자연 대류. 대류의 유형과 차이점

실온에서의 열전도 계수.

다양한 물질에 대한 열전도 계수의 크기 순서.

전달- 공간에서의 열전달의 두 번째 방법입니다.

전달거대 입자의 움직임으로 인해 온도 분포가 고르지 않은 액체 및 기체에서 열이 전달되는 것입니다.

물질의 거시적 부피와 함께 열이 전달되는 것을 대류 열전달또는 단순히 전달.

액체와 고체 표면 사이의 열 교환. 이 프로세스에는 특별한 이름이 있습니다. 대류 열전달(열은 액체에서 표면으로 또는 그 반대로 전달됩니다)

그러나 대류는 순수한 형태로 존재하지 않으며 항상 열전도도를 동반하므로 이러한 결합 열 전달을 대류 열전달.

고체 표면과 액체 사이의 열교환 과정을 액체라고 한다. 열전달, 그리고 열이 전달되는 신체의 표면은 열전달 표면 또는 열전달 표면.

열전달액체를 분리하는 단단한 벽을 통해 한 액체에서 다른 액체로 열이 전달되는 것입니다.

유체 이동의 유형.강제 대류와 자연 대류는 구별됩니다. 운동이라고 합니다 강요된,열교환 과정과 관련되지 않은 외부 힘으로 인해 발생하는 경우. 예를 들어, 펌프나 팬을 사용하여 에너지를 전달합니다. 운동이라고 합니다 무료, 열교환 과정에 의해 결정되고 가열된 액체 거대입자와 차가운 액체 거대입자의 밀도 차이로 인해 발생하는 경우.

운동 모드, 유체.유체 운동은 안정적일 수도 있고 불안정할 수도 있습니다. 꾸준한이는 유체가 차지하는 공간의 모든 지점에서의 속도가 시간에 따라 변하지 않는 운동입니다. 유속이 시간에 따라(크기나 방향에서) 변하면 움직임은 다음과 같습니다. 불안정한.

유체 운동의 두 가지 모드(층류 및 난류)가 실험적으로 확립되었습니다. ~에 층류 모드모든 유체 입자는 서로 그리고 둘러싸는 표면과 평행하게 움직입니다. ~에 격동의 정권유체 입자는 혼란스럽고 무질서하게 움직입니다. 흐름을 따라 이동하는 방향에 따라 입자는 흐름을 가로질러 이동할 수 있습니다. 이 경우 유체 속도는 크기와 방향 모두에서 연속적으로 변합니다.

층류와 난류 체제의 분리는 큰 중요성, 모드에 따라 액체의 열 전달 메커니즘이 다르기 때문입니다. 층류 모드에서는 흐름의 가로 방향 열이 열전도율에 의해서만 전달되고 흐름 방향에서는 열전도율에 의해서만 전달되며 난류 모드에서는 난류 소용돌이 또는 대류로 인해 전달됩니다.

경계층의 개념.연구에 따르면 신체를 세척하는 점성 유체 흐름에서 표면에 접근함에 따라 속도가 감소하고 표면 자체에서 0이 되는 것으로 나타났습니다. 물체 표면에 있는 유체의 속도가 0이라는 결론을 고착 가설이라고 합니다. 액체가 연속 매체로 간주될 수 있는 한 유효합니다.

평평한 표면을 따라 액체의 무제한 흐름이 이동하도록 하십시오(그림). 그것으로부터 멀리 떨어진 유체의 속도는 w0이고, 미끄럼 방지 가설에 따르면 표면 자체에서는 0입니다. 결과적으로 표면 근처에는 다음과 같은 얼어붙은 액체 층이 있습니다. 동적 경계층, 속도는 0에서 ......까지 다양합니다. 경계층의 속도는 점근적으로 w0에 접근하므로 두께에 대한 다음 정의가 도입됩니다. 동적 경계층는 속도가 w0와 일정량(보통 1%)만큼 다른 표면으로부터의 거리입니다.

표면을 따라 이동하면 경계층의 두께가 증가합니다. 처음에는 층류 경계층이 형성되며, 두께가 증가함에 따라 불안정해지고 붕괴되어 난류 경계층으로 변합니다. 그러나 여기에서도 표면 근처에는 액체가 층류로 움직이는 얇은 층류 하위층이 남아 있습니다. 그림에서. 층류(섹션 I)와 난류(섹션 II) 내에서 속도 변화를 보여줍니다.

