Konvekční přenos tepla - Convective heat transfer

Simulace tepelné konvekce. Červené odstíny označují horké oblasti, zatímco oblasti s modrými odstíny jsou studené. Horká, méně hustá spodní mezní vrstva posílá oblaky horkého materiálu nahoru a podobně studený materiál shora se pohybuje dolů. Tato ilustrace je převzata z modelu konvekce v Zemský plášť.

Konvekční přenos tepla, často označované jednoduše jako proudění, je přenos tepla z jednoho místa na druhé u pohyb tekutin. Konvekce je obvykle dominantní formou přenosu tepla v kapalinách a plynech. Přestože se o konvekčním přenosu tepla často hovoří jako o odlišné metodě přenosu tepla, jedná se o kombinované procesy neznámého vedení (difúze tepla) a advekce (přenos tepla hromadně proudění tekutin ).

Přehled

Konvekci lze „vynutit“ pohybem kapaliny jinými prostředky než silovými silami (například vodním čerpadlem v automobilovém motoru). Tepelná roztažnost tekutin může také způsobit konvekci. V ostatních případech jsou za pohyb tekutiny při zahřátí tekutiny zcela odpovědné pouze přirozené vztlakové síly a tento proces se nazývá „přirozená konvekce“. Příkladem je tah v komíně nebo kolem jakéhokoli ohně. Při přirozené konvekci vede zvýšení teploty ke snížení hustoty, což zase způsobuje pohyb tekutin v důsledku tlaků a sil, když jsou kapaliny různé hustoty ovlivňovány gravitace (nebo nějaký g-síla ). Například když se voda ohřívá na a kamna, horká voda ze spodní části pánve stoupá a vytlačuje chladnější hustší kapalinu, která klesá. Po zastavení zahřívání vede míchání a vedení z této přirozené konvekce k téměř homogenní hustotě a rovnoměrné teplotě. Bez přítomnosti gravitace (nebo podmínek, které způsobují sílu g jakéhokoli typu) nedochází k přirozené konvekci a fungují pouze režimy s nucenou konvekcí.

Režim konvekčního přenosu tepla zahrnuje jeden mechanismus. Kromě přenosu energie v důsledku specifického molekulárního pohybu (difúze ), energie se přenáší hromadně, nebo makroskopické, pohyb tekutiny. Tento pohyb je spojen se skutečností, že v každém okamžiku se velké množství molekul pohybuje kolektivně nebo jako agregáty. Takový pohyb v přítomnosti teplotního gradientu přispívá k přenosu tepla. Protože si molekuly v agregátu zachovávají svůj náhodný pohyb, je celkový přenos tepla způsoben superpozicí přenosu energie náhodným pohybem molekuly a objemovým pohybem tekutiny. Je obvyklé používat pojem konvekce, když se odkazuje na tento kumulativní transport, a pojem advekce, když se odkazuje na transport kvůli hromadnému pohybu tekutiny.[1]

Typy

Tato barva schlieren obrázek odhaluje tepelnou konvekci z lidské ruky (ve formě siluety) do okolní statické výměny.

Lze rozlišit dva typy konvekčního přenosu tepla:

  • Volná nebo přirozená konvekce: když je pohyb tekutiny způsoben vztlakovými silami, které jsou výsledkem změn hustoty v důsledku změn teploty ± teplota v kapalině. Při absenci vnitřního zdroje, když je tekutina v kontaktu s horkým povrchem, se její molekuly oddělí a rozptýlí, což způsobí, že tekutina bude méně hustá. V důsledku toho je tekutina vytlačována, zatímco chladnější kapalina je hustší a kapalina klesá. Takže teplejší objem přenáší teplo směrem k chladnějšímu objemu této tekutiny.[2] Známými příklady jsou proudění vzduchu vzhůru v důsledku požáru nebo horkého předmětu a cirkulace vody v hrnci, který se ohřívá zespodu.
  • Nucená konvekce: když je kapalina nucena protékat povrchem vnitřním zdrojem, jako jsou ventilátory, mícháním a čerpadly, čímž se vytváří uměle indukovaný konvekční proud.[3]

V mnoha aplikacích v reálném životě (např. Tepelné ztráty na solárních centrálních přijímačích nebo chlazení fotovoltaických panelů) dochází současně k přirozené i nucené konvekci (smíšená konvekce ).[4]

Vnitřní a vnější tok může také klasifikovat konvekci. K vnitřnímu toku dochází, když je kapalina uzavřena pevnou hranicí, například když proudí potrubím. K vnějšímu proudění dochází, když se kapalina rozprostírá na neurčito, aniž by narazila na pevný povrch. Oba tyto typy konvekce, ať už přirozené nebo nucené, mohou být vnitřní nebo vnější, protože jsou na sobě nezávislé.[Citace je zapotřebí ] The objemová teplota nebo průměrná teplota kapaliny je vhodným referenčním bodem pro hodnocení vlastností souvisejících s konvekčním přenosem tepla, zejména v aplikacích souvisejících s prouděním v potrubích a kanálech.

