Естественная конвекция примеры: Примеры конвекции и пояснения к ним приведите, пожалуйста

Содержание

Конвекция — Энциклопедия по машиностроению XXL

Теплота может передаваться либо при непосредственном контакте между телами (теплопроводностью, конвекцией), либо на расстоянии (излучением), причем во всех случаях этот процесс возможен только при наличии разности температур между телами.  [c.14]

Коэффициент теплоотдачи а зависит от физических свойств жидкости и характера ее движения. Различают естественное и вынужденное движение (конвекцию) жидкости. Вынужденное движение создается внешним источником (насосом, вентилятором, ветром). Естественная конвекция возникает за счет теплового расширения жидкости, нагретой около теплоотдающей поверхности (рис. 9.1) в самом процессе теплообмена. Она будет тем сильнее, чем больше разность температур A/ = f — и температурный коэффициент объемного расширения  [c.78]


Из-за вязкого трения течение жидкости около поверхности затормаживается, поэтому, несмотря на то что наибольший прогрев жидкости, а соответственно и подъемная сила при естественной конвекции будут около теплоотдающей поверхности, скорость движения частиц жидкости, прилипших к самой поверхности, равна нулю (см.
рис. 9.1).  [c.78]

С увеличением толщины теплового пограничного слоя при ламинарном течении жидкости у поверхности пластины интенсивность теплоотдачи уменьшается. В переходной зоне общая толщина пограничного слоя продолжает возрастать, однако значение а при этом увеличивается, потому что толщина ламинарного подслоя убывает, а в образующемся турбулентном слое тепло переносится не только теплопроводностью, но и конвекцией вместе с перемещающейся массой, т. е. более интенсивно. В результате сум-.марное термическое сопротивление теплоотдачи убывает.  

[c.80]

В случае естественной конвекции скорость жидкости вдали от поверхности ьУж = 0 и соответственно Re = 0, но на теплоотдачу будет влиять подъемная си-  [c.82]

Для расчета коэффициента теплоотдачи в условиях естественной конвекции обычно пользуются зависимостью вида  [c.86]

Довольно часто приходится рассчитывать теплообмен естественной конвекцией в узких глухих каналах.

Типичный пример — перенос теплоты между оконными стеклами. Среднюю плотность теплового потока q между поверхностями, разделенными прослойкой газа или жидкости толщиной б, можно рассчитывать, как в случае переноса теплоты теплопроводностью через плоскую стенку  [c.86]

Свободная конвекция воды 10 l(i Вынужденная конвекция la-  [c.89]

Вынужденная конвекция йоды 500 2-10  [c.89]

Рассмотрим систему тел, аналогичную изображенной на рис. 11.2. Установим между ними экран (рис. 11.4). Лучшую защиту второго тела от излучения первого обеспечит, естественно, абсолютно белый экран, полностью отражающий все падающие на него излучения. Реально можно сделать экран из полированных металлических пластин со степенью черноты еэ = 0,05-н0,15. В этом случае часть энергии, испускаемой первым телом, будет поглощаться экраном, а остальная — отражаться. В стационарном режиме вся поглощенная экраном энергия будет излучаться им на второе тело, в результате чего будет осуществляться передача теплоты излучением от первого тела через экран на второе.

Оценим роль экрана, исключив из рассмотрения конвекцию и теплопроводность. Примем, что ei = = е2 = 8э = е и Т[>Т2- Термическое сопротивление теплопроводности тонкостенного экрана практически равно нулю, так что обе его поверхности имеют одинаковые температуры Т,.  
[c.94]


Разделение теплопереноса на теплопроводность, конвекцию и излучение удобно для изучения этих процессов. В действительности очень часто встречается сложный теплообмен, при котором теплота передается двумя или даже всеми тремя способами одновременно.  [c.97]

Обычно считают, что конвекция и излучение не влияют друг на друга. Коэффициент теплоотдачи конвекцией к считают по формулам, приведенным в гл. 10, а под коэффициентом теплоотдачи излучением понимают отношение плотности теплового потока излучением  [c.97]

Как видно из примера, даже при низких температурах вклад излучения в теплообмен между поверхностью и газом может быть значительным, особенно при низкой интенсивности теплоотдачи конвекцией.[c.97]

По аналогии с примером 10.1 рассчитаем коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы I =6695 Вт/ (м — К) Суммарное значение коэффициента теплоотдачи от наружной стенки трубы с учетом конвекции и излучения рассчитано в примере 12.1 2 = = 13,3 BT/iM- -K).  [c.99]

Как правило, установка ребер приводит к некоторому снижению коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением, поэтому реально эффект будет несколько ниже. Более точные расчеты следует выполнять по формулам, рекомендованным в справочниках для конкретного вида оребрения.  

[c.101]

Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата известны давно. Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших тепловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводниковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с фитилями в космосе. Для охлаждения механических, электрических или радиотехнических устройств в земных условиях мы очень широко используем естественную конвекцию.

В космосе естественной конвекции не может быть, поскольку отсутствует сила тяжести, и нужны иные способы отвода теплоты. Тепловые трубы с фитилями могут работать и в невесомости. Они малогабаритны, не требуют затрат энергии на перекачку теплоносителей и при соответствующем подборе рабочего агента работают в широком интервале температур.  [c.105]

Коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции по аналогии с примером (10.2)  [c.114]

Газоход, в котором расположены водяной экономайзер и воздухоподогреватель, называют конвективным (конвективная шахта), в нем теплота передается воде и воздуху в основном конвекцией. Поверхности нагрева, встроенные в этот газоход и называемые также хвостовыми, позволяют снизить температуру продуктов сгорания от 500—700 °С после пароперегревателя почти до 100 °С,  

[c.148]

Пароперегреватели. Пароперегреватель предназначен для повышения температуры пара, поступающего из испарительной системы котла. Его трубы (диаметром 22—54 мм) могут располагаться на стенах или потолке топки и воспринимать теплоту излучением — радиационный пароперегреватель либо в основном конвекцией — конвективный пароперегреватель. В этом случае трубы пароперегревателя располагаются в горизонтальном газоходе или в начале конвективной шахты.  

[c.150]

Замерзание начнется после охлаждения воды до О °С. Вода в трубе может перемешиваться за счет естественной конвекции, поэтому температура ее по сечению трубы одинакова. Воспользуемся уравнением  [c.213]

Большинство работ по локальному коэффициенту теплоотдачи было проведено для одиночного сферического элемента, омываемого потоком теплоносителя в условиях вынужденной конвекции.  [c.80]

Расчетный вклад конвекции газа в максимальные коэффициенты теплоотдачи слоя медной дроби (626 мкм)  [c.65]

Главной особенностью процесса обмена излучением является необязательное наличие среды для передачи энергии.

В результате канпроцесс переноса. В то же время в случае теплопроводности и конвекции обмен энергией может происходить только между элементами среды, непосредственно примыкающими друг к другу.  [c.130]

Теплота — переходная форма энергии. Ее количественная оценка должна зависеть от механизма этого перехода. Так как классическая термодинамика не рассматривает подробно механизм теплопроводности, конвекции и радиации, количество перенесенной теплоты может быть вычислено термодинамически только при наблюдении влияния процесса переноса теплоты на свойство системы и окружающей среды.  [c.34]


Обобщение различных опытных данных по теплообмену с шаром в условиях вынужденной конвекции, проведенное Б. Д. Кацнельсоном и Ф. А. Тимофеевой [Л. 153], заметно (до 30%) расходится с обобщением Вильямса (линия 15), которое в основном базируется на опытных результатах зарубежных исследователей. Причину этого расхождения следует искать не столько в неточности аппроксимации опытных данных Вильямсом, как это предполагают в Л. 42], сколько в привлечении им к обработке результатов исследования движущихся частиц неправильной формы [Л. 206]. Последнее обстоятельство позволяет объяснить систематическое превыше-  
[c.143]

В жидкостях перенос теплоты может осуществляться еще и за счет перемешивания. При этом уже не отдельные молекулы, а большие, макроскопические объемы горячей жидкости перемещаются в зоны с низкими температурами, а холодная жидкость попадает в зоны с высокими температурами. /7еренос теплоты вместе с макроскопическими объемами вещества носит название конвективного тепло перенос а, или просто конвекци иJ  [c.69]

Следует иметь в виду, что одновременно с конвекцией всегда сосуществует и теплопроводность, однако конвективный перенос в жидкостях обычно является определяющим, поскольку он з-1ачи-тельно интенсивнее теплопроводности.[c.69]

Подъемная сила Fn перемещает прогретую жидкость вверх без каких-либо побуждающих устройств (возникает естественная конвекция). Все рассуждения о возникновении естественной конвекции справедливы и для случая о хлаж-дения жидкости с той лишь разницей, что жидкость около холодной поверхности будет двигаться вниз, поскольку ее плотность будет больше, чем вдали от поверхности.  [c.78]

При (GrPr)естественную конвекцию можно вообще не учитывать, считая Лэ = > ж При Gr Рг> 10 значение X, становится заметно больше, чем А.ж, и рассчитывается по формуле Х, = еДж-Поправка на конвекцию е приближенно определяется зависимостью  [c.86]

Теплоотдача при кипении. В процессе кипения жидкость обычно сохраняет постоянную температуру, равную температуре насыщения Поверхность, к которой подводится тепловой поток, перегрета сверх t на Д/. При малых значениях At теплота переносится в основном путем естественной конвекции, коэффициенты теплоотдачи можно рассчитать по формуле (10. 10). При увеличении перегрева поверхности на ней образуется все большее число паровых пузырей, которые при отрыве и подъеме интенсивно перемешивают жидкость. Вначале это приводит к резкому увеличению коэффициента теплоотдачи (рис. 10.3) (пузырьковый режим кипения), но затем парообразование у поверхности становится столь интенсивным, что жидкость отделяется от греюш,ей поверхности почти сплошной прослойкой (пленкой) пара. Наступает  [c.87]

Большинство теплоизоляторов состоит из волокнистой, порошковой или пористой основы, заполненной воздухом. Термическое сопротивление теплоизоля-тора создает воздух, а основа лишь препятствует возникновению естественной конвекции воздуха и переносу теплоты излучением. Сама основа в плотном состоянии обычно обладает достаточно высокой теплопроводностью [>. 1Вт/(м-К)1, поэтому с увеличением плотности набивки минеральной ваты, асбеста или другого теплоизолятора их теплопроводность возрастает. С увеличением температуры коэффициент теплопроводности теплоизоляции также растет из-за увеличения теплопроводности воздуха и усиления теплопереноса излучением.[c.101]

В процессе сгорания топлива в топочной камере теплота может передаваться конвекцией и излучением нагреваемому материалу в печах или охлаждающим поверхностям в котлах. В результате газы охлаждаются, их энтальпия снижается. Этот процесс на рис. 16.1 изображается линией ав = = onst. Например, при охлаждении в топке продуктов сгорания до 1100 С и неизменном коэффициенте избытка воздуха ав=1,25 (линия АВ) их энтальпия снижается до 22,5МДж/м. В соответствии с уравнением (5.5) теплота, отдаваемая продуктами сгорания в процессе их охлаждения (в расчете на единицу количества сгоревшего топлива), равна уменьшению их энтальпии, т. е.  [c.129]

