Convecție naturală. Tipuri de convecție și cum diferă

Coeficient de conductivitate termică la temperatura camerei.

Ordinul de mărime al coeficientului de conductivitate termică pentru diferite substanțe.

Convecție- Aceasta este a doua metodă de transfer de căldură în spațiu.

Convecție este transferul de căldură în lichide și gaze cu distribuție neuniformă a temperaturii datorită mișcării macroparticulelor.

Transferul de căldură împreună cu volumele macroscopice de materie se numește transfer de căldură convectiv, sau pur și simplu convecție.

Schimb de căldură între suprafața lichidă și cea solidă. Acest proces are un nume special transfer de căldură convectiv(căldura este transferată de la lichid la suprafață sau invers)

Dar convecția nu există în forma sa pură; este întotdeauna însoțită de conductivitate termică, un astfel de transfer comun de căldură se numește transfer de căldură convectiv.

Procesul de schimb de căldură între suprafața unui solid și a unui lichid se numește transfer de căldură, iar suprafața corpului prin care se transferă căldura este suprafață de transfer de căldură sau suprafață de transfer de căldură.

Transfer de căldură este transferul de căldură de la un lichid la altul printr-un perete solid care le separă.

Tipuri de mișcare a fluidelor. Se face o distincție între convecția forțată și cea naturală. Mișcarea se numește forţat, dacă apare din cauza unor forţe externe care nu au legătură cu procesul de schimb de căldură. De exemplu, împărțindu-i energie cu o pompă sau un ventilator. Mișcarea se numește gratuit, dacă este determinată de procesul de schimb de căldură și are loc datorită diferenței de densități a macroparticulelor lichide încălzite și reci.

Moduri de mișcare, fluide. Mișcarea fluidului poate fi constantă sau instabilă. Stabil Aceasta este o mișcare în care viteza în toate punctele spațiului ocupate de fluid nu se modifică în timp. Dacă viteza curgerii se modifică în timp (în mărime sau direcție), atunci mișcarea va fi instabil.

Au fost stabilite experimental două moduri de mișcare a fluidului: laminar și turbulent. La modul laminar toate particulele de fluid se deplasează paralel între ele și suprafețele care le înconjoară. La regim turbulent particulele fluide se mișcă haotic, dezordonat. Împreună cu mișcarea direcționată de-a lungul fluxului, particulele se pot deplasa peste și spre flux. În acest caz, viteza fluidului se modifică continuu atât în ​​mărime, cât și în direcție.

Separarea regimurilor laminare de cele turbulente are mare importanță, deoarece în funcție de mod mecanismul de transfer de căldură în lichid va fi diferit. În modul laminar, căldura în direcția transversală a curgerii este transferată numai prin conductivitate termică, iar în sensul curgerii este transferată numai prin conductivitate termică, iar în regim turbulent, tot datorită vârtejurilor turbulente, sau convecției.

Conceptul de strat limită. Cercetările au arătat că într-un flux de fluid vâscos care spală un corp, pe măsură ce se apropie de suprafața lui, viteza scade și la suprafață însăși devine zero. Concluzia că viteza unui fluid care se află pe suprafața unui corp este zero se numește ipoteza lipirii. Este valabil atâta timp cât lichidul poate fi considerat ca un mediu continuu.

Lăsați un flux nelimitat de lichid să se miște de-a lungul unei suprafețe plane (Fig.). Viteza fluidului departe de acesta este w0, iar pe suprafața însăși, conform ipotezei anti-alunecare, este zero. În consecință, lângă suprafață există un strat de lichid înghețat numit strat limită dinamic, în care viteza variază de la 0 la ...... Întrucât viteza în stratul limită se apropie asimptotic de w 0, se introduce următoarea definiție a grosimii sale: grosimea strat limită dinamic este distanța de la suprafață la care viteza diferă de w0 cu o anumită cantitate, de obicei 1%.

