک به.

اگر دست خود را روی یک اجاق گاز داغ یا روی یک لامپ برقی در حال سوختن دراز کنید، می توانید احساس کنید که چگونه جت های هوای گرم از بالای این اجسام بالا می روند. یک ورق کاغذ که روی یک شمع یا لامپ در حال سوختن آویزان شده است، تحت تأثیر هوای گرم در حال افزایش شروع به چرخش می کند.

این پدیده را می توان به صورت زیر توضیح داد. هوا با لامپ داغ تماس پیدا می کند، گرم می شود، منبسط می شود و نسبت به هوای سرد اطراف چگالی کمتری پیدا می کند. نیروی ارشمیدس که بر هوای گرم از سمت هوای سرد از پایین به بالا وارد می شود، از نیروی گرانش که بر هوای گرم تأثیر می گذارد، بیشتر است. بنابراین، هوای گرم بالا می رود و در نتیجه جای خود را به هوای سرد می دهد.

هنگامی که یک مایع از پایین گرم می شود، می توانیم پدیده های مشابهی را مشاهده کنیم. لایه‌های گرم مایع - چگالی کمتر و در نتیجه سبک‌تر - توسط لایه‌های سرد متراکم‌تر و سنگین‌تر به سمت بالا جابه‌جا می‌شوند. لایه‌های سرد مایع که به پایین می‌افتند، توسط یک منبع گرما گرم می‌شوند و مجدداً توسط یک مایع کمتر گرم شده جابجا می‌شوند. بنابراین، چنین حرکتی به طور مساوی تمام آب را گرم می کند. اگر چند کریستال پرمنگنات پتاسیم را در کف ظرف قرار دهید که آب را رنگ می کند، این موضوع به وضوح قابل مشاهده است. رنگ بنفش. در چنین آزمایشاتی، ما می توانیم نوع دیگری از انتقال حرارت را مشاهده کنیم - همرفت(کلمه لاتین "همرفت"- منتقل کردن).

لازم به ذکر است که در طی فرآیند همرفت، انرژی توسط خود جت های گاز یا مایع به حرکت در می آید. به عنوان مثال، در یک اتاق با گرمایش، به دلیل پدیده همرفت، جریان هوای گرم شده به سقف بالا می رود و هوای سرد به کف می افتد. بنابراین، هوا در بالا بسیار گرمتر از نزدیک کف است.

دو نوع همرفت وجود دارد: طبیعی(یا به عبارت دیگر رایگان) و مجبور شدنمونه های گرمایش سیال و هوا در یک اتاق نمونه هایی از همرفت طبیعی هستند. وقتی مایع را با قاشق، همزن، پمپ هم بزنید، می توانیم همرفت اجباری را مشاهده کنیم.

موادی مانند مایعات و گازها باید از پایین گرم شوند. اگر برعکس عمل کنید - آنها را از بالا گرم کنید، همرفتی وجود نخواهد داشت. لایه های گرم از نظر فیزیکی نمی توانند زیر لایه های سرد، متراکم تر و سنگین تر فرو روند. بنابراین، برای ادامه فرآیند همرفت، لازم است گازها و مایعات را از زیر گرم کنید.

AT مواد جامدهمرفت نمی تواند رخ دهد. ما قبلاً می دانیم که در جامدات، ذرات حول یک نقطه خاص در نوسان هستند، زیرا آنها با جاذبه متقابل کنار هم نگه داشته می شوند. بنابراین، هنگامی که جامدات گرم می شوند، هیچ ماده ای در آنها تشکیل نمی شود. در جامدات، انرژی را می توان با رسانایی منتقل کرد.

همرفت در طبیعت گسترده است: در لایه های پایین اتمسفر زمین، دریاها ، اقیانوس ها ، در روده های سیاره ما ، روی خورشید (در لایه هایی تا عمق ~ 20-30٪ شعاع خورشید از سطح آن). با کمک پدیده همرفت، گازها و مایعات در دستگاه های فنی مختلف گرم می شوند.

یک مثال ساده از همرفت نیز می تواند خنک کردن مواد غذایی در یخچال باشد. گاز فریون که در لوله های یخچال به گردش در می آید، لایه های هوا را خنک می کند در بالای یخچال هوای خنک شده پس از پایین آمدن، تمام محصولات را خنک می کند و سپس دوباره بالا می رود. وقتی غذا را در یخچال می گذاریم مانع گردش هوا در آن نشویم. رنده ای که در پشت یخچال قرار دارد برای حذف هوای گرمی که در کمپرسور هنگام فشرده سازی گاز ایجاد می شود، عمل می کند. مکانیسم خنک کننده رنده نیز همرفتی است، بنابراین باید فضای خالی را در پشت یخچال بگذارید تا همرفت بدون مشکل انجام شود.

آیا هیچ سوالی دارید؟ نمی دانید چگونه تکالیف خود را انجام دهید؟
برای کمک گرفتن از یک معلم خصوصی -.
درس اول رایگان است

blog.site، با کپی کامل یا جزئی از مطالب، لینک به منبع الزامی است.