Повышение температуры в аппарате с псевдоожи-женным слоем двояко сказывается на интенсивности внешнего теплообмена. Во-первых, происходит изменение теплофизических свойств дисперсного материала и ожи-жающего агента. Соответствующие изменения гидродинамики и теплообмена описаны в гл. 2, 3. Во-вторых, усложняется механизм передачи энергии — существенным становится радиационный перенос, роль которого в низкотемпературных системах пренебрежимо- мала. Быстрое возрастание вклада излучения в процесс теплообмена объясняется характером зависимости количества переносимой энергии от температуры. В случае теплопроводности и конвекции перенос энергии между двумя элементами рассматриваемого объема пропорционален разности их температур приблизительно в первой степени (с учетом нелинейности). Перенос энергии излучением в тех же условиях будет пропорционален разности четвертых или пятых степеней (с учетом нелинейности) абсолютных температур [125].  [c.130]

В работе [127] предполагается, что псевдоожижен-ный слой излучает как абсолютно черное тело и, исходя -из формул для лучистого обмена между двумя плоскостями с. температурами Гст и Тел, проводится оценка значимости радиационного обмена в сравнении с кон-вективно-кондуктивным. Роль радиационного переноса возрастает с увеличением размеров. частиц при сохранении неизменными прочих характеристик, в частности свойств материала частиц. Поэтому, если для частиц d = 0, мм лучистый обмен становится существенным при 7 >900 К, то для частиц d = 5 мм — при Г>500К. Аналогичные оценки получены в работе [50] в рамках пакетной теории теплообмена псевдоожиженного слоя с поверхностью (для частиц d = 0,5 мм температура, при которой становится существенным лучистый теплообмен, должна быть больше 700 К). Все эти оценки проводи- лись в предположении, что профиль температуры вблизи поверхности в псевдоожиженном слое не изменяется вследствие радиационного обмена и определяется, как и при низкой температуре, только конвекцией и теплопроводностью.  [c.135]


Лредставляют интерес исследования сложного теплообмена в другой разновидности концентрированных дисперсных систем — плотном слое. При исследованиях этой среды оказывается возможным за счет вакууми-рования системы исключить конвекцию и теплопровод- ность газа и изучать только радиационный перенос в широком диапазоне температур [153—157]. Результаты этих работ свидетельствуют о том, что для нлотного слоя при обработке экспериментальных данных оказыва. -ется удачным предположение об аддитивности различных механизмов переноса энергии [157]. При этом перенос излучения учитывается введением-коэффициента лучистой теплопроводности  [c.139]

Предполагая, что тепло передается кондукцией AQ , излучением AQ и конвекцией iAQko, исходя, как и ранее, из фазовой структуры потока, а также принимая, что исходные гипотезы применимы только для каждого из компонентов, запишем  [c.40]

В области Re=10-f-10 опытные данные Фреслин-га занимают среднее положение между теоретическими зависимостями Кудряшева и Клячко, которые полностью подтверждаются экспериментами Сокольского. Данные Березанского, значительно расходящиеся с другими опытами, иллюстрируют турбулизирующую роль свободной конвекции, приводящей при Re = 50 100 к заметному качественному и количественному изменению процесса.  [c.143]


Техническая термодинамика. Теплопередача (1988) — [ c. 171 ]

Теплопередача Изд.3 (1975) — [ c.5 , c.125 ]

Коррозия и защита от коррозии (2002) — [ c.79 ]

Механика жидкости и газа (1978) — [ c.50 , c.431 , c.435 ]

Альбом Течений жидкости и газа (1986) — [ c.0 ]

Гидроаэромеханика (2000) — [ c.525 , c.526 ]

Теория пограничного слоя (1974) — [ c.299 , c.673 ]

Архитектурное проектирование общественных зданий и сооружений Издание 2 (нет страниц 321-352) (1985) — [ c. 111 ]

Основные термины в области температурных измерений (1992) — [ c.0 ]

Ковочно-штамповочное производство (1987) — [ c.100 , c.113 ]

Теплопередача (1965) — [ c.9 , c.121 ]

Тепломассообмен (1972) — [ c.191 ]

Материаловедение Технология конструкционных материалов Изд2 (2006) — [ c.389 , c.439 ]

Механика жидкости и газа Издание3 (1970) — [ c.530 , c.874 ]

Теория сварочных процессов Издание 2 (1976) — [ c.101 ]

Технический справочник железнодорожника Том 1 (1951) — [ c. 583 ]

Технический справочник железнодорожника Том 6 (1952) — [ c.92 ]

Динамика и информация (0) — [ c.317 ]

Хаотические колебания (1990) — [ c.40 , c.41 , c.76 ]

Теория гидродинамической устойчивости (1958) — [ c.0 ]

Техническая энциклопедия том 22 (1933) — [ c.0 ]

Введение в метод конечных элементов (1981) — [ c.275 ]

Основы техники ракетного полета (1979) — [ c.188 , c.338 ]

Справочник по элементарной физике (1960) — [ c. 54 ]

Теплотехника (1985) — [ c.209 , c.243 , c.246 ]

Механика сплошных сред Изд.2 (1954) — [ c.48 ]



РАЗНИЦА МЕЖДУ ЕСТЕСТВЕННОЙ И ПРИНУДИТЕЛЬНОЙ КОНВЕКЦИЕЙ | СРАВНИТЕ РАЗНИЦУ МЕЖДУ ПОХОЖИМИ ТЕРМИНАМИ — НАУКА

В ключевое отличие между естественной и принудительной конвекцией заключается в том, что при естественной конвекции на движение жидкости влияют естественные средства, тогда как при принудительной конв

В ключевое отличие между естественной и принудительной конвекцией заключается в том, что при естественной конвекции на движение жидкости влияют естественные средства, тогда как при принудительной конвекции на движение жидкости влияют внешние средства. Разница между естественной и принудительной конвекцией, связанной с теплопередачей, заключается в том, что нет никаких внешних факторов, влияющих на теплопередачу при естественной конвекции, в то время как внешние факторы могут вызывать теплопередачу при принудительной конвекции.

Конвекция — это метод передачи тепла за счет объемного движения молекул в жидкости (например, газе или жидкости). Она бывает двух типов: естественная и принудительная конвекция в зависимости от способа инициирования движения жидкости.

1. Обзор и основные отличия
2. Что такое естественная конвекция
3. Что такое принудительная конвекция
4. Параллельное сравнение — естественная и принудительная конвекция в табличной форме
5. Резюме

Что такое естественная конвекция?

Естественная конвекция — это метод передачи тепла, при котором естественные средства влияют на движение жидкости. Никакого влияния внешних фактов. Это движение молекул в жидкости происходит из-за различий между плотностями разных областей одной и той же жидкости. Плотность жидкости уменьшается при нагревании и наоборот. Это происходит из-за теплового расширения жидкости (скорость молекул увеличивается с повышением температуры, что приводит к увеличению объема жидкости. Хотя объем увеличивается, масса остается постоянной. Следовательно, плотность уменьшается).

Когда мы нагреваем жидкость в емкости снизу, плотность нижнего слоя жидкости уменьшается. Затем область с более низкой плотностью стремится переместиться в верхнюю часть контейнера. Затем более холодная жидкость в верхней части контейнера заменяет нижнюю часть. Это продолжается, в результате возникает конвекция.

Примеры естественной конвекции включают охлаждение вареного яйца при хранении на обычном воздухе, потерю прохлады в банке с прохладительным напитком и т. Д. При рассмотрении механизма естественной конвекции, во-первых, температура внешней стороны горячего объекта (хранимого в холодный воздух) падает вниз. При этом температура воздуха, прилегающего к объекту, будет повышаться за счет теплопередачи. Затем плотность этого прилегающего слоя воздуха уменьшается. В результате воздух поднимается вверх. Холодный воздух заменит этот регион. Затем конвекция продолжается. В конце концов, объект остынет.

Что такое принудительная конвекция?

Принудительная конвекция — это метод передачи тепла, при котором внешние средства влияют на движение жидкости. Там внешние источники, такие как насос, вентиляторы, всасывающие устройства и т. Д., Полезны для создания движения жидкости. Этот метод очень ценен, потому что он может эффективно передавать тепло от нагретого объекта. Некоторые распространенные примеры этого механизма включают кондиционирование воздуха, паровые турбины и т. Д.

Если рассматривать механизм принудительной конвекции, то он имеет более сложный механизм, чем естественный. Это потому, что в этом методе мы должны регулировать два фактора; движение жидкости и теплопроводность. Эти два фактора тесно связаны, поскольку движение жидкости может улучшить передачу тепла. Пример: чем выше скорость движения жидкости, тем выше теплопередача.

В чем разница между естественной и принудительной конвекцией?

Естественная конвекция — это метод передачи тепла, при котором на движение жидкости влияют естественные факторы. Принудительная конвекция — это метод передачи тепла, при котором на движение жидкости влияют внешние средства. При рассмотрении факторов, влияющих на теплопередачу, нет никаких внешних факторов, влияющих на теплопередачу при естественной конвекции, в то время как внешние факторы могут вызывать теплопередачу при принудительной конвекции.

Движение жидкости при естественной конвекции возникает в результате изменения плотности жидкости при нагревании. Однако движение жидкости при принудительной конвекции создается в результате внешнего источника, такого как насос, вентилятор, всасывающие устройства. Охлаждение вареного яйца при хранении на обычном воздухе, охлаждение банки с прохладительными напитками и т. Д. Могут быть включены в качестве примеров естественной конвекции, а кондиционирование воздуха, паровые турбины и т. Д. Являются примерами принудительной конвекции.

Заключение — естественная и принудительная конвекция

Конвекция бывает двух видов: естественная конвекция и принудительная конвекция. Разница между естественной конвекцией и принудительной конвекцией состоит в том, что при естественной конвекции естественные средства влияют на движение жидкости, тогда как при принудительной конвекции внешние средства влияют на движение жидкости.