Pe măsură ce vă deplasați de-a lungul suprafeței, grosimea stratului limită crește. Inițial, se formează un strat limită laminar, care, odată cu creșterea grosimii, devine instabil și se prăbușește, transformându-se într-un strat limită turbulent. Totuși, chiar și aici, în apropierea suprafeței, rămâne un substrat laminar subțire......., în care lichidul se mișcă laminar. În fig. arată schimbarea vitezei în cadrul laminar (secțiunea I) și turbulent (secțiunea II) conform

Convecție- transferul de căldură prin mișcarea particulelor de materie. Convecția are loc numai în substanțele lichide și gazoase, precum și între un mediu lichid sau gazos și suprafața unui solid. În acest caz, transferul de căldură are loc prin conductivitate termică. Efectul combinat al convecției și conducției căldurii în regiunea limită de lângă suprafață se numește transfer de căldură convectiv.

Convecția are loc pe suprafețele exterioare și interioare ale incintelor clădirilor. Convecția joacă un rol semnificativ în schimbul de căldură al suprafețelor interne ale unei încăperi. La sensuri diferite temperatura suprafeței și a aerului adiacent acesteia, căldura se transferă către o temperatură mai scăzută. Fluxul de căldură transmis prin convecție depinde de modul de mișcare a lichidului sau gazului care spală suprafața, de temperatura, densitatea și vâscozitatea mediului în mișcare, de rugozitatea suprafeței, de diferența dintre temperaturile suprafeței și mediul inconjurator.

Procesul de schimb de căldură între suprafață și gaz (sau lichid) se desfășoară diferit în funcție de natura mișcării gazului. Distinge convecție naturală și forțată.În primul caz, mișcarea gazului are loc datorită diferenței de temperatură dintre suprafață și gaz, în al doilea - datorită forțelor externe acestui proces (funcționarea ventilatoarelor, vânt).

Convecția forțată în cazul general poate fi însoțită de procesul de convecție naturală, dar deoarece intensitatea convecției forțate depășește vizibil intensitatea convecției naturale, atunci când se consideră convecția forțată, convecția naturală este adesea neglijată.

În viitor, vor fi luate în considerare doar procesele staționare de transfer de căldură convectiv, care presupun viteză și temperatură constante în timp în orice punct al aerului. Dar, deoarece temperatura elementelor camerei se modifică destul de lent, dependențele obținute pentru condiții staționare pot fi extinse la proces condiţiile termice nestaţionare ale încăperii, în care în fiecare moment luat în considerare procesul de schimb de căldură convectiv pe suprafețele interioare ale gardurilor este considerat staționar. Dependențele obținute pentru condiții staționare pot fi extinse și la cazul unei schimbări bruște a naturii convecției de la naturală la forțată, de exemplu, atunci când este pornit un dispozitiv de încălzire cu recirculare a încăperii (ventiloconvector sau sistem split în modul pompă de căldură). în camera. În primul rând, noul mod de mișcare a aerului este stabilit rapid și, în al doilea rând, acuratețea necesară a evaluării inginerești a procesului de transfer de căldură este mai mică decât posibilele inexactități din lipsa de corecție. flux de calduraîn timpul stării de tranziție.

Pentru practica inginerească a calculelor pentru încălzire și ventilație, schimbul de căldură convectiv între suprafața structurii sau conductei de închidere și aer (sau lichid) este important. În calculele practice, ecuațiile lui Newton sunt folosite pentru a estima fluxul de căldură convectiv (Fig. 3):

Unde q la- fluxul de căldură, W, transferat prin convecție dintr-un mediu în mișcare la suprafață sau invers;

t a- temperatura aerului de spalare a suprafetei peretelui, o C;

τ - temperatura suprafetei peretelui, o C;

α la- coeficient de transfer de căldură convectiv pe suprafața peretelui, W/m 2. o C.

Fig.3 Schimbul de căldură convectiv între perete și aer

Coeficientul de transfer termic prin convecție, a la - cantitate fizica, numeric egală cu cantitatea de căldură transferată de la aer la suprafața unui corp solid prin schimb de căldură convectiv cu o diferență între temperatura aerului și temperatura suprafeței corpului egală cu 1 o C.

Cu această abordare, întreaga complexitate a procesului fizic de transfer de căldură convectiv este conținută în coeficientul de transfer de căldură, a la. Desigur, valoarea acestui coeficient este o funcție a mai multor argumente. Pentru utilizare practică, sunt acceptate valori foarte aproximative a la.

