Convecção natural. Tipos de convecção e como eles diferem

Coeficiente de condutividade térmica à temperatura ambiente.

A ordem de grandeza do coeficiente de condutividade térmica para várias substâncias.

Convecção Esta é a 2ª forma de transferência de calor no espaço.

Convecção- é a transferência de calor em líquidos e gases com distribuição desigual de temperatura devido ao movimento de macropartículas.

A transferência de calor juntamente com volumes macroscópicos de matéria é chamada de transferência de calor por convecção, ou simplesmente convecção.

Transferência de calor entre superfícies líquidas e sólidas. Este processo tem um nome especial. transferência de calor por convecção(o calor é transferido do líquido para a superfície ou vice-versa)

Mas a convecção em sua forma pura não existe; é sempre acompanhada por condução de calor, tal transferência de calor conjunta é chamada transferência de calor por convecção.

O processo de troca de calor entre a superfície de um corpo sólido e um líquido é chamado de dissipação de calor, e a superfície do corpo através da qual o calor é transferido - superfície de transferência de calor ou superfície de transferência de calor.

Transferência de caloré a transferência de calor de um fluido para outro através de uma parede sólida que os separa.

Tipos de movimento de fluido. Distinguir entre convecção forçada e natural. O movimento é chamado forçado se ocorrer devido a forças externas não relacionadas ao processo de transferência de calor. Por exemplo, devido à comunicação de energia a ele por uma bomba ou um ventilador. O movimento é chamado gratuitamente, se é determinado pelo processo de transferência de calor e ocorre devido à diferença nas densidades das macropartículas de fluidos aquecidos e frios.

Modos de movimento, líquidos. O movimento do fluido pode ser constante e instável. estabelecido chamado de movimento em que a velocidade em todos os pontos do espaço ocupado pelo fluido não varia com o tempo. Se a velocidade do fluxo mudar no tempo (em magnitude ou direção), então o movimento será transitório.

Estabeleceu experimentalmente dois modos de movimento de fluidos: laminar e turbulento. No fluxo laminar todas as partículas de fluido se movem paralelamente umas às outras e às superfícies envolventes. No modo turbulento partículas de um líquido se movem aleatoriamente, desordenadamente. Juntamente com o movimento direcionado ao longo do fluxo, as partículas podem se mover em direção ao fluxo. Neste caso, a velocidade do líquido muda continuamente tanto em magnitude quanto em direção.

A seleção de regimes laminar e turbulento tem grande importância, uma vez que o mecanismo de transferência de calor em líquidos será diferente dependendo do modo. No regime laminar, o calor na direção transversal do fluxo é transferido apenas por condução de calor, e na direção do fluxo é transferido apenas por condução de calor, e em regime turbulento, adicionalmente, por vórtices turbulentos, ou convecção.

O conceito de camada limite. Estudos mostraram que no escoamento de um fluido viscoso lavando um corpo, à medida que se aproxima de sua superfície, a velocidade diminui e se torna igual a zero na própria superfície. A conclusão de que a velocidade de um fluido na superfície de um corpo é zero é chamada de hipótese de aderência. É válido desde que o líquido possa ser considerado como um meio contínuo.

Deixe um fluxo de fluido ilimitado se mover ao longo de uma superfície plana (Fig.). A velocidade do fluido longe dele é igual a w0, e na própria superfície, de acordo com a hipótese de não escorregamento, é igual a zero. Portanto, próximo à superfície existe uma camada de líquido congelado chamada camada limite dinâmica, em que a velocidade varia de 0 a ...... Como a velocidade na camada limite se aproxima de w 0 assintoticamente, a seguinte definição de sua espessura é introduzida: espessura camada limite dinâmicaé a distância da superfície na qual a velocidade difere de w0 por uma certa quantidade, geralmente 1%.

