Конвекция (теплопередача)

Эта статья о методе теплопередачи. Чтобы узнать о потоке жидкости, вызванном неоднородными свойствами жидкости и массовыми силами, см. Конвекцию .

Моделирование тепловой конвекции в мантии Земли . Горячие области показаны красным, холодные – синим. Горячий, менее плотный материал внизу движется вверх, а холодный материал сверху движется вниз.

Конвекция (или конвективный теплообмен ) — это перенос тепла из одного места в другое за счет движения жидкости. Хотя конвективный теплообмен часто обсуждается как отдельный метод теплопередачи, он включает в себя комбинированные процессы проводимости ( диффузии тепла) и адвекции (перенос тепла объемным потоком жидкости ). Конвекция обычно является доминирующим видом теплопередачи в жидкостях и газах .

Обратите внимание, что это определение конвекции применимо только в контексте теплопередачи и термодинамики . Его не следует путать с жидкости динамическим явлением конвекции , которое в термодинамическом контексте обычно называют естественной конвекцией, чтобы различать эти два явления.

Обзор

Конвекцию можно «вынудить» движением жидкости не только силами плавучести, но и другими средствами (например, водяным насосом в автомобильном двигателе). Тепловое расширение жидкостей также может вызвать конвекцию. В других случаях за движение жидкости при нагревании полностью отвечают только естественные силы плавучести, и этот процесс называется «естественной конвекцией». Примером может служить тяга в дымоходе или вокруг любого огня. При естественной конвекции увеличение температуры приводит к уменьшению плотности, что, в свою очередь, вызывает движение жидкости из-за давления и сил, когда на жидкости различной плотности действует сила тяжести (или любая перегрузка ). Например, при нагревании воды на плите горячая вода со дна кастрюли вытесняется (или вытесняется вверх) более холодной, более плотной жидкостью, которая падает. После прекращения нагрева перемешивание и проводимость за счет этой естественной конвекции в конечном итоге приводят к почти однородной плотности и даже температуре. Без присутствия гравитации (или условий, вызывающих перегрузку любого типа) естественная конвекция не возникает, и действуют только режимы вынужденной конвекции.

Конвекционный режим теплопередачи включает два механизма. Помимо передачи энергии за счет специфического молекулярного движения ( диффузии ), энергия передается за счет объемного или макроскопического движения жидкости. Это движение связано с тем, что в любой момент времени большое количество молекул движутся коллективно или как агрегаты. Такое движение при наличии градиента температуры способствует теплообмену. Поскольку молекулы в совокупности сохраняют свое хаотическое движение, общая передача тепла происходит за счет суперпозиции переноса энергии за счет хаотического движения молекул и объемного движения жидкости. Обычно используется термин «конвекция», когда речь идет об этом совокупном переносе, и термин «адвекция», когда речь идет о переносе, обусловленном движением объемной жидкости.

Типы

На этом цветном шлирен-изображении видна тепловая конвекция от человеческой руки (в форме силуэта) к окружающей неподвижной атмосфере.

Различают два типа конвективного теплопереноса:

• Свободная или естественная конвекция : когда движение жидкости вызвано силами плавучести, возникающими 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 рассеиваются, в результате чего жидкость становится менее плотной. Как следствие, жидкость вытесняется, в то время как более холодная жидкость становится плотнее и жидкость тонет. Таким образом, более горячий объем передает тепло более холодному объему этой жидкости. Знакомые примеры — восходящий поток воздуха из-за огня или горячего предмета и циркуляция воды в горшке, который нагревается снизу.
• Вынужденная конвекция : когда жидкость вынуждена течь по поверхности внутренним источником, таким как вентиляторы, перемешивание и насосы, создавая искусственно вызванный конвекционный поток.

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

Внутренний и внешний поток также можно классифицировать как конвекцию. Внутренний поток возникает, когда жидкость окружена твердой границей, например, при течении через трубу. Внешний поток возникает, когда жидкость распространяется бесконечно, не встречая твердой поверхности. Оба этих типа конвекции, естественная или вынужденная, могут быть внутренними или внешними, поскольку они независимы друг от друга. Объемная температура или средняя температура жидкости является удобной отправной точкой для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачей, особенно в приложениях, связанных с потоком в трубах и воздуховодах.

Дальнейшую классификацию можно провести 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, к которым относятся солнечные коллекторы, регенеративные теплообменники и подземные системы хранения энергии. Они играют важную роль в процессах теплопередачи в этих приложениях. Поскольку они усложняют задачу из-за волнистости поверхностей, их необходимо решать с математической точностью, используя элегантные методы упрощения. Кроме того, они влияют на характеристики потока и теплопередачи, поэтому ведут себя иначе, чем прямые гладкие поверхности.

Чтобы визуально ощутить естественную конвекцию, можно поместить стакан, наполненный горячей водой и красным пищевым красителем, в аквариум с холодной чистой водой. Можно видеть, как конвекционные потоки красной жидкости поднимаются и опускаются в разных областях, а затем в конечном итоге стабилизируются, иллюстрируя процесс рассеивания тепловых градиентов.

Закон охлаждения Ньютона

Основная статья: закон охлаждения Ньютона

Иногда предполагается, что конвекционное охлаждение описывается законом охлаждения Ньютона.

Закон Ньютона гласит, что скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой, когда оно находится под действием ветерка . Константой пропорциональности является коэффициент теплоотдачи . Закон применяется, когда коэффициент не зависит или относительно не зависит от разницы температур между объектом и окружающей средой.

При классической естественной конвективной теплопередаче коэффициент теплопередачи зависит от температуры. Однако закон Ньютона действительно приближается к реальности, когда изменения температуры относительно невелики, а также для принудительного охлаждения воздухом и перекачиваемой жидкостью, когда скорость жидкости не увеличивается с увеличением разницы температур.

Конвективный теплообмен

Основное соотношение теплопередачи конвекцией:

${\dot {Q}}=hA(T-T_{f})$

где ${\dot {Q}}$ — тепло, передаваемое в единицу времени, A — площадь объекта, h — коэффициент теплопередачи , T — температура поверхности объекта, а T _f — температура жидкости.

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

См. также

• Сопряженная конвективная теплопередача
• Конвекция
• Принудительная конвекция
• Естественная конвекция
• Смешанная конвекция
• Коэффициент теплопередачи
• Улучшение теплопередачи
• Диаграмма Хейслера
• Теплопроводность
• Уравнение конвекции-диффузии