Конвекция вынужденная, естественная — Справочник химика 21

    При вынужденном движении теплоносителя коэффициент теплоотдачи от поверхности теплообмена к жидкости, которая течет с заданной скоростью, определяется критериями Рейнольдса и Прандтля. Критерий Грасгофа может быть введен только в случаях, когда на теплообмен заметное влияние оказывает естественная конвекция. [c.42]

    В теплообменной аппаратуре химических производств часто встречаются такие процессы передачи тепла, при которых среда не изменяет своего агрегатного состояния. Различного рода подогреватели, межступенчатые холодильники компрессорных машин могут служить примерами аппаратов, в которых происходит нагрев либо охлаждение газа или жидкости, не сопровождающиеся изменением агрегатного состояния теплоносителей. Обычно такой теплообмен сопровождается какой-либо формой движения теплоносителя, и его интенсивность, таким образом, определяется интенсивностями процессов конвекции и теплопроводности. Если движение теплоносителя происходит за счет перепада давления, создаваемого насосом, вентилятором, компрессором и тому подобными устройствами, то конвекцию принято называть вынужденной. Когда же движение возникает за счет массовых сил, вызванных, например, перепадом температур, то конвекция называется естественной. [c.98]


    УР+Рй (вынужденная конвекция) о) (естественная конвекция) [c.313]

    В работе [109] выполнен обзор опубликованных результатов исследований вынужденной, естественной и смешанной конвекции около круглых цилиндров и сделана попытка обобщить имеющиеся экспериментальные данные для трех случаев взаимного направления действия механизмов конвекции одинакового, противоположного и поперечного. На основании описанных выше результатов были получены условия, при которых влияние естественной конвекции на число Нуссельта для вынужденной конвекции пренебрежимо мало, (скажем, меньше 5%). Влиянием естественной конвекции можно пренебречь, если [c.601]

    Отметим, что величина г пропорциональна скорости и а. Влияние вынужденной конвекции на естественную, которое выражается граничным условием для и на бесконечности, учитывается в анализе с помощью функций Риф. [c.105]

    В критерий Галилея пе входит скорость потока, а критерий Архимеда отражает разность плотностей жидкости в двух различных точках потока, т. е. при естественной конвекции. Обычно одновременное равенство различных критериев подобия в изучаемых потоках невозможно, и поэтому прн моделировании учитывают лишь те критерии, которые отражают влияние основных сил, действующих в потоке. Так, при перекачивании жидкости насосом по трубопроводу влияние силы тяжести можно не учитывать и исключить поэтому из рассмотрения критерий Фруда. Обычно общий вид зависимости при вынужденном движении жидкости по трубопроводу имеет вид [c.49]

    Соотношение (4) позволяет использовать уравнения, описывающие теплообмен при вынужденной конвекции, также и для случая естественной или смешанной конвекции, по крайней мере для нахождения хорошего первого приближения. Уравнение (4) показывает, что относительное направление вынужденной и естественной конвекций (одинаковое или противоположное направление скоростей) не влияет на общий коэффициент теплоотдачи. Этот вывод согласуется с экспериментальными данными, за исключением узкой области неустойчивости в случае противоположного направления скоростей, в которой Ке(ог и Ог одного порядка величины. [c.93]

    Излучение имеет место, когда энергия в виде электромагнитных волн в инфракрасной и видимой части спектра распространяется от источника нагрева. Теплопроводность есть передача энергии между колеблющимися молекулами, причем центры, относительно которых они колеблются, остаются неподвижными. Конвекция — как естественная, так и вынужденная — связана со столкновениями молекул различной степени возбуждения при их перемещении [1]. [c.115]

    Вертикальная пластина высотой 1 м, имеющая температуру 200 °С, расположена в воздухе с температурой 27 °С. Вдоль ее поверхности создается направленный вниз равномерный воздушный поток со скоростью от 0,01 до 1 м/с. Найти, какой режим течения (вынужденной, естественной или смешанной конвекции) создается при указанных предельных значениях скорости. Предложить простой критерий для определения положения точки отрыва, предполагая, что при противодействующих механизмах конвекции на поверхности пластины происходит отрыв потока. [c.662]


    Термоанемометр диаметром 10- мм, имеющий температуру 320 °С, расположен в воздухе с температурой 20 °С. Скорость поперечного воздушного потока изменяется от 1 до 10 см/с. Найти режим конвекции (вынужденная или естественная) для этих двух предельных значений скорости. [c.662]

    Как при вынужденной, так и при естественной конвекции процесс передачи тепла описывается системой дифференциальных уравнений, состоящей из уравнений сохранения массы, импульса и энергии. Однако интегрирование этой системы сопряжено с большими математическими трудностями. В настоящее время имеются аналитические решения только для нескольких простейших случаев. Численное решение этой системы также очень сложно, поэтому появление ЭВМ не привело к сколько-нибудь значительным успехам в этой области. До настоящего времени наиболее плодотворным для решения этих задач является подход, основанный на сочетании теоретических и экспериментальных исследований. [c.98]

    Особенности задачи теплообмена в ТЭ непосредственно связаны с принятой в том или ином ЭХГ схемой термостатирования, а также и с общей схемой и конструкцией ЭХГ. Возможны различные пути вывода теплоты из зоны реакции теплопроводностью по элементам конструкции (а в некоторых схемах — далее по ребрам в окружающую среду), вынужденной и естественной конвекцией жидкого электролита, вынужденной конвекцией движущихся реагентов и, наконец, испаряющейся водой. В зависимости от схемы и конструкции ЭХГ и использованной схемы термостатирования обычно происходит либо полное исключение того или иного канала съема теплоты, либо настолько существенное уменьшение его влияния, что им можно пренебречь. В наиболее распространенной схеме термостатирования жидким проточным электролитом теплота удаляется в основном вынужденной конвекцией, эффектами естественной конвекции и теплопроводности можно пренебречь. Наиболее просто система термостатирования построена в ЭХГ фирмы Сименс [4.1] в них удаление как теплоты, так и воды осуществляется только проточным электролитом, поэтому имеется только один канал съема теплоты, и задача построения системы термостатирования в этих разработках свелась в основном к осуществлению мероприятий, обеспечивающих равномерную раздачу [c.172]

    Колебания воздуха, окружающего каплю. Влияние конвекции (вынужденной и естественной) на горение жидких капель будет рассмотрено ниже. Оказалось, что колебания воздуха, окружающего каплю, также оказывают влияние на ее горение. Увеличение константы испарения под действием колебаний воздуха, окружающего каплю, ограничено некоторым пределом и описывается следующей формулой [18] k = ki + (В — fa ) (8.56) [c. 198]

    В зависимости от причины, вызывающей движение жидкости, различают вынужденную и естественную конвекцию. Вынужденная конвекция — движение, обусловленное действием внешней силы — разности давлений, создаваемой насосом, вентилятором или иным источником (в том числе и природного происхождения, например ветром). Естественная конвекция — движение, возникающее вследствие изменения плотности самой жидкости, обусловленного термическим расширением. [c.290]

    Конвективная диффузия включает два механизма переноса вещества в жидкости — молекулярную диффузию и конвекцию. Причем различают конвекцию свободную (естественную) и вынужденную (под действием мешалки, насоса и т. п.). Каждый из этих режимов массообмена характеризуется еще ламинарным и турбулентным движением пограничного слоя и внешнего по отношению к нему потока растворителя. [c.51]

    Третий источник фликкер-шума РК обусловлен естественной (влияние гравитационных сил) и вынужденной (перемешивание раствора тангенциальными движениями поверхностных слоев ртути) конвекцией. Роль естественной конвекции значительна и подтверждается сильной зависимостью тока и уровня шума от ориентации РК в пространстве. Значение уровня конвективного шума можно определить по формуле [c.92]

    Естественная и особенно вынужденная конвекция представляет собой гораздо более действенные механизмы переноса массы, а стало быть, и тепла в жидкости. Уравнение, описывающее перенос массы гп . сов-местно молекулярной диффузией и конвекцией в направлении у, определяется выражением  [c.37]

    При анализе процессов теплообмена в теплообменниках химической промышленности речь может идти главным образом о ламинарном вынужденном режиме течения. Этот режим не является чисто ламинарным течением, а может быть назван неспокойным ламинарным течением. Нарушение чистого ламинарного течения вызывается возникновением вторичной циркуляции жидкости, причиной которой является естественная конвекция, возникающая из-за разности температур жидкости в различных точках сечения потока.[c.57]

    Передача тепла конвекцией происходит только в жидкостях и газах путем перемещения их частиц. Перемещение частиц обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная или принудительная конвекция), либо разностью плотностей жидкости в разных точках объема, вызываемой неравномерным распределением температуры в массе жидкости или газа (свободная, или естественная, конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности. [c.364]

    При вынужденном движении потока жидкости, когда естественной конвекцией жидкости можно пренебречь, из критериального уравнения исключают критерий Грасгофа  [c.137]


    При вынужденном движении потока фазы естественной конвекцией можно пренебречь, тогда из уравнения выпадает критерий Ог  [c.270]

    Различают свободное вынужденное движение среды. Свободным движением или естественной конвекцией называется таксе движение, которое возникает в результате разности плотностей частиц, имеющих различную температуру. Вынужденным называется движение жидкости или газа, которое возникает под действием насоса, вентилятора и др. Вынужденное движение может сопровождаться также свободным движением. [c.447]

    Если естественная конвекция есть результат различия плотностей жидкости в различных местах ее объема, то вынужденная конвекция — работа подведенной извне электрической или механической энергии (электромагнитное перемешивание и барботаж жидкости путем -пропускания через нее газовой фазы). Возникающее при этом в объеме жидкости скорости приводят к выравниванию состава и температуры по объему. Даже при небольших затратах энергии, подведенной извне, перенос тепла в жидкости настолько интенсивен, что жидкое тело становится тонким телом. Газовая фаза может возникнуть и в самой жидкости, как это имеет место в сталеплавильной ванне. В данных случаях происходит интенсивный перенос тепла в условиях, когда практически отсутствует температурный градиент. Говорить здесь об условн 1х коэффициентах теплопроводности и передачи тепл-а конвекцией /неосновательно, поскольку эти понятия теряют реальный смысл в отсутствие градиента температур.[c.37]

    Различие между вынужденной и естественной конвекцией заключается, во-первых, в способе формализации движущей силы теплообмена конвекций и, во-вторых, в различном влиянии параметров А1 и Аг, характеризующих влияние физических свойств, теплоносителя. Таким образом, при вынужденной конвекции движущей силой является мощность потока, тогда как при естественной конвекции эта мощность выражена через величину силы, действующей на поток. Что касается влияния физических свойств, то значение имеют не отдельные свойства, а их комбинация, характеризуемая параметрами Ai и Аг. Иными словами, с точки зрения эффекта теплообмена конвекцией эти свойства взаимозаменяемы. [c.87]

    Жидкие среды с низкой теплопроводностью имеют последнюю на 1—2 порядка, ниже, чем металлы, но их плотность на 3—4 порядка выше, чем плотность газообразных теплоносителей. Для солей и шлаков параметр Л1 столь низок, что высокое значение коэффициента теплоотдачи конвекцией можно обеспечить только за счет увеличения удельной мощности потока теплоносителя, т. е. его скорости при вынужденной конвекции или температурного напора при естественной. При естественной конвекции, кроме достаточного температурного напора, необходимо иметь высокое значение характерного геометрического параметра Хо, поскольку при низких значениях Хо уменьшается пг и высокая плотность теплоносителя и температурный напор оказывают меньшее влияние на теплообмен конвекцией. Практически это означает, что поверхность нагрева необходимо располагать вертикально. [c.88]

