convection naturelle. Types de convection et leurs différences

Coefficient de conductivité thermique à température ambiante.

L'ordre de grandeur du coefficient de conductivité thermique pour diverses substances.

Convection C'est la 2ème voie de transfert de chaleur dans l'espace.

Convection- c'est le transfert de chaleur dans les liquides et les gaz avec une distribution de température inégale due au mouvement des macroparticules.

Le transfert de chaleur avec des volumes macroscopiques de matière est appelé transfert de chaleur par convection, ou simplement convection.

Transfert de chaleur entre la surface liquide et solide. Ce processus a un nom spécial. transfert de chaleur par convection(la chaleur est transférée du liquide à la surface ou vice versa)

Mais la convection sous sa forme pure n'existe pas, elle s'accompagne toujours de conduction thermique, un tel transfert de chaleur conjoint est appelé transfert de chaleur par convection.

Le processus d'échange de chaleur entre la surface d'un corps solide et un liquide est appelé dissipation de la chaleur, et la surface du corps à travers laquelle la chaleur est transférée - surface de transfert de chaleur ou surface de transfert de chaleur.

Transfert de chaleur est le transfert de chaleur d'un fluide à un autre à travers une paroi solide qui les sépare.

Types de mouvement fluide. Distinguer convection forcée et convection naturelle. Le mouvement s'appelle forcé si cela se produit en raison de forces externes non liées au processus de transfert de chaleur. Par exemple, en raison de la communication d'énergie par une pompe ou un ventilateur. Le mouvement s'appelle libre, s'il est déterminé par le processus de transfert de chaleur et se produit en raison de la différence de densité des macroparticules de fluide chauffées et froides.

Modes.de.mouvement, liquides. Le mouvement fluide peut être stable et instable. établi appelé un tel mouvement dans lequel la vitesse en tous points de l'espace occupé par le fluide ne change pas avec le temps. Si la vitesse d'écoulement change dans le temps (en amplitude ou en direction), alors le mouvement sera transitoire.

Établi expérimentalement deux modes de mouvement fluide: laminaire et turbulent. À écoulement laminaire toutes les particules de fluide se déplacent parallèlement les unes aux autres et aux surfaces enveloppantes. À mode turbulent les particules d'un liquide se déplacent de manière aléatoire, désordonnée. Parallèlement au mouvement dirigé le long du flux, les particules peuvent se déplacer à travers et vers le flux. Dans ce cas, la vitesse du liquide change continuellement à la fois en amplitude et en direction.

La sélection des régimes laminaires et turbulents a grande importance, car le mécanisme de transfert de chaleur dans les liquides sera différent selon le mode. Dans le régime laminaire, la chaleur dans la direction transversale de l'écoulement n'est transférée que par conduction thermique, et dans la direction de l'écoulement, elle n'est transférée que par conduction thermique, et en turbulent, en plus, en raison de tourbillons turbulents ou de convection.

Le concept de couche limite. Des études ont montré que dans l'écoulement d'un fluide visqueux lavant un corps, à mesure qu'il s'approche de sa surface, la vitesse diminue et devient égale à zéro sur la surface elle-même. La conclusion selon laquelle la vitesse d'un fluide se trouvant à la surface d'un corps est nulle s'appelle l'hypothèse de collage. Elle est valable tant que le liquide peut être considéré comme un milieu continu.

Laissez un flux de fluide illimité se déplacer le long d'une surface plane (Fig.). La vitesse du fluide loin de lui est égale à w0, et sur la surface elle-même, selon l'hypothèse de non-glissement, elle est égale à zéro. Par conséquent, près de la surface, il y a une couche de liquide congelé appelé couche limite dynamique, dans laquelle la vitesse varie de 0 à ...... La vitesse dans la couche limite se rapprochant asymptotiquement de w 0 , on introduit la définition suivante de son épaisseur : épaisseur couche limite dynamique est la distance de la surface à laquelle la vitesse diffère de w0 d'une certaine quantité, généralement de 1 %.

