Конвекция в природе и в технике: Конвекция в природе и технике

Содержание

Конвекция. Примеры конвекции в природе и технике

Цели урока:

  1. Проверить усвоение учащимися материала по первому виду переноса энергии- теплопроводности.
  2. Повторить понятия плотности, силы тяжести, архимедовой силы и вопросы различия в молекулярном строении твердых тел, жидкостей и газов.
  3. Познакомить учащихся с явлением конвекции и его объяснением.
  4. Дать понятия свободной и вынужденной конвекции.
  5. Рассмотреть примеры конвекции в природе и технике.

Форма урока:

Поисковая беседа.

Оборудование:

Вертушка, электроплитка, экран, проектор, горелка, сухое горючее, колба с водой, кристаллики краски, две пробирки, заполненные водой и воздухом, изображение схемы водяного отопления здания.

Ход урока

I. Организация класса.

II. Фронтальное повторение с целью подготовки учащихся к восприятию нового материала и выявления качества усвоения ими материала по теплопроводности.

Опрос

  1. Что такое плотность вещества? В каких единицах она измеряется?
  2. Как расположатся в закрытом сосуде следующие вещества: вода, воздух, спирт, ртуть? Почему?
  3. Что называют силой тяжести? В каких единицах ее измеряют?
  4. Что такое архимедова сила? Где она возникает? От чего зависит ее величина?
  5. Чем отличаются движения молекул в твердом теле, жидкости и газе?
  6. Какую энергию называют внутренней?
  7. Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?
  8. Что понимают под теплопередачей?
  9. С каким видом теплопередачи мы познакомились на прошлом уроке?

Один из учеников с места рассказывает о теплопроводности.

Дополнительные вопросы.

  1. Почему в строительной технике широко используют пористый материал?
  2. Что называют тепловым движением?

Второй ученик с места рассказывает о теплопроводности различных веществ.

Дополнительные вопросы.

  1. Для чего зимой на радиаторы автомобилей надевают утеплительные чехлы?
  2. Что называют внутренней энергией тела?

Третий ученик отвечает по карточке.

  1. Почему старое зимнее пальто со сбившейся в комки ватой плохо греет?
  2. Быстродвижущийся автомобиль остановлен тормозами. Куда девалась при этом его кинетическая энергия?
  3. Зависит внутренняя энергия тела от движения тела или от положения этого тела?

Четвертый ученик (по карточке)

  1. Почему алюминиевая кружка с чаем обжигает губы, а фарфоровая чашка с чаем нет?
  2. Почему наружные части сверхзвуковых самолетов приходится охлаждать при помощи специальных аппаратов?
  3. Что называют теплопередачей?

Пятый ученик (по карточке)

  1. Почему можно небольшую стеклянную палочку, накаленную с одного конца, держать за другой конец, не обжигая пальцев, а железный прут нельзя?
  2. Как надо поступить (отпустить нить или растянуть сильнее) с слегка растянутой резиновой нитью, чтобы ее внутренняя энергия увеличилась? Что называется теплопроводностью?

Шестой ученик (по карточке)

  1. Расскажите, основываясь на своих жизненных наблюдениях, чтоб служить защитой от зимних морозов различным животным и птицам. Какую роль при этом играет теплопроводность меха, перьевого покрова, подкожного жира и т.п.?
  2. Если к точильному камню прижать кусок стали, то сыплются искры. Каково их происхождение?
  3. Какую энергию называют внутренней энергией тела?

Седьмой ученик (по карточке)

  1. Какие их перечисленных веществ: бумага, солома, серебро, воздух, опилки- хорошие проводники тепла и плохие проводники тепла?
  2. Молоток будет нагреваться, когда им отбивают косу и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях.
  3. Что называется тепловым движением?

Ответы учащихся должны быть полными, с объяснением.

Ответы комментируются и оцениваются. Оценки выставляются в дневники.

III. Изучение нового материала

.

Пронаблюдаем интересное явление. Вертушка, помещенная над пламенем горелки, вращается.

Почему?

Учащиеся пытаются отвечать. Воздух нагрелся и расширился.

Может ли здесь тепло передаваться теплопроводностью?

Нет, так как воздух плохой проводник тепла.

Здесь мы наблюдаем иной вид теплопередачи, который называется конвекцией.

Конвекцией называется перенос энергии самими струями жидкости или газа.

Наблюдаем струи воздуха от той же горелки в проекции на экран.
Объяснение учителя (дважды).

Воздух, соприкасающийся с горелкой, нагревается и расширяется. Плотность расширившегося воздуха меньше, чем плотность холодного. Поэтому слой теплого воздуха всплывает в холодном воздухе. Ведь архимедова сила, действующая на теплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, действующая на теплый воздух, направленная вниз. Затем прогревается и начинает двигаться вверх следующий слой холодного воздуха и т.д. Перемещается само вещество.

А в каких веществах, кроме газа, может наблюдаться конвекция? Может ли она наблюдаться в твердых телах и жидкостях?

Почему?

Наблюдаем конвекцию в жидкостях на примере воды в колбе с опущенными в нее кристалликами краски и нагреваемой на электрической плитке.

Учащиеся повторяют объяснения учителя.

Итак, конвекцией называется перенос энергии самими струями жидкости или газа (записываем определение в тетрадях).

Затем уточняем понятия естественной или свободной и вынужденной конвекции.

А теперь думаем над вопросом:

Где надо расположить горелку, чтобы нагреть жидкость или газ?

Почему?

Посмотрим, что будет, если горелка располагается сверху. Наблюдаем опыт с пробирками, заполненными водой и воздухом нагреваемым сверху.

Нижние слои воздуха и воды холодные. Нет циркуляции. Нет конвекции.

Теплопроводность воздуха и воды мала. Поэтому придется долго ждать, пока воздух и вода прогреются.

Рассмотрим примеры конвекции в природе и технике.

  1. Ветры бризы, возникающие на берегах морей. В каком направлении дуют они в летние дни днем и ночью и почему?
    Отвечают учащиеся, так как они это изучали на уроках географии в 5 классе. Бриз — это движение холодного воздуха.
  2. Тяга. Что такое горение? Без чего не может быть горение?
    Отвечают учащиеся.
    Учитель рассказывает о предположении в 15 столетии Леонардо да Винчи использовать трубу (металлическую) для создания тяги. «Где появляется огонь, — говорил Леонардо да Винчи — там вокруг него образуется воздушное течение, оно его поддерживает и усиливает».
    Через 300 лет металлические трубы заменили в керосиновой лампе стеклянной, а на заводах — кирпичной.
    Как же создается тяга?
    Объясняет учитель. Чему выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.
  3. Центральное водяное отопление — примеры использования свободной или вынужденной конвекции. Рассматривается его устройство, рассказывается о ТЭЦ.

IV. Презентация «Конвекция»

Приложение 1

V. Закрепление.

  1. Что такое конвекция?
  2. В каких веществах ее можно наблюдать? В каких веществах она возможна?
  3. Как осуществляется конвекция в наших жилых комнатах?
  4. Где надо расположить лед: снизу или сверху, чтобы охладить продукты?

VI. Проверочный тест.

Ребята, вам предлагается ряд утверждений, среди которых как правильные, так и неверные. Прослушав высказывание, вы должны или согласиться с ним, или не согласиться. Если утверждение верное, то ставите знак «+» ,если утверждение неверное-ставите знак «-».

  1. При нагревании объем тела уменьшается, а при охлаждении увеличивается(-).
  2. Газ не имеет собственной формы и постоянного объема. Он полностью занимает весь предоставленный ему объем(+).
  3. Диффузия может происходить только в жидкостях или газах(-).
  4. Молекулы движутся только в жидкостях или газах, а в твердых телах покоятся(-).
  5. Теплопередача-это один из способов изменения внутренней энергии тела(+).
  6. Жидкость легко меняет свою форму(+).
  7. Конвекция возможна только в твердых телах и в газах(-).
  8. Конвекция играет основную роль в передаче тепла при нагревании воды в кастрюле, стоящей на плите(+).
  9. Нагревание и охлаждение воздуха в помещениях основано на конвекции(+).
  10. При увеличении температуры молекулы вещества увеличиваются в размере(-).

На дом: § 5, упр.2, В.И.Лукашик №971-974,979.

Домашнее задание комментируется. Обращается внимание на рисунок 12 и особенный интересный вопрос, стоящий в №979.

Межпредметные связи – с зоологией (см. вопрос шестому ученику), географией (6 класс, ветры бризы) и химией (8класс, горение).

Список использованной литературы

  1. А.В. Перышкин, Физика 8 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений – 3-е издание
  2. В. И. Лукашик, Е.В. Иванова, Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений — 20-е издание
  3. Ю.В. Щербакова, Занимательная физика на уроках и внеклассных мероприятиях. 7-9 классы – 2-е издание
  4. Н.А. Якушевская, Повторение и контроль знаний по физике на уроках и внеклассных мероприятиях, 7-9 классы: диктанты, тесты, кроссворды, внеклассные мероприятия – 2-е издание
  5. Л.А. Кирик, Физика-8, Методические материалы

Конвекция. Излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике.

Дата:                                                                           Класс: 8     5 урок  Тема: Конвекция.  Излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике. Цель урока: дать понятия об излучении как виде теплопередачи, примерах теплопередачи в природе и  технике.           Углубить понятия об излучении, о примерах теплопередачи. Деятельность учителя Деятельность обучающихся Нагляднос ти 3  мин. I. Организационный момент Цель этапа: Приветствует учащихся, проверяет готовность к  уроку, желает  успеха. Для создания психологической атмосферы проводит игру«Хорошее настроение».Похлопайте в ладоши те, у  кого сегодня хорошее настроение. Посмотрите друг на друга –  улыбнитесь!  5  мин. II. Проверка пройденного материала. С помощью метода  «Толстые и тонкие вопросы» осуществляет проверку знаний  учащихся.  Из каждый группый отвечает на вопросы ­ Ученики  осмысливают  поставленную цель.  Проводят игру  «Хорошее  настроение».  Улыбаются друг  другу.  Демонстрируют свои знания. Отвечают на  разноуровневые  вопросы. Разноуровн евые карточки 5  мин. 15  мин.   III. Подготовка к восприятию новой темы. С помощью приема  «Корзина идей» проводит первичное восприятие по данной теме. вода; Демонстрируют свои знания.  На стикерах  записывают все, что  знают  Стикеры IV. Актуализация знаний. Вступительное слово учителя.  Конвекция – вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа и жидкости. Существует два вида конвекции: естественная и вынужденная. Естественная конвекция – самопроизвольное охлаждение, нагревание, перемещение. Вынужденная конвекция – перемещение с помощью насоса, мешалки и т.п.                                                   Конвекция   в   жидкостях.     нагреваются   снизу,   так   как   у   них   плохая теплопроводность. У горячих слоёв жидкости (газа) плотность уменьшается, и они поднимаются вверх, уступая место более холодным. Возникает циркуляция («движение по кругу») слоёв.    Жидкости   и   газы   Конвекция учитывается при установке отопительных приборов: батареи располагаются у пола. В этом случае в комнате устанавливается устойчивое конвекционное движение воздуха. В твердых телах конвекции нет, так как их частицы не обладают большой подвижностью. Много проявлений конвекции можно обнаружить в природе и жизни человека. Конвекция также находит применение в технике. Решение практической задачи У   многих   выражение   «тепло   домашнего   очага»   ассоциируется   с   уютной   квартирой,   уставленной удобной мебелью, с пушистым ковром под ногами, с чашкой ароматного кофе и с мурлыкающим котом.   Но   стоит   за   окном   завьюжить   метелям,   появиться   морозным   узорам   на   окнах,   мы   вдруг начинаем понимать слово «тепло» в его прямом, а не в переносном значении.       Умеем ли мы беречь микроклимат в доме? Не слишком ли беззаботно смотрим в окна с щелями между рамами? Давайте проверим. Практическая   задача: Рассчитайте   количество   теплоты,   которое   теряет   наша   школа,   имеющая   60 окон?  Учитель: При сжигании в нашей котельной 1 м3 природного газа выделяется 3520000 Дж тепла. Как видите   потеря   тепла   большая.   Это   осознаешь,   когда   оплачиваешь   счета   за   газ,   электричество, отопление и начинаешь понимать: «Лучше серьезно заняться теплоизоляцией собственного жилища».       Тепло   уходит   из   дома   не   только   через   неоклеенные   окна   и   неутепленные   двери.   Немало   его улетучивается через стены и пол, даже если он у вас покрыт толстым ковром. Не мало тепла уходит через потолок из ­ за плохого состояния чердака. Так как же уберечь тепло? 10  мин. 5  мин. V. Закрепление урока.   каждой группе задание на карточке. В течение одной  минутыобучающиеся должны изобразить, как происходит  теплопроводность в данном состоянии вещества. Другие  обучающиеся должны определить, какое это состояние. VI. Итог урока.  С помощью метода «Телеграмма» проводит  итог урока. Оценивание фишками   Проводит рефлексию.  2  мин. VII.  Домашняя работа. Объясняет особенности выполнения  домашней работы. Восстановите в  данном тексте  Карточки На стикерах  записывают свое  мнение по поводу  урока, и отправляют  своим  одноклассникам  телеграмму.  Оценивают работу  своих  одноклассников.  Учеики записывают в дневниках. Светофор Стикеры Дневник Итог  урока:________________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ Положительные стороны  урока:________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________ Отрицательные стороны  урока:________________________________________________________________

Явление конвекции и примеры конвекции

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Что представляет собой?