    Молекулярная диффузия возникает в потоках вследствие наличия в них градйен потенциалов компонентов, температур и давления. Конвективная диффузия обусловлена разностью плотностей потока за счет градиентов темпера и концентраций— это так называемая естественная конвекция. Вынужденной конвекцией называется конвективная диффузия, вызванная принудительным движением смеси от внешнего источника энергии. Конвективная диффузия, независимо от указанных выше факторов, имеет место также и при молекулярной диффузии как следствие перемещения смеси в определенном направлении с Некоторой средней скоростью, причины возникновения которой будут рассмотрены ниже. Для отличия в обозначении конвективных потоков естественной конвекции от конвективного потока, вызванного молекулярной диффузией, доследний предложено называть Стефановым потоком [15], В дальнейшем изложении принято такое же определение конвективного потока. В этой главе рассматривается -только последний вид конвективной диффузии. [c.45]

    В тех случаях, когда панравленпе естественной конвекции совпадает с вынужденным движением тепловых агентов в аппарате, полностью соблюдается закон Паскаля давление, производимое иа жидкость илп газ, распространяется по всем направлениям равномерно и одинаково. Вследствие этого будет выполняться одно из основных условий эффективной тенлонередачи — равномерное обтекание потоком теплообменных поверхностей. Поэтому следует обвязывать теплообменные аппараты трубопроводами так, чтобы нагреваемый агент двигался снизу вверх, а охлаждаемый — сверху вниз. [c.86]

    Теплопередача конвекцией предполагает наличие (перемещающегося вещества, следовательно, она возможна только между телом и текучим веществом. Под текучим веществом следует понимать жидкость, газы и пары. При нагреве твердого и текучего вещества происходит обмен тепла между более нагретыми, т. е. бы-стродвижущимися молекулами, и более холодными. Как в твердом теле, так и в текучем веществе передача тепла производится теплопроводностью. Однако это явление в текучем веществе протекает значительно более интенсивно благодаря тому, что частицы вещества в данном случае являются свободно движущимися. Слои текучего вещества, которые прилегают непосредственно к нагретому твердому телу, нагреваются, благодаря чему они становятся более легкими. Нагретые частицы начинают двигаться, подымаются и не только освобождают место у поверхности твердого тела новым, более холодным частицам, но и переносят с собой тепло в более холодные слои текучего вещества и там его передают дальще. При этом безразлично, происходит ли движение текучего вещества у поверхности нагрева в результате разности температур и, следовательно, удельных весов жидкости (естественная конвекция) или в результате искусственно вызванного и поддерживаемого фактора (искусственная или вынужденная конвекция). Вполне очевидно, что указанные рассуждения применимы как для процесса нагрева, так и для процесса охлаждения. Оба случая имеют одинаковое техническое значение в обоих случаях закономерности конвективного теплообмена оказывают решающее влияние на механизм теплопередачи. Не зная их, нельзя рассчитать количество передаваемого тепла. [c.28]

    При неодинаковой температуре в сечении возникает естественная конвекция и создается подъемная сила. Это влияет на п[)офиль скорости, причем характер изменения профиля скорости зависит от того как расположена труба, вертикально или горизонтально, и совпадают ли направления свободного и вынужденного движений или они противоположны. Для вертикальной трубы в случае совпадения направлений свободного и вынужденного течений (при охлаждении капельной жидкости и подаче ее сверху или нагреве жидкости и подаче ее снизу) у стенки трубы скорость возрастает, а в центре уменьшается (рис. 1.7, а). В случае противоположно направленных свободного и вынужденного течений (при охлаждении капельной жидкости и подаче ее снизу или нагревании жидкости и подаче ее сверху) скорость у стенки трубы становится меньше, а в центре больше (рис. 1.7, 6). [c.21]

    А. Тепло- и массопереиос к твердым телам и жидким средам прн внешнем обтекании тел и течении в каналах, при вынужденной и естественной конвекции. Перенос теплоты к твердым телам и жидким средам при ламинарном течении с заданными граничными условиями или условиями сопряжения полностью описывается законом теплопроводности Фурье, если только тепловые потоки не превышают своих физических пределов (фононный, молекулярный, электронный перенос н т. д.). Возможность решения сложных задач в большей или меньшей степени зависит только от наличия необходимой вычислительной техники. Для расчета ламинарных течений, включая и снарядный режим, к настоящему времени разработано достаточно много стандартных про1-рамм, и их число продолжает непрерывно увеличиваться. Случай движущихся тел включает в себя также и покоящиеся тела, так как координатную систему можно связать с телом и, таким образом, исключить относительное движение. Поэтому методы расчета теплопередачи к твердым телам и жидким средам при их ламинарном течении полностью аналогичны. Единственным фактором, влияющим на тепловой поток как при нестационарном нагреве твердого тела, так и при квазистационар-ном ламинарном течении, является время контакта. Хотя часто коэффициент теплоотдачи нри ламинарном течении представляется как функция скорости, необходимо обязательно помнить, что скорость течения есть только мера времени контакта или времени пребывания среды в теплообменнике. Эта концепция обсуждалась в 2.1.4, где было показано, каким образом и — а-метод, используемый обычно для описания ламинарного теплообмена, можно применить и для расчета нестационарного теплопереноса а твердом теле. В разд. 2.4 эта концепция получает даль- [c.92]

    Вибрацию поверхностен ншроко и )учали в лабораторных условиях. Преобладали исследования горизонтальных цилиндров, которые вибрировали как в гори.чон-тальном, так и в нертикальном напранлениях. Коэффициенты теплоотдачи можно увеличить при этом в 10 раз для колебаний как с низкой частотой (высокой амплитудой), так и с высокой частотой (низкой амплитудой). Хотя улучшение теплоотдачи может быть очень значительным, необходимо признать, что естественная конвекция является малоэффективным видом теплообмена. Так как при максимальной интенсификации средняя скорость поверхности по всему цилиндру меньше I м/с, более практично организовать стационарное вынужденное течение. Конструкторы обеспокоены также тем, что такие интенсивные вибрации могут привести к разрушению оборудования. [c.323]

    Основываясь на результатах ограниченных промышленных испытаний, автор [16] предложил считать максимальный коэффициент теплоотдачи при кипении па трубном пучке равным 1700 Вт/(м—К) для органических жидкостей и 5700 Вт/(м -К) для воды. Считается также, что максимальная тепловая нагрузка в пучке не должна превышать 38 000 Вт/м для установок, работающих па органических жидкостях при естественной циркуляции, и 63 000 Вт/м-—при вынужденной конвекции. Максимальный допустимый тепловой ноток при испарешш воды или водного раствора в пучке в любых условиях циркуляции должен составлять 95 ООО Вт/м . Эти очень об дие рекомендации делают результаты расчетов крайне консервативными, за исключением условий в вакууме или при давлениях, близких к критическому. В общем для расчетов предпочтительны методы, которые будут указаны н иже. [c.408]


Сопряженная теплопередача | Блог COMSOL

В этой статье мы объясним, что такое сопряженная теплопередача, и продемонстрируем несколько примеров. Сопряженной теплопередачей называется теплообмен в твердых телах и жидкостях. В твердых телах основным способом теплопередачи является теплопроводность, а для жидкостей более характерна конвекция. Явление сопряженной теплопередачи проявляется во множестве ситуаций. Например, конструкция радиатора оптимизируется для того, чтобы объединить теплопередачу посредством теплопроводности материала, из которого изготовлен радиатор, и конвекцию окружающей его жидкости.

Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Теплопередача в твердом теле

В большинстве случаев теплопередача в твердых телах, вызванная исключительно теплопроводностью материала, описывается законом Фурье, согласно которому плотность теплового потока, q, пропорциональна градиенту температуры: q=-k\nabla T.

Для нестационарной задачи поле температуры в неподвижном твердом теле следует уравнению теплопроводности в следующей форме:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}=\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Теплопередача в жидкости

Из-за движения жидкости в уравнение добавляются еще три слагаемых:

  1. Перемещение жидкости также предполагает передачу энергии, что проявляется в виде конвекционной составляющей в уравнении теплового баланса. В зависимости от тепловых характеристик жидкости и режимов потока может преобладать теплопередача посредством либо конвекции, либо теплопроводности.
  2. Вязкостные явления в потоке жидкости приводят к ее нагреву. Диссипативным эффектом часто пренебрегают, однако в высокоскоростных потоках вязких жидкостей его влияние может быть существенно.
  3. Поскольку плотность жидкости зависит от температуры, в уравнение теплового баланса добавляется новое слагаемое — работа давления. Примером может служить хорошо известный пример образования тепла при сжатии воздуха.

Учет теплопроводности и слагаемых, описывающих перечисленные механизмы, приводит к следующему нестационарному уравнению теплопроводности для поля температуры в жидкости:

\rho C_{p} \frac{\partial T}{\partial t}+\rho C_p\bold{u}\cdot\nabla T= \alpha_p {T}\left( \frac{\partial p_\mathrm{A}}{\partial t}+\bold{u}\cdot\nabla p_\mathrm{A}\right)+\tau : S+\nabla \cdot (k\nabla T) +Q

Прикладные задачи, связанные с сопряженной теплопередачей

Высокоэффективная теплопередача

Возможность эффективного объединения процессов теплопередачи в твердых телах и жидкостях является ключевой для проектирования высокоэффективных охладителей, нагревателей и теплообменников.

Обычно для передачи теплоты на большие расстояния используются жидкие теплоносители. Самым распространенным способом обеспечения высокой интенсивности теплопередачи является вынужденная конвекция. В некоторых случаях рабочие характеристики подобных устройств становятся еще лучше благодаря сочетанию конвекции и фазовых переходов (например, кипения воды).

Несмотря на это, в теплообменнике также нужны твердые тела, которые разделяют жидкости и позволяют им передавать тепло, но не смешиваться друг с другом.


Поле течения и температуры в кожухотрубном теплообменнике демонстрирует процесс теплопередачи между двумя разделенными тонкой металлической стенкой жидкостями.

Радиаторы обычно изготавливают из металла, обладающего высокой теплопроводностью (например, меди или алюминия). Они рассеивают тепло, увеличивая площадь поверхности теплообмена между твердотельной частью конструкции и окружающей ее жидкостью.


Поле температуры в блоке питания. Температура снижается за счет охлаждения воздухом, продуваемым с помощью вентилятора и перфорированной решетки. Два алюминиевых ребра используются для увеличения площади поверхности теплообмена между потоком воздуха и электронными компонентами.

Энергосбережение

Процессы теплообмена в жидкостях и твердых телах также могут быть объединены для сокращения тепловых потерь в различных устройствах. Поскольку большинство газов (особенно при низком давлении) обладают малой теплопроводностью, они могут использоваться для теплоизоляции… если только они не находятся в движении. Чаще всего именно газы выбирают в качестве изоляционного материала из-за их малой плотности. В любом случае важно ограничить теплопередачу посредством конвекции, уменьшая интенсивность свободной конвекции. Продуманное размещение перегородок и небольших полостей позволяет регулировать свободную конвекцию. Применение этих же принципов в микроскопических масштабах приводит к идее теплоизолирующей пены, в которой небольшие воздушные полости (пузырьки) заключены внутри пенистого материала (например, полиуретана), что обеспечивает прекрасные изоляционные характеристики материала и его малый вес.


Поперечное сечение окна (слева) и увеличенная область оконной рамы (справа).


