Naturalna konwekcja. Rodzaje konwekcji i czym się różnią

Współczynnik przewodności cieplnej w temperaturze pokojowej.

Rząd wielkości współczynnika przewodności cieplnej dla różnych substancji.

Konwekcja- To druga metoda wymiany ciepła w przestrzeni.

Konwekcja to przenoszenie ciepła w cieczach i gazach o nierównomiernym rozkładzie temperatur w wyniku ruchu makrocząstek.

Nazywa się przenoszeniem ciepła wraz z makroskopowymi objętościami materii konwekcyjny transfer ciepła, lub po prostu konwekcja.

Wymiana ciepła pomiędzy powierzchnią cieczy i ciała stałego. Ten proces ma specjalną nazwę konwekcyjny transfer ciepła(ciepło jest przenoszone z cieczy na powierzchnię i odwrotnie)

Ale konwekcja nie istnieje w czystej postaci, zawsze towarzyszy jej przewodność cieplna, nazywa się to wspólnym przenoszeniem ciepła konwekcyjny transfer ciepła.

Nazywa się proces wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią ciała stałego i cieczy przenikanie ciepła, a powierzchnia ciała, przez którą przekazywane jest ciepło, to powierzchnia wymiany ciepła lub powierzchnia wymiany ciepła.

Przenikanie ciepła to przenoszenie ciepła z jednej cieczy do drugiej poprzez oddzielającą je solidną ścianę.

Rodzaje ruchu płynów. Rozróżnia się konwekcję wymuszoną i naturalną. Ruch nazywa się wymuszony, jeżeli następuje to pod wpływem sił zewnętrznych niezwiązanych z procesem wymiany ciepła. Na przykład poprzez dostarczenie mu energii za pomocą pompy lub wentylatora. Ruch nazywa się bezpłatny, jeżeli jest to zdeterminowane procesem wymiany ciepła i zachodzi na skutek różnicy gęstości makrocząstek ogrzanej i zimnej cieczy.

Tryby ruchu, płyny. Ruch płynu może być stały lub niestabilny. Stały Jest to ruch, w którym prędkość we wszystkich punktach przestrzeni zajmowanych przez płyn nie zmienia się w czasie. Jeśli prędkość przepływu zmienia się w czasie (pod względem wielkości lub kierunku), wówczas ruch będzie niepewny.

Eksperymentalnie ustalono dwa tryby ruchu płynu: laminarny i turbulentny. Na tryb laminarny wszystkie cząstki płynu poruszają się równolegle do siebie i otaczających powierzchni. Na burzliwy reżim cząstki płynu poruszają się chaotycznie, nieuporządkowany. Wraz z ukierunkowanym ruchem wzdłuż przepływu, cząstki mogą przemieszczać się w poprzek i w kierunku przepływu. W tym przypadku prędkość płynu zmienia się w sposób ciągły zarówno pod względem wielkości, jak i kierunku.

Oddzielenie reżimów laminarnych i turbulentnych ma miejsce bardzo ważne, ponieważ w zależności od trybu mechanizm wymiany ciepła w cieczy będzie inny. W trybie laminarnym ciepło w kierunku poprzecznym przepływu jest przenoszone tylko przez przewodność cieplną, w kierunku przepływu tylko przez przewodnictwo cieplne, a w trybie turbulentnym także na skutek turbulentnych wirów, czyli konwekcji.

Pojęcie warstwy granicznej. Badania wykazały, że w strumieniu lepkiego płynu obmywającego ciało w miarę zbliżania się do jego powierzchni prędkość maleje, a na samej powierzchni osiąga zero. Wniosek, że prędkość płynu leżącego na powierzchni ciała wynosi zero, nazywa się hipotezą klejenia. Jest to ważne tak długo, jak ciecz może być traktowana jako ośrodek ciągły.

Pozwól nieograniczonemu przepływowi cieczy poruszać się po płaskiej powierzchni (ryc.). Prędkość płynu oddalonego od niego wynosi w0, a na samej powierzchni, zgodnie z hipotezą braku poślizgu, wynosi zero. W rezultacie w pobliżu powierzchni znajduje się warstwa zamarzniętej cieczy, tzw dynamiczna warstwa graniczna, w którym prędkość zmienia się od 0 do ...... Ponieważ prędkość w warstwie przyściennej zbliża się asymptotycznie do w 0, wprowadza się następującą definicję jej grubości: grubość dynamiczna warstwa graniczna to odległość od powierzchni, przy której prędkość różni się od w0 o pewną wartość, zwykle 1%.