Další klasifikaci lze provést v závislosti na hladkosti a zvlnění pevných povrchů. Ne všechny povrchy jsou hladké, ačkoli většina dostupných informací se zabývá hladkými povrchy. Zvlněné nepravidelné povrchy se běžně vyskytují v zařízeních pro přenos tepla, mezi něž patří solární kolektory, regenerativní výměníky tepla a podzemní systémy akumulace energie. Mají významnou roli v procesech přenosu tepla v těchto aplikacích. Vzhledem k tomu, že díky zvlnění povrchů přinášejí další složitost, je třeba je řešit pomocí matematických jemností prostřednictvím elegantních zjednodušujících technik. Ovlivňují také charakteristiky toku a přenosu tepla, čímž se chovají odlišně od rovných hladkých povrchů.[5]

Pro vizuální zážitek z přirozené konvekce lze do akvária se studenou čistou vodou umístit sklenici naplněnou horkou vodou a červeným potravinářským barvivem. Je možné vidět, že konvekční proudy červené kapaliny rostou a klesají v různých oblastech, poté se nakonec usazují, což ilustruje postup rozptylování tepelných gradientů.

Newtonův zákon chlazení

Hlavní článek: Newtonův zákon chlazení

Konvekční chlazení se někdy volně předpokládá, že je popsáno Newtonovým zákonem chlazení.[6]

Newtonův zákon to říká rychlost tepelných ztrát těla je úměrná rozdílu teplot mezi tělem a jeho okolím při působení vánku. Konstanta proporcionality je součinitel přestupu tepla.[7] Zákon platí, když je koeficient nezávislý nebo relativně nezávislý na teplotním rozdílu mezi objektem a prostředím.

V klasickém přirozeném konvekčním přenosu tepla je koeficient přenosu tepla závislý na teplotě. Newtonův zákon však aproximuje realitu, když jsou změny teploty relativně malé, a pro nucené chlazení vzduchem a čerpanou kapalinou, kde rychlost kapaliny nezvyšuje s rostoucím teplotním rozdílem.

Konvekční přenos tepla

Základní vztah pro přenos tepla konvekcí je:

kde je teplo přenesené za jednotku času, A je plocha objektu, h je součinitel přestupu tepla, T je povrchová teplota objektu, TF je teplota kapaliny a b je měřítkový exponent.[8]

Součinitel konvekčního přenosu tepla závisí na fyzikálních vlastnostech kapaliny a fyzikální situaci. Hodnoty h byly měřeny a tabelovány pro běžně se vyskytující tekutiny a situace proudění.

Viz také

Reference

  1. ^ Incropera DeWitt VBergham Lavine 2007, Úvod do přenosu tepla, 5. vydání, str. 6 ISBN  978-0-471-45727-5
  2. ^ http://biocab.org/Heat_Transfer.html Organizace kabinetu biologie, duben 2006, „Přenos tepla“, zpřístupněno 20. 4. 2009
  3. ^ http://www.engineersedge.com/heat_transfer/convection.htm Engineers Edge, 2009, „Konvekční přenos tepla“, Přístup 20/04/09
  4. ^ Garbrecht, Oliver (23. srpna 2017). "Velká vířivá simulace trojrozměrné smíšené konvekce na svislé desce" (PDF). RWTH Aachen University.
  5. ^ Aroon Shenoy, Michail Sheremet, Ioan Pop, 2016, Konvekční tok a přenos tepla ze zvlněných povrchů: viskózní kapaliny, porézní média a nanofluidy, CRC Press, Taylor & Francis Group, Florida ISBN  978-1-498-76090-4
  6. ^ Na základě práce Newtona publikované anonymně jako „Scala graduum Caloris. Calorum Descriptiones & signa.“ v Filozofické transakce, 1701, 824 –829; vyd. Joannes Nichols, Isaaci Newtoni Opera quae exstant omnia, sv. 4 (1782), 403 –407.
  7. ^ "Mechanismy přenosu tepla". Colorado State University. Vysoká škola inženýrství na Colorado State University. Citováno 14. září 2015.
  8. ^ "Konvekční rovnice a kalkulačka konvekčního přenosu tepla". Inženýři Edge. Citováno 14. září 2015.