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания – это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи тепловой энергии в твердых телах.

Яркие примеры конвекции – перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Возникновение понятия

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.

Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.

Виды конвекции

Существует несколько видов описываемого нами явления – естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой.

Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Конвекция в слоях земной коры

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще земной коры. Рассматривать земной шар можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для земного ядра выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Отличия конвекции от теплопроводности

Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Примеры явления

Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты.

Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые воздушные массы при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

Хорошие примеры конвекции – образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине промышленные трубы, посредством которых происходит выброс вредных веществ в атмосферу, делают максимально высокими.

Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

  • движение воздушных потоков во время работы бытовых батарей отопления;
  • образование и движение облаков;
  • процесс движения ветра, муссонов и бризов;
  • смещение тектонических земных плит;
  • процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Приготовление пищи

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

Конвекция в природе и технике

Смотреть онлайн

Конвекция в природе и технике:

Презентация на тему Конвекция в природе и технике к уроку по физике

Презентация «Конвекция в природе и технике» онлайн бесплатно на сайте электронных школьных учебников school-textbook.com

1 слайд

Конвекция в природе и технике Выполнила: Костикова Екатерина М О У СОШ № 2 г. Солнечногорска 2010г.

2 слайд

Конвекция (от греческого «convectio» — доставка) – это вид теплопередачи, осуществляемый путем переноса энергии потоками жидкости или газа. ОПРЕДЕЛЕНИЕ

3 слайд

Жидкости и газы нагревают снизу, так как у них плохая теплопроводность и теплообмен происходит за счёт конвекции. ТЕЧЕНИЕ КОНВЕКЦИИ

4 слайд

ОБЪЯСНЕНИЕ КОНВЕКЦИИ Архимед (287 – 212 гг. до нашей эры). Установил правило рычага, открыл закон гидростатики и вывел формулу силы Архимеда.

5 слайд

ВИДЫ КОНВЕКЦИИ Свободная (естественная) Принудительная (вынужденная)

6 слайд

Возникновение волн Возникновение ветра Рябь на воде РОЛЬ КОНВЕКЦИИ В ПРИРОДЕ

7 слайд

КОНВЕКЦИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА огонь как средство получения тепла центральное отопление отопительные приборы и вытяжки

8 слайд

Система отопления КОНВЕКЦИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

9 слайд

ОПЫТЫ два опыта с горящей свечой опыт с вертушкой вальсирующие куклы 1 2 3

10 слайд

ОБЪЯСНИ ЗАДАЧУ Задача 1. Почему крупные птицы могут парить в воздухе, держась на одной высоте, не взмахивая крыльями? Задача 2. Почему дует от плотно закрытого окна в холодное время? Задача 3. Какую роль играет конвекция при нагревании воды в чайнике? Задача 6. Почему выше ламп накаливания чернеет абажур или потолок? Задача 5. Можно ли с помощью вентилятора сохранить мороженое? Задача 4. Почему листья осины колеблются даже в безветренную погоду?

Отзывы на school-textbook.com «Конвекция в природе и технике» (0)

Оставить отзыв

Что бы вы не тратили своё драгоценное время на просмотр фильма, который не понравился большой массе зрителей, мы создали рейтинг просмотра, по которому вы сами сможете решить смотреть вам данную картину или нет.

Рейтинг оценивается по 10 бальной шкале. Верхняя часть рейтинга (большими буквами) определяет рейтинг по версии «Кинопоиск», а в нижней части рейтинг по версии сайта «IMDB»

Пример: 8.45 — оценка, данные значения для каждой киноленты разные. (45767) — количество зрителей которые проголосовали за данный фильм.

По мнению пользователей оценки можно распределить по следующей шкале:

1.1-1.9 — ужаснее некуда, стыдно смотреть такое. 2.0-2.9 — ужас, не советую 3. 0-3.9 — Не понравился большой части аудитории, смотреть не стоит так считают многие киноманы. 4.0-4.9 — Обычный фильм, как многие говорят, ничего нового, но все, же смотреть можно. 5.0-6.5 — Хороший фильм, можно посмотреть, большой части аудитории данная лента понравилась. 6.6-7,9 — Очень хороший фильм, стоит обязательно посмотреть. 8.0-10.0 — Шедевр, в обязательном порядке посмотрите, уж точно не пожелеете! Зачастую такие фильмы получают награды, и являются прорывом в киноиндустрии!

Разработка урока «Виды теплопередачи в природе, быту, технике» | План-конспект урока по физике (8 класс) на тему:

     Тема :  Теплопередача в природе, быту, технике.

Тип урока: Обобщение материала.

Цели:  

  1. Обобщить основные знания по теме «Виды теплопередачи»;
  2. Углубить знания учащихся о видах теплообмена и их роли в быту, природе и технике;
  3. Создать условия для объяснения  физических явлений;
  4. Развивать проектные, коммуникативные умения, творческое  отношение  к порученному делу.

Задачи:

  1.  Включить учащихся в процесс обобщения знаний на основе подготовки мини- проектов;
  2.  Организовать презентацию проектов учащихся;
  3.  Продолжить формирование логического мышления, умения находить объяснения природных явлений, отображенных  в литературных отрывках, оценивать ситуацию и применять к наблюдаемым явлениям изученные законы;
  4.  Формировать  у учащихся внимание, наблюдательность, интерес к изучению физики и понимание необходимости знаний для правильного объяснения  явлений в окружающем нас мире;
  5. Организовать дискуссию по обсуждению представленных проектов;
  6. Стимулировать желание самостоятельно работать с дополнительными образовательными ресурсами в школе во внеурочное время и дома.

Подготовка к уроку:

Урок планируется как самостоятельная исследовательская деятельность учащихся. Перед проведением урока учитель  предлагает тематику исследований:

  1. Явление теплопередачи в быту.
  2. Явление теплопередачи в технике.
  3. Явление теплопередачи в природе.

В соответствии с выбранной тематикой ученики разделились на группы: «Домохозяйки», «Естествоиспытатели», «Техники», которые  исследовали проявления различных видов теплопередачи в быту, природе и технике. Учитель ставит задачу подготовить  небольшие демонстрации  по различным явлениям с объяснением. Для выполнения исследовательской задачи учащиеся сами планируют вид деятельности: изготовление модели,  ( термос, макет теплицы,  модель печи и т.п.)  мультимедийную презентацию, выпуск газеты, брошюры с советами.

В дальнейшем  учащиеся  самостоятельно распределяют обязанности, осуществляют поиск и сбор информации, ее анализ и представление, обсуждение  плана эксперимента, подготовки  необходимого  оборудования для его выполнения.

Структура урока:

Вводная часть.

Выступления учащихся.

Обсуждения выступлений.

Рефлексия урока.

Подведение итогов урока, выставление отметок.

  1. Вводная часть.

Учитель:  Здравствуйте. Сегодня мы обсуждаем  тему: Проявление видов теплопередачи в быту, природе и технике. И обсудим, как можно избежать нежелательного воздействие разных видов теплопередачи и как их использовать во благо.  Для этого мы разделились на группы «Домохозяйки, которые представят  проявление видов теплопередачи  в быту, группа «Техники» расскажут и представят работу по использованию видов теплопередачи в технике, и  группа «Естествоиспытатели» расскажут о проявлениях видов теплопередачи в природе. Чтобы группам приступить к выступлениям, давайте еще раз вспомним 3 вида теплопередачи. (демонстрация слайдов презентации – приложение 2)

Итак,  о каком виде теплопередачи идет речь? (Слайды 1,2,3 )

  1. Вид теплопередачи, при котором энергия передается от одного тела к другому при соприкосновении или от одной его части к другой. У Разных веществ она различная.  У металлов  она большая, у жидкостей – меньше, у газов – низкая. У вакуума  она  близка к нулю. При таком виде теплопередачи  не происходит переноса вещества. (теплопроводность)
  2. Вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа и жидкости. Ее существует два вида: естественная и вынужденная. В твердых телах  ее  нет, так как их частицы не обладают большой подвижностью. Много проявлений можно обнаружить в природе и жизни человека и технике. (конвекция)
  3. Вид теплопередачи, при котором энергия переносится электромагнитными волнами. Происходит всегда и везде. Тела с темной поверхностью лучше поглощают и излучают энергию, чем тела, имеющие светлую поверхность. (излучение)

После ответов учащихся им предлагается самостоятельно пронаблюдать и обсудить эти явления.

  1.  Выступления учащихся.

Выступление группы «Хозяйки».

Представляют подготовленные  эксперименты.

  1. 2 кусочка льда на блюдцах,  одно из которых накрыто шерстяной плотной тряпкой. Объясняют опыт.( Кусочек льда, который под одеялом будет таять медленнее, потому, что  шерстяная тряпка обладает плохой теплопроводностью, т. к. в шерсти в большом количестве находится воздух, теплопроводность которого низка, и сохраняет под одеялом более низкую температуру).
  2. На столе 2 стакана, в одном из них ложка. Необходимо налить кипяток в них. Наливая кипяток, учащиеся объясняют, что лучше это делать когда в стакане ложка, потому что стакан наверняка останется целым, так как часть тепла ложка забирает  (теплопроводность металлов высокая).   И чтобы кипяток быстрее остыл, мы ложечкой размешиваем (вынужденная конвекция)
  3.   На столе два стакана с горячей водой, один стоит на льду, а на крышке другого лежит лед. Учащиеся объясняют,   в каком стакане вода остынет быстрее (конвекция в жидкостях).
  4. Одна из учениц надевает шапочку с вуалью, и утверждает, что вуаль удерживает воздушный слой около лица,   таким образом, вследствие малой теплопроводности и в мороз, и в жару защищает от перегрева или переохлаждения.
  5. Опыт с белой и темной пластиной и нагревателем. Демонстрируют ,что тела с темной поверхностью нагреваются быстрее, т. к. темный цвет поглощает излучение сильнее. Поэтому  в светлом чайнике горячая вода дольше остывает, чем в темном. Значит и летом в жаркую погоду нужно стараться надеть светлую одежду.

И в заключение  выступления демонстрируют  памятку с советами, как  избежать вредных воздействий различных видов теплопередачи в быту.

Памятка.

  1. Не носите тесную обувь  зимой, иначе  ноги замерзнут быстрее, чем в просторной обуви.
  2. В жару носите  одежду светлых тонов.
  3. Прежде чем налить кипяток в стеклянный стакан, поместите туда  металлическую ложечку.
  4. Если хотите быстрее  остудить компот, то  не ставьте кастрюлю на лед, а поместите ее под лед.
  5.  Не хватайтесь за горячую металлическую сковородку без прихватки!
  6. Используйте термос, чтобы сохранить чай горячим, а мороженное — холодным!

Учитель: Спасибо группе «Хозяйки», если у кого- то  есть вопросы, просим задавать (5-7мин можно использовать  на дискуссию).

Учитель: Далее мы приглашаем группу «Испытатели», которые расскажут о примерах проявления видов теплопередачи в природе.

Выступление группы «Испытатели» (демонстрируют мультимедийную презентацию «Бриз»)

  1. Схема- рисунок как образуется бриз ( слайд 4,5)

Бриз — возникает на границе суши и воды, т.к. они нагреваются и остывают по-разному. Удельная теплоёмкость воды 4200 Дж / кг°С, а песка 880 Дж/кг°С. Поэтому вода нагревается и остывает медленнее, чем песок в 5 раз. Из-за этого днём над сушей образуется  область низкого давления, а над морем — область высокого давления. Возникает движение воздушных масс из области высокого давления в область низкого давления, что и называется дневным бризом. Ночью  все происходит наоборот.