Показатели температуры в оконной раме и поперечном сечении остекления согласно стандарту ISO 10077-2:2012 (тепловые характеристики окон).

Взаимодействие твердых тел и жидкостей

Граница жидкости и твердого тела

Поле температуры и тепловой поток на границе взаимодействия жидкости и твердого тела остаются непрерывными. Однако поле температуры может быстро изменяться в движущейся жидкости: у поверхности твердого тела температуры жидкости и твердого тела близки; чем дальше от границы, тем ближе температура жидкости к температуре на входе или к температуре окружающей среды. Расстояние, на котором температура жидкости изменяется от температуры твердого тела до температуры окружающей среды, называется тепловым пограничным слоем. Относительные размеры теплового и динамического пограничных слоев отражаются в величине числа Прандтля (Pr=C_p \mu/k): для того чтобы оно было равно единице, толщины теплового и динамического пограничных слоев должны совпадать. Более толстый динамический погранслой приводит к тому, что число Прандтля становится больше единицы. Верно и обратное: при числе Прандтля меньше единицы толщина теплового пограничного слоя превышает толщину динамического пограничного слоя. Число Прандтля для воздуха при атмосферном давлении и 20 °C равняется 0,7. Это объясняется тем, что для воздуха размеры динамического и теплового пограничного слоев схожи, при этом толщина динамического погранслоя чуть меньше толщины теплового. Для воды при температуре 20 °C число Прандтля составляет около 7, поэтому в воде изменение температуры рядом со стенкой происходит быстрее, чем изменение скорости.


Нормализованные профили температуры (красный) и скорости (синий) для свободной конвекции воздуха рядом с холодной твердой поверхностью.

Свободная конвекция

Свободная конвекция возникает тогда, когда жидкость приводится в движение силами плавучести. В зависимости от ожидаемых тепловых характеристик естественная конвекция может быть как полезной (например, в случае охлаждения), так и нежелательной (например, свободная конвекция в слое термоизоляции).

Число Рэлея, обозначаемое как Ra, используется для определения режима течения, обусловленного свободной конвекцией и сопутствующей теплопередачей. 3

Число Рэлея может быть выражено через числа Прандтля и Грасгофа как Ra=Pr Gr.

Когда величина числа Рэлея невелика (обычно <103), явлением свободной конвекции можно пренебречь, так как теплопередача происходит посредством теплопроводности жидкости. Для больших значений числа Рэлея необходимо учитывать теплопередачу посредством конвекции.

Когда силы плавучести значительно выше вязкостных сил, режим потока становится турбулентным, в противном случае поток остается ламинарным. На переход между двумя данными режимами указывает критическое значение числа Грасгофа, величина которого составляет 109. Толщину теплового пограничного слоя можно вычислить приближенно при условии, что известно характерное расстояние перепада температуры между твердой стенкой и объемом жидкости: \delta_\mathrm{T} \approx \frac{L}{\sqrt[4\,]{Ra}}, когда Pr по порядку равно или больше единицы.


Профиль температуры при свободной конвекции в стакане холодной воды, контактирующем с горячей поверхностью .

Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции поток приводится в движение воздействием внешних сил (например, ветра) или устройств (например, вентиляторов или насосов), которые преобладают над силами плавучести.

В этом случае режим потока может быть охарактеризован, аналогично изотермическому потоку, числом Рейнольдса Re= \frac{\rho U L}{\mu}. Число Рейнольдса представляет отношение инерционных и вязкостных сил. При малых значениях числа Рейнольдса преобладают вязкостные силы, соответственно, поток ламинарный. При высоких значениях числа Рейнольдса силы внутреннего трения в системе невелики, благодаря чему наблюдаются незначительные возмущения. В случае если значение числа Рейнольдса будет достаточно высоким, поток перейдет в турбулентный режим.

Оценить толщину динамического пограничного слоя можно с помощью числа Рейнольдса \delta_\mathrm{M} \approx \frac{L}{\sqrt{Re}}.

Линии тока и профиль температуры вокруг радиатора, охлаждаемого вынужденной конвекцией. 4). Когда окружающие поверхности имеют различную температуру, теплообмен определяется угловыми коэффициентами.

Несмотря на это, как жидкости, так и твердые тела могут быть прозрачными или полупрозрачными. Таким образом, излучение может возникнуть и в жидкости, и в твердых телах. В активных (или недиатермических) средах излучение взаимодействует со средой (твердым телом или жидкостью), которая поглощает, испускает или рассеивает энергию.

Несмотря на то, что при небольшой разнице температур и малой излучательной способности можно пренебречь теплопередачей посредством излучения, она играет ключевую роль в прикладных задачах со значительными перепадами температур или сильно выраженной излучательной способностью.


Сравнение показателей температуры для радиатора с поверхностной излучательной способностью \varepsilon = 0 (слева) и \varepsilon = 0,9 (справа).

Заключение

В большей части практических задач процессы теплопередачи в твердых телах и жидкостях объединены. Причина этого в том, что, как правило, рассматриваемые жидкости обтекают твердые тела или текут между твердых стенок, а твердые тела, в свою очередь, обычно погружены в жидкость. Точное описание режимов теплопередачи, свойств материала, режимов течения и конфигураций геометрии позволяет выполнять анализ полей температуры и процессов теплопередачи. Подобное описание служит также отправной точкой для численного моделирования, которое может использоваться для расчета явлений теплопередачи или для проверки различных конфигураций конструкции для улучшения тепловых характеристик того или иного изделия.

Примечания

C_{p}: теплоемкость при постоянном давлении (единицы СИ: Дж/(кг⋅K))

g: ускорение свободного падения (единицы СИ: м/с2)

Gr: число Грасгофа (безразмерная величина)

k: теплопроводность (единицы СИ: Вт/(м⋅K))

L: характерный размер (единицы СИ: м)

n: показатель преломления (безразмерная величина)

p_\mathrm{A}: абсолютное давление (единицы СИ: Па)

Pr: число Прандтля (безразмерная величина)

q: плотность теплового потока (единицы СИ: Вт/м2)

Q: объемный источник теплоты (единицы СИ: Вт/м3)

Ra: число Рэлея (безразмерная величина)

S: тензор скоростей деформации (единицы СИ: 1/с)

T: поле температуры (единицы СИ: K)

T_\mathrm{amb}: температура окружающей среды (единицы СИ: K)

\bold{u}: поле скорости (единицы СИ: м/с)

U: характерная величина скорости (единицы СИ: м/с)

\alpha_{p}: коэффициент теплового расширения (единицы СИ: 1/K)

\delta_\mathrm{M}: толщина инерционного граничного слоя (единицы СИ: м)

\delta_\mathrm{T}: толщина теплового слоя (единицы СИ: м)

\Delta T: характерная разность температур (единицы СИ: K)

\varepsilon: излучательная способность поверхности (безразмерная величина)

\rho: плотность (единицы СИ: кг/м3)

\sigma: постоянная Стефана — Больцмана (единицы СИ: Вт/(м2⋅К4))

\tau: тензор вязких напряжений (единицы СИ: Н/м2)

Теплопередача посредством конвекции: естественная или принудительная — стенограмма видео и урока

Естественная и принудительная

Процессы, о которых мы говорили до сих пор, называются естественной конвекцией . Естественная конвекция — это когда процессы происходят сами по себе всякий раз, когда есть разница температур между двумя местами. Но есть еще один вид конвекции, называемый принудительной конвекцией .

Принудительная конвекция возникает, когда вы пытаетесь ускорить процесс конвекции, слегка подталкивая жидкость.Например, вы можете протолкнуть воздух вентилятором. Так работают духовые шкафы с вентилятором.

Примеры

Примеров конвекции в повседневной жизни очень много. Но начнем с приятного: отдыха на прекрасном, теплом пляже. Когда ты лежишь на пляже, тебе очень быстро становится жарко. Так что вы всегда благодарны за приятный прохладный ветерок. Но вы когда-нибудь замечали, откуда дует морской бриз? Чаще всего они приходили с моря по направлению к суше. Но почему так?

Ну, это тоже из-за конвекции.Летом воздух над сушей обычно горячее, чем над морем. Морской воздух просто сложнее нагреть. По мере того, как наземный воздух нагревается, он поднимается, как мы уже говорили, но на этот раз не более прохладный воздух заполняет зазор. Вместо этого более прохладный воздух, выходящий в море, всасывается в пространство, оставшееся после него горячий воздух — всасывается к суше. Это твой приятный прохладный ветерок.

Мы говорили о морском воздухе, но давайте углубимся. Намного глубже! Не под водой, хотя говорят, что лучше там, где влажнее.Глубже этого. Пойдем до самого чрева Земли. Глубоко под поверхностью, на мили и мили внизу: во внешнем ядре!

Здесь тоже бывает конвекция. Чем ближе к центру Земли, тем жарче, а дальше — холоднее … хотя, честно говоря, везде безумно жарко! Тем не менее такой разницы температур достаточно, чтобы конвекционные токи жидких металлов протекали и здесь. И, слава богу, они это делают!

Эти жидкие металлы содержат заряженные частицы, и движение этих заряженных частиц придает Земле ее магнитное поле.Без него Земля не смогла бы оттеснить опасное излучение Солнца. Без него мы, люди, вообще не прожили бы долго. Не говоря уже о том, что у капитана Кука были бы серьезные проблемы с исследованием Тихого океана — по нему сложно ориентироваться, если ваш компас больше не работает!

Расчеты

Один из распространенных расчетов, который вам, возможно, придется сделать, включает определение тепла, передаваемого конвекцией в секунду, иначе известного как мощность, измеряемого в ваттах. В алгебре количество тепла, передаваемого за секунду, равно Q / t.Итак, если мы знаем, сколько времени прошло, и сколько энергии было передано за это время, мы можем разделить одно на другое, чтобы получить ответ.

Но определение передаваемого тепла Q может потребовать еще одного шага. Когда мы добавляем тепло к материалу, может произойти одно из двух: он может изменить температуру или он может изменить состояние (также известное как фаза) в результате плавления или кипения.

Если тепло используется для изменения температуры , мы можем использовать уравнение Q = mc (дельта) T.Подключите нагреваемую массу m, измеренную в килограммах, теплоемкость нагреваемого материала c, которое представляет собой просто число, которое вам следует указать в вопросе, и изменение температуры (дельта) T. Умножьте их вместе, и вы получите тепло, Q.

Но предположим, что тепло не используется для изменения температуры материала, а вместо этого используется для изменения состояния, например плавления или кипения. В этом случае вы можете использовать уравнение Q = mL, чтобы вычислить передаваемое тепло.Здесь все, что вам нужно знать, — это масса нагреваемого вещества и скрытая теплота. Скрытая теплота — это просто число, которое варьируется в зависимости от материала и того, какое изменение состояния происходит. Вы должны получить его в экзаменационном вопросе.

Пример расчета

Итак, давайте рассмотрим пример расчета. В доме одновременно находится 500 кг воздуха. Система отопления включена, и ей необходимо повысить температуру в доме на 5 градусов по Цельсию. Если на это уходит 600 секунд, сколько энергии расходуется в секунду в процессе? (Примечание: средняя удельная теплоемкость воздуха составляет 1000 Дж / кг C.)