전달- 물질의 입자를 움직여 열을 전달합니다. 대류는 액체 및 기체 물질에서만 발생하며, 액체 또는 기체 매질과 고체 표면 사이에서도 발생합니다. 이 경우 열전도율에 의해 열전달이 발생합니다. 표면 근처의 경계 영역에서 대류와 열 전도가 결합된 효과를 대류 열 전달이라고 합니다.

대류는 건물 인클로저의 외부 및 내부 표면에서 발생합니다. 대류는 방 내부 표면의 열 교환에 중요한 역할을 합니다. ~에 다른 의미표면과 그에 인접한 공기의 온도가 낮아지면 열은 더 낮은 온도로 전달됩니다. 대류에 의해 전달되는 열 흐름은 표면을 세척하는 액체 또는 가스의 이동 모드, 이동 매체의 온도, 밀도 및 점도, 표면 거칠기, 표면 온도와 표면 온도 차이에 따라 달라집니다. 주변 매체.

표면과 기체(또는 액체) 사이의 열교환 과정은 기체 이동의 성격에 따라 다르게 진행됩니다. 구별하다 자연 대류와 강제 대류.첫 번째 경우에는 표면과 가스 사이의 온도 차이로 인해 가스 이동이 발생하고, 두 번째 경우에는 이 프로세스에 대한 외부 힘(팬 작동, 바람)으로 인해 발생합니다.

일반적인 경우 강제대류는 자연대류의 과정을 동반할 수 있으나, 강제대류의 세기가 자연대류의 세기를 현저히 초과하기 때문에 강제대류를 고려할 때 자연대류를 무시하는 경우가 많다.

미래에는 대기 중 어느 지점에서나 시간이 지남에 따라 일정한 속도와 온도를 가정하는 대류 열 전달의 고정 과정만 고려될 것입니다. 그러나 실내 요소의 온도는 다소 느리게 변하기 때문에 정지 조건에 대해 얻은 종속성을 공정으로 확장할 수 있습니다. 방의 비정상적 열 조건, 고려중인 매 순간 울타리 내부 표면의 대류 열교환 과정은 고정 된 것으로 간주됩니다. 고정 조건에 대해 얻은 종속성은 예를 들어 순환실 난방 장치(팬 코일 또는 열 펌프 모드의 분할 시스템)가 켜진 경우와 같이 대류 특성이 자연 대류에서 강제 대류로 갑자기 변경되는 경우에도 확장될 수 있습니다. 방에. 첫째, 새로운 공기 이동 모드가 빠르게 확립되고, 둘째, 열 전달 과정의 엔지니어링 평가에 필요한 정확도가 수정 부족으로 인한 부정확성보다 낮습니다. 열 흐름전환 상태 중.

난방 및 환기 계산의 공학적 실습에서는 밀폐 구조물이나 파이프 표면과 공기(또는 액체) 사이의 대류 열 교환이 중요합니다. 실제 계산에서는 대류 열 흐름을 추정하기 위해 뉴턴 방정식이 사용됩니다(그림 3).

어디 q ~에- 움직이는 매체에서 표면으로 또는 그 반대로 대류에 의해 전달되는 열 흐름 W;

t a- 벽 표면을 세척하는 공기 온도, o C;

τ - 벽 표면 온도, o C;

α ~- 벽면의 대류 열전달 계수, W/m 2. o C.

그림 3 벽과 공기 사이의 대류 열 교환

대류에 의한 열전달 계수, 에 - 물리량는 공기 온도와 신체 표면 온도의 차이가 1oC인 대류 열교환을 통해 공기에서 고체 표면으로 전달되는 열의 양과 수치적으로 동일합니다.

이 접근 방식을 사용하면 대류 열 전달의 물리적 과정의 전체 복잡성이 열 전달 계수에 포함됩니다. 에. 당연히 이 계수의 값은 많은 인수의 함수입니다. 실제 사용을 위해서는 매우 대략적인 값이 허용됩니다. 에.

식 (2.5)는 다음과 같이 편리하게 다시 작성할 수 있습니다.

어디 R ~ - 대류 열 전달에 대한 저항둘러싸는 구조물의 표면, m 2. o C/W, 울타리 표면의 온도 차이와 표면 밀도가 1 W/m 2인 열 흐름이 통과하는 동안의 공기 온도와 같습니다. 표면을 공중으로 또는 그 반대로. 저항 R ~대류 열전달 계수의 역수입니다. 에.