  1.  Вспаханная почва, почва с растительностью (Слайд 6,7) Днем почва поглощает энергию и нагревается излучением, но быстрее и охлаждается. На ее  нагревание и охлаждение влияет присутствие растительности. Так, темная вспаханная почва сильнее нагревается излучением, но быстрее и охлаждается, чем почва, покрытая растительностью. На теплообмен между почвой и воздухом влияет также погода. В ясные, безоблачные ночи почва сильно охлаждается – излучение от почвы беспрепятственно уходит в пространство. В такие ночи ранней весной возможны заморозки на почве. Если же погода облачная, то облака  закрывают Землю  и играют роль своеобразных экранов, защищающих почву от потери энергии путем излучения.
  2. Демонстрация макета  теплицы.   Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха  служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое  солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Также пленка ( стекло) препятствует движению теплого воздуха вверх, т.е. осуществлению конвекции. Таким образом, стекла теплиц действуют как «ловушка» энергии. Внутри теплиц температура выше, чем на незащищенном грунте, примерно на 10° С.(обогревают теплицу лампой и измеряют температуру снаружи  и внутри теплицы, и она оказывается различной).
  3. Животные с различным шерстяным покровом  (Слайд 8,9,10 ) .  Мех  животных  из-за  плохой теплопроводности предохраняет  их  от  охлаждения  зимой  и  перегрева  летом.  А некоторые прячутся в рыхлый снег, как например тетерев из русской сказки «Байка про тетерева» — (Слайд 11). «Некому выстроить тетереву в зимнюю стужу домишка а сам не умеет одну-то ночь всего надо пережить. Эх — надумал он — куда ни шло! И в бултых снег…В снегу и ночевал. Ничего. Тепло было. Поутру рано встал по вольному свету полетел. Куда надо».

 Что спасло тетерева от холода во время ночевки в снегу?

  На обсуждения и дискуссии выделяется 5- 7 минут.

 Учитель: Следующая группа «Технари», которые расскажут об особенностях видов теплопередачи, встречающихся в технике.

  1.  Мы принесли различные теплоизоляционные материалы- паклю, пенопласт , которые применяют в строительстве. Регулирование теплообмена является одной из основных задач строительной техники. В тех случаях, когда теплообмен является нежелательным, его стараются уменьшить. Для этого используют теплоизоляцию.
  2.   (Плакат с системой отопления)  Нагревание и охлаждение жилых помещений основано на явлении конвекции. Так охлаждающие устройства целесообразно располагать наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Обогревательные приборы располагают внизу.(объясняют почему,  рассказывают про систему центрального отопления).
  3.  Модель печки с трубой. Объяснение, что такое тяга – естественный приток воздуха за счет конвекции. Для создания тяги над топкой, в котельных установках фабрик, заводов устанавливают трубы. (рассказывают как образуется тяга-демонстрируя опыт с трубой и спиртовкой)
  4. Разобранный термос, самодельный термос, объясняют  принцип действия и устройство термоса, акцентируя внимание на видах теплопередачи.

На обсуждения и дискуссии выделяется 5-7 минут

Учитель: Итак, мы   наблюдали и исследовали явление теплопередачи в быту, природе и технике, чтобы оценить нашу работу, постарайтесь заполнить листы рефлексии.

  1. Рефлексия урока.

Учащимся предлагается заполнить листы рефлексии.

  1. сегодня я узнал…
  2. было интересно…
  3. я приобрел…
  4. меня удивило…
  5. урок дал мне для жизни…
  6. мне захотелось…и  я
  1. Подведение итогов урока, выставление отметок.

конвекция

Материально-техническое оснащение урока:

1.     Комплект приборов для демонстрации конвекции в жидкостях и газах: штатив, колба с водой, экран, перманганат калия, настольная лампа, бумажная спираль.

2.     Дидактический материал для контроля знаний учащихся: лото  по теме «Тепловые явления», карточки — задания для проверки навыков работы с величинами, заданными в стандартном виде.

3.     Дополнительная литература по теме «Проявления конвекции в природе и технике».

4.     Наглядные пособия.

План урока:

1.     Оргмомент

2.     Проверка домашнего задания.

3.     Изучение нового материала.

4.     Физическая минутка.

5.     Закрепление.

6.     Подведение итогов. Домашнее задание.

Ход урока:

1.     Оргмомент.

Объявляются цель и план  урока .

2.     Проверка домашнего задания:

Проверка ОУН 1-го ряда:

— учащиеся 1-го варианта заполняют физическое лото по теме « Тепловые явления»,

-учащиеся 2-го варианта выполняют задания по записи значений физических  величин в стандартном виде.

Монологический ответ по теме « Теплопроводность».

— учащиеся 2 и 3го ряда заслушивают ответ и проводят анализ по плану: положительные и неудачные моменты ответа, дополнения , оценка.

 Подведение итогов проверки домашнего задания.

3.     Изучение нового материала:

Учитель: Цель этого этапа урока: узнать новый вид теплопередачи, его механизм  и отличие от теплопроводности, познакомиться с видами конвекции и проявлениями ее в природе и технике.

 

Демонстрация опыта по конвекции в жидкостях. Наблюдение циркуляции воды.

 

Учитель: Что мы наблюдаем?

Ученик: Мы видим, как струи подкрашенной жидкости поднимаются вверх.

Учитель: Попробуем объяснить данное явление.

               Что происходит  с энергией и скоростью частиц  у дна сосуда?

Ученик: Так как сосуд у дна подогревают, то энергия  частиц у дна сосуда увеличивается.

Учитель: Как это отражается на плотности жидкости? И к чему это приводит?

Ученик: При увеличении скорости частиц плотность жидкости уменьшается и на менее плотные слои жидкости начинает действовать сила Архимеда, поэтому менее плотная жидкость всплывает.

Учитель: Менее плотные слои жидкости всплывают и переносят с собой энергию по всему объему жидкости.

Учитель: Мы с вами на опыте пронаблюдали проявление конвекции в жидкостях. Сделайте полный вывод по увиденному опыту и предложите возможные определения конвекции.

Учащиеся делают вывод

Учитель: Запишем определение конвекции в тетрадь:

 

Конвекция – вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями жидкости или газа.

 

Механизм конвекции:

 

Отличие от теплопроводности:

 

Виды конвекции:

 

Учитель: Пронаблюдаем опыт, демонстрирующий конвекцию в газах.

 Демонстрация опыта по конвекции в газах.

 

 

4. Физическая минутка:

Разминка для глаз:

Посмотрели в окно, на верхушки деревьев.

Прочитали в тетради определение конвекции.

Посмотрели в окно, на последние этажи домов.

Прочитали в тетради механизм конвекции.

Встали, потянулись.

 

5.     Закрепление.

Класс делится на 5 групп ( далее работа продолжается стоя).

Учащиеся работают в группах, рассматривая вопросы проявления конвекции в природе и использование ее в технике.

Задания группам:

1 группе — Объяснить физику ночного и дневного бризов.

2 группе – Объяснить принцип действия водяного отопления.

3 группе – Объяснить механизм обогрева воздуха  в комнате от батареи центрального отопления. 

4 группе – объяснить принцип действия охлаждения автомобильного двигателя.

5 группе – объяснить на основе конвекционных потоков в мантии Земли движение литосферных плит.

 

На подготовку ответа группе дается 5 минут.

После подготовки ребята рассаживаются по местам.

Заслушивается ответ каждой группы.

 

6.     Подводится итого урока, объявляются оценки.

Домашнее задание: Учебник ПинскогоА.А.  п. 4.9, стр. 100, упр. 1,2,3

Виды теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике

Тема: Виды теплопередачи. Примеры теплопередачи в природе и технике.

Цели урока: Познакомить учащихся с видами теплопередачи. Научить их объяснять тепловые явления на основании молекулярно–кинетической теории. Углубить знания учащихся о видах теплопередачи и их роли в природе и технике. Рассмотреть примеры использования видов теплопередачи в различных областях человеческой деятельности.

Демонстрации:

1. Перемещение тепла по спицам из различных металлов;

2. вращение вертушки над горящей лампой;

3. термоскоп;

4. слайд–шоу.

Ход урока:

I. Проверка усвоения изученного материала (фронтальный опрос).

Вопросы для проверки:

1)  Какими способами можно изменить внутреннюю энергию тела?

О т в е т: Совершая механическую работу или теплопередачей.

2)  Расскажите о процессе нагревания металлической ложки, погруженной в горячую воду.

О т в е т: Кинетическая энергия молекул горячей воды больше кинетической энергии частиц ложки. Молекулы воды будут передавать часть своей кинетической энергии частицам ложки. В результате этого энергия молекул воды в среднем будет уменьшаться, а энергия частиц ложки будет увеличиваться. Температура воды уменьшиться, а температура ложки – увеличится. Через определенное время их температуры сравняются.

3)  Какой процесс называют теплопередачей?

О т в е т: Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом.

4)  Приведите примеры увеличения (уменьшения) внутренней энергии тела при совершении над ним (или этим телом над другими телами) механической работы.

О т в е т: При деформации тел (ударах, сгибании, разгибании, сжатии и т. д.) их внутренняя энергия увеличивается. Сжатый газ совершает работу, выталкивая пробку из сосуда, при этом внутренняя энергия газа уменьшается.

5)  В теплую комнату внесли с улицы бутыль, закрытую пробкой. Через некоторое время пробка выскочила из бутыли. Почему?

О т в е т: В теплой комнате температура воздуха, находящегося под пробкой, со временем увеличивается, при этом давление воздуха повышается и это приводит к выталкиванию пробки.

6)  Почему при обработке детали напильником деталь и напильник нагреваются?

О т в е т: Над телами совершается работа силы трения, при этом их внутренняя энергия увеличивается, а значит и температура тел повышается.

II. Изучение нового материала.

План изложения нового материала:

1.  Теплопроводность. Примеры в природе и технике.

2.  Явление конвекции в жидкостях и газах. Примеры в природе и технике.

3.  Излучение. Примеры в природе и технике.

4.  Примеры теплообмена в быту.

Начало слайд-шоу по новой теме.

Формулировка темы урока (слайд 1).

Мы уже знаем, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: путем совершения работы и путем теплопередачи (теплообмена). Изменение внутренней энергии посредством теплопередачи может производиться по-разному.

Различают три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение или лучистый теплообмен. (Показ слайда 2).

Демонстрация опыта (опытная установка изображена на слайде 3 и рис. 6, стр. 11 учебника).

Определение теплопроводности (слайд 4):

1. Теплопроводность – явление передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной его части к другой. В этом случае тела и все части, участвующие в процессе, находятся в непосредственном контакте.

Само вещество не перемещается вдоль тела – переносится лишь энергия

Объяснение механизма теплопроводности (слайд 5).

Показ сравнительных рисунков по теплопроводностям различных веществ (слайд 6) и теплоизоляционных материалов (слайд 7).

Примеры теплопроводности в природе (слайды 8,9) и технике (слайд 10).

Демонстрация опыта (опытная установка изображена на слайде 11 и рис. 10, 11, стр. 14 учебника).

Определение конвекции (слайд 12):

2. Конвекция (от лат. конвекцио – перенесение) – перенос энергии самими струями газа или жидкости.

Этот вид теплопередачи не является чисто тепловым процессом, так как перемешивание слоев газа или жидкости всегда связано с какими-то внешними, нетепловыми причинами.

Конвекция в твердых телах и вакууме происходить не может.

Объяснение механизма конвекции в газах (слайд 13).

Объяснение понятия тяги и природы её возникновения (слайд 14).

Объяснение механизма конвекции в жидкостях (слайд 15).

Примеры конвекции в природе (слайды 16-18) и технике (слайд 19).

Демонстрация опыта, установка которого изображена на рис. 13, стр. 17 учебника.

Определение излучения (лучистого теплообмена) (слайд 21).

3. Излучение – это теплопередача, при которой энергия переносится различными лучами.

Объяснения механизма излучения (слайды 22, 23).

В этом случае перенос энергии осуществляется посредством электромагнитных волн, с физической природой которых мы ознакомимся позднее. Излучение не нуждается в каких-либо иных посредниках.

Излучение может распространяться и в вакууме (например, Солнечное излучение).

Темные тела лучше поглощают излучение и быстрее нагреваются, чем светлые. Темные тела быстрее охлаждаются.

Примеры излучения в природе (слайд 24) и технике (слайд 25).

4. Примеры теплообмена в быту. Показ слайдов 27-33.

III. Закрепление изученного материала.

Вопросы и задания по изученному сегодня материалу:

Заполните схему (слайд 35).

О т в е т:

Ответьте на следующие вопросы: (Слайды 37-46).

1. Почему вы обжигаете губы, когда пьёте чай одинаковой температуры из металлической кружки, и не обжигаете, когда пьёте чай из фарфоровой кружки?

О т в е т. Металлическая кружка по сравнению с фарфоровой нагревается сильнее, вследствие высокой теплопроводности металла по сравнению с фарфором.

