что такое свободная конвекция

Что такое свободная конвекция

Свободно конвективные течения возникают вследствие изменений плотности, обусловленных процессами тепло- или массообмена в поле гравитационных сил. Разность плотностей создает выталкивающую силу, под действием которой возникает течение. При охлаждении нагретого тела окружающим воздухом такое течение наблюдается в области, окружающей тело. К естественной конвекции относят также обусловленные выталкивающей силой течения при отводе теплоты в атмосферу или другую окружающую среду, циркуляцию в нагретых помещениях, в атмосфере или водоемах, течения, связанные с выталкивающей силой.

Нагретое вещество под действием Архимедовой силы перемещается относительно менее нагретого вещества в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Конвекция приводит к выравниванию температуры вещества.

Естественная конвекция широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы, в океане, в недрах Земли, в звездах. Конвективные потоки приводят к возникновению таких атмосферных явлений, как ветер, ураганы, циклоны.

В условиях невесомости конвективные потоки исчезают, так как исчезает поддерживающая сила. Поэтому, например, в условиях невесомости невозможно горение (если не обеспечена искусственная тяга); продукты горения не удаляются из пламени, и оно гаснет вследствие недостатка кислорода.

Время существования (log t c от 6 до 6);

Время деградации (log t d от 0 до 0);

Время оптимального проявления (log t k от 0 до 0).

Технические реализации эффекта

Технической реализацией являются батареи отопления, которые за счет естественной конвекции обогревают помещение. Часто естественная конвекция используется для движения воды в трубах отопления.

В некоторых технических задачах наоборот требуется подавить естественную конвекцию для уменьшения тепловых потерь.

Так одной из задач при проектировании солнечных коллекторов является уменьшение тепловых потерь через прозрачную изоляцию. Для подавления движения в пространстве между двумя пластинам, одна из которых нагрета, указанное пространство заполняется ячеистым материалом. При отсутствии движения среды теплообмен между пластинами осуществляется только путем теплопроводности.

Изучение процессов естественной конвекции имеет большое значение в связи с проблемой сброса или отвода теплоты во многих приборах, процессах и системах. Естественная конвекция существенно влияет на предельные значения тепловых потоков, от нее зависит безопасность эксплуатации в условиях, когда обычные способы отвода теплоты непригодны и удаление выделяемой системой теплоты проводится путем естественной конвекции, что имеет большое значение во многих электронных приборах и энергетических установках.

Распространенным видом отопительных приборов являются конвекторы, в которых почти вся теплота от теплоносителя в отапливаемое помещение передается конвекцией. Наиболее распространены конвекторы из обребренных труб, по которым проходит горячая вода или пар, трубы заключены в кожухи с отверстиями внизу и наверху для прохода воздуха.

Воздухонагреватель (рис. 1) предназначен для подогрева воздуха и для дутья при работе доменной печи.

Набивка состоит из металлических гофрированных и рифленых лент, намотанных на деревянный сердечник так, чтобы желобки рифления, накладываясь друг на друга под углом, образовывали узкие проходы треугольного сечения.

В режиме нагрева набивки продукты сгорания от горелки поднимаются вверх, под куполом переходят через ограждающую камеру и поступают в набивку, омывая ее сверху вниз в вертикальном направлении.

В режиме дутья холодный газ, заполняя это же пространство, забирает тепловую энергию, накопленную набивкой в режиме нагрева. Нагретый газ поступает в воздухопровод горячего дутья 2.

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 2. Термодинамика и молекулярная физика.- М.: Наука, 1990.- С.509-514.

2. Конвекция. Физический энциклопедический словарь.- М.: Изд-во сов. энциклопедия, 1962.- Т.2.- С.436.

Источник

Конвекция

Из Википедии — свободной энциклопедии

Конвекция (от лат. convectiō — «перенесение») — вид теплообмена (теплопередачи), при котором внутренняя энергия передаётся струями и потоками самого вещества. Существует так называемая естественная конвекция, которая возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании в поле тяготения. При такой конвекции нижние слои вещества нагреваются, становятся легче и всплывают, а верхние слои, наоборот, остывают, становятся тяжелее и опускаются вниз, после чего процесс повторяется снова и снова. При некоторых условиях процесс перемешивания самоорганизуется в структуру отдельных вихрей и получается более или менее правильная решётка из конвекционных ячеек.

Различают ламинарную и турбулентную конвекцию.