Хорошо, давайте подумаем, что нам нужно вычислить. Он просит энергии в секунду. В этом случае, сколько тепловой энергии передается каждую секунду. Итак, это Q / t. Мы уже знаем, сколько времени это займет: 600 секунд. Но нам нужно вычислить Q, количество переданной энергии. Этот вопрос связан с изменением температуры, поэтому мы должны использовать Q = mc (delta) T. У нас есть масса, удельная теплоемкость и изменение температуры. Подставьте эти числа: 500 умножить на 1000 умножить на 5, и мы получим 2 500 000 джоулей.Это наше значение Q. Теперь, чтобы вычислить количество энергии в секунду, мы найдем Q / t, которое равно 2 500 000, разделенным на 600 секунд. Это дает нам 4167 Джоулей в секунду или 4167 Вт.

Вот и все, готово.

Краткое содержание урока

Конвекция возникает из-за разницы температур между двумя частями жидкости (жидкость или газ). При конвекции горячая плотная часть жидкости поднимается, а более холодная опускается. Этот цикл повторяется, и именно поэтому повышается температура — почему над кастрюлей с кипящим супом так жарко и почему наверху дома обычно теплее, чем на нижнем.

Естественная конвекция — это процесс, в котором процессы происходят сами по себе всякий раз, когда существует разница температур между двумя местами. Принудительная конвекция возникает, когда вы пытаетесь ускорить процесс конвекции, слегка подталкивая жидкость. Например, вы можете протолкнуть воздух вентилятором.

Существует множество примеров конвекции, от прохладного бриза на пляже до конвекционных потоков во внешнем ядре Земли, которые придают Земле ее защитное магнитное поле.Без конвекционных токов на Земле было бы трудно выжить.

Вы можете рассчитать тепло, передаваемое конвекцией за секунду, если у вас достаточно информации. Вы должны уметь вычислять, сколько тепла передается (Q), и знать, сколько времени потребовалось, чтобы это произошло (t). Затем разделите одно на другое (Q / t).

Если вы не знаете, сколько тепла передается (Q), вы можете использовать уравнение mc (дельта) T или уравнение mL, чтобы выяснить это. Вы используете mc (дельта) T при повышении температуры и уравнение mL при изменении состояния (или изменении фазы).

Результаты обучения

После просмотра этого урока вы должны уметь:

  • Определить, что такое конвекция
  • Опишите разницу между естественной конвекцией и принудительной конвекцией
  • Приведите примеры конвекции в повседневной жизни
  • Выполните базовые расчеты, чтобы определить, сколько тепла передается во время конвекции

Что из следующего является примером свободной конвекции? — MVOrganizing

Что из следующего является примером свободной конвекции?

Микроволновая печь для приготовления еды.

Может ли тепло передаваться конвекцией?

Когда жидкость, такая как воздух или жидкость, нагревается, а затем удаляется от источника, она переносит тепловую энергию. Такой тип теплопередачи называется конвекцией. Жидкость над горячей поверхностью расширяется, становится менее плотной и поднимается вверх. Обогреватель — классический пример конвекции.

Является ли кипящая вода конвекцией?

На Земле вода кипит за счет естественной конвекции. Молекулы воды в вашем горшке постоянно обмениваются таким образом благодаря силе тяжести, в конечном итоге нагревая весь горшок с жидкостью.Это известно как естественная конвекция — движение молекул в жидкости — которая является основным методом передачи тепла (и массы).

Варка яйца — конвекция или кондукция?

Варка яйца не является примером конвекции. Это пример проводимости. Как тепло передается от кипятка к яйцу.

Что происходит с более холодной водой при конвекции?

Нагревание кастрюли с водой на плите — хороший пример передачи тепла конвекцией. При этом более прохладная, более плотная вода вверху опускается на дно, где впоследствии нагревается. Эти конвекционные потоки показаны на следующем рисунке.

Является ли прогулка по горячему песку на пляже конвекцией или излучением?

Проводимость происходит как поток кинетической энергии от одной молекулы к другой при прямом контакте. Когда вы лежите на пляже, это происходит между вами и поверхностью, на которой вы лежите. Когда вы впервые ложитесь на горячий песок, энергия перетекает от горячего песка к вашему более прохладному телу за счет теплопроводности.

Почему у вас горят ноги, когда вы идете по пляжному песку в солнечный летний день?

Почему у вас горят ноги, когда вы идете по пляжному песку в солнечный летний день? Тепло передается за счет теплопроводности.

Шоколад тает в ваших руках конвекцией или излучением?

Теплообмен

А В
Излучение Приготовление попкорна в микроволновке.
Проводимость Использование грелки на больных мышцах.
Проводимость Металлическая ложка, которая нагревается от горячего супа.
Проводимость Шоколад тающий в руке.

Как узнать, что передача тепла закончилась?

Как узнать, что передача тепловой энергии закончилась? Тепловая энергия никогда не перестает передаваться. Когда одно вещество закипает. Когда можно измерить количество тепла.

Что такое передача тепла при движении жидкостей или газов?

Конвекция

Какой тип теплопередачи происходит, когда солнце согревает ваше лицо?

Отзыв о викторине по теплообмену

А В
Излучение Прямая передача энергии электромагнитными волнами.
Проводимость Прямая передача тепла между двумя соприкасающимися предметами.
Конвекция Передача тепла движением жидкости.
Примером какого типа теплопередачи является ощущение солнечного тепла на лице? Радиация

Что из следующего является примером теплопроводности?

Если вы оставите металлическую ложку в кастрюле, она станет горячей от кипящей воды внутри кастрюли.Шоколадная конфета в вашей руке со временем тает, поскольку тепло передается от вашей руки к шоколаду. При глажке предмета одежды утюг нагревается, и тепло передается одежде.

Разница между естественной и принудительной конвекцией

Автор: Мадху

Ключевое различие между естественной и принудительной конвекцией состоит в том, что при естественной конвекции на движение жидкости влияет естественным образом, тогда как при принудительной конвекции движение жидкости происходит за счет естественной конвекции. под влиянием внешних средств. Разница между естественной и принудительной конвекцией, связанной с теплопередачей, заключается в том, что нет внешних факторов, влияющих на теплопередачу при естественной конвекции, в то время как внешние факторы могут вызывать теплопередачу при принудительной конвекции.

Конвекция — это метод передачи тепла за счет объемного движения молекул в жидкости (например, газе или жидкости). Она бывает двух типов: естественная и принудительная конвекция в зависимости от способа инициирования движения жидкости.

СОДЕРЖАНИЕ

1.Обзор и основные различия
2. Что такое естественная конвекция
3. Что такое принудительная конвекция
4. Сравнение бок о бок — естественная и принудительная конвекция в табличной форме
5. Резюме

Что такое естественная конвекция?

Естественная конвекция — это метод передачи тепла, при котором естественные средства влияют на движение жидкости. Никакого влияния внешних фактов нет. Это движение молекул в жидкости происходит из-за различий между плотностями разных областей одной и той же жидкости.Плотность жидкости уменьшается при нагревании и наоборот. Это происходит из-за теплового расширения жидкости (скорость молекул увеличивается с повышением температуры, что приводит к увеличению объема жидкости. Хотя объем увеличивается, масса остается постоянной. Следовательно, плотность уменьшается).

Когда мы нагреваем жидкость в контейнере снизу, плотность нижнего слоя жидкости уменьшается. Затем область с более низкой плотностью стремится переместиться в верхнюю часть контейнера.Затем более холодная жидкость в верхней части контейнера заменяет нижнюю часть. Это продолжается, в результате возникает конвекция.

Рисунок 01: Механизм естественной конвекции

Примеры естественной конвекции включают охлаждение вареного яйца при хранении на обычном воздухе, потерю прохлады в банке с прохладительным напитком и т. Д. При рассмотрении механизма естественной конвекции, во-первых, температура снаружи горячего объекта (сохраняемая на холодном воздухе) опускается. При этом температура воздуха, прилегающего к объекту, будет повышаться за счет теплопередачи.Затем плотность этого прилегающего слоя воздуха уменьшается. В результате воздух поднимается вверх. Холодный воздух заменит этот регион. Затем конвекция продолжается. В конце концов, объект остынет.

Что такое принудительная конвекция?

Принудительная конвекция — это метод передачи тепла, при котором внешние средства влияют на движение жидкости. Там внешние источники, такие как насос, вентиляторы, всасывающие устройства и т. Д., Полезны для создания движения жидкости. Этот метод очень ценен, потому что он может эффективно передавать тепло от нагретого объекта.Некоторые распространенные примеры этого механизма включают кондиционирование воздуха, паровые турбины и т. Д.

Если рассматривать механизм принудительной конвекции, то он имеет более сложный механизм, чем естественный. Это потому, что в этом методе мы должны регулировать два фактора; движение жидкости и теплопроводность. Эти два фактора тесно связаны, поскольку движение жидкости может улучшить теплопередачу. Пример: чем выше скорость движения жидкости, тем выше теплопередача.

В чем разница между естественной и принудительной конвекцией?

Естественная конвекция — это метод передачи тепла, при котором на движение жидкости влияют естественные факторы.Принудительная конвекция — это метод передачи тепла, при котором на движение жидкости влияют внешние средства. При рассмотрении факторов, влияющих на теплопередачу, нет никаких внешних факторов, влияющих на теплопередачу при естественной конвекции, в то время как внешние факторы могут вызывать теплопередачу при принудительной конвекции.

Движение жидкости при естественной конвекции возникает в результате изменения плотности жидкости при нагревании. Однако движение жидкости при принудительной конвекции возникает в результате внешнего источника, такого как насос, вентилятор, всасывающие устройства.Охлаждение вареного яйца при хранении на обычном воздухе, охлаждение банки с прохладительными напитками и т. Д. Могут быть включены в качестве примеров естественной конвекции, а кондиционирование воздуха, паровые турбины и т. Д. Являются примерами принудительной конвекции.

Резюме — естественная и принудительная конвекция

Конвекция бывает двух видов: естественная конвекция и принудительная конвекция. Разница между естественной конвекцией и принудительной конвекцией заключается в том, что при естественной конвекции естественные средства влияют на движение жидкости, тогда как при принудительной конвекции внешние средства влияют на движение жидкости.

Артикул:

1. «Естественная конвекция». Википедия, Фонд Викимедиа, 17 апреля 2018 г. Доступно здесь
2. msg15 Follow. «Принудительная конвекция». LinkedIn SlideShare, 21 апреля 2015 г. Доступно здесь

Изображение предоставлено:

1. ‘Естественная конвекция циркуляции по Asperitas’ Автор: Рольф Бринк — собственная работа, (CC BY-SA 4.0) через Commons Wikimedia

Естественная конвекция в примере моделирования квадратной полости

Обзор

Естественная конвекция — это явление, при котором движение жидкости вызывается силами плавучести, вызванными разницей плотности из-за колебаний температуры жидкости. Естественная или свободная конвекция воздушной массы может наблюдаться, например, в прибрежном районе в летний день, когда солнце нагревает землю и воду. Вода нагревается дольше, чем земля. В результате воздух над сушей нагревается быстрее, становится менее плотным и поднимается под действием силы плавучести. Затем он заменяется более холодным и плотным морским воздухом, что приводит к круговой схеме движения воздуха, создающей морской бриз.