2. Почему ручки чайников, кастрюль делают из пластмассы или дерева?

О т в е т. Пластмасса и дерево имеют низкую теплопроводность. Такие ручки предохраняют руки человека от ожога.

3. Почему нагретая сковорода охлаждается в воде быстрее, чем на воздухе?

О т в е т. Вода обладает большей теплопроводностью, чем воздух.

4. Почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально?

О т в е т. Металлы обладают большей теплопроводностью. Горячие газы, двигаясь вверх по металлической трубе, охлаждаются быстрее, нежели при движении по кирпичной трубе. Плотность газов увеличивается, разность давлений в трубе и вне ее уменьшается, уменьшается и тяга.

5. Где и почему именно там размещают батареи в помещениях?

О т в е т. Батареи находятся ниже окон, для того, чтобы согревать холодный воздух, выходящий из окна. Благодаря конвекции теплый слой воздуха поднимается вверх и обогревается всё помещение.

6. Зачем самолёты красят «серебряной» краской?

О т в е т. Для меньшего нагревания или охлаждения корпуса самолёта.

7. Почему грязный снег в солнечную погоду тает быстрее, чем чистый?

О т в е т. Темные тела лучше поглощают излучение Солнца и потому быстрее нагреваются.

8. Какой из изображенных чайников быстрее остынет?

О т в е т. Быстрее остынет черный чайник, так как темные тела быстрее охлаждаются.

9. Посмотрите на рисунок. Почему одному мальчику жарко, а другому нет?

О т в е т. Один из мальчиков одет в темную футболку, хорошо поглощающую солнечной энергии, и ему жарко. А другой одет в светлую футболку, которая плохо поглощает энергию Солнца.

10. Почему зимой тяга в печных трубах больше, чем летом?

О т в е т. При условии неизменности высоты трубы тяга в ней тем сильнее, чем больше различаются давления на уровне основания трубы горячего воздуха в трубе и более холодного наружного воздуха. С понижением температуры наружного воздуха (зимой) его плотность возрастает, возрастает и его давление. Таким образом, тяга в печных трубах зимой больше, чем летом.

Придумайте опыт по рисунку и объясните наблюдаемое явление. (Слайд 47).

О т в е т. Берем два стержня, имеющих различные теплопроводности материалов из которых они изготовлены, например, деревянный стержень и медный. Ближе к одному из концов стержней крепим на стержни (через небольшие промежутки) с помощью воска несколько гвоздей. Стержни с закрепленными гвоздями помещаем свободными концами в стакан с горячей водой. Через определенное время гвозди, закрепленные на медном стержне, начнут падать, начиная снизу. Медный стержень имеет очень хорошую теплопроводность. Гвозди, закрепленные на деревянном стержне, не будут падать, так как дерево плохо проводит тепло.

Показ слайда 49 на закрепление изученных видов теплопередачи.

Домашнее задание: (Слайд 50) §§ 4-6. Упр. 2, 3. Кроссворд. (Слайд 51)




Конвекция | Encyclopedia.com

КОНЦЕПЦИЯ

Конвекция — это название средства теплопередачи в отличие от теплопроводности и излучения. Это также термин, который описывает процессы, влияющие на атмосферу, воду и твердую землю. В атмосфере горячий воздух поднимается за счет конвекционных потоков, циркулируя и создавая облака и ветры. Точно так же конвекция в гидросфере обеспечивает циркуляцию воды, поддерживая температурные градиенты океанов стабильными. Термин конвекция обычно относится к движению жидкостей, то есть жидкостей и газов, но в науках о Земле конвекция также может использоваться для описания процессов, происходящих в твердой Земле.Эта геологическая конвекция, как она известна, приводит в движение движение плит, что является одним из ключевых аспектов тектоники плит.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ

Введение в конвекцию

Некоторые концепции и явления пересекают дисциплинарные границы в науках о Земле, например, физический процесс конвекции. Это в равной степени актуально для ученых, работающих в геологических, атмосферных и гидрологических науках или в областях изучения геосферы, атмосферы и гидросферы, соответственно. Единственным важным компонентом земной системы, на который конвекция не оказывает прямого воздействия, является биосфера, но, учитывая высокую степень взаимосвязи между различными подсистемами, конвекция косвенно влияет на биосферу в воздухе, водах и твердой земле.

Конвекцию можно определить как вертикальную циркуляцию, которая возникает из-за разницы в плотности, в конечном итоге вызванной разницей в температуре, и включает в себя передачу тепла посредством движения горячей жидкости из одного места в другое.В физических науках термин «жидкость» относится к любому веществу, которое течет и поэтому не имеет определенной формы. Обычно это означает жидкости и газы, но в науках о Земле это может относиться даже к медленно текущим твердым телам. На протяжении огромного промежутка времени, изученного учеными-землеведами, чистый поток твердых тел при определенных обстоятельствах (например, лед в ледниках) может быть значительным.

Конвекция и тепло

Как указано в предыдущем абзаце, конвекция тесно связана с теплом и температурой и косвенно связана с другим явлением, тепловой энергией. То, что люди обычно называют теплом , на самом деле является тепловой энергией или кинетической энергией (энергией, связанной с движением), производимой молекулами, движущимися относительно друг друга.

Тепло в его научном понимании — это внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного тела материи к другому или от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой. Таким образом, температуру можно определить как меру средней молекулярной кинетической энергии системы. Температура также определяет направление внутреннего потока энергии между двумя системами.Говорят, что две системы при одинаковой температуре находятся в состоянии теплового равновесия; когда это происходит, теплообмен отсутствует, и поэтому тепло передается только между двумя системами.

Холод не бывает, есть только отсутствие тепла. Если тепло существует только при передаче между системами, из этого следует, что направление теплового потока всегда должно быть от системы с более высокой температурой к системе с более низкой температурой. (Этот факт воплощен во втором законе термодинамики, который обсуждается, наряду с другими упомянутыми здесь темами, в книге «Энергия и Земля».) Теплообмен происходит тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

ПРОВОДИМОСТЬ И ИЗЛУЧЕНИЕ.

Проводимость включает в себя последовательные столкновения молекул и передачу тепла между двумя контактирующими телами. Обычно это происходит в твердом теле. Конвекция требует движения жидкости из одного места в другое, и, как мы уже отметили, она может происходить в жидкости, газе или почти твердом теле, которое ведет себя как медленно текущая жидкость. Наконец, излучение включает в себя электромагнитные волны и не требует физической среды, такой как вода или воздух, для передачи.

Если вы поместите один конец металлического стержня в огонь, а затем через несколько минут дотронетесь до «холодного» конца, вы обнаружите, что он уже не холодный. Это пример нагрева за счет теплопроводности, при котором кинетическая энергия передается от молекулы к молекуле так же, как секрет передается от одного человека к другому по ряду людей, стоящих плечом к плечу. Так же, как первоначальная формулировка секрета искажается, некоторая кинетическая энергия неизбежно теряется в серии передач, поэтому конец стержня вне огня все еще намного холоднее, чем тот, который сидит в огне.

Что касается излучения, то оно отличается от проводимости и конвекции тем, что для его передачи не требуется среда. Это объясняет, почему космос холодный, но солнечные лучи согревают Землю: лучи представляют собой форму электромагнитной энергии, и они перемещаются посредством излучения в космосе. Космос, конечно, представляет собой фактическое отсутствие среды, но при входе в атмосферу Земли тепло от электромагнитных лучей передается различным средам в атмосфере, гидросфере, геосфере и биосфере.Затем это тепло передается посредством конвекции и теплопроводности.

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА ПО КОНВЕКЦИИ.

Подобно проводимости и в отличие от излучения, конвекция требует среды. Однако при теплопроводности тепло передается от одной молекулы к другой, тогда как при конвекции сама нагретая жидкость фактически движется. При этом он удаляет или вытесняет холодный воздух на своем пути. Течение нагретой жидкости в этой ситуации называется конвекционным током.

Конвекция бывает двух видов: естественная и принудительная.Подъем нагретого воздуха является примером естественной конвекции. Горячий воздух имеет меньшую плотность, чем более холодный воздух в атмосфере над ним, и поэтому обладает плавучестью; однако при подъеме теряет энергию и охлаждается. Этот охлажденный воздух, теперь более плотный, чем окружающий его воздух, снова опускается, создавая повторяющийся цикл, порождающий ветер.

Принудительная конвекция возникает, когда насос или другой механизм перемещает нагретую жидкость. Примеры устройств с принудительной конвекцией включают некоторые типы духовок и даже холодильников или кондиционеров.Как отмечалось ранее, можно передавать тепло только от высокотемпературного резервуара к низкотемпературному, и, таким образом, эти охлаждающие машины работают за счет удаления горячего воздуха. Холодильник забирает тепло из своего отсека и отводит его в окружающую комнату, в то время как кондиционер забирает тепло из комнаты или здания и выводит его наружу.

Принудительная конвекция не обязательно связана с искусственными машинами: сердце человека — это насос, а кровь переносит избыточное тепло, выделяемое телом, к коже.Тепло проходит через кожу посредством теплопроводности, и на поверхности кожи оно выводится из организма различными способами, в первую очередь за счет охлаждения испарения пота.

РЕАЛЬНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Конвективные ячейки

Одним из важных механизмов конвекции, будь то в воздухе, воде или даже твердой земле, является конвективная ячейка, иногда известная как конвекционная ячейка. Последний может быть определен как круговой узор, созданный подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости.Конвективные ячейки могут быть всего несколько миллиметров в поперечнике или быть больше, чем сама Земля.

Эти клетки можно наблюдать по разным шкалам. Внутри тарелки с супом нагретая жидкость поднимается вверх, а остывшая — капает. Эти процессы обычно трудно увидеть, если речь идет не о японском супе мисо. В этом случае можно наблюдать, как кусочки соевой пасты или мисо поднимаются при нагревании, а затем опускаются внутрь, чтобы снова нагреться.

В гораздо большем масштабе конвективные ячейки присутствуют на Солнце.Эти огромные клетки появляются на поверхности Солнца в виде зернистого узора, образованного колебания температуры между частями клетки. Яркие пятна — это вершина восходящих конвекционных потоков, в то время как темные области — это охлажденный газ, направляющийся внутрь Солнца, где он нагревается и снова поднимается.

Кучево-дождевое облако, или «гроза», является особенно ярким примером конвективной ячейки. Это одни из самых ярких облачных образований, которые когда-либо приходилось видеть, и по этой причине режиссер Акира Куросава использовал сцены из катящиеся грозовые тучи, чтобы добавить атмосферности (в буквальном смысле) своему эпическому фильму « Ran» 1985 года. В течение всего нескольких минут эти вертикальные башни облаков образуются, когда теплый влажный воздух поднимается, затем охлаждается и опускается. В результате получается облако, которое, кажется, олицетворяет одновременно мощь и беспокойство, отсюда Куросава использует кучево-дождевые облака в сцене, которая происходит накануне битвы.

МОРСКОЙ БРИЗ.

Конвективные ячейки вместе с конвекционными потоками помогают объяснить, почему на пляже обычно дует ветер. На берегу моря, конечно же, есть поверхность суши и поверхность воды, которые освещаются солнечным светом.При таком воздействии температура земли повышается быстрее, чем воды. Причина в том, что вода имеет чрезвычайно высокую удельную теплоемкость — то есть количество тепла, которое должно быть добавлено к единице массы или отведено от нее, чтобы данное вещество изменило свою температуру на 33,8 ° F (1 ° C). Таким образом, озеро, ручей или океан — всегда хорошее место, чтобы охладиться в жаркий летний день.

Таким образом, земля нагревается быстрее, как и воздух над ней. Этот нагретый воздух поднимается в виде конвекционного потока, но по мере того, как он поднимается и преодолевает силу тяжести, он расходует энергию и поэтому начинает охлаждаться.Затем охлажденный воздух опускается. И так далее: нагретый воздух поднимается, а охлаждающий воздух опускается, образуя конвективную ячейку, которая непрерывно циркулирует воздух, создавая легкий ветерок.

КОНВЕКТИВНЫЕ КЛЕТКИ ПОД НАШИМИ НОГАМИ.

Конвективные ячейки также могут существовать в твердой Земле, где они вызывают сдвиг пластин (подвижных сегментов) литосферы — верхнего слоя недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии. Таким образом, они играют роль в тектонике плит, одной из важнейших областей изучения наук о Земле.Тектоника плит объясняет множество явлений, от дрейфа континентов до землетрясений и вулканов. (См. «Тектоника плит» для получения более подробной информации по этому вопросу.)