Естественной конвекции обязаны многие атмосферные явления, в том числе, образование облаков. Благодаря тому же явлению движутся тектонические плиты. Конвекция ответственна за появление гранул на Солнце.

При вынужденной (принудительной) конвекции перемещение вещества обусловлено действием внешних сил (насос, лопасти вентилятора и т. п.). Она применяется, когда естественная конвекция является недостаточно эффективной.

Конвекцией также называют перенос теплоты, массы или электрических зарядов движущейся средой.

Источник

Конвекция

Содержание

Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем.

Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. В данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.

Определение конвекции

Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).

Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.

А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).

На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления – конвекции.

Конвекция (от лат. конвекцио – перенесение) – это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.

Конвекция в жидкостях

Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.

Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.

Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.

Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.

Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.

Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.

Конвекция в газах

Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.

Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.

После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?

Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.

Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.

Свойства и виды конвекции

Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит,

для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.

Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,

конвекция не может происходить в твердых телах.

Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):

Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.

Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем веер или перемешиваем жидкость ложкой.

Конвекция в быту и природе

Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).

Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.

Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).

Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.

Яркий пример конвекции в природе – это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха – образуются ветра.

Пассаты – ветра, дующие от субтропических областей с экватору – частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном – в юго-восточном направлении.

Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения – пример вынужденной конвекции.

Ветер на берегах морей – бриз – также образуется за счет конвекции (рисунок 10).

В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот – вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море – образуется ночной бриз.

Источник

Свободная конвекция

В общем обмене тепла в помещении наряду с излучением существенную роль играет конвекция. Воздух обменивается теплом с охлажденными и нагретыми поверхностями ограждений и приборов систем отопления и охлаждения. В практических расчетах для определения количества тепла (Вт), передаваемого при конвективном теплообмене между жидкостью или газом и поверхностью твердого тела, пользуются формулой

, (8)

где F – поверхность твердого тела, м 2 ;

t_в – температура жидкости или газа, град;

t_н – температура поверхности, град;

α_к – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/(м 2 ּ о С).

Коэффициент теплоотдачи конвекцией α_к показывает количество тепла (Вт), которое передается от жидкости или газа к 1 м 2 поверхности твердого тела при разности температур в 1 о С между жидкостью или газом и поверхностью.

На вид кажущаяся простой, формула (8) не решает задачи, а только переносит ее на выбор значений α_к. Для определения величины α_к для различных случаев конвективного теплообмена существуют ряд эмпирических формул в критериальной форме.

Около нагретых и охлажденных свободно расположенных поверхностей возникают конвективные потоки, определяющие интенсивность теплообмена между поверхностями и воздухом. Этот процесс называется свободной конвекцией. Если поверхность нагрета, то воздух около нее нагревается и поднимается вверх, вытесняемый снизу более холодным. В потоке около вертикальной поверхности образуется пограничный слой, толщина которого увеличивается снизу в направлении движения. В начальной зоне движения пограничный слой является ламинарным. На некотором расстоянии от нижней границы нагретой поверхности, когда толщина пограничного слоя достигает определенной величины, режим движения становится турбулентным (рис. 3). Аналогичная картина наблюдается около охлажденной поверхности, у которой поток свободной конвекции направлен вниз. В пределах толщины пограничного слоя изменяется температура и скорость воздуха: изменение температуры происходит в пределах теплового пограничного слоя толщиной δ_t, затухание скорости – в пределах гидродинамического пограничного слоя толщиной δ. В общем случае толщина этих слоев не одинакова.

При ламинарном режиме критериальное уравнение, определяющее интенсивность теплообмена в произвольном сечении х при Рr = 0,709, имеет вид

Рисунок 3 – Пограничные слои при свободной конвекции

Локальное значение критерия Нуссельта Nu_x, отнесенное к произвольному сечению х, составит

где α_кх – локальный коэффициент теплоотдачи;

λ – коэффициент теплопроводности воздуха.

Среднее значение коэффициента конвективного теплообмена в пределах всей области ламинарного режима теплообмена от 0 до l_кр

Критериальное уравнение теплообмена в области турбулентного режима запишется следующим образом:

Уравнение для α_кх при температуре 20 о С имеет вид

(9)

Из формулы (9) видно, α_кх не зависит от геометрического параметра х и остается неизменным для всей области турбулентного режима.

