Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Моделирование тепловой конвекции. Красные оттенки обозначают горячие области, а синие - холодные. Горячий, менее плотный нижний пограничный слой отправляет струи горячего материала вверх, а холодный материал сверху движется вниз. Эта иллюстрация взята из модели конвекции в мантии Земли .

Конвективная теплопередача , часто называемая просто конвекцией , - это передача тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей . Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя конвективная теплопередача часто обсуждается как отдельный метод теплопередачи, она включает в себя комбинированные процессы неизвестной проводимости (диффузия тепла) и адвекции (теплопередачи объемным потоком жидкости ).

Обзор [ править ]

Конвекцию можно «вызвать» движением жидкости с помощью иных средств, кроме выталкивающих сил (например, водяной насос в автомобильном двигателе). Тепловое расширение жидкости также может вызвать конвекцию. В других случаях сами по себе силы естественной плавучести полностью отвечают за движение жидкости при ее нагревании, и этот процесс называется «естественной конвекцией». Примером может служить сквозняк в дымоходе или вокруг любого пожара. При естественной конвекции повышение температуры приводит к снижению плотности, что, в свою очередь, вызывает движение жидкости из-за давления и сил, когда на жидкости различной плотности действует сила тяжести (или любая перегрузочная сила ). Например, когда вода нагревается на плите, горячая вода со дна кастрюли поднимается, вытесняя более холодную более плотную жидкость, которая падает. После прекращения нагрева смешивание и теплопроводность в результате естественной конвекции в конечном итоге приводят к почти однородной плотности и даже температуре. Без наличия силы тяжести (или условий, вызывающих перегрузку любого типа) естественная конвекция не возникает, и работают только режимы принудительной конвекции.

Конвекционный режим теплопередачи состоит из одного механизма. Помимо передачи энергии из-за специфического молекулярного движения ( диффузии ), энергия передается за счет объемного или макроскопического движения жидкости. Это движение связано с тем фактом, что в любой момент большое количество молекул движется вместе или как агрегаты. Такое движение при наличии градиента температуры способствует теплопередаче. Поскольку молекулы в совокупности сохраняют свое случайное движение, общий перенос тепла происходит из-за суперпозиции переноса энергии за счет случайного движения молекул.и объемным движением жидкости. Обычно используется термин конвекция, когда речь идет об этом кумулятивном переносе, и термин адвекция, когда речь идет о переносе за счет движения жидкости в объеме. [1]

Типы [ править ]

Это цветное шлирен-изображение показывает тепловую конвекцию от руки человека (в форме силуэта) к окружающему неподвижному объекту.

Можно выделить два типа конвективного теплообмена:

  • Свободная или естественная конвекция : когда движение жидкости вызывается силами плавучести, которые возникают в результате изменений плотности из-за изменений термической температуры в жидкости. В отсутствие внутреннего источника, когда жидкость контактирует с горячей поверхностью, ее молекулы разделяются и разбегаются, в результате чего жидкость становится менее плотной. Как следствие, жидкость вытесняется, тогда как более холодная жидкость становится плотнее, а жидкость опускается. Таким образом, более горячий объем передает тепло в более холодный объем этой жидкости. [2] Знакомые примеры - восходящий поток воздуха из-за огня или горячего предмета и циркуляция воды в горшке, который нагревается снизу.
  • Принудительная конвекция : когда жидкость заставляет течь по поверхности внутренним источником, таким как вентиляторы, перемешивание и насосы, создавая искусственно вызванный конвекционный поток. [3]

Во многих реальных приложениях (например, потери тепла в центральных приемниках солнечных батарей или охлаждение фотоэлектрических панелей) естественная и принудительная конвекция происходят одновременно ( смешанная конвекция ). [4]

Внутренний и внешний поток также могут классифицировать конвекцию. Внутренний поток возникает, когда жидкость окружена твердой границей, например, при движении по трубе. Внешний поток возникает, когда жидкость бесконечно расширяется, не встречая твердой поверхности. Оба этих типа конвекции, естественная или принудительная, могут быть внутренней или внешней, поскольку они не зависят друг от друга. [ Править ] The температура массы , или средняя температура жидкости, является удобной точкой отсчета для оценки свойств , связанных с конвективной теплопередачи, в частности , в применениях , связанных с потоком в трубах и каналах.