뜨거운 난로나 타고 있는 전구 위로 손을 뻗으면 따뜻한 공기가 이 물체 위로 어떻게 솟아오르는지 느낄 수 있습니다. 불타는 양초나 전구 위에 매달린 종이 조각은 상승하는 따뜻한 공기의 영향으로 회전하기 시작합니다.

이 현상은 다음과 같이 설명될 수 있다. 공기는 뜨거운 램프와 접촉하여 주변의 차가운 공기와 달리 가열되고 팽창하며 밀도가 낮아집니다. 차가운 공기 쪽에서 따뜻한 공기에 아래에서 위로 작용하는 아르키메데스의 힘은 따뜻한 공기에 작용하는 중력을 능가합니다. 따라서 따뜻한 공기가 상승하여 차가운 공기가 발생합니다.

액체를 아래에서 가열할 때 비슷한 현상을 관찰할 수 있습니다. 밀도가 낮고 따라서 가벼운 액체의 따뜻한 층은 밀도가 높고 무겁고 차가운 층에 의해 위쪽으로 밀려납니다. 아래로 떨어지는 차가운 액체 층은 열원에 의해 가열되고 다시 덜 가열된 액체로 대체됩니다. 따라서 이 움직임은 모든 물을 균일하게 가열합니다. 이는 용기 바닥에 과망간산칼륨 결정 몇 개를 놓아 물을 색칠하면 더 명확하게 볼 수 있습니다. 보라. 이러한 실험에서 우리는 또 다른 유형의 열 전달을 관찰할 수 있습니다. 전달(라틴어 단어 "전달"- 옮기다).

대류 과정에서 에너지는 가스 또는 액체 제트 자체에 의해 이동된다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 난방된 방에서는 대류 현상으로 인해 가열된 공기의 흐름이 천장으로 올라가고 찬 공기의 흐름이 바닥으로 떨어집니다. 따라서 상단의 공기는 바닥 근처의 공기보다 훨씬 따뜻합니다.

대류에는 두 가지 유형이 있습니다. 자연스러운(즉, 무료) 그리고 강요된.실내의 액체와 공기를 가열하는 것과 관련된 예는 자연 대류의 예입니다. 숟가락, 교반기 또는 펌프를 사용하여 액체를 섞을 때 강제 대류를 관찰할 수 있습니다.

액체, 기체 등의 물질은 아래에서 가열해야 합니다. 반대의 경우 - 위에서 가열하면 대류가 발생하지 않습니다. 따뜻한 층은 차갑고 밀도가 높으며 무거운 층 아래로 물리적으로 가라앉을 수 없습니다. 따라서 대류 과정이 일어나려면 아래에서 가스와 액체를 가열해야 합니다.

안에 고체대류가 일어날 수 없습니다. 우리는 고체에서 입자가 특정 지점을 중심으로 진동한다는 것을 이미 알고 있습니다. 그들은 상호 매력에 의해 함께 묶여 있습니다. 따라서 고체를 가열하면 그 안에 물질이 형성될 수 없습니다. 고체에서는 열전도를 통해 에너지를 전달할 수 있습니다.

대류는 본질적으로 널리 퍼져 있습니다. 하층에서 지구의 대기, 바다, 대양, 우리 행성의 깊은 곳, 태양 위(표면에서 태양 반경의 ~20-30% 깊이까지 층으로). 대류 현상을 이용하여 다양한 기술 장치에서 가스와 액체가 가열됩니다.

대류의 간단한 예는 냉장고에서 음식을 냉각시키는 것입니다. 냉장고 파이프를 순환하는 프레온 가스가 공기층을 냉각시킵니다. 냉장고 위쪽에. 냉각된 공기는 아래로 내려가 모든 제품을 식힌 다음 다시 올라갑니다. 냉장고에 음식을 넣을 때 공기 순환을 방해해서는 안 됩니다. 냉장고 전면에 위치한 그릴은 가스가 압축될 때 압축기 내부에서 생성되는 따뜻한 공기를 제거하는 역할을 합니다. 그릴의 냉각 메커니즘도 대류이므로 대류가 원활하게 이루어지도록 냉장고 뒤에 여유 공간을 남겨두는 것이 좋습니다.

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