Doğal konveksiyon. Konveksiyon türleri ve farklılıkları

Oda sıcaklığında termal iletkenlik katsayısı.

Çeşitli maddeler için termal iletkenlik katsayısının büyüklük sırası.

Konveksiyon Bu, uzayda ısı transferinin 2. yoludur.

Konveksiyon- bu, makropartiküllerin hareketinden dolayı eşit olmayan bir sıcaklık dağılımına sahip sıvılarda ve gazlarda ısı transferidir.

Maddenin makroskobik hacimleriyle birlikte ısı transferine ne ad verilir? konvektif ısı transferi, ya da sadece konveksiyon.

Sıvı ve katı yüzey arasındaki ısı transferi. Bu işlemin özel bir adı vardır. konvektif ısı transferi(ısı sıvıdan yüzeye aktarılır veya tersi)

Ancak saf haliyle konveksiyon yoktur, her zaman ısı iletimi eşlik eder, böyle bir ortak ısı transferi denir. konvektif ısı transferi.

Katı bir cismin yüzeyi ile sıvı arasındaki ısı alışverişine denir. ısı dağılımı ve vücudun ısının transfer edildiği yüzeyi - ısı transfer yüzeyi veya ısı transfer yüzeyi.

Isı transferiısının bir akışkandan diğerine, onları ayıran sağlam bir duvar aracılığıyla aktarılmasıdır.

Akışkan hareketi türleri. Zorlanmış ve doğal konveksiyon arasında ayrım yapın. hareket denir zorakiısı transfer süreciyle ilgili olmayan dış kuvvetler nedeniyle oluşursa. Örneğin, bir pompa veya fan aracılığıyla enerjinin kendisine iletilmesi nedeniyle. hareket denir Bedava, eğer ısı transfer işlemi ile belirlenir ve ısıtılmış ve soğuk sıvı makropartiküllerinin yoğunluklarındaki farklılık nedeniyle oluşursa.

Hareket modları, sıvılar. Akışkan hareketi sabit ve kararsız olabilir. kurulmuş Akışkanın kapladığı boşluktaki tüm noktalardaki hızın zamanla değişmediği böyle bir hareket denir. Akış hızı zamanla değişirse (büyüklük veya yön olarak), o zaman hareket geçici.

Deneysel olarak oluşturulmuş iki akışkan hareketi modu: laminer ve türbülanslı. -de laminer akış tüm akışkan parçacıkları birbirine ve çevreleyen yüzeylere paralel hareket eder. -de çalkantılı mod Bir sıvının tanecikleri gelişigüzel ve düzensiz hareket eder. Akış boyunca yönlendirilmiş hareketle birlikte, parçacıklar akış boyunca ve akışa doğru hareket edebilir. Bu durumda, sıvının hızı hem büyüklük hem de yön olarak sürekli değişir.

Laminer ve türbülanslı rejimlerin seçimi, büyük önem, çünkü sıvılarda ısı transfer mekanizması moda bağlı olarak farklı olacaktır. Laminer rejimde, akışın enine yönündeki ısı sadece ısı iletimi ile aktarılır ve akış yönünde sadece ısı iletimi ile ve ayrıca türbülanslı girdaplar veya konveksiyon nedeniyle türbülansta aktarılır.

Sınır tabakası kavramı.Çalışmalar, bir cismi yıkayan viskoz bir sıvının akışında, yüzeyine yaklaştıkça hızın azaldığını ve yüzeyin kendisinde sıfıra eşit olduğunu göstermiştir. Bir cismin yüzeyinde bulunan bir sıvının hızının sıfır olduğu sonucuna yapışma hipotezi denir. Sıvı sürekli bir ortam olarak kabul edilebildiği sürece geçerlidir.

Sınırsız bir sıvı akışının düz bir yüzey boyunca hareket etmesine izin verin (Şek.). Ondan uzaktaki sıvı hızı w0'a eşittir ve kaymazlık hipotezine göre yüzeyin kendisinde sıfıra eşittir. Bu nedenle, yüzeyin yakınında donmuş bir sıvı tabakası vardır. dinamik sınır tabakası, hızın 0 ile ...... arasında değiştiği sınır tabakasındaki hız asimptotik olarak w 0'a yaklaştığı için, kalınlığının aşağıdaki tanımı yapılmıştır: kalınlık dinamik sınır tabakası hızın w0'dan belirli bir miktarda, genellikle %1 oranında farklı olduğu yüzeyden olan mesafedir.

Yüzey boyunca hareket ettikçe, sınır tabakasının kalınlığı artar. İlk olarak, artan kalınlıkla kararsız hale gelen ve çökerek türbülanslı bir sınır tabakasına dönüşen laminer bir sınır tabakası oluşur. Bununla birlikte, burada bile, yüzeye yakın, ince bir laminer alt tabaka korunur……., burada sıvı laminer olarak hareket eder. Şek. boyunca laminer (bölüm I) ve türbülanslı (bölüm II) içindeki hızdaki değişimi gösterir.