Au fur et à mesure que l'on se déplace le long de la surface, l'épaisseur de la couche limite augmente. Tout d'abord, une couche limite laminaire est formée, qui devient instable avec l'augmentation de l'épaisseur et s'effondre, se transformant en une couche limite turbulente. Cependant, même ici, près de la surface, une fine sous-couche laminaire est conservée……., dans laquelle le liquide se déplace de manière laminaire. Sur la fig. montre le changement de vitesse dans le laminaire (section I) et turbulent (section II) le long

Convection- transfert de chaleur par déplacement de particules de matière. La convection n'a lieu que dans les substances liquides et gazeuses, ainsi qu'entre un milieu liquide ou gazeux et la surface d'un corps solide. Dans ce cas, il y a transfert de chaleur et conductivité thermique. L'effet combiné de la convection et de la conduction thermique dans la région limite près de la surface est appelé transfert de chaleur convectif.

La convection a lieu sur les surfaces extérieures et intérieures des clôtures du bâtiment. La convection joue un rôle important dans l'échange de chaleur des surfaces internes de la pièce. À différentes valeurs température de la surface et de l'air qui lui est adjacent, il y a une transition de la chaleur vers une température plus basse. Le flux de chaleur transmis par convection dépend du mode de déplacement du liquide ou du gaz lavant la surface, de la température, de la densité et de la viscosité du fluide en mouvement, de la rugosité de la surface, de la différence entre les températures de la surface et de l'environnement moyen.

Le processus d'échange de chaleur entre la surface et le gaz (ou le liquide) se déroule différemment selon la nature de l'occurrence du mouvement du gaz. Distinguer convection naturelle et forcée. Dans le premier cas, le mouvement du gaz se produit en raison de la différence de température entre la surface et le gaz, dans le second - en raison de forces extérieures à ce processus (fonctionnement du ventilateur, vent).

La convection forcée dans le cas général peut s'accompagner du processus de convection naturelle, mais comme l'intensité de la convection forcée dépasse sensiblement l'intensité de la convection naturelle, lorsqu'on considère la convection forcée, la convection naturelle est souvent négligée.

À l'avenir, seuls les processus stationnaires de transfert de chaleur par convection seront considérés, en supposant que la vitesse et la température sont constantes dans le temps en tout point de l'air. Mais comme la température des éléments de la pièce change assez lentement, les dépendances obtenues pour des conditions stationnaires peuvent être étendues au processus conditions thermiques non stationnaires de la pièce, auquel à chaque instant considéré le processus de transfert de chaleur par convection sur les surfaces intérieures des clôtures est considéré comme stationnaire. Les dépendances obtenues pour des conditions stationnaires peuvent également être étendues au cas d'un changement brutal de la nature de la convection de naturelle à forcée, par exemple, lorsqu'un dispositif de recirculation pour le chauffage d'une pièce (ventilo-convecteur ou système split en mode pompe à chaleur) est allumé dans une pièce. Premièrement, le nouveau mode de mouvement de l'air est établi rapidement et, deuxièmement, la précision requise de l'évaluation technique du processus de transfert de chaleur est inférieure aux inexactitudes possibles dues à l'absence de correction. flux de chaleur pendant l'état de transition.

Pour la pratique technique des calculs de chauffage et de ventilation, le transfert de chaleur par convection entre la surface de l'enveloppe du bâtiment ou du tuyau et l'air (ou le liquide) est important. Dans les calculs pratiques, pour estimer le flux de chaleur convectif (Fig. 3), les équations de Newton sont utilisées :

où q à- flux de chaleur, W, transféré par convection du milieu en mouvement à la surface ou vice versa ;

ta- température de l'air lavant la surface du mur, o C ;

τ - température de la surface du mur, o C ;

α à- coefficient de transfert de chaleur convectif sur la surface du mur, W / m 2. o C.

Fig.3 Échange de chaleur par convection du mur avec l'air

Coefficient de transfert de chaleur par convection, un à - quantité physique, numériquement égal à la quantité de chaleur transférée de l'air à la surface d'un corps solide par transfert de chaleur par convection à une différence entre la température de l'air et la température de surface du corps égale à 1 o C.

Avec cette approche, toute la complexité du processus physique de transfert de chaleur par convection réside dans le coefficient de transfert de chaleur, un à. Naturellement, la valeur de ce coefficient est fonction de nombreux arguments. Pour une utilisation pratique, des valeurs très approximatives sont acceptées un à.