В этом примере мы исследуем естественную конвекцию воздуха в квадратной полости с двумя вертикальными стенками, поддерживаемых при разных температурах.Эта разница температур вызывает круговое движение воздуха внутри полости за счет сил плавучести.

Цели

Основная цель этого примера — понять и визуализировать процесс естественной конвекции в квадратной полости с помощью моделирования Ansys Fluent.

Настройка

Загрузите файл сетки, необходимый для настройки моделирования, и связанные файлы случая и данных из здесь . Следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы настроить это моделирование в Ansys Fluent, начиная с файла сетки. Если у вас возникнут проблемы с настройкой или запуском моделирования, обратитесь к соответствующим исходным и окончательным файлам Case и Data.


Альтернативная видеосвязь .

Результаты и обсуждение

Давайте теперь проанализируем результаты моделирования и разберемся с физикой естественной конвекции.

Уравнение конвективной теплопередачи и калькулятор конвекции | Инженеры Edge

Уравнение конвективной теплопередачи и калькулятор конвекции

Теплообменная техника | Термодинамика
Калькулятор конвекции известной площади поверхности

Конвективная теплопередача , часто называемая просто конвекцией , представляет собой передачу тепла от одного места к другому за счет движения жидкостей. Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах. Хотя конвективный перенос тепла часто обсуждается как отдельный метод теплопередачи, он включает в себя комбинированные процессы теплопроводности (диффузии тепла) и адвекции (теплопередачи объемным потоком жидкости).

Веб-страница не работает, так как JavaScript не включен. Скорее всего, вы просматриваете с помощью веб-сайта Dropbox или другой ограниченной среды браузера.

Коэффициент конвективной теплопередачи (h) частично определяет теплопередачу за счет конвекции.Коэффициент конвективной теплопередачи иногда называют коэффициентом пленки и представляет тепловое сопротивление относительно застойного слоя жидкости между поверхностью теплопередачи и жидкой средой. Общие единицы измерения коэффициента конвективной теплопередачи:

  • 1 Вт / (м 2 K) = 0,85984 ккал / (ч м 2 ° C) = 0,1761 БТЕ / (фут 2 ч ° F)
  • 1 ккал / (ч · м 2 ° C) = 1,163 Вт / (м 2 K) = 0. 205 БТЕ / (фут 2 ч ° F)
  • БТЕ / ч — фут 2 — ° F = 5,678 Вт / (м 2 K) = 4,882 ккал / (ч м 2 ° C)

Конвекция включает в себя передачу тепла за счет движения и смешивания «макроскопических» частей жидкости (то есть потока жидкости через твердую границу). Термин естественная конвекция используется, если это движение и перемешивание вызваны изменениями плотности в результате разницы температур внутри жидкости. Термин «принудительная конвекция» используется, если это движение и перемешивание вызвано внешней силой, например, насосом.Передача тепла от водяного радиатора в комнату является примером передачи тепла естественной конвекцией. Передача тепла от поверхности теплообменника к массе жидкости, прокачиваемой через теплообменник, является примером принудительной конвекции.

Теплопередачу путем конвекции анализировать сложнее, чем теплопередачу за счет теплопроводности, потому что никакое отдельное свойство теплопередающей среды, такое как теплопроводность, не может быть определено для описания механизма. Теплопередача за счет конвекции меняется от ситуации к ситуации (в зависимости от условий потока жидкости), и это часто связано с режимом потока жидкости. На практике анализ теплопередачи конвекцией рассматривается эмпирически (путем прямого наблюдения).

Конвекционная теплопередача рассматривается эмпирически из-за факторов, влияющих на толщину застойной пленки:

  • Скорость жидкости
  • Вязкость жидкости
  • Тепловой поток
  • Шероховатость поверхности
  • Тип потока (однофазный / двухфазный)

Конвекция включает передачу тепла между поверхностью с заданной температурой (T 1 ) и жидкостью с объемной температурой (T b ).Точное определение объемной температуры (T b ) варьируется в зависимости от деталей ситуации. Для потока, прилегающего к горячей или холодной поверхности, T b — это температура жидкости «далеко» от поверхности. Для кипения или конденсации T b — это температура насыщения жидкости. Для потока в трубе T b — это средняя температура, измеренная в определенном поперечном сечении трубы.

Базовое соотношение для теплопередачи за счет конвекции имеет ту же форму, что и для теплопередачи за счет теплопроводности:

или

q = h c A (T s — T a )

где

q = тепло, передаваемое за единицу времени (Вт)
A = площадь теплообмена поверхности (м 2 )
ч c = коэффициент конвективной теплопередачи процесса (Вт / (м 2 K) или Вт / (м 2 ° C))
T с = Температура поверхности
T a = Температура воздуха

Коэффициент конвективной теплопередачи (h) зависит от физических свойств жидкости и физической ситуации.Обычно коэффициент конвективной теплопередачи для ламинарного потока относительно низок по сравнению с коэффициентом конвективной теплопередачи для турбулентного потока. Это происходит из-за турбулентного потока, имеющего более тонкий слой застойной пленки жидкости на поверхности теплопередачи. Значения h были измерены и сведены в таблицу для часто встречающихся жидкостей и ситуаций потока, возникающих при теплопередаче за счет конвекции.

Пример расчетов:

Неизолированный паропровод длиной 22 фута пересекает комнату.Внешний диаметр паропровода составляет 18 дюймов, а температура внешней поверхности составляет 280 o F. Коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха составляет 18 БТЕ / ч-фут 2 o F.

Рассчитать скорость передачи тепла из трубы в комнату, если температура в помещении 72 o F.

Многие приложения, связанные с конвективной теплопередачей, имеют место в трубах, трубках или другом подобном цилиндрическом устройстве. В таких обстоятельствах площадь поверхности теплопередачи, обычно задаваемая в уравнении конвекции (), изменяется по мере прохождения тепла через цилиндр. Кроме того, разница температур внутри и снаружи трубы, а также разница температур вдоль трубы, требуют использования некоторого среднего значения температуры для анализа проблемы. Эта средняя разница температур называется средней логарифмической разностью температур (LMTD), описанной ранее.

Это разница температур на одном конце теплообменника за вычетом разницы температур на другом конце теплообменника, деленная на натуральный логарифм отношения этих двух разностей температур.Приведенное выше определение LMTD включает два важных допущения: (1) удельная теплоемкость жидкости существенно не зависит от температуры и (2) коэффициенты конвективной теплопередачи относительно постоянны во всем теплообменнике.

Связанный:

(решено) — 1. (a) Приведите по три примера для каждой из естественной (свободной) конвекции … — (1 ответ)

1. (a) Приведите по три примера для каждой из естественной (свободной) конвекции и принудительной конвекции. которые происходят в промышленных процессах.
(b) Число Грасгофа и число Рейнольдса фигурируют в большинстве корреляций экспериментальных данных для конвективного теплообмена. Объясните, не более 150 слов, механизмы естественной и вынужденной конвекции, уделяя особое внимание указанным выше безразмерным группам.
(c) Соответствующее соотношение для передачи тепла естественной конвекцией из горизонтальной трубы в атмосферу составляет
Nu = 0,53Gr0,25 Pr0,25
, где Gr = (± Ï2d3 (Ts — Tf) g) / μ2
и Pr = cpμ / k
Покажите, что указанное выше соотношение можно упростить до
ч â ‰ ˆ 1.34 (Ts — Tf /d) 0,25 Вт · м-2 K-1
, когда воздух имеет значения, указанные ниже
± = 3,077 x 10-3 K-1, Ï = 1,086 кг · м-3, cp = 1,0063 кДж · кг- 1 K-1
k = 2,816 x 10-5 кВт м-1 K-1, μ = 1,962 x 10-5 кг м-1 с-1

(d) Наружная поверхность изоляции на горизонтальной паропроводе имеет радиус 50 мм и имеет температуру 90 ° C. Атмосферный воздух, окружающий трубу, имеет температуру 14 ° C и имеет значения свойств, перечисленные в части (c) выше. Оцените скорость потери тепла естественной конвекцией в атмосферу на каждый метр длины трубы.
2. (а) Объясните, как тепло от горячей поверхности передается в окружающий воздух.
(b) (i) Объясните эффект изоляции горячей поверхности.
(ii) Что подразумевается под экономической толщиной утеплителя?
(c) Какова цель посеребренного покрытия, обычно хорошего проводника, на внешней стороне большей части изоляции?
3. Бутанол при температуре 28 ° C перекачивается со скоростью 14 м / с через трубку диаметром 100 мм, поддерживаемую при температуре стенки 90 ° C. Свойства бутанола приведены ниже.
Определите коэффициент конвективной теплоотдачи (соответствующее соотношение вы найдете в уроках).
Данные:
Ï = 950 кг м-3
cp = 2,142 кДж кг-1K-1
μ = 2,9 x 10-3 кг м-1 с-1 при 28 ° C
μ = 1,2 x 10-3 кг м-1 с-1 при 90 ° C
k = 2,4 x 10-4 кВт м-1 K-1
4. Жидкий аммиак нагревается, когда он течет со средней скоростью 2 м / с по круглой трубе. Трубка с внутренним диаметром 75 мм имеет равномерную температуру 27 ° C и аммиак на участке 1.2 м от входа в трубу имеет температуру -23 ° C.
Используйте следующую информацию для оценки местного потока теплопередачи на l = 1,2 м. Обратите внимание, что свойства жидкого аммиака были взяты при -23 ° C, если не указано иное.
Свойства жидкого аммиака:

Плотность = 600 кг м-3
Удельная теплоемкость = 4,86 ​​кДж кг-1 K-1
Динамическая вязкость (при 27 ° C) = 1,19 x 10-4 кг м-1 с-1
Динамическая вязкость = 2,05 x 10-4 кг м-1 с-1
Теплопроводность = 5,11 x 10-4 кВт м-1 с-1
Корреляция теплопередачи:
Nu = 1.86Re1 / 3Pr1 / 3 (d / l) 1/3 (μ / μw) 0,14 для ламинарного потока
Nu = 0,023Re0,8 Pr0,33Â для турбулентного потока.
5. (a) Объясните, что подразумевается под «общим коэффициентом теплопередачи».
(b) Объясните, что подразумевается под загрязнением и как оно повлияет на значение общего коэффициента теплопередачи.
(c) Теплообменник должен использоваться для нагрева технологической жидкости внутри труб с использованием насыщенного пара при 100ºC. Трубки имеют внутренний диаметр 20 мм и внешний диаметр 22 мм. Предполагается, что коэффициент теплопередачи внутренней поверхности будет равен 4.2 кВт · м-2 · K-1, а коэффициент теплоотдачи внешней поверхности будет 15,4 кВт · м-2 · K-1, когда теплообменник чистый. Чтобы учесть возможное загрязнение во время использования, следует принять коэффициент загрязнения 1,12 x 10-4 м2 K Вт-1.
Оценка:
(i) общий коэффициент теплопередачи при использовании
(ii) скорость теплопередачи, когда соответствующая средняя разница температур между паром и жидкостью составляет 50ºC, а теплообменник имеет 100 трубок длиной 5 м каждая.