Konveksiyon- hareket eden madde parçacıkları tarafından ısı transferi. Konveksiyon, yalnızca sıvı ve gaz halindeki maddelerde ve ayrıca sıvı veya gaz halindeki bir ortam ile katı bir cismin yüzeyi arasında gerçekleşir. Bu durumda, bir ısı transferi ve termal iletkenlik vardır. Yüzeye yakın sınır bölgesindeki konveksiyon ve ısı iletiminin birleşik etkisine konvektif ısı transferi denir.

Bina çitlerinin dış ve iç yüzeylerinde konveksiyon gerçekleşir. Konveksiyon, odanın iç yüzeylerinin ısı değişiminde önemli bir rol oynar. -de farklı değerler yüzeyin ve ona bitişik havanın sıcaklığından daha düşük bir sıcaklığa doğru bir ısı geçişi olur. Taşınımla iletilen ısı akısı, yüzeyi yıkayan sıvı veya gazın hareket moduna, hareketli ortamın sıcaklığına, yoğunluğuna ve viskozitesine, yüzey pürüzlülüğüne, yüzey ve çevre sıcaklıkları arasındaki farka bağlıdır. orta.

Yüzey ile gaz (veya sıvı) arasındaki ısı alışverişi süreci, gaz hareketinin meydana gelişinin doğasına bağlı olarak farklı şekilde ilerler. Ayırt etmek doğal ve zorlamalı konveksiyon.İlk durumda, gazın hareketi yüzey ile gaz arasındaki sıcaklık farkından, ikinci durumda - bu işlemin dışındaki kuvvetlerden (fan çalışması, rüzgar) kaynaklanır.

Genel durumda zorlanmış konveksiyona, doğal konveksiyon süreci eşlik edebilir, ancak zorunlu konveksiyonun yoğunluğu, doğal konveksiyonun yoğunluğunu önemli ölçüde aştığı için, zorunlu konveksiyon düşünüldüğünde, doğal konveksiyon genellikle ihmal edilir.

Gelecekte, havanın herhangi bir noktasında hız ve sıcaklığın zaman içinde sabit olduğu varsayılarak, yalnızca durağan konvektif ısı transferi süreçleri dikkate alınacaktır. Ancak odadaki elemanların sıcaklığı oldukça yavaş değiştiğinden, durağan koşullar için elde edilen bağımlılıklar sürece genişletilebilir. odanın durağan olmayan termal koşulları, dikkate alınan her anda, çitlerin iç yüzeylerinde konvektif ısı transferi işleminin durağan olduğu kabul edilir. Durağan koşullar için elde edilen bağımlılıklar, örneğin bir odayı ısıtmak için bir devridaim cihazı (ısı pompası modunda fan coil veya split sistem) çalıştırıldığında, konveksiyonun doğasında doğaldan zorunluya ani bir değişiklik durumuna da genişletilebilir. bir odada açıldı. İlk olarak, yeni hava hareketi modu hızlı bir şekilde kurulur ve ikincisi, ısı transfer sürecinin mühendislik değerlendirmesinin gerekli doğruluğu, düzeltme eksikliğinden kaynaklanan olası yanlışlıklardan daha düşüktür. ısı akışı geçiş durumu sırasında.

Isıtma ve havalandırma hesaplamalarının mühendislik pratiği için, bina kabuğunun veya borunun yüzeyi ile hava (veya sıvı) arasındaki konvektif ısı transferi önemlidir. Pratik hesaplamalarda, konvektif ısı akışını tahmin etmek için (Şekil 3), Newton denklemleri kullanılır:

nerede q için- hareketli ortamdan yüzeye konveksiyon yoluyla aktarılan ısı akışı, W veya tersi;

ta- duvarın yüzeyini yıkayan havanın sıcaklığı, o C;

τ - duvar yüzeyinin sıcaklığı, o C;

α için- duvar yüzeyinde konvektif ısı transfer katsayısı, W / m 2. o C.

Şekil 3 Duvarın hava ile konvektif ısı değişimi

Konveksiyon ısı transfer katsayısı, bir için - fiziksel miktar, hava sıcaklığı ile vücut yüzey sıcaklığı arasındaki 1 o C'ye eşit bir farkta konvektif ısı transferi ile havadan katı bir cismin yüzeyine aktarılan ısı miktarına sayısal olarak eşittir.

Bu yaklaşımla, konvektif ısı transferinin fiziksel sürecinin tüm karmaşıklığı, ısı transfer katsayısında yatmaktadır, bir için. Doğal olarak, bu katsayının değeri birçok argümanın bir fonksiyonudur. Pratik kullanım için çok yaklaşık değerler kabul edilmektedir. bir için.

Denklem (2.5) uygun şekilde şu şekilde yeniden yazılabilir:

nerede R ila - konvektif ısı transferine karşı direnççevreleyen yapının yüzeyinde, m 2. o C / W, yüzey yoğunluğu 1 W / m 2 olan bir ısı akısının çit yüzeyinden geçişi sırasında hava sıcaklığı ile çit yüzeyindeki sıcaklık farkına eşittir. yüzey havaya veya tam tersi. Direnç R ila konvektif ısı transfer katsayısının tersidir bir için.