À medida que se move ao longo da superfície, a espessura da camada limite aumenta. Primeiro, forma-se uma camada limite laminar, que se torna instável com o aumento da espessura e colapsa, transformando-se em uma camada limite turbulenta. No entanto, mesmo aqui, perto da superfície, uma fina subcamada laminar é preservada……., na qual o líquido se move laminarmente. Na fig. mostra a mudança na velocidade dentro do laminar (seção I) e turbulento (seção II) ao longo

Convecção- transferência de calor por partículas de matéria em movimento. A convecção ocorre apenas em substâncias líquidas e gasosas, bem como entre um meio líquido ou gasoso e a superfície de um corpo sólido. Neste caso, há uma transferência de calor e condutividade térmica. O efeito combinado de convecção e condução de calor na região limítrofe próxima à superfície é chamado de transferência de calor por convecção.

A convecção ocorre nas superfícies externas e internas das cercas do edifício. A convecção desempenha um papel significativo na troca de calor das superfícies internas da sala. No valores diferentes temperatura da superfície e do ar adjacente a ela, há uma transição de calor para uma temperatura mais baixa. O fluxo de calor transmitido por convecção depende do modo de movimento do líquido ou gás que lava a superfície, da temperatura, densidade e viscosidade do meio em movimento, da rugosidade da superfície, da diferença entre as temperaturas da superfície e do ambiente circundante. médio.

O processo de troca de calor entre a superfície e o gás (ou líquido) ocorre de forma diferente dependendo da natureza da ocorrência do movimento do gás. Distinguir convecção natural e forçada. No primeiro caso, o movimento do gás ocorre devido à diferença de temperatura entre a superfície e o gás, no segundo - devido a forças externas a esse processo (operação do ventilador, vento).

A convecção forçada no caso geral pode ser acompanhada pelo processo de convecção natural, mas como a intensidade da convecção forçada excede visivelmente a intensidade da convecção natural, quando se considera a convecção forçada, a convecção natural é muitas vezes desprezada.

No futuro, apenas processos estacionários de transferência de calor por convecção serão considerados, assumindo que a velocidade e a temperatura são constantes no tempo em qualquer ponto do ar. Mas como a temperatura dos elementos da sala muda lentamente, as dependências obtidas para condições estacionárias podem ser estendidas ao processo condições térmicas não estacionárias da sala, no qual em cada momento considerado o processo de transferência de calor por convecção nas superfícies internas das cercas é considerado estacionário. As dependências obtidas para condições estacionárias também podem ser estendidas ao caso de uma mudança repentina na natureza da convecção de natural para forçada, por exemplo, quando um dispositivo de recirculação para aquecimento de uma sala (ventiloconvector ou sistema split em modo bomba de calor) é ligado em uma sala. Em primeiro lugar, o novo modo de movimento do ar é estabelecido rapidamente e, em segundo lugar, a precisão necessária da avaliação de engenharia do processo de transferência de calor é menor do que as possíveis imprecisões por falta de correção. fluxo de calor durante o estado de transição.

Para a prática de cálculos de engenharia para aquecimento e ventilação, a transferência de calor por convecção entre a superfície do envelope do edifício ou tubo e ar (ou líquido) é importante. Em cálculos práticos, para estimar o fluxo de calor convectivo (Fig. 3), as equações de Newton são usadas:

Onde q para- fluxo de calor, W, transferido por convecção do meio em movimento para a superfície ou vice-versa;

ta- temperatura do ar que lava a superfície da parede, o C;

τ - temperatura da superfície da parede, o C;

α para- coeficiente de transferência de calor por convecção na superfície da parede, W / m 2. o C.

Fig.3 Troca de calor por convecção da parede com ar

Coeficiente de transferência de calor por convecção, um para - quantidade física, numericamente igual à quantidade de calor transferida do ar para a superfície de um corpo sólido por transferência de calor por convecção a uma diferença entre a temperatura do ar e a temperatura da superfície do corpo igual a 1 o C.

Com esta abordagem, toda a complexidade do processo físico de transferência de calor por convecção reside no coeficiente de transferência de calor, um para. Naturalmente, o valor desse coeficiente é função de muitos argumentos. Para uso prático, aceitam-se valores muito aproximados um para.

A equação (2.5) pode ser convenientemente reescrita como:

Onde R para - resistência à transferência de calor por convecção na superfície da estrutura envolvente, m 2. o C / W, igual à diferença de temperatura na superfície da cerca e a temperatura do ar durante a passagem de um fluxo de calor com densidade superficial de 1 W / m 2 da superfície para o ar ou vice-versa. Resistência R paraé o inverso do coeficiente de transferência de calor por convecção um para.

Se você esticar a mão sobre um fogão quente ou sobre uma lâmpada elétrica acesa, poderá sentir como os jatos de ar quente se elevam acima desses objetos. Uma folha de papel suspensa sobre uma vela acesa ou lâmpada elétrica começa a girar sob a influência do ar quente ascendente.

Esse fenômeno pode ser explicado da seguinte forma. O ar entra em contacto com a lâmpada quente, aquece, expande-se e torna-se menos denso que o ar frio circundante. A força de Arquimedes, que atua no ar quente do lado do ar frio de baixo para cima, supera a força da gravidade, que atua no ar quente. Assim, o ar quente sobe, dando lugar ao ar frio.

Podemos observar fenômenos semelhantes quando um líquido é aquecido por baixo. Camadas quentes de líquido - menos densas e, portanto, mais leves - são deslocadas para cima por camadas frias mais densas e pesadas. Camadas frias de líquido, caindo, são aquecidas por uma fonte de calor e são novamente deslocadas por um líquido menos aquecido. Assim, esse movimento aquece uniformemente toda a água. Isso pode ser visto mais claramente se você colocar alguns cristais de permanganato de potássio no fundo do recipiente, que colore a água em roxo. Em tais experimentos, podemos observar outro tipo de transferência de calor - convecção(palavra latina "convecção"- transferência).

Deve-se notar que durante o processo de convecção, a energia é movida pelos próprios jatos de gás ou líquido. Por exemplo, em uma sala com aquecimento, devido ao fenômeno de convecção, o fluxo de ar aquecido sobe até o teto e o ar frio cai no chão. Assim, o ar no topo é muito mais quente do que perto do chão.

Existem dois tipos de convecção: natural(ou, em outras palavras, grátis) e forçado. Os exemplos de aquecimento de fluido e ar em uma sala são exemplos de convecção natural. Podemos observar a convecção forçada quando agitamos o líquido com uma colher, um agitador, uma bomba.

Substâncias como líquidos e gases devem ser aquecidas por baixo. Se você fizer o oposto - aquecê-los de cima, não haverá convecção. Camadas quentes não podem afundar fisicamente abaixo de camadas frias, mais densas e mais pesadas. Assim, para que o processo de convecção prossiga, é necessário aquecer gases e líquidos por baixo.

NO sólidos a convecção não pode ocorrer. Já sabemos que nos sólidos, as partículas oscilam em torno de um certo ponto, porque eles são mantidos juntos por atração mútua. Portanto, quando os sólidos são aquecidos, nenhuma substância pode se formar neles. Nos sólidos, a energia pode ser transferida por condução.

A convecção é generalizada na natureza: nas camadas inferiores atmosfera da Terra, mares, oceanos, nas entranhas do nosso planeta, no Sol (em camadas até uma profundidade de ~ 20-30% do raio do Sol a partir de sua superfície). Com a ajuda do fenômeno de convecção, gases e líquidos são aquecidos em vários dispositivos técnicos.

Um exemplo simples de convecção também pode ser o resfriamento de alimentos em uma geladeira. O gás freon circulando pelos tubos da geladeira resfria as camadas de ar na parte superior da geladeira. O ar resfriado, tendo descido, resfria todos os produtos e depois sobe novamente. Quando colocamos alimentos na geladeira, não impeça a circulação de ar. A grelha, localizada atrás do refrigerador, serve para retirar o ar quente, que se forma no compressor durante a compressão do gás. O mecanismo de resfriamento da grelha também é convectivo, então você deve deixar espaço livre atrás da geladeira para que a convecção ocorra sem dificuldade.

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