Передача энергии: конвекция | МЕТЕО 3: Введение в метеорологию

Наш последний метод передачи энергии — конвекция.Сначала я собираюсь дать определение конвекции и описать два способа ее возникновения, а затем мы применим эти знания, чтобы понять, почему ветер помогает подавлять развитие ночных инверсий.

Конвекция

Хотя проводимость может быть болезненно медленным методом передачи энергии, конвекция больше похожа на быстрый локомотив. Конвекция — это передача тепловой энергии посредством вертикального движения воздуха. Помните те очень тонкие слои воздуха, соприкасающиеся с мощеными покрытиями в жаркие летние дни? Они могут достигать 140 градусов по Фаренгейту благодаря теплопроводности, но конвекция ограничивает сгущение этих пылающих горячих слоев воздуха.Точно так же, как воздушный шар поднимается над землей, капли или «пакеты» горячего воздуха поднимаются от земли, унося горячий воздух в небо. Этот перенос тепловой энергии от земли за счет вертикального движения воздуха называется «свободной конвекцией» или «естественной конвекцией».

Воздушный шар поднимается вверх, потому что более теплый воздух менее плотный, чем холодный. Поскольку воздушный шар менее плотен, чем окружающий его воздух, он становится плавучим. Вы спросите, как воздушные шары получают теплый воздух? От крупных конфорок, расположенных над корзиной.

Чтобы разобраться в основных принципах свободной конвекции, давайте рассмотрим понятие плавучести. Предположим, что, купаясь, вы погружаете в воду свой любимый пляжный мяч, а затем отпускаете его. В мгновение ока пляжный мяч подпрыгнет на поверхности воды. С научной точки зрения, пляжный мяч имеет положительную плавучесть . Теперь погрузите камень и отпустите его. Он падает на дно бассейна, потому что скале не хватает положительной плавучести, чтобы удерживать ее на плаву. Формально мы говорим, что скала имеет отрицательной плавучести .

В чем разница в плавучести камня и пляжного мяча? Ответ — плотность. Формально плотность объекта — это его масса (близкая к весу), деленная на его объем. Пляжный мяч имеет относительно большой объем и небольшую массу, поэтому его плотность довольно мала и намного меньше плотности воды. С другой стороны, камень имеет большую плотность, чем вода, поэтому он тонет. Мы можем обобщить эти наблюдения следующим образом: объект погружен в жидкость (воду, воздух и т. Д.).) имеет положительную плавучесть, если плотность объекта меньше плотности жидкости. Более того, величина силы плавучести зависит от разницы плотностей между погруженным объектом и жидкостью — чем больше разница, тем больше сила плавучести.

Хорошо, давайте перенесем нашу дискуссию из воды в воздух. А пока давайте начнем с «посылки» воздуха («посылка» — это просто причудливое название для общей капли воздуха, которая, как мы предполагаем, не взаимодействует с окружающим воздухом).Несколько факторов могут вызвать изменение плотности воздуха, но мы собираемся сосредоточиться на влиянии температуры на плотность воздуха.

Чтобы понять связь между изменениями температуры и изменениями плотности, давайте проведем простой эксперимент. Сначала я помещаю бутылку содовой в кастрюлю с холодной водой на несколько минут, а затем накрываю отверстие дешевым воздушным шаром для вечеринок. С помощью воздушного шара, закрывающего воздух в баллоне, мы изолировали «сгусток» воздуха с постоянной массой (при условии, что мы не снимаем баллон).Теперь я нагрею емкость с водой, в которой стоит бутылка. Когда вода нагревает бутылку и внутренний воздух, молекулы воздуха увеличивают свою кинетическую энергию, а воздух внутри бутылки расширяется и надувает воздушный шар. Другими словами, объем, занимаемый «воздушной посылкой», теперь больше, несмотря на то, что масса воздуха осталась прежней. Отсюда следует, что плотность воздуха, которая делится на массу, теперь меньше.

Пустую стеклянную бутылку из-под содовой с воздушным шаром над ртом сначала опускали в кастрюлю с холодной водой (слева).Затем сковороду нагревали, в результате чего воздух внутри бутылки расширялся при нагревании (справа).

Кредит: Дэвид Бэбб

Наш эксперимент дает нам важный результат: Повышение температуры воздуха внутри посылки приводит к уменьшению ее плотности (и наоборот). В свою очередь, положительная плавучесть посылки увеличивается, и, как следствие, она показывает тенденцию к увеличению, если она «погружена» в воздух с большей плотностью.

Теперь давайте свяжем обсуждение плотности и плавучести со свободной конвекцией. В солнечный день солнце нагревает землю, а земля, в свою очередь, нагревает тонкий слой воздуха, контактирующий с ним за счет теплопроводности. Но земля нагревает окружающий воздух неравномерно, поэтому есть места более горячие, чем другие. Например, представьте себе солнечный летний день и жаркий воздух, соприкасающийся с бетонной поверхностью парковки. Теперь подумайте о более прохладном воздухе, который покрывает окружающую травянистую местность. Воздух над парковкой менее плотный, чем окружающий воздух, и, следовательно, более плавучий.В свою очередь, воздушные посылки с большей готовностью поднимаются со стоянки, передавая тепловую энергию вверх. Эта передача тепловой энергии, конечно же, является следствием свободной конвекции.

Проявления свободной конвекции варьируются от сенсационных кучево-дождевых облаков (грозовых облаков), которые простираются на многие мили в небо, до «термиков», на которых обычно ездят ястребы, пилоты планеров и дельтапланы. Невооруженным глазом эти термики, которые представляют собой восходящие потоки воздуха, связанные со свободной конвекцией, часто невидимы. Однако поразительная форма изображения, называемая Schlieren photography (объяснение), позволяет нам визуализировать довольно тонкие вариации плотности воздушных частиц, поднимающихся от относительно теплого объекта, такого как земля. Ниже приведена фотография Шлирена, показывающая конвекцию, от бывшего преподавателя метеорологии Университета Пенсильвании Ли Гренчи. Обратите внимание на потоки теплого плавучего воздуха, поднимающегося от его кожи. Вы действительно можете увидеть термики на этом видео Шлирена, показывающем больше «тепла» Ли.Стенограмма этого видео «Визуализация конвекции» находится здесь.

Шлиренская фотография бывшего инструктора по метеорологии Ли Гренчи. Шлирен-фотография позволяет увидеть очень небольшие различия в плотности жидкости (обычно воздуха). На этом изображении вы можете видеть термики теплого воздуха, поднимающиеся от кожи мистера Гренчи.

Кредит: Лаборатория газовой динамики, Университет Пенсильвании

Турбулентные завихрения воздуха, показанные на изображении выше (также показанном на видео), называются вихрями , и видим мы их или нет, они суть конвекции.Но свободная конвекция, являющаяся результатом положительно плавучих частиц воздуха, — не единственный источник конвективных водоворотов. Действительно, когда ветер дует над шероховатой поверхностью земли, он создает турбулентные водовороты. Эти водовороты возникают из-за того, что трение снижает скорость ветра у поверхности земли, но выше скорость ветра выше, потому что трение слабее. Более быстрые ветры, дующие над более медленными ветрами, вызывают образование водоворотов. Вы можете смоделировать эту идею самостоятельно, если положите карандаш на ладонь, а затем проведете по нему другой рукой.Карандаш катится, не так ли? Это основной процесс, который позволяет ветру создавать конвективные водовороты, которые метеорологи называют «механической конвекцией», чтобы отличить ее от свободной конвекции.

В конечном итоге механическая конвекция, создаваемая ветром, может предотвратить образование ночных переворотов даже в ясные ночи. Ночью невидимые водовороты перемешивают более холодный воздух, соприкасающийся с охлаждающей землей, вверх, а также направляют немного более теплый воздух к земле сверху.Чтобы помочь вам визуализировать эффекты смешения водоворотов, посмотрите это (28 секунд, без звука) видео с факультета машиностроения Мельбурнского университета. Исследователи изучали, как в жидкости, текущей по поверхности, образуются водовороты, что очень похоже на то, что происходит, когда воздух дует над землей. Обратите внимание, как водовороты механически перемешивают светлые и темные слои жидкости. Вы можете представить светлую жидкость как холодный воздух, соприкасающийся с землей, а жидкость темного цвета — это теплый воздух над землей.Со временем вы можете увидеть, как водовороты смешивают две жидкости — тот же процесс, который происходит в ветреную ночь.

Ночью вихри перемешивают более холодный воздух, соприкасающийся с охлаждающей землей, вверх, а также направляют немного более теплый воздух к земле сверху.

Кредит: Дэвид Бэбб

По мере того, как скорость ветра увеличивается, водовороты становятся более турбулентными и более энергично направляют воздух вверх на высоту нескольких тысяч футов. Вихри пытаются сбалансировать бюджет и, в качестве компенсации, направлять воздух к земле с одинаковых высот, эффективно удовлетворяя популярную поговорку о том, что «то, что поднимается вверх, должно падать.»Помимо скорости ветра, местная шероховатость земной поверхности также определяет степень распространения водоворотов вверх.

В ветреную погоду взлеты и падения, связанные с турбулентными водоворотами, тщательно перемешивают и перемешивают нижнюю атмосферу. Как влияет на температуру? Что ж, когда вы добавляете холодное молоко в чашку горячего кофе и смешиваете их, полученная жидкость имеет температуру, которая теплее, чем холодное молоко, но холоднее, чем горячий кофе, и так происходит при смешивании из водоворотов.Смешивание из-за водоворотов сохраняет воздух у поверхности более теплым, чем это было бы, если бы ветер был спокойным и позволяла преобладать теплопроводность. Итак, при прочих равных метеорологических факторах, ветреная ночь теплее спокойной ночи . Этот результат может показаться противоречащим вашему опыту, потому что ветреная ночь часто «кажется» прохладнее, чем спокойная ночь, но это ощущение холода на ветру является результатом ускоренной потери тепла телом.

Как я упоминал ранее, водовороты от свободной конвекции (и / или механической конвекции, если ветрено) в солнечные летние дни также несут ответственность за ограничение толщины этих пылающих горячих тонких слоев воздуха, контактирующих с поверхностью.По мере того, как пакеты с горячим воздухом приобретают положительную плавучесть и поднимаются, другие пакеты опускаются и выносят более холодный воздух на поверхность. Итак, слава богу за смешение от вихрей как от механической, так и от свободной конвекции!

Теперь, когда мы рассмотрели все виды транспорта энергии, мы собираемся завершить урок, развенчав широко распространенный миф об облаках и одеялах. Продолжай читать!

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *