Конвекция. Виды конвекции и их влияние на процесс теплообмена. Свободная (естественная) конвекция Какой вид конвекции естественный

Конвекция (от лат. convectio - принесение, доставка), перенос теплоты в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. Различают естественную, или свободную, и вынужденную.

Описание процеса

Конвекция широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы, морях и океанах, в недрах Земли, на Солнце (в слое до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности) и т.д. С помощью конвекции осуществляют охлаждение или нагревание жидкостей и газов в различных технических устройствах.

При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться современными обогревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Конвективный тепловой поток от нагревателя к нагреваемой среде зависит от начальной скорости движения молекул, плотности, вязкости, теплопроводности и теплоемкости и среды; очень важны также размер и форма нагревателя. Соотношение между соответствующими величинами подчиняется закону Ньютона

q = hA (T W - T 8),

где q - тепловой поток (измеряемый в ваттах), A - площадь поверхности источника тепла (в м 2), T W и T 8 - температуры источника и его окружения (в кельвинах). Коэффициент конвективного теплопереноса h зависит от свойств среды, начальной скорости ее молекул, а также от формы источника тепла, и измеряется в единицах Вт/(м 2 ·К).

Величина h неодинакова для случаев, когда воздух вокруг нагревателя неподвижен (свободная конвекция) и когда тот же нагреватель находится в воздушном потоке (вынужденная конвекция). В простых случаях течения жидкости по трубе или обтекания плоской поверхности коэффициент h можно рассчитать теоретически. Однако найти аналитическое решение задачи о конвекции для турбулентного течения среды пока не удается. Турбулентность - это сложное движение жидкости (газа), хаотичное в масштабах, существенно превышающих молекулярные.

Если нагретое (или, наоборот, холодное) тело поместить в неподвижную среду или в поток, то вокруг него образуются конвективные токи и пограничный слой. Температура, давление и скорость движения молекул в этом слое играют важную роль при определении коэффициента конвективного теплопереноса.

Конвекцию необходимо учитывать при проектировании теплообменников, систем кондиционирования воздуха, высокоскоростных летательных аппаратов и многих других устройств. Во всех подобных системах одновременно с конвекцией имеет место теплопроводность, причем как между твердыми телами, так и в окружающей их среде. При повышенных температурах существенную роль может играть и лучистый теплообмен.

Естественная конвекция

Естественная конвекция возникает при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих или сыпучих веществ, находящихся в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Вещество, нагретое сильнее, имеет меньшую плотность и под действием архимедовой силы FA перемещается относительно менее нагретого вещества. Сила FA = Dr·V (Dr - разность плотностей нагретого вещества и окружающей среды, V - объём нагретого вещества). Направление силы FA, а следовательно, и конвекция для нагретых объёмов вещества противоположно направлению силы тяжести. Конвекция (приводит к выравниванию температуры вещества. При стационарном подводе теплоты к веществу в нём возникают стационарные конвекционные потоки, переносящие теплоту от более нагретых слоев к менее нагретым. С уменьшением разности температур между слоями интенсивность конвекции падает. При высоких значениях теплопроводности и вязкости среды конвекция также оказывается ослабленной. На конвекции ионизованного газа (например, солнечной плазмы) существенно влияет магнитное поле и состояние газа (степень его ионизации и т.д.). В условиях невесомости естественная конвекция невозможна.

В основе явления конвекции лежит процесс расширения более холодного вещества при его контакте с горячими массами.

При этом нагреваемый элемент теряет свою плотность. Его масса снижается при сопоставлении с окружающими его холодными условиями.

Особо точно явление конвекции характеризует движение тепловых потоков в процессе нагревания воды.

Яркие образцы

Движения нагретого воздуха в середине комнаты с отопительной техникой. Здесь движение тёплых потоков направлено к потолку, а холодных – к полу. И при работающей отопительной системе вверху помещения воздух гораздо теплее, чем в его низу.
Здесь стоит обратиться к закону Архимеда. Здесь тела расширяются под влиянием теплового излучения. Согласно данному закону, развитие температуры ведёт к развитию объёмов жидкости. Условие: в ёмкости находится жидкость, которая нагревается с нижней стороны. В итоге он поднимается всё выше. А влага, имеющая большую плотность, движется ниже. И при нагреве верхней части жидкости с большей и меньшей плотностью не сдвинутся. Тогда и конвекции не получится.

Возникновение определения

В 1834 году англичанин Вильям Прут первым предложил понятие «конвекция». Этим термином он охарактеризовал движение тепловых образований в нагретых, перемещающихся жидкостях.

Начальные теоретические анализы конвекции датированы 1916 годом. Экспериментальные изучения проходили с жидкостями, залитыми в ёмкости. Они подогревались снизу. Было выяснено, импульсы в них движутся от диффузии к конвекции при условии критических температур. Эти крайние показатели позже были наименованы «числами Роэля».

Благодаря данным экспериментам учёные смогли объяснить движения тепловых масс под силами Архимеда.

Разновидности

Их всего две – естественная и принудительная.

Указанный выше пример воздушных потоков в отапливаемом помещении – лучшая характеристика естественного вида конвекции.

Принудительная конвекция обычно получается при механических действиях в жидкости. Например, при перемешиваниях ложкой или использовании насоса.

Конвекция не образуется, когда нагреваются твёрдые тела. Причина – мощная взаимная тяга при вибрациях их твёрдых элементов. В итоге нагреваются тела твёрдой структуры. Получается излучение.

Теплопроводность появляется вместо обозначенных явлений в подобных телах и ведёт к посылу тепловой энергии.

Есть и третий вид конвекции – капиллярный. Он формируется при температурных скачках, когда жидкость проходит по трубам. И при сопоставлении этого вида конвекции с первыми двумя при естественных условиях разница получается незначительной.

Но при работе в космосе капиллярный вид становится ключевым фактором. Впрочем, как излучение и проводимость тепла. И даже мизерные конвективные колебания при невесомости крайне осложняют осуществление определённых инженерных замыслов.

Примеры в слоях земли

Конвективные процессы имеют тесную связь с природным формированием газоподобных элементов в слоях земной коры. Её образуют концентрические слои.

В центре устроена огромная жидкая субстанция. У неё крайне высокая плотность. В ней содержится железо, никель и прочие металлы. Это горячее ядро. Его окружение представлено литосферой и полужидким образованием.

Верхний слой данной сферы – это земная кора. Литосферу образуют отдельные платформы. Осуществляется их беспрепятственное перемещение по плоскости жидкого образования.

И когда разные участки этого образования и горные породы, отличающиеся по составу, нагреваются неравномерно, появляются конвективные потоки. Под их влиянием природным методом преобразуются ложи океанов и перемещаются несущие материки.

Сравнение с теплопроводностью

Теплопроводность характеризует потенциал физических тел к посылу тепла. Он получается через перемещения атомов и молекул.

Металлы превосходно проводят тепло, ведь их молекулы постоянно контактируют друг с другом. А газоподобные летучие элементы тепло проводят крайне плохо.

В основе принципов конвекции находится перенос тепла благодаря перемещению массы молекул элементов. А теплопроводность базируется на энергетическом взаимодействии между компонентами физического тела. Оба процесса происходят только при наличии частиц элемента.

Прочие образцы

Самый распространённый образец – это работа рядового бытового холодильника. В его холодильном отделении имеются трубы. По ним циркулирует охлаждённый газ – фреон. Из-за этого температуры в верхних слоях воздуха снижается. Холодные воздушные формирования замещаются более тёплыми и движутся вниз. Благодаря таким операциям охлаждаются продукты.

На тыльной стороне холодильника устроена решётка. Она способствует отхождению тёплого воздуха, который сформировался в холодильном компрессоре при сжатии газа. Решётка охлаждается. И этот процесс также базируется на конвективных принципах.

Поэтому специалисты советуют не заполнять пространство за холодильником. Только при свободной зоне там охлаждение получается без проблем.

Хорошо проявляется конвекция при движении ветра. Когда он нагревается над жаркими материками и охлаждается в более холодных зонах, воздушные потоки выталкивают друг друга. Они движутся. Идёт перемещение и влаги, и энергии.

Конвективные принципы заложены в действии планеров и способности птиц к парению. Когда у земной поверхности воздушные образования с меньшей плотность и большей температурой нагреваются неравномерно, образуются восходящие потоки. Они благоприятны для парения.

Чтобы справиться с огромными дистанциями без серьёзных трат энергии и усилий, птицы стараются отыскать такие потоки.

Отличные образцы конвекции — это появления дыма в дымоходных трубах и кратеров вулканов. Дым поднимается. И основой этого действия служит особые параметры дыма (повышенная температура и пониженная плотность) при аналогии с внешними условиями. Когда дым остывает, он плавно внедряется в нижние атмосферные слои. И поэтому трубы для выброса опасных веществ на предприятиях создают очень высокими.

Духовой шкаф

Сегодня всё чаще конвективные основы закладываются в работу нынешнего бытового оборудования, например, в духовые шкафы.

И в них уже можно одновременно готовить различные блюда. Причём готовка происходит при разных температурных показателях и на обособленных уровнях. И здесь вкус и запах совершенно не смещаются.

В стандартном модели воздух нагревается за счёт одной горелки. В итоге тепло расходится неравномерно.

А в духовой модификации с конвекцией горячие воздушные потоки движутся целенаправленно. Этому способствует специальный вентилятор. В результате блюда в таком шкафу эффективнее пропекаются и после приготовления отличаются хорошей сочностью. К тому же подобные шкафы стремительнее нагреваются, и пища в них готовится быстрее.

Микроволновка

Микроволновки, функционирующие по конвективным принципам, осуществляют следующие операции с пищей:

Разогревание.
Разморозка.
Выпекание.
Запекание.

В этой печи можно создавать различные булочки, пирожки и прочую выпечку. Превосходно такие модели подходят и для запекания рыбы или мяса. Их стандартная работа связана только с нагревом или разморозкой продуктов. А комбинированный режим добавляет ещё две указанные функции.

Такие печи отличаются серьёзными габаритами и ценами, также «кушают» много электричества. В них работает специальный дополнительный вентилятор и компонент, подогревающий воздух. Оба они устроены на задней панели печи или в её верхней стороне.

Гриль

Сегодня в продажах становится всё больше микроволновок с грилем и конвекцией. Они дают хозяевам больше кулинарных возможностей, чем обычные СВЧ-печи.

Пища готовится быстро, получается объёмной, очень вкусной и с золотистой корочкой.

Для этих же целей гриль с конвекцией устраивается и в духовых шкафах. Она обеспечивает запекание в усиленном скоростном режиме.

Видео об эксперименте с конвекцией смотрите далее:

Конвекция - перенос теплоты движущимися частицами вещества. Конвекция имеет место только в жидких и газообразных веществах, а также между жидкой или газообразной средой и поверхностью твердого тела. При этом происходит передача теплоты и теплопроводностью. Совместное воздействие конвекции и теплопроводности в пограничной области у поверхности называют конвективным теплообменом.

Конвекция имеет место на наружной и внутренней поверхностях ограждений здания. В теплообмене внутренних поверхностей помещения конвекция играет существенную роль. При различных значениях температуры поверхности и прилегающего к ней воздуха происходит переход теплоты в сторону меньшей температуры. Тепловой поток, передаваемый конвекцией, зависит от режима движения жидкости или газа, омывающих поверхность, от температуры, плотности и вязкости движущейся среды, от шероховатости поверхности, от разности между температурами поверхности и омывающей ее среды.

Процесс теплообмена между поверхностью и газом (или жидкостью) протекает по-разному в зависимости от природы возникновения движения газа. Различают естественную и вынужденную конвекцию. В первом случае движение газа происходит за счет разности температуры поверхности и газа, во втором - за счет внешних для данного процесса сил (работы вентиляторов, ветра).

Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться процессом естественной конвекции, но так как интенсивность вынужденной конвекции заметно превосходит интенсивность естественной, то при рассмотрении вынужденной конвекции естественной часто пренебрегают.

В дальнейшем будут рассматриваться только стационарные процессы конвективного теплообмена, предполагающие постоянство во времени скорости и температуры в любой точке воздуха. Но так как температура элементов помещения изменяется довольно медленно, полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на процесс нестационарного теплового режима помещения , при котором в каждый рассматриваемый момент процесс конвективного теплообмена на внутренних поверхностях ограждений считается стационарным. Полученные для стационарных условий зависимости могут быть распространены и на случай внезапной смены природы конвекции от естественной к вынужденной, например, при включении в помещении рециркуляционного аппарата нагрева помещения (фанкойла или сплит-системы в режиме теплового насоса). Во-первых, новый режим движения воздуха устанавливается быстро и, во-вторых, требуемая точность инженерной оценки процесса теплообмена ниже возможных неточностей от отсутствия коррекции теплового потока в течение переходного состояния.

Для инженерной практики расчетов для отопления и вентиляции важен конвективный теплообмен между поверхностью ограждающей конструкции или трубы и воздухом (или жидкостью). В практических расчетах для оценки конвективного теплового потока (рис.3) применяют уравнения Ньютона:

где q к - тепловой поток, Вт, передаваемый конвекцией от движущейся среды к поверхности или наоборот;

t a - температура воздуха, омывающего поверхность стенки, о С;

τ - температура поверхности стенки, о С;

α к - коэффициент конвективной теплоотдачи на поверхности стенки, Вт/м 2. о С.

Рис.3 Конвективный теплообмен стенки с воздухом

Коэффициент теплоотдачи конвекцией, a к - физическая величина, численно равная количеству теплоты, передаваемой от воздуха к поверхности твердого тела путем конвективного теплообмена при разности между температурой воздуха и температурой поверхности тела, равной 1 о С.

При таком подходе вся сложность физического процесса конвективного переноса теплоты заключена в коэффициенте теплоотдачи, a к . Естественно, что величина этого коэффициента является функцией многих аргументов. Для практического использования принимаются весьма приближенные значения a к .

Уравнение (2.5) удобно переписать в виде:

где R к - сопротивление конвективной теплоотдаче на поверхности ограждающей конструкции, м 2. о С/Вт, равное разности температуры на поверхности ограждения и температуры воздуха при прохождении теплового потока с поверхностной плотностью 1 Вт/м 2 от поверхности к воздуху или наоборот. Сопротивление R к является величиной обратной коэффициенту конвективной теплоотдачи a к .

Если вытянуть руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно ощутить, как над этими предметами поднимаются струи теплого воздуха. Листик бумаги, подвешенный над горящей свечей или электрической лампочкой, под воздействием поднимающегося теплого воздуха начинает вращаться.

Подобное явление можно объяснить следующим образом. Воздух соприкасается с горячей лампой, нагревается, расширяется и обретает менее плотное состояние, в отличие от окружающего холодного воздуха. Сила Архимеда, которая действует на теплый воздух со стороны холодного воздуха снизу вверх, превосходит силу тяжести, которая действует на теплый воздух. Таким образом, теплый воздух поднимается вверх, тем самым, уступая место холодному воздуху.

Подобные явления мы можем наблюдать при нагревании жидкости снизу. Теплые слои жидкости – менее плотные, а, следовательно, более легкие – вытесняются вверх более плотными и тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла и снова вытесняются менее нагретой жидкостью. Таким образом, такое движение равномерно прогревает всю воду. Это можно увидеть более наглядно, если на дно сосуда положить немного кристалликов марганцовки, которая окрашивает воду в фиолетовый цвет. В подобных опытах мы можем наблюдать еще одну разновидность теплопередачи – конвекция (латинское слово «конвекцио» – перенесение).

Следует отметить, что при процессе конвекции энергия перемещается самими струями газа или жидкости. К примеру, в комнате с отоплением, благодаря явлению конвекции поток нагретого воздуха поднимается к потолку, а холодного опускается к полу. Таким образом, воздух вверху гораздо теплее, чем возле пола.

Существует два вида конвекции: естественная (или другими словами свободная) и вынужденная. Примеры с нагревом жидкости и воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Мы можем наблюдать вынужденную конвекцию, когда перемешиваем жидкость ложкой, мешалкой, насосом.

Такие вещества как жидкости и газы необходимо нагревать снизу. Если же делать наоборот – нагревать их сверху, конвекции не будет. Теплые слои не могут физически опуститься ниже холодных, более плотных и тяжелых. Таким образом, для протекания процесса конвекции необходимо нагревать газы и жидкости снизу.

В твердых телах конвекция происходить не может. Нам уже известно, что в твердых телах, частицы колеблются около определенной точки, т.к. они удерживаются взаимным притяжением. Поэтому, при нагревании твердых тел, в них не может образовываться вещество. В твердых телах, энергия может передаваться за счет теплопроводности.

Конвекция широко распространена в природе: в нижних слоях земной атмосферы, морях, океанах, в недрах нашей планеты, на Солнце (в слоях до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности). С помощью явления конвекции осуществляют нагрев газов, а также жидкостей в разных технических устройствах.

Простым примером конвекции может также послужить охлаждение продуктов в холодильнике. Циркулирующий по трубам холодильника газ фреон, охлаждает пласты воздуха в верхней части холодильника. Охлажденный воздух, спустившись вниз, охлаждает все продукты, а потом снова направляется вверх. Когда мы раскладываем продукты питания в холодильнике, не стоит затруднять циркуляцию воздуха в нем. Решетка, расположенная ссади холодильника, служит для отвода теплого воздуха, который образуется в компрессоре при сжатии газа. Механизм охлаждения решетки также конвективный, поэтому следует оставлять свободным пространство за холодильником, чтобы конвекция проходила без затруднений.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – .
Первый урок – бесплатно!

blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Перенос массы в результате перемещения сплошной среды (газа, жидкости) в результате наличия разницы температур или концентраций примеси

Описание

Конвекция (перемешивание) - перенос различно нагретых частей в жидкостях или газах в поле силы тяжести. Посредством конвекции совершается теплообмен путем перемещения материальных частиц. При естественной конвекции перемещение вещества происходит исключительно вследствие различия температур в различных местах среды и вызванного им различия плотностей. Свободная конвекция возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих веществ.

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.

При естественной конвекции интенсивность переноса теплоты пропорциональна разности температур D T различных частей среды, коэффициенту объемного расширения D V , напряженности силового поля g (гравитационного или сил инерции).

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.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -2 до -2);

Время существования (log tc от 6 до 6);

Время деградации (log td от 0 до 0);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 0).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Батареи отопления

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.

Для исключения теплообмена за счет конвекции могут использоваться прозрачные аэрогели (аэрогели или ксерогели - хрупкие микропористые тела, которые получаются высушиванием гелей - структурированных коллоидных систем с жидкой дисперсионной средой). Они состоят из очень мелких частиц двуокиси кремния и микропор, размеры которых меньше, чем средняя длина пробега молекул воздуха.

Применение эффекта

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.

Воздухонагреватель

Рис. 1

Он представляет собой цилиндрический корпус, перекрытый куполом 4, футерованный огнеупором и снабженный термоизоляцией. Внутренний его объем разделен на две части: одна - шахта 5 для горения с горелкой для доменного газа 3, другую занимает набивка 1 .

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.

Литература

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.

Ключевые слова