Природна конвекція. Види конвекції і чим вони відрізняються

Коефіцієнт теплопровідності за кімнатної температури.

Порядок величини коефіцієнта теплопровідності різних речовин.

Конвекція-це другий спосіб перенесення тепла в просторі.

Конвекція- це перенесення тепла в рідинах та газах з нерівномірним розподілом температури за рахунок руху макрочастинок.

Перенесення теплоти разом із макроскопічними обсягами речовини носить назву конвективного теплоперенесення, або просто конвекції.

Теплообмін між рідиною та поверхнею твердого тіла. Цей процес отримав спеціальну назву конвективна тепловіддача(теплота віддається від рідини до поверхні або навпаки)

Але конвекції в чистому вигляді не існує вона завжди супроводжується теплопровідністю, таке спільне перенесення тепла називається конвективним теплообміном.

Процес теплообміну між поверхнею твердого тіла та рідиною називається тепловіддачеюа поверхня тіла, через яку переноситься теплота,- поверхнею теплообміну або тепловіддаючою поверхнею.

Теплопередача-це перенесення тепла від однієї рідини до іншої через тверду стінку, що розділяє їх.

Види руху руху рідини.Розрізняють вимушену та природну конвекцію. Рух називається вимушеним,якщо воно відбувається за рахунок зовнішніх сил, не пов'язаних із процесом теплообміну. Наприклад, за рахунок повідомлення енергії насосом або вентилятором. Рух називається вільнимякщо воно визначається процесом теплообміну і відбувається за рахунок різниці щільностей нагрітих і холодних макрочастинок рідини.

Режими.рухи, рідини.Рух рідини може бути встановленим і невстановленим. Встановленимназивається такий рух, при якому швидкість у всіх точках простору, зайнятого рідиною, не змінюється у часі. Якщо швидкість потоку змінюється у часі (за величиною чи напрямом), то рух буде невстановлене.

Експериментально встановлено два режими руху рідини: ламінарний та турбулентний. При ламінарному режимівсі частинки рідини рухаються паралельно одна одній і огороджувальним поверхням. При турбулентному режимічастинки рідини рухаються хаотично, невпорядковано. Поряд із спрямованим рухом вздовж потоку частинки можуть рухатися впоперек і назустріч потоку. При цьому швидкість рідини безперервно змінюється як н величині, так і за напрямом.

Виділення ламінарного та турбулентного режимів має велике значення, оскільки залежно від режиму різним буде механізм перенесення тепла рідини. При ламінарному режимі тепло у поперечному напрямку потоку переноситься лише шляхом теплопровідності, а при напрямку потоку переноситься лише шляхом теплопровідності, а при турбулентному, крім того, і за рахунок турбулентних вихорів або конвекції.

Концепція прикордонного шару.Дослідження показали, що в потоці в'язкої рідини, що омиває якесь тіло, у міру наближення до його поверхні швидкість зменшується і на самій поверхні дорівнює нулю. Висновок про те, що швидкість рідини, що лежить на поверхні тіла, дорівнює нулю, називається гіпотезою прилипання. Вона справедлива до того часу, поки рідина можна як суцільне середовище.

Нехай необмежений потік рідини рухається вздовж плоскої поверхні (рис). Швидкість рідини далеко від неї дорівнює w0, а на самій поверхні згідно з гіпотезою прилипання дорівнює нулю. Отже, біля поверхні існує шар замороженої рідини, званий динамічним прикордонним шаром, в якому швидкість змінюється від 0 до …... Оскільки швидкість у прикордонному шарі наближається до w 0 асимптотично, то вводять таке визначення його товщини: товщиною динамічного прикордонного шаруназивається відстань від поверхні, на якому швидкість відрізняється від w0 на певну величину, зазвичай на 1%.