W miarę przesuwania się po powierzchni grubość warstwy granicznej wzrasta. Początkowo tworzy się laminarna warstwa przyścienna, która wraz ze wzrostem grubości staje się niestabilna i zapada się, przekształcając się w turbulentną warstwę przyścienną. Jednak nawet tutaj, blisko powierzchni, pozostaje cienka podwarstwa laminarna......., w której ciecz porusza się laminarnie. Na ryc. pokazuje zmianę prędkości w obrębie laminarnym (odcinek I) i turbulentnym (odcinek II) wg

Konwekcja- przekazywanie ciepła przez poruszające się cząstki materii. Konwekcja zachodzi tylko w substancjach ciekłych i gazowych, a także między ośrodkiem ciekłym lub gazowym a powierzchnią ciała stałego. W tym przypadku przenoszenie ciepła następuje poprzez przewodność cieplną. Połączony efekt konwekcji i przewodzenia ciepła w obszarze granicznym w pobliżu powierzchni nazywany jest konwekcyjnym przenoszeniem ciepła.

Konwekcja zachodzi na zewnętrznych i wewnętrznych powierzchniach obudów budynków. Konwekcja odgrywa znaczącą rolę w wymianie ciepła wewnętrznych powierzchni pomieszczeń. Na różne znaczenia temperatury powierzchni i przylegającego do niej powietrza, ciepło przenosi się w kierunku niższej temperatury. Przepływ ciepła przenoszony przez konwekcję zależy od sposobu ruchu cieczy lub gazu myjącego powierzchnię, od temperatury, gęstości i lepkości poruszającego się ośrodka, od chropowatości powierzchni, od różnicy temperatur powierzchni i otaczającego ośrodka.

Proces wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią a gazem (lub cieczą) przebiega różnie w zależności od charakteru ruchu gazu. Wyróżnić konwekcja naturalna i wymuszona. W pierwszym przypadku ruch gazu następuje na skutek różnicy temperatur pomiędzy powierzchnią a gazem, w drugim – na skutek sił zewnętrznych wobec tego procesu (praca wentylatorów, wiatr).

Konwekcji wymuszonej w ogólnym przypadku może towarzyszyć proces konwekcji naturalnej, jednak ponieważ intensywność konwekcji wymuszonej zauważalnie przekracza intensywność konwekcji naturalnej, rozważając konwekcję wymuszoną, często zaniedbuje się konwekcję naturalną.

W przyszłości rozważane będą jedynie stacjonarne procesy konwekcyjnego przenoszenia ciepła, które zakładają stałą prędkość i temperaturę w czasie w dowolnym punkcie powietrza. Ponieważ jednak temperatura elementów pokojowych zmienia się dość wolno, zależności otrzymane dla warunków stacjonarnych można rozszerzyć na proces niestacjonarne warunki cieplne pomieszczenia, w którym w każdym rozpatrywanym momencie proces konwekcyjnej wymiany ciepła na wewnętrznych powierzchniach ogrodzeń uważa się za stacjonarny. Zależności uzyskane dla warunków stacjonarnych można rozszerzyć także na przypadek nagłej zmiany charakteru konwekcji z naturalnej na wymuszoną, np. po włączeniu urządzenia do ogrzewania pomieszczeń z obiegiem powietrza (klimakonwektor lub układ typu split w trybie pompy ciepła). w pokoju. Po pierwsze, nowy tryb ruchu powietrza ustala się szybko, a po drugie, wymagana dokładność oceny inżynierskiej procesu wymiany ciepła jest mniejsza niż możliwe niedokładności wynikające z braku korekty Przepływ ciepła w stanie przejściowym.

W praktyce inżynierskiej obliczeń dotyczących ogrzewania i wentylacji ważna jest konwekcyjna wymiana ciepła między powierzchnią otaczającej konstrukcji lub rury a powietrzem (lub cieczą). W obliczeniach praktycznych do oszacowania konwekcyjnego przepływu ciepła wykorzystuje się równania Newtona (rys. 3):

Gdzie q do- przepływ ciepła, W, przenoszony przez konwekcję z poruszającego się ośrodka na powierzchnię i odwrotnie;

t a- temperatura powietrza przemywającego powierzchnię ściany, o C;

τ - temperatura powierzchni ściany, o C;

α do- współczynnik konwekcyjnego przenikania ciepła na powierzchni ściany, W/m 2. o C.

Rys.3 Konwekcyjna wymiana ciepła pomiędzy ścianą a powietrzem

współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję, do - wielkość fizyczna, liczbowo równa ilości ciepła przekazanego z powietrza na powierzchnię ciała stałego w wyniku konwekcyjnej wymiany ciepła przy różnicy między temperaturą powietrza a temperaturą powierzchni ciała równej 1 o C.

Przy takim podejściu cała złożoność fizycznego procesu konwekcyjnego przenoszenia ciepła zawarta jest we współczynniku przenikania ciepła, do. Naturalnie wartość tego współczynnika jest funkcją wielu argumentów. Do praktycznego zastosowania akceptowane są bardzo przybliżone wartości do.