L'équation (2.5) peut être facilement réécrite comme suit :

où R à - résistance au transfert de chaleur par convectionà la surface de la structure enveloppante, m 2. o C / W, égal à la différence de température à la surface de la clôture et à la température de l'air lors du passage d'un flux de chaleur d'une densité surfacique de 1 W / m 2 de la surface vers l'air ou vice versa. La résistance R à est l'inverse du coefficient de transfert de chaleur par convection un à.

Si vous étendez votre main au-dessus d'un poêle chaud ou d'une ampoule électrique allumée, vous pouvez sentir comment des jets d'air chaud s'élèvent au-dessus de ces objets. Une feuille de papier suspendue au-dessus d'une bougie allumée ou d'une ampoule électrique commence à tourner sous l'influence de l'air chaud qui monte.

Ce phénomène peut être expliqué comme suit. L'air entre en contact avec la lampe chaude, s'échauffe, se dilate et devient moins dense que l'air froid environnant. La force d'Archimède, qui agit sur l'air chaud du côté de l'air froid de bas en haut, dépasse la force de gravité, qui agit sur l'air chaud. Ainsi, l'air chaud monte, laissant ainsi place à l'air froid.

On peut observer des phénomènes similaires lorsqu'un liquide est chauffé par le bas. Les couches chaudes de liquide - moins denses, et donc plus légères - sont déplacées vers le haut par des couches froides plus denses et plus lourdes. Les couches froides de liquide, tombées, sont chauffées par une source de chaleur et sont à nouveau déplacées par un liquide moins chauffé. Ainsi, un tel mouvement réchauffe uniformément toute l'eau. Cela se voit plus clairement si vous mettez quelques cristaux de permanganate de potassium au fond du récipient, ce qui colore l'eau dans violet. Dans de telles expériences, nous pouvons observer un autre type de transfert de chaleur - convection(mot latin "convection"- transférer).

Il convient de noter que lors du processus de convection, l'énergie est déplacée par les jets de gaz ou de liquide eux-mêmes. Par exemple, dans une pièce avec chauffage, en raison du phénomène de convection, le flux d'air chauffé monte au plafond et l'air froid tombe au sol. Ainsi, l'air au sommet est beaucoup plus chaud que près du sol.

Il existe deux types de convection : Naturel(ou en d'autres termes gratuit) et forcé. Les exemples de chauffage de fluide et d'air dans une pièce sont des exemples de convection naturelle. On peut observer une convection forcée lorsque l'on brasse le liquide avec une cuillère, un agitateur, une pompe.

Les substances telles que les liquides et les gaz doivent être chauffées par le bas. Si vous faites le contraire - chauffez-les par le haut, il n'y aura pas de convection. Les couches chaudes ne peuvent physiquement pas s'enfoncer sous les couches froides, plus denses et plus lourdes. Ainsi, pour que le processus de convection se poursuive, il est nécessaire de chauffer les gaz et les liquides par le bas.

À solides la convection ne peut pas se produire. Nous savons déjà que dans les solides, les particules oscillent autour d'un certain point, car ils sont maintenus ensemble par une attraction mutuelle. Par conséquent, lorsque des solides sont chauffés, aucune substance ne peut s'y former. Dans les solides, l'énergie peut être transférée par conduction.

La convection est très répandue dans la nature : dans les couches inférieures l'atmosphère terrestre, mers, océans, dans les entrailles de notre planète, sur le Soleil (en couches jusqu'à une profondeur de ~ 20-30% du rayon du Soleil à partir de sa surface). A l'aide du phénomène de convection, les gaz et les liquides sont chauffés dans divers appareils techniques.

Un exemple simple de convection peut également être le refroidissement des aliments dans un réfrigérateur. Le gaz fréon circulant dans les tuyaux du réfrigérateur refroidit les couches d'air en haut du réfrigérateur. L'air refroidi, étant descendu, refroidit tous les produits, puis remonte. Lorsque nous déposons des aliments dans le réfrigérateur, n'entravez pas la circulation de l'air dans celui-ci. La grille, située derrière le réfrigérateur, sert à éliminer l'air chaud qui se forme dans le compresseur lors de la compression du gaz. Le mécanisme de refroidissement de la grille est également convectif, vous devez donc laisser un espace libre derrière le réfrigérateur afin que la convection puisse avoir lieu sans difficulté.

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