У міру руху вздовж поверхні товщина прикордонного шару зростає. Спочатку утворюється ламінарний прикордонний шар, який зі зростанням товщини стає нестійким і руйнується, перетворюючись на турбулентний прикордонний шар. Однак і тут, поблизу поверхні, зберігається тонкий ламінарний підшар ..., в якому рідина рухається ламінарно. На рис. показано зміну швидкості в межах ламінарного (перетин I) та турбулентного (перетин II) по

Конвекція- перенесення теплоти частинками речовини, що рухаються. Конвекція має місце тільки в рідких та газоподібних речовинах, а також між рідким або газоподібним середовищем та поверхнею твердого тіла. При цьому відбувається передача теплоти та теплопровідністю. Спільний вплив конвекції та теплопровідності у прикордонній області біля поверхні називають конвективним теплообміном.

Конвекція має місце на зовнішній та внутрішній поверхнях огорож будівлі. У теплообміні внутрішніх поверхонь приміщення конвекція відіграє важливу роль. При різних значенняхтемператури поверхні та прилеглого до неї повітря відбувається перехід теплоти у бік меншої температури. Тепловий потік, що передається конвекцією, залежить від режиму руху рідини або газу, що омивають поверхню, від температури, щільності і в'язкості навколишнього середовища, від шорсткості поверхні, від різниці між температурами поверхні і її середовища.

Процес теплообміну між поверхнею та газом (або рідиною) протікає по-різному залежно від природи руху газу. Розрізняють природну та вимушену конвекцію.У першому випадку рух газу відбувається за рахунок різниці температури поверхні та газу, у другому - за рахунок зовнішніх для даного процесу сил (роботи вентиляторів, вітру).

Вимушена конвекція у випадку може супроводжуватися процесом природної конвекції, але оскільки інтенсивність вимушеної конвекції помітно перевищує інтенсивність природної, то при розгляді вимушеної природної конвекції часто нехтують.

Надалі розглядатимуться лише стаціонарні процеси конвективного теплообміну, що передбачають сталість у часі швидкості та температури у будь-якій точці повітря. Але оскільки температура елементів приміщення змінюється досить повільно, отримані для стаціонарних умов залежності можуть бути поширені і на процес нестаціонарного теплового режиму приміщення, при якому в кожний момент, що розглядається, процес конвективного теплообміну на внутрішніх поверхнях огорож вважається стаціонарним. Отримані для стаціонарних умов залежності можуть бути поширені і на випадок раптової зміни природи конвекції від природної до вимушеної, наприклад, при включенні в приміщенні рециркуляційного апарату нагрівання приміщення (фанкойл або спліт-системи в режимі теплового насоса). По-перше, новий режим руху повітря встановлюється швидко і, по-друге, необхідна точність інженерної оцінки процесу теплообміну нижче за можливі неточності від відсутності корекції. теплового потокупротягом перехідного стану.

Для інженерної практики розрахунків для опалення та вентиляції важливим є конвективний теплообмін між поверхнею огороджувальної конструкції або труби та повітрям (або рідиною). У практичних розрахунках з метою оцінки конвективного теплового потоку (рис.3) застосовують рівняння Ньютона:

де q до- тепловий потік, Вт, що передається конвекцією від навколишнього середовища до поверхні або навпаки;

t a- температура повітря, що омиває поверхню стінки, про З;

τ - температура поверхні стінки, про;

α до- Коефіцієнт конвективної тепловіддачі на поверхні стінки, Вт/м 2. про С.

Рис.3 Конвективний теплообмін стінки з повітрям

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, a до - фізична величина, чисельно рівна кількості теплоти, що передається від повітря до поверхні твердого тіла шляхом конвективного теплообміну при різниці між температурою повітря та температурою поверхні тіла, що дорівнює 1 про С.

При такому підході вся складність фізичного процесу конвективного перенесення теплоти полягає в коефіцієнті тепловіддачі, a до. Природно, що величина цього коефіцієнта є багато аргументів. Для практичного використання приймаються дуже наближені значення a до.

Рівняння (2.5) зручно переписати у вигляді:

де R до - опір конвективної тепловіддачіна поверхні огороджувальної конструкції, м 2. про С/Вт, що дорівнює різниці температури на поверхні огорожі та температури повітря при проходженні теплового потоку з поверхневою щільністю 1 Вт/м 2 від поверхні до повітря або навпаки. Опір R доє величиною зворотної коефіцієнту конвективної тепловіддачі a до.