В то время как электромагнитная энергия Солнца является источником тепла за атмосферной конвекцией, энергия, которая движет геологической конвекцией, является геотермальной и поднимается из ядра Земли в результате радиоактивного распада. (См. Энергия и Земля.) Конвективные ячейки образуются в астеносфере, области чрезвычайно высокого давления на глубине около 60-215 миль.(около 100-350 км), где горные породы деформируются огромными напряжениями.

В астеносфере нагретый материал поднимается в конвекционном потоке до тех пор, пока не достигнет нижней части литосферы (верхнего слоя земной коры и верхней части мантии), за пределы которой он не может подняться. Следовательно, он начинает двигаться горизонтально или горизонтально и при этом увлекает за собой часть литосферы. В то же время этот нагретый материал отталкивает на своем пути более холодный и более плотный материал.Более холодный материал опускается ниже в мантию (толстый, плотный слой породы, толщиной примерно 1429 миль [2300 км], между земной корой и ядром), пока он снова не нагревается и в конечном итоге поднимается вверх, таким образом распространяя цикл.

Оседание: ясная погода и ненастье

Как и в случае конвективных ячеек, оседание может происходить в атмосфере или геосфере. Термин проседание может относиться либо к процессу проседания со стороны воздуха или твердой земли, либо, в случае твердой земли, к образовавшейся формации.Таким образом, это определяется по-разному как движение воздуха вниз, опускание земли или углубление в земле. В данном контексте мы обсудим атмосферное проседание, которое более тесно связано с конвекцией. (Подробнее о геологических оседание, см. статьи «Геоморфология» и «Массовая истощение».)

В атмосфере проседание является результатом нарушения нормального восходящего потока конвективных течений. Эти потоки могут действовать, создавая конвективную ячейку, как мы видели, что приводит к потоку бриза.Водяной пар в воздухе может конденсироваться при охлаждении, переходя в жидкое состояние и образуя облака. Конвекция может создать область низкого давления, сопровождаемую сходящимися ветрами, у поверхности Земли, явление, известное как циклон. С другой стороны, если происходит оседание, это приводит к образованию области высокого давления, известной как антициклон.

Частицы воздуха продолжают подниматься в конвективных потоках до тех пор, пока плотность их верхней части не сравняется с плотностью окружающей атмосферы, после чего столб воздуха стабилизируется.С другой стороны, проседание может произойти, если воздух на высоте в несколько тысяч футов станет плотнее, чем окружающий воздух, но при этом не обязательно будет холоднее или влажнее. На самом деле этот воздух необычно сухой и может быть теплым или холодным. Его плотность затем заставляет его тонуть, и при этом он сжимает воздух вокруг него. Результат — высокое давление у поверхности и расходящиеся ветры прямо над поверхностью.

Описанная здесь форма атмосферного оседания дает приятные результаты, объясняющие, почему системы высокого давления обычно ассоциируются с хорошей погодой.С другой стороны, если оседающий воздух оседает на более прохладный слой воздуха, это создает то, что известно как инверсия оседания, и результаты гораздо менее полезны. В этой ситуации слой теплого воздуха оказывается зажат между более холодными слоями выше и ниже него на высоте нескольких сотен или даже нескольких тысяч футов. Это означает, что загрязненный воздух также задерживается, создавая потенциальную опасность для здоровья. Инверсии проседания чаще всего происходят на крайнем севере зимой и на востоке США в конце лета.

Когда не-жидкость действует как жидкость

До этого момента мы говорили в основном о конвекции в атмосфере и геосфере, но она также важна для океанов. Приведенный ранее пример мисо-супа иллюстрирует движение жидкости и, следовательно, частиц, которое может происходить, когда в жидкости создается конвективная ячейка.

Точно так же в океане конвекция, вызванная как теплом с поверхности, так и, в большей степени, геотермальной энергией на дне, поддерживает постоянную циркуляцию воды.Конвекция океана приводит к передаче тепла по глубине и поддерживает стабильную стратификацию океана. Другими словами, слои или слои, соответствующие различным уровням температуры, остаются стабильными и не сильно колеблются.

Океанские воды соответствуют наиболее распространенному повседневному определению жидкости, но, как отмечалось в начале этого эссе, жидкостью может быть все, что течет, включая газ или, в особых случаях, твердое тело. Твердые породы или твердый лед в форме ледников можно заставить течь, если материалы достаточно деформированы.Это происходит, например, когда вес ледника деформирует лед на дне, вызывая движение ледника в целом. Точно так же геотермальная энергия может нагревать горные породы и заставлять их течь, приводя в движение описанный ранее конвективный процесс тектоники плит, который буквально перемещает Землю.

ГДЕ УЗНАТЬ БОЛЬШЕ

Руководство для преподавателей по конвекции (веб-сайт). .

Эриксон, Джон. Тектоника плит: разгадывая тайны Земли. New York: Facts on File, 1992.

Hess, Harry. «История океанических бассейнов» (Интернет-сайт). .

Джонс, Хелен. Глубокая конвекция в открытом океане: полевой справочник (веб-сайт). .

Руководство для учителя Ocean Oasis Задание 4 (веб-сайт). .

Сантри, Лоуренс и Ллойд Бирмингем. Тепло. Mahwah, NJ: Troll Associates, 1985.

Scorer, R. S., and Arjen Verkaik. Просторное небо. Newton Abbot, England: David and Charles, 1989.

Sigurdsson, Haraldur. Таяние Земли: История идей об извержениях вулканов. New York: Oxford University Press, 1999.

Скиннер, Брайан Дж., Стивен С. Портер и Дэниел Б. Боткин. Голубая планета: введение в науку о земных системах. 5-е изд. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья, 1999.

Смит, Дэвид Г. Кембриджская энциклопедия наук о Земле. Нью-Йорк: Cambridge University Press, 1981.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ

АСТЕНОСФЕРА:

Область чрезвычайно высокого давления, лежащая под литосферой, где горные породы деформируются под действием огромных напряжений. Астеносфера находится на глубине около 60-215 миль. (около 100-350 км).

АТМОСФЕРА:

В общем, атмосфера — это газовый покров, окружающий планету. Однако, если не указано иное, термин относится к атмосфере Земли, которая состоит из азота (78%), кислорода (21%), аргона (0.93%) и другие вещества, включая водяной пар, диоксид углерода, озон и благородные газы, такие как неон, которые вместе составляют 0,07%.

BIOSPHERE:

Комбинация всего живого на Земле — растений, животных, птиц, морских обитателей, насекомых, вирусов, одноклеточных организмов и т. Д. — а также всех ранее живых существ, которые еще не разложились.

ПРОВОДИМОСТЬ:

Передача тепла путем последовательных столкновений молекул. Электропроводность является основным средством передачи тепла в твердых телах, особенно в металлах.

КОНВЕКЦИЯ:

Вертикальная циркуляция, которая возникает из-за разницы в плотности, в конечном итоге вызванной разницей в температуре. Конвекция включает в себя передачу тепла посредством движения горячей жидкости из одного места в другое и бывает двух типов: естественная и принудительная. (См. естественная конвекция, принудительная конвекция. )

КОНВЕКЦИОННЫЙ ТОК:

Поток материала, нагретый посредством конвекции.

КОНВЕКЦИОННАЯ ЯЧЕЙКА:

Круглый узор, созданный подъемом нагретой жидкости и опусканием охлажденной жидкости.Иногда это называют конвекционной ячейкой.

ЯДРО:

Центр Земли, площадь, составляющая около 16% объема планеты и 32% ее массы. Сделанный в основном из железа и другого, более легкого элемента (возможно, серы), он разделен на твердое внутреннее ядро ​​с радиусом около 760 миль (1220 км) и жидкое внешнее ядро ​​около 1750 миль. (2820 км) толщиной.

КОРА:

Самая верхняя часть твердой земли, составляющая менее 1% ее объема и меняющаяся по глубине от 3 до 37 миль.(От 5 до 60 км). Ниже коры находится мантия.

FLUID:

В физических науках термин «жидкость» относится к любому веществу, которое течет и поэтому не имеет определенной формы. Жидкости могут быть как жидкостями, так и газами. В науках о Земле иногда вещества, которые кажутся твердыми (например, лед в ледниках), на самом деле текут медленно.

ПРИНУДИТЕЛЬНАЯ КОНВЕКЦИЯ:

Конвекция, возникающая в результате действия насоса или другого механизма (искусственного или естественного), направляя нагретую жидкость в определенное место.

ГЕОСФЕРА:

Верхняя часть континентальной коры Земли или та часть твердой земли, на которой живут люди и которая обеспечивает их большей частью пищи и природных ресурсов.

HEAT:

Внутренняя тепловая энергия, которая течет от одного материального тела к другому.

ГИДРОСФЕРА:

Вся вода Земли, за исключением водяного пара в атмосфере, но включая все океаны, озера, ручьи, грунтовые воды, снег и лед.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ:

Энергия, которой обладает объект благодаря своему движению.

ЛИТОСФЕРА:

Верхний слой недр Земли, включая кору и хрупкую часть в верхней части мантии.

MANTLE:

Плотный слой скальной породы, примерно 1429 миль. (2300 км), между земной корой и ее ядром.

ЕСТЕСТВЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ:

Конвекция, возникающая в результате плавучести нагретой жидкости, которая заставляет ее подниматься.

ПЛИТНАЯ ТЕКТОНИКА:

Название теории и одного из направлений тектоники.Как область изучения тектоника плит имеет дело с крупными особенностями литосферы и силами, которые их формируют. В качестве теории он объясняет процессы, которые сформировали Землю в виде плит и их движения.

ПЛИТЫ:

Большие подвижные сегменты литосферы.

ИЗЛУЧЕНИЕ:

Передача энергии посредством электромагнитных волн, для передачи которых не требуется физическая среда (например, вода или воздух). Земля получает энергию Солнца через электромагнитный спектр посредством излучения.

СУБСИДЕНЦИЯ:

Термин, который относится либо к процессу оседания со стороны воздуха или твердой Земли, либо, в случае твердой Земли, к образовавшемуся образованию. Таким образом, проседание определяется по-разному как движение воздуха вниз, опускание земли или углубление в земной коре.

СИСТЕМА:

Любой набор взаимодействий, который можно мысленно отделить от остальной Вселенной для целей изучения, наблюдения и измерения.

TECTONICS:

Изучение тектонизма, включая его причины и следствия, в первую очередь горообразование.

ТЕКТОНИЗМ:

Деформация литосферы.

ТЕМПЕРАТУРА:

Направление внутреннего потока энергии между двумя системами при передаче тепла. Температура измеряет среднюю молекулярную кинетическую энергию при передаче между этими системами.

ТЕПЛОВАЯ ЭНЕРГИЯ:

Тепловая энергия, форма кинетической энергии, производимой движением атомных или молекулярных частиц по отношению друг к другу. Чем больше относительное движение этих частиц, тем больше тепловая энергия.

(PDF) Исследование теплопередачи естественной конвекцией в кожухе — обзор

Исследование теплопередачи естественной конвекции — Areview

DOI: 10.9790 / 1684-1304062630 www.iosrjournals.org 29 | Страница

Номенклатура

Число Нуссельта

Число Прандтля

Число Рэлея

Число Грасгофа

Ширина Ширина

h Коэффициент теплопередачи

k Длина теплопроводности

L Расстояние от плиты

Угол наклона

Каталожные номера

[1] M.Р. Раджкумар, Г. Венугопал, С. Анил Лал, 2013, «Естественная конвекция от отдельно стоящих тандемных плоских источников тепла в вертикальном канале

», Прикладная теплотехника, том 50, стр. 1386-1395.

[2] Раджеш Бэби, К. Баладжи, 2012, «Экспериментальные исследования ребристых радиаторов на основе материала с фазовым переходом для охлаждения электронного оборудования

», Международный журнал тепло- и массообмена, том 55, стр. 1642–1649.

[3] Клаудио Чианфрини, Массимо Корчоне, Пьер Паоло Дель’Омо, 2005, «Естественная конвекция в наклонных квадратных полостях с

дифференциально нагреваемых противоположных стен», Международный журнал термических наук, т.44, стр. 441–451

[4] Мостафа Махмуди, 2011, «Численное моделирование свободной конвекции наножидкости в квадратной полости с внутренним нагревателем

», Международный журнал термических наук, том 50, стр. 2161-2175.

[5] S.A. Nada, 2007, «Естественная конвекция теплопередачи в горизонтальных и вертикальных закрытых узких корпусах с обогреваемыми прямоугольными ребрами

опорной плиты», International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.50, pp. 667–679.