Средние значения коэффициента конвективного теплообмена на вертикальных поверхностях ограждений в помещении без особой погрешности можно определить по формуле (9), так как перепадам температур и геометрическим размерам нагретых и охлажденных поверхностей, имеющих место в действительности, обычно соответствует турбулентный режим. При горизонтальном расположении нагретой или охлажденной поверхности для расчета средней интенсивности конвективного теплообмена можно тоже пользоваться формулой (9), но при этом значение коэффициента А в ней должно быть изменено так, как показано в таблице 1.

Таблица 1 – Значения коэффициента А при различных положениях поверхностей

Движение воздуха в режиме свободной конвекции около нагретых и охлажденных горизонтальных поверхностей происходит иначе, чем около вертикальных. Если горячая поверхность обращена вверх или холодная вниз, то движение воздуха около них происходит, как показано на рис. 4а. Возникает так называемый «сахара-эффект», при котором воздух опускается к поверхности по границам своеобразных шестигранников и, нагревшись, поднимается в центрах этих шестигранников. Для нагретой горизонтальной поверхности, обращенной вниз, или холодной, обращенной вниз, движение воздуха показано на рис. 4б. В приведенных формулах за определяющую принимают обычно среднюю температуру воздуха и поверхности.

Источник

Свободная конвекция

Обычно, говоря о свободной конвекции, различают два вида этого процесса в зависимости от его протекания в не­ограниченном или ограниченном пространстве. Различие между этими процессами заключается в следующем. Пред­ставим себе, что две поверхности участвуют в теплообмене: одна отдает тепло воздуху, т. е. происходит процесс нагрева воздуха, а другая, наоборот, отбирает тепло от подогретого воздуха и тем самым его охлаждает. Если обе поверхности значительно удалены одна от другой, то оба процесса (нагрев и охлаждение воздуха) происходят, не влияя друг на друга. В этом случае можно говорить о свободной конвек­ции в неограниченном пространстве. Понятно, что, если протекает практически только один процесс (нагрев или охлаждение), то наблюдается теплоотдача в неограниченном пространстве. Если пространство ограничено, то процессы нагрева и охлаждения разделить невозможно и все явле­ния надо рассматривать в целом.

Свободная конвекция в неограниченном пространстве. Типичным свободным движением в неограниченном прост­ранстве для вертикальной нагретой поверхности является такое движение, когда около нижней части поверхности происходит ламинарное движение, а в верхней части —тур­булентное. Вид движения зависит от разности температур стенки и воздуха. С изменением вида движения изменяется и вид теплоотдачи. Можно показать, что в нижней части толщина ламинарного слоя сначала увеличивается и коэф­фициент теплоотдачи уменьшается, а затем происходит стабилизация турбулентного движения и коэффициент теп­лоотдачи остается неизменным.

Свободная конвекция в неограниченном пространстве для тел самой различной формы в настоящее время хорошо изучена. Проведенная обработка результатов многочислен­ных исследований позволила сделать следующие выводы:

1) форма тела имеет второстепенное значение; режим движения определяется не формой тела, а температурными условиями;

2) при определенных условиях процесс теплообмена не зависит от геометрических размеров и его можно изучить на малых моделях;

3) для процесса теплоотдачи определяющим критерием является произведение GrPr. Зависимость между критериями подобия Nu, Gr и Pr может быть представлена в виде:

где С и n— опытные коэффициенты, значения которых сле­дующие:

Свободная конвекция в ограниченном, пространстве. Поскольку для теплоотдачи в ограниченном пространстве нельзя получить верные коэффициенты теплоотдачи, по­стольку для облегчения расчета такой сложный процесс теплообмена рассматривают как элементарное явление пере­дачи тепла теплопроводностью, вводя при этом понятие эквивалентного коэффициента теплопроводности l_эк.Это позволяет избежать определения коэффициентов теплоотда­чи a. Значение l_эк находят опытным путем.

Если эквивалентный коэффициент теплопроводности разделить на действительный коэффициент теплопроводно­сти той же среды при ее средней температуре, то получаем новый коэффициент, который характеризует влияние кон­векции и называется коэффициентом конвекции e_к = l_эк/l.

Коэффициент e_к является функцией произведения GrPr, т. е. e_к = f(GrPr).

В подобной форме обрабатывают опытные данные для свободной конвекции в ограниченном пространстве.

При значениях произведения GrPr 1000 может быть использовано уравнение

Получив значение l_эк, нетрудно определить плотность теплового потока по уравнению Фурье, Вт/м 2

где d — толщина слоя, участвующего в теплообмене, м; DТ — разность температур на границах слоя, К.

Источник