Równanie (2.5) można wygodnie przepisać jako:

Gdzie R do - odporność na konwekcyjne przekazywanie ciepła na powierzchni konstrukcji otaczającej, m 2. o C/W, równa różnicy temperatur na powierzchni ogrodzenia i temperatury powietrza podczas przejścia strumienia ciepła o gęstości powierzchniowej 1 W/m 2 z powierzchni do powietrza i odwrotnie. Opór R do jest odwrotnością współczynnika konwekcyjnego przenikania ciepła do.

Jeśli wyciągniesz rękę nad gorącym piecem lub nad płonącą żarówką elektryczną, możesz poczuć, jak strumienie ciepłego powietrza unoszą się nad tymi obiektami. Kawałek papieru zawieszony nad płonącą świecą lub żarówką zaczyna się obracać pod wpływem unoszącego się ciepłego powietrza.

Zjawisko to można wyjaśnić w następujący sposób. Powietrze styka się z gorącą lampą, nagrzewa się, rozszerza i staje się mniej gęste, w przeciwieństwie do otaczającego zimnego powietrza. Siła Archimedesa, która działa na ciepłe powietrze od strony zimnego powietrza od dołu do góry, przewyższa siłę ciężkości, która działa na ciepłe powietrze. W ten sposób ciepłe powietrze unosi się, ustępując miejsca zimnemu.

Podobne zjawiska możemy zaobserwować podczas podgrzewania cieczy od dołu. Ciepłe warstwy cieczy – mniej gęste, a zatem lżejsze – są wypychane do góry przez gęstsze i cięższe, zimne warstwy. Opadające zimne warstwy cieczy są podgrzewane przez źródło ciepła i ponownie zastępowane przez mniej podgrzaną ciecz. W ten sposób ruch ten równomiernie podgrzewa całą wodę. Widać to wyraźniej, jeśli na dnie naczynia umieścisz kilka kryształków nadmanganianu potasu, który zabarwia wodę fioletowy. W takich eksperymentach możemy zaobserwować inny rodzaj wymiany ciepła - konwekcja(słowo łacińskie "konwekcja"- przenosić).

Należy zauważyć, że podczas procesu konwekcji energia przenoszona jest przez same strumienie gazu lub cieczy. Przykładowo w ogrzewanym pomieszczeniu na skutek zjawiska konwekcji strumień ogrzanego powietrza unosi się do sufitu, a strumień zimnego powietrza opada na podłogę. Zatem powietrze na górze jest znacznie cieplejsze niż w pobliżu podłogi.

Istnieją dwa rodzaje konwekcji: naturalny(lub innymi słowy za darmo) i wymuszony. Przykładami ogrzewania cieczy i powietrza w pomieszczeniu są przykłady konwekcji naturalnej. Konwekcję wymuszoną możemy zaobserwować podczas mieszania cieczy za pomocą łyżki, mieszadła lub pompy.

Substancje takie jak ciecze i gazy należy podgrzewać od dołu. Jeśli zrobisz odwrotnie - podgrzej je od góry, nie będzie konwekcji. Ciepłe warstwy nie mogą fizycznie opaść pod zimne, gęstsze i cięższe. Zatem, aby mógł zajść proces konwekcji, konieczne jest podgrzanie gazów i cieczy od dołu.

W ciała stałe konwekcja nie może wystąpić. Wiemy już, że w ciałach stałych cząstki wibrują wokół pewnego punktu, ponieważ trzymają się razem dzięki wzajemnemu przyciąganiu. Dlatego też, gdy ciała stałe są podgrzewane, substancja nie może się w nich utworzyć. W ciałach stałych energia może być przenoszona poprzez przewodzenie ciepła.

Konwekcja jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie: w dolnych warstwach atmosfera ziemska, morza, oceany, w głębinach naszej planety, na Słońcu (w warstwach do głębokości ~20-30% promienia Słońca od jego powierzchni). Wykorzystując zjawisko konwekcji, w różnych urządzeniach technicznych podgrzewane są gazy i ciecze.

Prostym przykładem konwekcji jest chłodzenie żywności w lodówce. Gaz freonowy krążący w rurach lodówki chłodzi warstwy powietrza na górze lodówki. Schłodzone powietrze, schodząc w dół, chłodzi wszystkie produkty, a następnie ponownie podnosi się. Wkładając żywność do lodówki, nie powinniśmy zakłócać w niej cyrkulacji powietrza. Kratka znajdująca się z przodu lodówki służy do usuwania ciepłego powietrza powstającego w sprężarce podczas sprężania gazu. Mechanizm chłodzący kratki jest również konwekcyjny, dlatego należy pozostawić wolną przestrzeń za lodówką, aby konwekcja przebiegała bez trudności.

Nadal masz pytania? Nie wiesz jak odrobić pracę domową?
Aby uzyskać pomoc od nauczyciela -.
Pierwsza lekcja jest darmowa!

blog.site, przy kopiowaniu materiału w całości lub w części wymagany jest link do oryginalnego źródła.