Интерьер 

Виды конвекции, и чем они отличаются. Явление конвекции и примеры конвекции Конвекцией называется процесс

> Конвекция

Читайте определение конвекции и процесса теплообмена: решение задачи на конвекцию, формула и уравнения, естественная конвекция, изоляция, смена состояний.

Конвекция – транспортировка тепла через микроскопическое движение жидкости (двигатель машины охлаждается водой из системы охлаждения).

Задача обучения

  • Выявить механизмы конвекции при перемене состояния.

Основные пункты

  • Конвекция обусловливается масштабным потоком вещества в жидкостях. Твердые не способны использовать конвекцию для переноса.
  • Плавучими силами управляет естественная конвекция: горячий воздух поднимается, потому что с увеличением температуры уменьшается плотность.
  • По эффективности конвекция способна превосходить проводимость. Воздух играет роль плохого проводника, зато – отличный изолятор.
  • Конвекция часто возникает при смене состояния (испарение пота, таяние льда).

Термины

  • Естественная конвекция – метод транспортировки тепла. Жидкость, сосредоточенная вокруг источника, получает тепло и теряет плотность, из-за чего поднимается.
  • Положительный отзыв – обратная связь, где выходной сигнал усиливается положительным коэффициентом в каждом цикле.

Пример

Давайте используем конвекцию для воздуха сквозь стены дома. Большая часть конструкций лишены герметичности, поэтому воздух попадает сквозь двери, окна, трещины и т.д. Уходит примерно час на полное обновление воздуха. Возьмем дом размером 12м х 18м х 3м, а на замену воздуха уходит полчаса. Нужно вычислить теплоотдачу за единицу времени в ваттах, необходимых, чтобы нагреть холодный воздух на 10°C.

Для начала используем формулу: Q = mcΔT. Скорость теплопередачи – Q/t, где t – время обновления воздуха. ΔT составляет 10°C, но нам нужно выяснить значения для массы воздуха и его удельной теплоты, прежде чем вычислить Q. Теплоемкость воздуха – средневзвешенное значение удельных теплоемкостей азота и кислорода, где C = cp ≅ 1000 Дж/кг°C.

Определите массу воздуха из его плотности и заданного объема дома:

m = ρV = (1.29 кг/м 3)(12 м × 18 м × 3 м) = 836 кг

Рассчитайте тепло, переданное от изменения температуры воздуха:

Q = McΔT = (836 кг) (1000 Дж/кг°С) (10 °С) = 8.36 × 106 Дж

Рассчитайте теплоотдачу от тепла Q и времени оборота t. Воздух перевернут в t = 0.500ч = 1800 с, поэтому теплота составляет fracQt = (8.36 × 10 6 Дж)/1800 с = 4.64 кВт.

Конвекция

Конвекция – согласованное движение молекул внутри жидкостей. Конвекция массы не осуществима в твердых объектах, потому что в них не могут протекать объемные токи и ощутимая диффузия. Здесь диффузию тепла именуют теплопроводностью.

Конвекция создается масштабным потоком вещества. Если говорить о нашей планете, то атмосфера циркулирует потоком горячего воздуха от тропиков к полюсам и от холодных в обратном направлении

Обычно конвекция сложнее проводимости, но мы можем характеризовать ее и провести вычисления. Естественной конвекцией руководят плавучие силы: по мере роста температуры уменьшается плотность, и горячий воздух поднимается. Этот принцип можно применить для любых жидкостей.

Конвекция занимает важное место в теплопередаче внутри кастрюли с водой. Нагревшаяся вода начинает расширяться, теряет плотность и поднимается, чтобы раздать тепло другим областям воды, а прохладная опускается на дно. Далее процесс повторяется

Конвекция и изоляция

Воздух может использовать конвекцию для передачи тепла. Это плохой проводник, но отличный изолятор. На его характеристики будет влиять количество доступного пространства. Например, пустота между внутренней и внешней стенами дома – 9 см. Этого хватит, чтобы добиться от конвекции высокой эффективности. Изоляция исключит воздушный поток, поэтому снизится потеря тепла. Если же пустота занимает 1 см, то конвекция предотвращается и используют низкую проводимость воздуха. Животные пользуются мехом.