[6] М.Дж. Сэйбл, С.Дж. Джагтап П.С. Патил, П.Р.Бавискар, С.Б. Barve, 2010, «Улучшение теплопередачи естественной конвекции на вертикальной нагретой пластине

за счет множества V-образных ребер», IJRRAS, том 5 (2)

[7] Лахсен Бухаттем, Хассан Х5амди и Д.Р. Русс, 2013 г., «Численное моделирование теплопередачи в помещении в присутствии тонкой горизонтальной нагреваемой пластины

», «Энергетические процедуры», том 42, стр. 549-556.

[8] Манматха К. Рул, Рамеш Чандра Наяк, 2012, «Экспериментальное исследование теплопередачи естественной конвекции через нагретые

вертикальных труб», IJERA, vol.2. С. 1088-1096.

[9] HisanobuKawashima, YusukeSakai, Shigeaki Inada, 2010, «Подавление теплопередачи естественной конвекции вдоль вертикальной плоской пластины

с периодическими круглыми канавками», Международный симпозиум по кондиционированию воздуха и охлаждению нового поколения

Technology, vol.1 , стр 17-19.

[10] S. Anil Lal & R. В. Реджи, 2012, «Численное моделирование естественного потока воздуха через комнату», International Journal of Green

Energy, vol.9. С. 540-552.

[11] Аль-Араби М., Эль-Риеди М.К., 1976, «Естественная конвекционная теплопередача от изотермических горизонтальных пластин

различных форм», Международный журнал тепломассопереноса, том 19, стр. 1399-1404.

[12] Стюарт У. Черчилль и Хумберт Х. С. Чу, 1975, «Корреляционное уравнение ламинарной и турбулентной свободной конвекции от вертикальной пластины

», Международный журнал тепломассопереноса, том 18, стр.1323-1329.

[13] Р.Руис и Э. М. Спарроу, 1987, «Естественная конвекция в V-образных и L-образных углах», Международный журнал тепла и массы

Передача, том 12, стр. 2548-1987.

[14] П.Кандосами, Дж. Ли, А.К. Абдул Хаким, 2007, «Естественная конвекция в квадратной полости в присутствии нагретой пластины

», Нелинейный анализ: моделирование и управление, том 12, стр.203- 212.

[15] Мостафа Махмуди, 2011, ”Численное моделирование свободной конвекции наножидкости в квадратной полости с внутренним нагревателем

.”Международный журнал термических наук, том 50, стр. 2161-2175.

[16] Зекерия Альтац, Седа Конрат, 2009, «Естественная конвекция теплопередачи от тонкой горизонтальной изотермической пластины в заполненных воздухом прямоугольных корпусах

», IsiBilimiveTeknigi Dergisi, том 29, стр.55-65.

[17] W. Wu, D. Ewing, C.Y. Ching, 2006, «Влияние температур верхней и нижней стенок на ламинарную естественную конвекцию в квадратной полости

, заполненной воздухом», International Journal of Heat and Mass Transfer, vol.49, стр. 1999–2008 гг.

[18] ТанмайБасак, С.Рой, А.Р. Балакришнан, 2006, «Влияние тепловых граничных условий на потоки естественной конвекции в квадратной полости

», Международный журнал тепломассопереноса, том 49, стр. 4525–4535.

[19] Zeevrotem, Lutz claassen, 1969, «Естественная конвекция над неограниченными горизонтальными поверхностями», J.Fluid Mech, том 38, стр. 173–192.

[20] А. Далоглу, Т. Айхан, 1999, ”Естественная конвекция в периодически оребренном вертикальном канале, Междунар.Comnt Тепломассообмен, Vol.

26, стр. 1175-1182.

[21] Дагтекин И., Озтоп Х.Ф., 2001, «Естественная конвекция теплопередачи за счет нагреваемых элементов внутри ограждения», Инр. Comm. Слушайте Mass

Передача; Том 28, стр. 823-834.

[22] Витольд М. Левандовски, ЕваРадзиемска, Мацей Бузук, Хенрик Бешк, 2000, «Свободная конвекция теплопередачи и поток жидкости выше

горизонтальных прямоугольных пластин», том 66, стр. 177–197.

[23] М. Р.Райкумар, Г. Венугопал, С. Анил Лал, 2011, «Естественная конвекция с поверхностным излучением от плоского теплогенерирующего элемента

, свободно установленного в вертикальном канале», Тепломассообмен, том 47, стр. 789–805.

[24] К. Э. Квак, Т. Х. Сонг, 1998, «Экспериментальное и численное исследование естественной конвекции от вертикальных пластин с горизонтальными

прямоугольными канавками», Междунар. J. Слушайте массообмен. Vol. 41, стр. 2517-2528.

[25] Джованни Танда, 1997, «Естественная конвекция теплопередачи в вертикальных каналах с поперечными ребрами и без них», Инф.J. Heat

Mass TransJk. Vol. 40, стр. 2173-2185.

[26] Кензо Китамура, Фумиёси Кимура, 1995, «Теплообмен и поток жидкости естественной конвекции рядом с обращенными вверх горизонтальными пластинами

», Int. J Тепломассообмен. Vol. 38, стр. 3149-3159.

[27] C. Balaji, S. Венкатешан П., 1994, «Взаимодействие излучения со свободной конвекцией в открытой полости», Междунар. J. Тепло и поток жидкости, Vol.

15, пп №4.

[28] М.Fujii, S. Gima, T. Tomimura и X. Zhang, 1996, «Естественная конвекция в воздух от массива вертикальных параллельных пластин с дискретными

и выступающими источниками тепла», Int. J. Тепло и поток жидкости, том 17, стр. 483-490.

Визуализация теплопередачи МГД естественной конвекцией теплопередачи наножидкости в призматическом корпусе

Реферат

Тепловая передача за счет естественной конвекции для визуализации характеристик теплопередачи методом тепловых линий в призматической полости, заполненной наножидкостью Cu-H 2 O учет двух различных температурных граничных условий выполняется численно.Две верхние наклонные стенки нагреваются при низкой температуре, в то время как нижняя стенка нагревается в двух различных условиях нагрева, таких как однородный температурный режим и линейный температурный режим. Две вертикальные стены утеплены. Для решения нелинейных уравнений с частными производными для численных расчетов применяется метод конечных элементов с взвешенной остаточной формой Галеркина. Тепловые линии, контуры изотермы, контуры линий тока и число Нуссельта используются для отображения результатов численного моделирования для параметров модели, названных объемной долей наночастиц, числом Гартмана и числом Рэлея.Результаты показывают, что скорость теплопередачи оказывает значительное влияние на тепловые граничные условия и форму наночастиц. Значение переноса температуры значительно увеличивается с увеличением числа Рэлея, а также с увеличением объемной доли наночастиц. Число Гартмана положительно влияет на поток жидкости и перенос температуры. Характеристики переноса тепла с использованием метода тепловых линий также выполняются для прогнозирования лучшего преобразования энергии по сравнению с контурами изотермы. Кроме того, для исследования наилучших характеристик теплопередачи также используются различные типы наножидкостей.

Условия темы: Прикладная математика, Машиностроение

Введение

Наножидкости состоят из наночастиц, таких как Co, Zn, Ag, Cu, Al 2 O 3 , TiO 2 и Fe 3 O 4 и т. Д., А также обычные жидкости, называемые вода, моторное масло, керосин и т. Д. Эти наножидкости широко используются в качестве благородных жидкостей во многих инженерных и промышленных приложениях. Основными задачами исследования наножидкостей является поиск высотных возможных решений при низких затратах.В последние несколько лет междисциплинарные исследования наножидкостей увеличились для прекрасного использования в реальной жизни в промышленности и машиностроении. Например, солнечное водонагревание, теплообменники, топливные элементы, дизельное сгорание, двигатели транспортных средств, ядерные системы, бытовые холодильники и смазочные материалы. Чой 1 исследовал технологию наножидкостей для ее настоящего и будущего набора. Buongiorno 2 выполнил конвективный перенос температуры в наножидкостях.Jou et al. 3 численно исследовали свободное обычное увеличение температуры в полости прямоугольной формы с использованием наножидкостей. Ece et al. 4 выполнено о влиянии магнитного поля на свободноконвективный поток с использованием прогрева и холодных прилегающих стен внутри корпуса прямоугольной формы. Das et al. 5 исследовали негидкости и их применение в науке и технике. Озтоп и др. 6 исследовали конвективное течение в частично нагретой полости прямоугольной формы с использованием наножидкостей.

Перенос температуры за счет плавучести, вызванный течением, в наши дни становится монументальным инженером-чудом. Системы теплопередачи и охлаждения с естественной конвекцией в закрытых помещениях представляют собой значимое чудо в геофизике, геотермальных резервуарах, конструкции теплообменников, механической и электронной промышленности. Многие ученые и исследователи очень заинтересованы в изучении распределения переноса температуры, теплового потока и структуры потока. Например, Ghasemi et al. 7 , выполненный в отношении свободно-конвективного температурного потока с использованием наножидкостей CuO-вода в висящей полости.Рахмам и др. 8 исследовали комбинированный конвективный поток в прямоугольном корпусе. Wong et al. 9 исследовали как нынешний, так и будущий набор наножидкостей. Seleh et al. 10 исследовали свободный конвекционный температурный поток с использованием наножидкостей в полости трапециевидной формы. Арани и др. 11 исследовали в отношении естественного конвекционного потока в наножидкости внутри квадратного корпуса с использованием нагретого лезвия.Basak et al. 12 исследовали в отношении анализа тепловых линий при свободном конвекционном потоке с использованием наножидкостей в квадратном корпусе для нескольких нагреваемых граничных систем. Cheikh et al. 13 исследовали в отношении конвективного потока наножидкостей внутри квадратной полости в условиях неравномерного нагрева. Свободный конвекционный температурный поток в наножидкости с использованием постоянного теплового потока был исследован Seyyedi et al. 14 .Salma et al. 15 исследовали свободно-конвекционный поток наножидкостей внутри призматической оболочки.

В процессе двумерной конвективной теплопередачи тепловая линия является лучшим методом понимания и анализа теплового потока. Реальный путь конвективной теплопередачи или системы рекуперации тепла визуализируется методом тепловых линий. Линии тока полностью иллюстрируют течение жидкости, тогда как контуры изотермы описывают просто распределения температуры, которые не подходят для визуализации переноса температуры.Метод тепловых линий аналогичен линиям тока, что важно для анализа движения жидкости. Методы теплопроводов — лучшие меры для поиска систем восстановления температуры, а также фактического пути передачи температуры за счет конвекции. Тепловые линии обычно иллюстрируют температурные функции, которые удовлетворяют уравнению энергии, в то время как функция тока удовлетворяет уравнениям сохранения массы. Линия тепла связана с числом Нуссельта, которое зависит от безразмерной формы преобразования. Линии теплового потока представлены линиями тепла, которые иллюстрируют траекторию теплового потока, перпендикулярную изотермическим линиям при конвективном переносе температуры.Тепловые линии математически представлены тепловой функцией, и каждая тепловая функция соответствует постоянной функции. Кимура и Беджан 16 впервые представили концепцию тепловой линии. Salma et al. 17 дополнительно изучили визуализацию тепловых линий на магнитно-гидродинамическом комбинированном конвективном потоке, включая нагретый блок. Уддин и др. 18 исследовал основные концепции, а также области применения наножидкостей.Alam et al. 19 исследованы в отношении исследования тепловых линий при свободном конвективном течении, а также передачи температуры в призматической полости с использованием МКЭ. Alsabery et al. 20 исследовал эксперимент по анализу тепловых линий конвективного потока внутри квадратного корпуса с использованием синусоидальных температурных мутаций. Шейха и др. 21 исследовали конвективный температурный поток наножидкостей внутри трапециевидной полости.

Влияние магнитогидродинамики (МГД) на естественный конвекционный поток, а также на теплопередачу наножидкостей в последние годы привлекло к себе пристальное внимание в связи с их широким разнообразием приложений в области науки, промышленности и техники. По этой причине многие ученые и исследователи были заинтересованы в проведении численного моделирования для изучения потока жидкости, переноса тепла и температурного потока. Kalbani et al. 22 исследовал конвективный температурный поток в наножидкости внутри квадратной полости на предмет существования магнитогидродинамики.Латифа и др. 23 исследовали конвективный температурный поток внутри квадратной полости с использованием магнитогидродинамики. Шеремет и др. 24 , 25 исследовали естественную конвекцию наножидкости в различных полостях, используя математическую модель Буонджорно. Они обнаружили, что дополнительные наночастицы усиливают конвекционный поток. Другое исследование 26 28 также исследовало естественную конвекцию наножидкостей внутри полостей.Основная цель этого исследования — проанализировать конвекционный поток в призматической полости с использованием наножидкости медь-вода для визуализации температурного потока, а также для определения пути изменения температуры. Влияние объемной доли наночастиц, числа Гартмана и числа Рэлея на распределение температуры, а также поток жидкости в призматической полости производятся численно и наблюдаются в физической точке зрения.