Якщо витягнути руку над гарячою плитою або над електричною лампочкою, що горить, можна відчути, як над цими предметами піднімаються струмені теплого повітря. Листок паперу, підвішений над свічкою, що горить, або електричною лампочкою, під впливом теплого повітря, що піднімається, починає обертатися.

Подібне явище можна пояснити так. Повітря стикається з гарячою лампою, нагрівається, розширюється і знаходить менш щільний стан, на відміну від навколишнього холодного повітря. Сила Архімеда, яка діє на тепле повітря з боку холодного повітря знизу вгору, перевершує силу тяжіння, що діє на тепле повітря. Таким чином, тепле повітря піднімається вгору, тим самим поступаючись місцем холодному повітрю.

Подібні явища можна спостерігати при нагріванні рідини знизу. Теплі шари рідини – менш щільні, отже, легші – витісняються вгору щільнішими і важкими, холодними шарами. Холодні шари рідини, опустившись донизу, нагріваються від джерела тепла і знову витісняються менш нагрітою рідиною. Таким чином, такий рух рівномірно прогріває всю воду. Це можна побачити більш наочно, якщо на дно судини покласти трохи кристаликів марганцівки, яка забарвлює воду в Фіолетовий колір. У подібних дослідах ми можемо спостерігати ще один різновид теплопередачі. конвекція(латинське слово «конвекціо»- Перенесення).

Слід зазначити, що під час конвекції енергія переміщається самими струменями газу чи рідини. Наприклад, в кімнаті з опаленням, завдяки явищу конвекції, потік нагрітого повітря піднімається до стелі, а холодного опускається до підлоги. Таким чином, повітря вгорі набагато тепліше, ніж біля підлоги.

Існує два види конвекції: природна(або іншими словами вільна) та вимушена.Приклади з нагріванням рідини та повітря у кімнаті є прикладами природної конвекції. Ми можемо спостерігати вимушену конвекцію, коли рідину перемішуємо ложкою, мішалкою, насосом.

Такі речовини як рідини та гази необхідно нагрівати знизу. Якщо ж робити навпаки – нагрівати їх згори, конвекції не буде. Теплі шари не можуть фізично опуститися нижче холодних, щільніших і важкіших. Таким чином, для протікання процесу конвекції необхідно нагрівати гази та рідини знизу.

У твердих тілахконвекція відбуватися не може. Нам відомо, що у твердих тілах, частки коливаються біля певної точки, т.к. вони утримуються взаємним тяжінням. Тому при нагріванні твердих тіл у них не може утворюватися речовина. У твердих тілах енергія може передаватися за рахунок теплопровідності.

Конвекція поширена у природі: у нижніх шарах земної атмосфери, морях, океанах, в надрах нашої планети, на Сонці (у шарах до глибини ~20-30% радіусу Сонця від його поверхні). За допомогою явища конвекції здійснюють нагрівання газів, а також рідин у різних технічних пристроях.

Простим прикладом конвекції може бути охолодження продуктів у холодильнику. Газ фреон, що циркулює по трубах холодильника, охолоджує пласти повітря у верхній частині холодильника. Охолоджене повітря, спустившись униз, охолоджує всі продукти, а потім знову прямує вгору. Коли ми розкладаємо продукти харчування в холодильнику, не варто ускладнювати циркуляцію повітря в ньому. Решітка, розташована на садку холодильника, служить для відведення теплого повітря, яке утворюється в компресорі при стисканні газу. Механізм охолодження ґрат також конвективний, тому слід залишати вільним простір за холодильником, щоб конвекція проходила без труднощів.

Залишились питання? Чи не знаєте, як зробити домашнє завдання?
Щоб отримати допомогу репетитора – .
Перший урок – безкоштовно!

blog.сайт, при повному або частковому копіюванні матеріалу посилання на першоджерело обов'язкове.