Elinizi sıcak bir sobanın veya yanan bir elektrik ampulünün üzerine uzatırsanız, bu nesnelerin üzerinde sıcak hava jetlerinin nasıl yükseldiğini hissedebilirsiniz. Yanan bir mumun veya elektrik ampulünün üzerine asılan bir kağıt, yükselen sıcak havanın etkisiyle dönmeye başlar.

Bu fenomen şu şekilde açıklanabilir. Hava, sıcak lamba ile temas eder, ısınır, genişler ve çevredeki soğuk havadan daha az yoğun hale gelir. Aşağıdan yukarıya doğru soğuk havanın yanından sıcak havaya etki eden Arşimet'in kuvveti, sıcak havaya etki eden yerçekimi kuvvetini aşıyor. Böylece ısınan hava yükselir ve yerini soğuk havaya bırakır.

Bir sıvı alttan ısıtıldığında da benzer olayları gözlemleyebiliriz. Daha az yoğun ve bu nedenle daha hafif olan sıcak sıvı katmanları, daha yoğun ve daha ağır, soğuk katmanlarla yukarı doğru yer değiştirir. Düşen soğuk sıvı katmanları, bir ısı kaynağı tarafından ısıtılır ve tekrar daha az ısıtılmış bir sıvı ile yer değiştirir. Böylece, böyle bir hareket tüm suyu eşit şekilde ısıtır. Kabın dibine, içindeki suyu renklendiren birkaç potasyum permanganat kristali koyarsanız, bu daha net görülebilir. mor. Bu tür deneylerde, başka bir ısı transferi türü gözlemleyebiliriz - konveksiyon(Latince kelime "konveksiyon"- Aktar).

Konveksiyon işlemi sırasında enerjinin gaz veya sıvı jetleri tarafından hareket ettirildiğine dikkat edilmelidir. Örneğin, ısıtmalı bir odada, konveksiyon olgusu nedeniyle, ısınan hava akışı tavana yükselir ve soğuk hava zemine düşer. Bu nedenle, üst kısımdaki hava zemine göre çok daha sıcaktır.

İki tür konveksiyon vardır: doğal(veya başka bir deyişle ücretsiz) ve zoraki. Bir odadaki ısıtma sıvısı ve hava örnekleri, doğal konveksiyon örnekleridir. Sıvıyı kaşıkla, karıştırıcıyla, pompayla karıştırdığımızda zorlanmış konveksiyonu gözlemleyebiliriz.

Sıvılar ve gazlar gibi maddeler alttan ısıtılmalıdır. Tersini yaparsanız - onları yukarıdan ısıtın, konveksiyon olmaz. Sıcak katmanlar fiziksel olarak soğuk, daha yoğun ve daha ağır katmanların altına inemez. Bu nedenle konveksiyon işleminin devam etmesi için gazların ve sıvıların aşağıdan ısıtılması gerekir.

AT katılar konveksiyon oluşamaz. Katılarda parçacıkların belirli bir nokta etrafında salındığını zaten biliyoruz, çünkü karşılıklı çekim tarafından bir arada tutulurlar. Bu nedenle katılar ısıtıldığında içlerinde hiçbir madde oluşamaz. Katılarda enerji iletim yoluyla aktarılabilir.

Konveksiyon doğada yaygındır: alt katmanlarda Dünya atmosferi, denizler, okyanuslar, gezegenimizin bağırsaklarında, Güneş üzerinde (yüzeyinden Güneş'in yarıçapının ~% 20-30'u kadar derinliğe kadar katmanlar halinde). Konveksiyon olgusunun yardımıyla gazlar ve sıvılar çeşitli teknik cihazlarda ısıtılır.

Basit bir konveksiyon örneği, yiyeceklerin buzdolabında soğutulması da olabilir. Buzdolabının borularında dolaşan freon gazı hava katmanlarını soğutur. buzdolabının üst kısmında. Aşağı inen soğutulmuş hava tüm ürünleri soğutur ve sonra tekrar yükselir. Yiyecekleri buzdolabına koyduğumuzda içindeki hava sirkülasyonunu engellemeyin. Buzdolabının arkasında bulunan ızgara, gaz sıkıştırma sırasında kompresörde oluşan sıcak havayı çıkarmaya yarar. Izgaranın soğutma mekanizması da konvektiftir, bu nedenle konveksiyonun zorlanmadan gerçekleşmesi için buzdolabının arkasında boş alan bırakmalısınız.

Sormak istediğiniz bir şey var mı? Ödevini nasıl yapacağını bilmiyor musun?
Bir öğretmenden yardım almak için -.
İlk ders ücretsiz!

blog.site, materyalin tamamen veya kısmen kopyalanmasıyla, kaynağa bir bağlantı gereklidir.