Постановка задачи

Физическая модель

Физическая модель, учитывающая двумерный ламинарный поток несжимаемой свободной конвекции в полости призматической формы, равномерно заряженной наножидкостью Cu-H 2 O.Мы взяли воду (H 2 O) в качестве базовой жидкости и медь (Cu) в качестве наночастиц. L представляет собой высоту и длину базовой стены шкафа. Естественная конвекция возникла из-за разницы температур между нагретыми и холодными стенами. Нижняя стенка нагревается при T = Tc + (Th-Tc) (1-x / L) (линейно) и T = Th (равномерно), в то время как верхние наклонные стенки нагреваются при низкой температуре T = Tc. Вертикальные стены сохранены при утеплении. Нижняя стенка представляет координату x, а левая вертикальная стенка представляет координату y.Ускорение свободного падения действует в отрицательном направлении оси y. Считается, что наночастицы однородно диспергированы в базовой жидкости, и между базовой жидкостью и наночастицами не происходит динамического и теплового скольжения. Отсутствие скользящих стенок учитывается для всех твердых границ. Для исследования используются различные типы базовой жидкости, такие как керосин и этиленгликоль (EG), и различные типы наночастиц, такие как кобальт (Co), оксид алюминия (Al 2 O 3 ) и оксиды титана (TiO 2 ). среднее число Нуссельта у обогреваемой стены.На рис. 4 показано схематическое изображение геометрии, привязанной к системе координат, а теплофизические свойства наночастиц, включая базовые жидкости, представлены в таблице.

Схематический вид призматической оболочки.

Таблица 1

Теплофизические характеристики твердых частиц и базовой жидкости (см. 33 ).

Базовая жидкость / наночастицы c p [Джкг −1 K −1 ] ρ [км −3 90 −411] k [Вт · м −1 K ] мкм [кгм -1 с -1 ] β × 10 –5 [K -1 ] σ [Sm -1 ] Pr
Вода (H 2 O) 4179 997.1 0,613 0,001003 21 5,5 × 10 –6 6,8377
Керосин 2090 780 0,149 780 0,149 6,0 23.004
Этиленгликоль (EG) 2382,1 1117,48 0,2492 0,022 57 1,07 × 10 –8 210 903
Cu 385 8933 400 1,67 5,96 × 10 7
Co 1,3 1,602 × 10 7
Al 2 O 3 765 3970 4059 9011 9059 3,5 —
TiO 2 686.2 4250 8,9538 0,90 2,6 × 10 7

Математическая модель

Управляющие уравнения для вышеупомянутых 9000 ∂4 допущений в декартовой системе координат: x + v∂u∂y = -∂p∂x + μnf∂2u∂2x + ∂2u∂2y

2

ρnfu∂v∂x + v∂v∂y = -∂p∂y + μnf∂2v∂ 2x + ∂2v∂2y + ρβnfg (T-Tc) -σnfB02v

3

u∂T∂x + v∂T∂y = αnf∂2T∂2x + ∂2T∂2y

4

Граничные условия

Вкл. нижняя стенка:

случай II: u = v = 0, T = Tc + (Th-Tc) 1-xL

5b

На вершине наклонной стены: u = v = 0, T = Tc

5c

на перпендикулярной стене: u = 0, v = 0, ∂T∂x = 0

5d

Физические и тепловые свойства наножидкостей

Для улучшения тепловых характеристик наножидкостей важны тепловые и физические свойства наножидкостей.Следующие физические и термические характеристики наножидкостей приняты во внимание и перечислены как вязкость, плотность, температуропроводность, теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплового расширения и электропроводность, соответственно (см. Kalbani et al. 29 ):

(ρcp) nf = (1-ϕ) (ρcp) bf + ϕ (ρcp) sp

9

knfkbf = ksp + (n-1) kbf- (n-1) (kbf-ksp) ϕksp + (n- 1) kbf + (kbf-ksp) ϕ

10

(ρβ) nf = (1-ϕ) (ρβ) bf + ϕ (ρβ) sp

11

σnf = σsp + 2σbf-2 (σbf-σsp ) ϕσsp + 2σbf + (σbf-σsp) ϕσbf

12

Анализ размерностей

Мы вводим следующие безразмерные переменные для сокращения уравнений.( 1 ) — ( 4 ) в безразмерную форму, включая граничные условия ( 5a ) — ( 5d ):

X = xL, Y = yL, U = uLαbf, V = vLαbf, θ = T-TcTh-Tc, P = pL2ρnfαbf2

13

Основные уравнения в безразмерной форме выражаются как:

U∂U∂X + V∂U∂Y = -ρbfρnf∂P∂X + Prρbfρnf∂2U∂ 2X + ∂2U∂2Y

15

U∂V∂X + V∂V∂Y = -ρbfρnf∂P∂Y + Prρbfρnf∂2V∂2X + ∂2V∂2Y + ρβnfρnfβbfRaPrθ-ρbfρnf ∂X + V∂θ∂Y = αnfαbf∂2θ∂2X + ∂2θ∂2Y

17

В приведенных выше основных безразмерных уравнениях Ra = gβbfTh-TcL3υbfαbf — число Рэлея, Pr = υbfαbf — число Прандтля, а Ha = BoLσbf / μbf — число Гартмана.

Безразмерные формы граничных условий

На нижней стенке:

Случай II: U = 0, V = 0, θ = 1-X

18b

Наклонные стены на вершине: U = 0, V = 0, θ = 0

18c

На левой и правой вертикальных стенах: u = 0, v = 0, ∂θ∂X = 0

18d

Расчет числа Нуссельта

Выражается местное и среднее число Нуссельта на нижней прогретой стене соответственно как:

NuL = LqwkbfTh-Tc, где qw = -knf∂T∂yy = 0

19

Nuav = -knfkbf∫01∂θ∂YdX

20

Вычислительный процесс

Управляющее безразмерное уравнение .( 14 ) — ( 17 ), включая граничные условия ( 18a ) — ( 18d ), выполняются с применением анализа методом конечных элементов взвешенной остаточной формы Галеркина. Zienkiewicz et al. 30 подробно описал численный метод. Во-первых, неоднородный треугольный элемент формируется путем дискретизации области решения на ограниченное количество сеток. Шесть узловых треугольных элементов используются для развития этого метода. Затем интегральные уравнения формируются из основных уравнений в частных производных с использованием метода взвешенных невязок Галеркина.Квадратурная техника Гаусса также используется во всех частях интегральных уравнений. Эти уравнения также модифицируются с использованием граничных условий. В эти алгебраические уравнения применяется итерационная техника Ньютона – Рафсона для решения этих алгебраических уравнений в матричной форме. Критерий сходимости этого метода задается как Mn + 1-Mn≤10-5, где M представляет U, V, θ как зависимые переменные, а n — номер итерации.

Тест независимости от сетки

Комплексный эксперимент с независимостью от сетки используется для обеспечения независимого от сетки решения существующей проблемы призматического ограждения, когда Ra = 105, ϕ = 0.04 и n = 3 (сферическая форма наночастиц). Используются пять различных систем неоднородной сетки в пределах разрешения: нормальное, точное, более мелкое, сверхтонкое и чрезвычайно точное, включая элементы 1365, 2116, 5699, 14 514 и 20 584. Для вышеупомянутых элементов рассчитывается среднее число Нуссельта (Nuav) для понимания тонкости сетки, которая показана на рис. Элементы 14 514 немного отличаются от результатов, полученных для элементов 20 584. Следовательно, элементы размером 14 514 используются для численных расчетов, чтобы получить требуемое сеточно-независимое решение.

Среднее число Нуссельта различных элементов с Ra = 105, Pr = 6,8377, n = 3, ϕ = 0,04.

Проверка кода

Настоящие результаты сравниваются с данными Ghasemi et al. 24 для проверки точности с использованием контуров линий тока (левый столбец) и контуров изотермы (правый столбец), когда ϕ = 0,02, Ra = 105 и Ha = 30, что показано на рис. Настоящий числовой код также подтверждается числовыми данными с Ghasemi et al. 31 для различных чисел Рэлея и объемной доли наночастиц с учетом двумерного естественного конвекционного потока Al 2 O 3 -водная наножидкость при наличии магнитного эффекта (Ha = 30).Настоящий числовой код также сравнивается с Wan et al. 32 с учетом Pr = 0,07 и квадратной полости, заполненной воздухом. Текущий код перенесен для квадратной полости, заполненной воздухом, для сравнения. Результаты представляют собой хорошее соответствие при использовании текущего числового кода в таблице.

Сравните текущие результаты (нижний ряд) и Ghasemi et al. 31 (верхний ряд) при ϕ = 0,03, Ra = 105 и Ha = 30.

Таблица 2

Сравнение числовых данных среднего числа Нуссельта (Nuav) с Ghasemi et al. 31 и Wan et al. 32 для различных чисел Рэлея и объемной доли наночастиц.

04 результаты представлены результаты обсуждения 9999 , контуры изотермы и тепловые линии для анализа потока температуры свободной конвекции, а также потока жидкости в призматическом корпусе.Наночастицы меди сферической формы (n = 3) обрабатываются жидкостью на водной основе. Численные результаты обсуждались для различных параметров, называемых объемной долей наночастиц (ϕ), числом Гартмана (Ha) и числом Рэлея (Ra) при потоке жидкости, теплопередаче, а также характеристиками переноса температуры с учетом изотермических линий, линий тока, тепловых линий, локальных и локальных среднее число Нуссельта с использованием двух различных температурных граничных условий вдоль горизонтальной стенки.

На рисунке показано влияние числа Рэлея Ra (= 103-106) при ϕ = 0.04 и Ha = 10 на линиях тока, контурах изотермы, а также на линиях тепла в условиях равномерного прогрева на горизонтальной стенке. На рисунке (а) показано, что два симметричных ролика, вращающихся в противоположных направлениях относительно центральной вертикальной линии, сформированы внутри полости с каждым Ra. Также вихревые проушины расположены по соседству с центром половины поперечного сечения полости, хотя дно имеет равномерно прогретый. Левая камера циркулирует против часовой стрелки, тогда как правая камера циркулирует по часовой стрелке внутри корпуса.Физический смысл этого заключается в том, что плотность холодной жидкости у верхних наклонных стенок выше, чем у нагретой жидкости у нижней стенки внутри корпуса. Тяжелая жидкость движется вниз, в то время как относительно редко частая жидкость движется вверх. Затем объемная жидкость толкается в термический пограничный слой, расположенный рядом с горячей стенкой дна, и совершает вращающийся узор. Для увеличения Ra две рециркуляционные клетки растут. Это означает, что нагретая жидкость ускоряется больше за счет эффекта плавучести.

Результаты числа Рэлея Ra на ( a ) Контуры обтекания, ( b ) Контуры изотермы ( c ) Тепловые линии для однородных тепловых граничных условий на нижней стенке при ϕ = 0,04 и Ha = 10.

Режим передачи температуры (теплопроводность или конвекция), а также полезность температуры определяются по контурам изотермы. На рисунке (b) показано, что при низком числе Рэлея Ra (= 103,104) контуры изотермы почти параллельны вблизи нижней горячей стенки, что указывает на то, что конвекция в полости слабее.Электропроводность — это основной режим температурного потока внутри корпуса из-за однородного прогретого состояния на нижней стенке. Небольшая компактность контуров изотермы наблюдается также в центре каверны, что представляет собой плохо конвективный температурный поток. При увеличении Ra контуры изотермы оказываются излишне искаженными, а также исчезают в центре полости, образуя форму гриба. Для Ra = 105,106 конкретная форма изотерм, подобная грибу, указывает на то, что температурная энергия течет внутри жидкости полости с нижней нагретой стороны за счет потенциальных эффектов плавучести.Рисунок (c) демонстрирует, что тепловые линии являются чистыми и приблизительно параллельны перпендикулярным стенкам, что приводит к изменению температуры в результате теплопроводности. Устойчивость тепловых линий рядом с нагретой стенкой усиливает, а также извращает параметр Ra, обусловленный более высокой плавучестью. Компактность теплопроводов увеличивается в середине шкафа из-за сильной конвекции. Кроме того, при более высоком Ra внутри корпуса создаются два симметричных небольших вихря относительно центральной вертикальной линии, что согласуется с структурой функции тока.Следовательно, конвекция является доминирующей формой температурного потока при верхнем параметре плавучести.