Дальнейшая классификация может быть произведена в зависимости от гладкости и волнистости твердых поверхностей. Не все поверхности гладкие, хотя большая часть доступной информации касается гладких поверхностей. Волнистые неровные поверхности обычно встречаются в устройствах теплопередачи, включая солнечные коллекторы, регенеративные теплообменники и подземные системы хранения энергии. Они играют важную роль в процессах теплопередачи в этих приложениях. Поскольку они вносят дополнительную сложность из-за неровностей поверхностей, их нужно решать с математической точностью с помощью элегантных методов упрощения. Кроме того, они влияют на характеристики потока и теплопередачи, поэтому ведут себя не так, как прямые гладкие поверхности. [5]

Для визуального восприятия естественной конвекции стакан, наполненный горячей водой и красным пищевым красителем, можно поместить в аквариум с холодной чистой водой. Можно увидеть, как конвекционные потоки красной жидкости поднимаются и опускаются в разных областях, а затем в конечном итоге оседают, иллюстрируя процесс рассеивания градиентов тепла.

Закон охлаждения Ньютона [ править ]

Основная статья: закон охлаждения Ньютона

Иногда предполагается, что конвекционное охлаждение описывается законом охлаждения Ньютона. [6]

Закон Ньютона гласит, что скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и его окружением, когда он находится под воздействием ветерка . Константа пропорциональности - это коэффициент теплопередачи . [7] Закон применяется, когда коэффициент не зависит или относительно не зависит от разницы температур между объектом и окружающей средой.

В классической естественной конвективной теплопередаче коэффициент теплопередачи зависит от температуры. Однако закон Ньютона приближается к реальности, когда изменения температуры относительно небольшие, а также для принудительного воздушного и перекачиваемого жидкостного охлаждения, когда скорость жидкости не увеличивается с увеличением разницы температур.

Конвективная теплопередача [ править ]

Основное соотношение теплопередачи за счет конвекции:

где - тепло, передаваемое в единицу времени, A - площадь объекта, h - коэффициент теплопередачи , T - температура поверхности объекта, T f - температура жидкости, а b - коэффициент масштабирования. [8]

Коэффициент конвективной теплопередачи зависит от физических свойств жидкости и физической ситуации. Значения h были измерены и сведены в таблицу для часто встречающихся жидкостей и ситуаций потока.

См. Также [ править ]

  • Коэффициент теплопередачи
  • Улучшение теплопередачи
  • Диаграмма Хейслера
  • Теплопроводность

Ссылки [ править ]

  1. ^ Incropera DeWitt В.Бергам Лавин 2007, Введение в теплопередачу , 5-е изд., Стр. 6 ISBN  978-0-471-45727-5
  2. ^ http://biocab.org/Heat_Transfer.html Организация «Кабинет биологии», апрель 2006 г., «Теплопередача», доступ 20.04.09.
  3. ^ http://www.engineersedge.com/heat_transfer/convection.htm Engineers Edge, 2009, "Convection Heat Transfer", дата обращения 20.04.09.
  4. ^ Garbrecht, Оливер (23 августа 2017). «Моделирование больших вихрей трехмерной смешанной конвекции на вертикальной пластине» (PDF) . RWTH Ахенский университет .
  5. ^ Арун Шеной, Михаил Шеремет, Иоан Поп, 2016, Конвективный поток и теплопередача от волнистых поверхностей: вязкие жидкости, пористые среды и наножидкости , CRC Press, Taylor & Francis Group, Флорида ISBN 978-1-498-76090-4 
  6. ↑ На основе работы Ньютона, анонимно опубликованной как «Scala Graduum Caloris. Calorum Descriptiones & signa». в Philosophical Transactions , 1701, 824 -829; изд. Джоаннес Николс, Опера Исааки Ньютони quae exstant omnia , т. 4 (1782), 403 -407.
  7. ^ «Механизмы теплопередачи» . Государственный университет Колорадо . Инженерный колледж Университета штата Колорадо . Проверено 14 сентября 2015 года .
  8. ^ "Конвективное уравнение конвекции теплопередачи и калькулятор" . Инженеры Edge . Проверено 14 сентября 2015 года .