Конвективная теплопередача - Convective heat transfer

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. Этот рисунок взят из модели конвекции в Мантия земли.

Конвективная теплопередача, часто называемый просто конвекция, это передача тепла из одного места в другое движение жидкостей. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя конвективный перенос тепла часто обсуждается как отдельный метод теплопередачи, он включает в себя комбинированные процессы неизвестного происхождения. проводимость (диффузия тепла) и адвекция (передача тепла насыпью поток жидкости ).

Обзор

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 воздействуют сила тяжести (или любой перегрузка ). Например, когда вода нагревается на печь, 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 за счет определенного движения молекул (распространение ), энергия передается массово, или макроскопический, движение 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 беспорядочное движение, общий перенос тепла происходит из-за суперпозиции переноса энергии за счет случайного движения молекулы 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

Этот цвет шлирен образ обнаруживает тепловую конвекцию от руки человека (в форме силуэта) к окружающему неподвижному обмену.

Можно выделить два типа конвективного теплообмена:

  • Свободная или естественная конвекция: когда движение жидкости вызвано силами плавучести, которые возникают в результате изменений плотности из-за изменений температуры и тепла 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 солнечной энергии 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 независимы друг от друга.[нужна цитата ] В объемная температура, или средняя температура жидкости, является удобной точкой отсчета для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачей, особенно в приложениях, связанных с потоком в трубах и воздуховодах.

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

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 окружающей средой при воздействии 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

Основное соотношение теплопередачи за счет конвекции:

куда тепло, передаваемое в единицу времени, А площадь объекта, час это коэффициент теплопередачи, Т - температура поверхности объекта, Тж - температура жидкости, а б - масштабный показатель.[8]

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

Смотрите также

Рекомендации

  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 Кабинета биологии, апрель 2006 г., "Теплообмен", дата обращения 20.04.09.
  3. ^ http://www.engineersedge.com/heat_transfer/convection.htm Engineers Edge, 2009, "Convection Heat Transfer", дата обращения 20.04.09.
  4. ^ Гарбрехт, Оливер (23 августа 2017 г.). «Моделирование больших вихрей трехмерной смешанной конвекции на вертикальной пластине» (PDF). RWTH Ахенский университет.
  5. ^ Арун Шеной, Михаил Шеремет, Иоан Поп, 2016, Конвективное течение и теплопередача от волнистых поверхностей: вязкие жидкости, пористые среды и наножидкости, CRC Press, Taylor & Francis Group, Флорида ISBN  978-1-498-76090-4
  6. ^ Основано на работе Ньютона, анонимно опубликованной как «Scala gradum Caloris. Calorum Descriptiones & signa». в Философские труды, 1701, 824 –829; изд. Джоаннес Николс, Опера Исааки Ньютони quae exstant omnia, т. 4 (1782 г.), 403 –407.
  7. ^ «Механизмы теплопередачи». Государственный университет Колорадо. Инженерный колледж Университета штата Колорадо. Получено 14 сентября 2015.
  8. ^ «Уравнение конвективной теплопередачи и калькулятор». Инженеры Edge. Получено 14 сентября 2015.