Конвекция и смена состояния

Конвекция часто сопровождает трансформацию. Так мы имеем возможность охлаждаться через потоотделение, даже если окружающая температура выше показателя в теле. Чтобы пот испарился, понадобится тепло кожи, но если не будет воздушного потока, то воздух насыщается, и испарение останавливается.

Возьмем пример с испарением воды в океане. Вместе с водой удаляется и тепло. Далее капельки конденсируются и создают облака, а атмосфера выделяет тепло. Таким образом, тепло из океана оказывается в атмосфере. Подобные схемы приводят к ураганам, штормам с молниями и даже вызывают град.

Кучевые облака, созданные водяным паром, поднявшимся из-за конвекции. Рост облаков обуславливается механизмом положительной обратной связи

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 .

Слово "конвекция" в переводе с латинского языка обозначает перемещение. Что такое конвекция и как она происходит? Это своеобразный процесс передачи тепла, при котором частицы веществ перемешиваются между собой. Это действие можно наблюдать в жидкостях и газах.

Как происходит процесс конвекции

Перемещение частиц происходит из-за различия температур и плотности в отдельных местах среды при нагревании. При этом нижние слои вещества, нагреваясь, становятся легче и поднимаются вверх. Верхние частицы, остывая, становятся тяжелее и опускаются вниз. Этот процесс повторяется несколько раз. При создании определенных условий процесс превращается в структуру вихревых потоков, образуя решетку конвекционных ячеек.

Многие атмосферные процессы - это проявления естественной конвекции, например, передвижение тектонических пород, возникновение облаков, появление образований на солнце вследствие движения плазмы. При вынужденной конвекции процесс происходит под действием внешних сил.

Виды конвекций

Есть два вида конвекций - это свободная конвекция, или естественная, и вынужденная. Естественные конвекционные течения наблюдаются в результате изменения плотности в процессе теплообмена в гравитационном поле. Это циркуляция в нижних слоях земной атмосферы, течения в океанах и водоемах, возникновение устойчивых ветров (муссоны, пассаты), ураганов или циклонов. Движение теплого воздуха в нагретом помещении, тепло, исходящее от электрической лампочки. Газ фреон охлаждает воздух в холодильнике. Холодный воздух опускается вниз.

Охлаждая продукты, он постепенно нагревается и снова поднимается вверх. Перемещение слоев воздуха в холодильнике не что иное, как свободная конвекция. Поэтому для лучшей циркуляции воздуха не рекомендуется раскладывать продукты слишком плотно на полках холодильника. Для выполнения некоторых технических задач требуется, наоборот, подавить естественную конвекцию для уменьшения потерь тепла.

Вынужденная конвекция происходит при помощи приборов или посторонних сил. Это может быть перемешивание жидкости ложкой, работа насоса или вентилятора.

Применение эффекта

Что такое конвекция касаемо обогрева помещения? В основе любой системы задействован принцип передачи тепла от энергоносителя воздуху помещения. Это могут быть батареи централизованного отопления или индивидуальные отопительные приборы. Большую популярность приобрели конвекторные отопительные приборы. С помощью нагревательного элемента поступающий снизу воздух прогревается и начинает перемещаться. Далее происходит процесс смешивания остывшего и нагретого воздуха.

Конвекторные обогреватели могут быть водяными, газовыми и электрическими. Явление передачи тепла при перемещении воздуха принудительным путем часто используется в различных отраслях хозяйства. Благодаря новейшим технологиям функция конвекции широко применяется в бытовых приборах. Одними из самых распространенных кухонных приспособлений такого рода являются микроволновые печи и духовые шкафы. Эффект конвекции значительно расширяет возможности приготовления пищи. В этом случае принудительная конвекция способствует циркуляции горячих воздушных масс, образовывая вихревой поток. Это позволяет равномерно прогревать продукт со всех сторон.

Микроволновая печь

СВЧ-печи давно стали привычным атрибутом домашней бытовой техники. Микроволновая печь в основном используется для разогрева готовых продуктов, разморозки рыбы и мяса, приготовления простых блюд. Испечь пирог или зажарить курицу с румяной корочкой электромагнитные волны высокой частоты не смогут. А вот печь микроволновая с конвекцией с легкостью справится с этой задачей. С помощью встроенного вентилятора горячий воздух циркулирует по камере. Тепло равномерно действует на готовящееся блюдо со всех сторон.

Рекомендуется предварительно прогреть печь в течение 15 минут. Чтобы продукт хорошо запекся, лучше, чтобы он состоял из нескольких небольших порций. Посуду в микроволновке нужно размещать на решетке, чтобы воздух равномерно циркулировал. Посуда должна быть из специального термостойкого стекла. Чтобы вкусно готовить, нужно подобрать свой рецепт и определенную температуру именно для вашей микроволновки.

Печь с грилем

Чтобы ускорить приготовление пищи и вместе с этим не расходовать много энергии, можно использовать комбинированный режим - конвекция СВЧ и гриль. Эти две опции сделают мясо мягким и нежным внутри, а корочку хрустящей и аппетитной. Наличие конвекции поможет приготовить блюдо без масла и соли, что полезно для людей, ведущих здоровый образ жизни. Дополнительный нагревательный элемент имеет печь-гриль. Конвекция способствует образованию румяной корочки на мясе. Нагреватель, имеющийся в печи-гриль, может быть теновым или кварцевым. Теновый гриль, двигаясь и поворачиваясь, равномерно прогревает продукт. Кварцевый нагревательный элементне виден и находится в верхней части печи. Преимущества кварцевого гриляв том, что он потребляет меньше энергии, но процесс обжарки с ним происходит медленнее.

Хотя мощность теновой спирали выше, чем кварцевого гриля. Что такое конвекция в сочетании с грилем? Комбинация гриля и конвектора имитирует обжаривание на вертеле или мангале.

Духовой шкаф и конвекция

Хороший духовой шкаф - мечта каждой хозяйки. Но иногда пироги в нем подгорают, а мясо плохо прожаривается. Противень с блюдом приходится переворачивать и то переставлять выше, то опускать вниз. Что такое конвекция в духовке и как она работает? Горячий воздух внутри шкафа перемещается с помощью встроенного вентилятора. Температура становится одинаковой во всех точках духовки. В таком духовом шкафу можно сразу готовить несколько блюд на разных уровнях, используя несколько протвиней. В закрытом пространстве духовки создается принудительная конвекция с помощью вентилятора на задней стенке. С помощью такого эффекта продукты равномерно нагреваются со всех сторон. Режим дает возможность готовить большие куски мяса, печь большие пироги и маленькие нежные пирожные. Можно сделать сухарики или домашние картофельные чипсы, а также сушить травы. Духовой шкаф с конвекцией, как газовый, так и электрический, позволит готовить с радостью и удовольствием.

Конвекция- перемещение макроскопических частей среды (газа, жидкости), приводящее к переносу массы и теплоты. В реальных условиях конвекция всегда сопровождается теплопроводностью или молекулярным переносом теплоты. Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом . Конвективный теплообмен между жидкостью и твердым телом часто называют теплоотдачей . На процесс теплоотдачи конвекцией влияет целый ряд факторов. 1. Характер движения жидкости около твердой стенки. По природе возникновения различают два вида движения - свободное и вынужденное. Свободным называется движение, происходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости в поле тяжести.

При соприкосновении с нагретым телом жидкость (воздух) нагревается, становится легче и поднимается вверх. При соприкосновении с холодным телом жидкость охлаждается, становится тяжелее и опускается вниз. Свободное движение называется также естественной конвекцией и может происходить в ограниченном (канале, щелях) или неограниченном пространстве. Возникновение и интенсивность свободного движения определяются тепловыми условиями процесса и зависят от расположения поверхности (вертикальное или горизонтальное), направления теплоотдающей поверхности (вверх или вниз), рода жидкости, разности температур, напряженности гравитационного поля и объема пространства, в котором протекает процесс. Вынужденным называется движение, возникающее под действием посторонних возбудителей, например насоса, вентилятора и пр. В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное движение жидкости.

Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения. Вынужденное движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйчатый характер, а при турбулентном - движение неупорядоченное, вихревое. Для процессов теплоотдачи режим движения жидкости имеет большое значение. Изменение режима движения жидкости происходит при некоторой «критической» скорости, которая в каждом конкретном случае различна. Однако при любом виде движения в тонком слое у поверхности из-за наличия вязкого трения течение жидкости затормаживается, и скорость падает до нуля. Этот слой принято называть вязким подслоем.

Интенсивность теплоотдачи для газов и жидкостей в основном определяется термическим сопротивлением этого подслоя. При ламинарном режиме перенос теплоты в направлении нормали к стенке в основном осуществляется путем теплопроводности пограничного слоя. При турбулентном режиме перенос теплоты сохраняется лишь в вязком малом подслое, а внутри турбулентного потока перенос осуществляется путем интенсивного перемешивания частиц жидкости. Потеря устойчивости ламинарного течения сопровождается образованием завихрений, которые за счет диффузии заполняют весь поток, вызывая сильное перемешивание жидкости, называемое турбулентным смешением. При турбулентном движении весь поток насыщен беспорядочно движущимися вихрями, которые непрерывно возникают и исчезают.


В последующем вследствие вязкости жидкости вихри постепенно затухают и исчезают. Чем больше вихрей, тем интенсивнее перемешивание жидкости, тем больше турбулентность потока и тем выше теплоотдача.Различают естественную и искусственную турбулентность. Первая образуется естественно в процессе нагрева жидкости и ее движения вдоль стенки, когда вначале имеет место ламинарное, спокойное движение, затем неустойчивое, неупорядоченное, после чего вихревое и турбулентное, с отрывом вихрей от стенки. Вторая вызывается искусственным способом путем установки или наличия в потоке каких-либо закручивающих лопаток, направляющих аппаратов, решеток и других устройств.

25. Режимы движения теплоносителей, их описание, характеристика, их влияние на процесс теплообмена.

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором происходит передача теплоты от одной среды к другой. Среды, участвующие в теплообмене, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей могут использоваться пары различных веществ, газы, жидкости и жидкие металлы. Теплоноситель, отдающий теплоту и имеющий более высокую температуру, называется первичным, а воспринимающий теплоту теплоноситель с более низкой температурой называется вторичным. Основная задача теплообменников заключается в передаче тепловой энергии между несколькими теплоносителями, которые проходят через это оборудование. Устройство аппарата зависит от течения теплоносителей и их взаимной геометрии. Есть несколько конфигураций направления.

Противоток Противоточный теплообменник представляет собой устройство с параллельным перемещением теплоносителей относительно друг друга. Такое устройство считается эффективным за счет наиболее результативного использования разности температур.

Параллельное однонаправленное течение. Название вида теплообменника само говорит за себя: теплоносители перемещаются в одном направлении, параллельно друг другу. Если при проектировании объекта важное значение придается эффективному использованию разности температур, то такой тип оборудования не подходит. Он используется в случае необходимости иметь примерно одинаковую температуру стенки, передающей тепло.

Перекрестный ток. Такое устройство предполагает, что теплоносители двигаются под прямым углом относительно друг друга. Так, первое течение проходит в трубах, которые собраны в пучок. Второй теплоноситель перемещается между этими трубами в целом перпендикулярно их оси. Такой теплообменник по эффективности находится между первым и вторыми вышеуказанными устройствами. Преимуществом аппарата является более простая конструкция.

Многоходовой ток в трубах и в пространстве между ними. Один и тот же теплообменник можно сконструировать таким образом, чтобы в нем комбинировались характеристики, присущие противоточному и параллельному оборудованию. Для этого нужно предусмотреть поворот труб, находящихся в одном корпусе. Количество поворотов не ограничено. Такой же эффект может быть и при использовании прямых труб, если грамотно внедрить коллекторы, представляющие собой трубы в форме U, или серпантин. Так, по конструкции аппарат будет простым, а отверстия для труб будут располагаться с одной стороны кожуха.

Общий случай. Выше описаны отдельные варианты движения теплоносителей. На практике теплообменник состоит из многоходовых течений сред, которые взаимно проникают друг в друга. Для поступления теплоносителей в общий резервуар есть несколько входных точек и столько же - выходных. Жидкость в аппарате может течь трехмерно, но есть зона рециркуляции с замкнутой линией тока.

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 – зарегистрируйтесь .
Первый урок – бесплатно!

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