Ecuația (2.5) poate fi rescrisă convenabil ca:

Unde R la - rezistență la transferul convectiv de căldură pe suprafața structurii de închidere, m 2. o C/W, egală cu diferența de temperatură pe suprafața gardului și temperatura aerului în timpul trecerii unui flux de căldură cu densitatea suprafeței de 1 W/m 2 din suprafata spre aer sau invers. Rezistenţă R la este reciproca coeficientului de transfer de căldură convectiv a la.

Dacă întindeți mâna peste o sobă încinsă sau peste un bec electric care arde, puteți simți cum jeturi de aer cald se ridică deasupra acestor obiecte. O bucată de hârtie suspendată peste o lumânare sau un bec aprins începe să se rotească sub influența aerului cald în creștere.

Acest fenomen poate fi explicat după cum urmează. Aerul intră în contact cu o lampă fierbinte, se încălzește, se extinde și devine mai puțin dens, spre deosebire de aerul rece din jur. Forța lui Arhimede, care acționează asupra aerului cald din partea aerului rece de jos în sus, depășește forța gravitației, care acționează asupra aerului cald. Astfel, aerul cald se ridică, cedând astfel loc aerului rece.

Putem observa fenomene similare atunci când un lichid este încălzit de jos. Straturile calde de lichid - mai puțin dense și, prin urmare, mai ușoare - sunt forțate în sus de straturi mai dense și mai grele, reci. Straturile reci de lichid, care cad, sunt încălzite de o sursă de căldură și sunt din nou înlocuite cu un lichid mai puțin încălzit. Astfel, această mișcare încălzește uniform toată apa. Acest lucru poate fi văzut mai clar dacă puneți câteva cristale de permanganat de potasiu pe fundul vasului, care colorează apa. Violet. În astfel de experimente putem observa un alt tip de transfer de căldură - convecție(cuvânt latin "convecție"- transfer).

Trebuie remarcat faptul că în timpul procesului de convecție, energia este mișcată de jeturile de gaz sau lichid în sine. De exemplu, într-o încăpere încălzită, din cauza fenomenului de convecție, fluxul de aer încălzit se ridică spre tavan, iar aerul rece curge în jos pe podea. Astfel, aerul din partea de sus este mult mai cald decât cel de lângă podea.

Există două tipuri de convecție: natural(sau cu alte cuvinte gratuit) și forţat. Exemplele care implică încălzirea lichidului și a aerului într-o cameră sunt exemple de convecție naturală. Putem observa convecția forțată atunci când amestecăm un lichid cu o lingură, un agitator sau o pompă.

Substanțele precum lichidele și gazele trebuie încălzite de jos. Dacă faceți invers - încălziți-le de sus, nu va exista convecție. Straturile calde nu se pot scufunda fizic sub cele reci, mai dense și mai grele. Astfel, pentru ca procesul de convecție să aibă loc, este necesară încălzirea gazelor și lichidelor de jos.

ÎN solide convecția nu poate avea loc. Știm deja că în solide, particulele vibrează în jurul unui anumit punct, pentru că sunt ținute împreună prin atracție reciprocă. Prin urmare, atunci când solidele sunt încălzite, substanța nu se poate forma în ele. În solide, energia poate fi transferată prin conducție termică.

Convecția este larg răspândită în natură: în straturile inferioare atmosfera pământului, mări, oceane, în adâncurile planetei noastre, pe Soare (în straturi până la o adâncime de ~20-30% din raza Soarelui de la suprafața sa). Folosind fenomenul de convecție, gazele și lichidele sunt încălzite în diverse dispozitive tehnice.

Un exemplu simplu de convecție este răcirea alimentelor într-un frigider. Gazul freon care circulă prin conductele frigiderului răcește straturile de aer în partea de sus a frigiderului. Aerul răcit, coborând, răcește toate produsele și apoi urcă din nou. Când punem alimente în frigider, nu trebuie să împiedicăm circulația aerului în el. Grila situată în partea din față a frigiderului servește la îndepărtarea aerului cald care se formează în compresor atunci când gazul este comprimat. Mecanismul de răcire al grilei este și el convectiv, așa că ar trebui să lăsați spațiu liber în spatele frigiderului, astfel încât convecția să aibă loc fără dificultate.

Mai ai întrebări? Nu știi cum să-ți faci temele?
Pentru a primi ajutor de la un tutor -.
Prima lecție este gratuită!

blog.site, atunci când copiați materialul integral sau parțial, este necesar un link către sursa originală.