Влияние числа Рэлея (Ra = 103-106) на контуры линий тока, контуры изотермы и тепловые линии при ϕ = 0,04 и Ha = 10 для условий линейного обогрева на нижней стенке показаны на рис. Соответственно. Рисунок (а) показывает, что на контуры обтекаемой формы полностью не влияют частицы наножидкости внутри корпуса. Температура горизонтальной стороны выше по сравнению с свисающими сторонами, поэтому соседняя жидкость нижней стенки получает температуру, и после этого эта жидкость выходит вверх в более холодную жидкость, в результате создается циркуляционная ячейка, в результате чего значение передачи температуры увеличивается на более холодных стенках.Физический смысл этого заключается в том, что при достаточной разнице температур между нагретыми и охлажденными стенками внутри корпуса создается потенциальная выталкивающая сила. При низком Ra воздействие конвекции мало заметно из-за незначительного действия силы инерции в механизмах температурного потока. При верхних значениях Ra (= 105,106) контуры линий тока разлагаются, и появляется одно потенциальное распространение в жидкость внутри полости для увеличения интенсивности конвективного протекания температуры, в результате чего возникает вторичная циркуляция в верхних углах, соседних с наклонной. стены.На рисунке (б) показано, что для меньшего Ra (= 103,104) наблюдаются параллельные контуры изотермы соседней прогретой стенки из-за потенциальной проводимости формы температурных распределений. Для верхнего числа Рэлея также наблюдается превышение искаженных контуров изотермы в центре полости из-за увеличения конвекции внутри корпуса. Для Ra = 106 компактность и высокая плотность изотермического рисунка отмечаются рядом с горизонтальными нагретыми и свисающими холодными стенками крыши, что представляет собой высокий градиент температуры в этих областях.

Влияние числа Рэлея (Ra) на ( a ) Линии тока ( b ) Изотермы ( c ) Тепловые линии для линейно тепловых граничных условий на нижней стенке, когда ϕ = 0,04 и Ha = 10.

To представляет температурный поток внутри корпуса, теплопроводный температурный поток -∂θ∂X, ∂θ∂Y используется для тепловой функции, тогда как конвективный температурный поток Uθ, Vθ используется для отображения температурного потока. Тепловые линии представляют собой способ изменения температуры, возникающий в прогретом режиме, а финиш в холодном режиме.Рисунок (c) показывает, что тепловые линии распределены почти без разбора в соответствии с циркуляцией по часовой стрелке и против часовой стрелки для меньшего Ra (= 103) от горизонтальной нагретой стороны к верхним наклонным холодным сторонам из-за низкой силы потока жидкости, а также температуры, протекающей в основном за счет теплопроводности. .

По мере увеличения Ra интенсивность потока значительно увеличивается, рисунок тепловых линий постепенно разрушается, и в верхнем углу внутри ограждения создается дополнительная крошечная прокатная камера.Интенсивность температурного потока у нижней утепленной стенки выше, чем у верхней холодной стенки. Следовательно, для определения температурного потока, а также анализа теплопередачи, тепловые линии являются достаточными механизмами. Кроме того, тепловые линии выглядят как обтекаемые контуры для более высоких значений Ra.

Рисунок, соответственно, демонстрирует результаты объемной доли наночастиц (ϕ = 0,0.025,0.05,0.1) при Ra = 105 на контурах обтекания, контурах изотермы и тепловых линиях для однородной нижней прогретой стенки.На рисунке (а) показано, что две противоположно симметричные камеры встречного вращения относительно центральной вертикальной линии сформированы внутри полости для равномерного нагрева стенки. Левая циркуляция осуществляется по часовой стрелке, а другая ячейка — по часовой стрелке внутри корпуса. Эта конкретная форма является результатом однородного подогрева граничного условия на горизонтальной стороне. Физическая причина этой конкретной формы обтекаемых контуров уже рассказана. При увеличении ϕ характер линий тока почти аналогичен чистому типу проводимости.Кроме того, при добавлении наночастиц в базовую жидкость внутри полости наблюдается очень незначительное влияние наножидкостей на конвекцию.

Влияние объемной доли наночастиц (ϕ) на ( a ) Линии тока ( b ) Изотермы ( c ) Тепловые линии для однородного теплового граничного условия на нижней стенке при Ra = 105 и Ha = 10.

На рисунке (b) показаны изотермические контуры, расставленные в центральной плоскости внутри полости, образуя особую форму гриба.Это показывает, что энергия течет внутри жидкости с горизонтальной нагретой стороны. На этом же рисунке видно, что контуры изотермы почти параллельны соседним разогретым и холодным стенкам. Соседняя с жидкостью горизонтальная нагретая стенка принимает температуру и движется вверх в более холодную жидкость. Следовательно, на холодной стене увеличивается температурный поток. На этом рисунке показано, что имеется плотный узор изотермы возле нагретых и охлажденных стенок, что указывает на высокий градиент температуры в этих областях.Это обстоятельство остается неизменным для добавления наночастиц в корпус. На рисунке (c) показано, что тепловые линии идентичны для всех значений наночастиц, и внутри корпуса создаются два симметричных небольших вихря относительно центральной вертикальной линии, что согласуется с моделью функции тока. При ϕ = 0,1 компактность теплопроводов увеличивается в середине шкафа из-за сильной конвекции.

Рисунок, соответственно, иллюстрирует влияние объемной доли наночастиц (ϕ = 0,0.025,0.05,0.1) с фиксированным Ra = 105 на контурах линий тока, контурах изотермы и тепловых линиях для стенки с линейно-нижним обогревом. Рисунок (а) демонстрирует, что линии тока параллельны друг другу соседней нагретой стенке из-за проводимости, а также вторичного вихря, развивающегося на верхних углах, соседних с наклонной стенкой внутри полости. При более высоком значении наночастиц изотермы искажаются, и в середине корпуса замечается один массивный вихрь. Рисунок (б) показывает, что параллельные изотермы соседствуют с прогретыми и остывшими стенками.Мы уже наблюдали эту подобную особую форму. На рисунке (c) показаны компактные тепловые линии посередине внутри полости, что указывает на область высокотемпературного потока. Линии тока также почти параллельны у нижней прогретой стенки и похожи на изотермы, которые мы уже наблюдали. При увеличении количества наночастиц плотность тепловых линий увеличивается в центре корпуса.

Влияние объемной доли наночастиц (ϕ) на ( a ) Линии тока ( b ) Изотермы ( c ) Тепловые линии для линейно теплового граничного условия на нижней стенке при Ra = 105 и Ha = 10.

Влияние числа Гартмана (Ha) с использованием линий тока, изотерм и тепловых линий показано на рис. и для равномерного температурного режима и линейных тепловых граничных условий, соответственно, когда Ra = 105 и ϕ = 0,04. Эти цифры показывают, что число Гартмана оказывает значительное влияние на температурную область. На рисунке (а) показаны линии тока для различных чисел Гартмана. На этих рисунках показана аналогичная симметричная картина линий тока для всех рассмотренных значений числа Гартмана. Две симметричные вращающиеся ячейки сформированы внутри полости, где левая ячейка вращается против часовой стрелки, а правая ячейки вращаются по часовой стрелке.Сила вращения уменьшается с увеличением числа Гартмана, то есть сила потока уменьшается с сильным магнитным полем. При приложении внешнего магнитного поля более сильное поле воздействует на движущуюся жидкость, которая обладает магнитной восприимчивостью, что ослабляет циркуляцию потока внутри корпуса. Кроме того, сила Лоренца, возникающая при приложении магнитного поля, по своей природе препятствует изменению его генерации в случае движения жидкости, и, следовательно, это силовое поле ослабляет потоки внутри корпуса.На рисунке (б) видно, что изотермические линии все более искажаются внутри каверны и плотнее у нижней нагретой стенки при отсутствии числа Гартмана. При низком числе Гартмана (Ha = 0) более высокий градиент температуры наблюдается у донной прогретой стенки. Плотность линий тока уменьшается под действием более сильного магнитного поля. Кроме того, изотермические линии смещаются вверх ближе к средней части нижней нагретой стенки, что указывает на более высокую область теплопереноса.

Результаты числа Гартмана (Ha) на ( a ) Контуры линии тока, ( b ) Контуры изотермы ( c ) Тепловые линии для однородных тепловых граничных условий на нижней стенке при ϕ = 0.04 и Ra = 105.

Результаты числа Гартмана (Ha) на ( a ) Контурах линии тока, ( b ) Контурах изотермы (c) Тепловые линии для линейных тепловых граничных условий на нижней стенке, когда ϕ = 0,04 и Ra = 105.

Большая циркуляционная ячейка с маленькой трубкой в ​​верхней части корпуса показана на рис. (А) для условий линейной температуры. Эта вращающаяся ячейка становится меньше по мере увеличения влияния числа Гартмана, которое указывает скорость декокции за счет эффекта числа Гартмана.Это происходит из-за действия магнитного поля, которое замедляет течение жидкости. На рисунке (c) показаны характеристики теплопередачи метода тепловых линий для воздействия числа Гартмана. Эти цифры показывают прохождение теплопровода от нижней нагретой стены к верхней холодной стене. Две симметричные вращающиеся ячейки наблюдаются при отсутствии числа Гартмана и меньшего числа Гартмана. Тепловые линии более плотные вблизи центральной вертикальной линии полости. Теплоперенос уменьшается с увеличением интенсивности числа Гартмана.Для более высокого числа Гартмана (Ha = 50) теплопроводы идут к верхним наклонным стенкам от нижней нагреваемой стенки. Теплота потока уменьшается из-за более низкой скорости при более высокой напряженности магнитного поля. Аналогичная картина тепловых линий с большим центральным кругом наблюдается для линейных тепловых условий на рис. (C) для всех значений числа Гартмана.

На рисунках и, соответственно, представлены эффекты локального числа Нуссельта (NuL) для объемных долей Ra и наночастиц на нижней горячей стенке для однородных тепловых граничных условий и линейных температурных граничных условий.Эти цифры показывают увеличение средней скорости переноса температуры для приращения как числа Рэлея, так и объемных долей наночастиц как для однородно теплового граничного условия, так и для линейно теплового граничного условия. При низком Ra (= 103,104) (NuL) остается почти постоянным, в то время как локальное число Нуссельта увеличивается для доминирующей области естественной конвекции (Ra> 104) внутри ограждения. На рисунке представлены локальные распределения числа Нуссельта вдоль нагретой стенки для числа Гартмана как для однородных, так и для линейных температурных граничных условий.Эти рисунки показывают, что местное число Нуссельта быстро убывает при увеличении числа Гартмана для системы с однородной температурой, чем для системы с линейной температурой. Кроме того, изменение значения объемной доли наночастиц существенно влияет на Местное число Нуссельта.

Локальное число Нуссельта числа Рэлея для ( a ) равномерно нагретой снизу стенки ( b ) линейно нагревает нижнюю стенку при ϕ = 0,04 и Ha = 10.

Локальное число Нуссельта объемной доли наночастиц для ( a ) равномерно нагретой снизу стенки ( b ) линейно нагревает нижнюю стенку при Ra = 105 и Ha = 10.

Локальное число Нуссельта объемной доли наночастиц для ( a ) равномерно нагретой снизу стенки ( b ) линейно нагревает нижнюю стенку при Ra = 105 и ϕ = 0,04.

На рисунке показано, что среднее число Нуссельта монотонно увеличивается с увеличением Ra. Интересно отметить, что однородный нагретый режим на нижней стенке обеспечивает самый высокий температурный поток внутри камеры, чем линейный температурный режим. На рисунках и показано, что среднее число Нуссельта увеличивается с увеличением числа Рэлея и добавления наночастиц в базовую жидкость, тогда как уменьшается с увеличением числа Гартмана.Скорость переноса тепла значительно увеличивается с увеличением объемной доли наночастиц. Это связано с более высокой теплопроводностью наножидкостей по сравнению с базовой жидкостью. Кроме того, при низких значениях Ra влияние объемной доли наночастиц на теплообмен более выражено. На рисунке показано, что скорость теплопередачи значительно выше для формы лезвия наночастиц, чем для сферической формы наночастиц. Это связано с тем, что меньше сферичность формы лезвия наночастиц.Более того, среднее число Нуссельта более очевидно для более высокой объемной доли наночастиц. Более того, среднее число Нуссельта выше для наночастиц лысой формы по сравнению с другими наночастицами любой формы, такими как сферические, кирпичные, цилиндрические и пластинчатые.

Среднее число Нуссельта числа Рэлея для двух различных граничных условий с подогревом на нижней стенке.

Среднее число Нуссельта объемной доли наночастиц и число Хартмана для наножидкости Cu-H 2 O.

Среднее число Нуссельта объемной доли наночастиц и число Рэлея для наножидкости Cu-H 2 O.

Среднее число Нуссельта объемной доли наночастиц и различная форма наночастиц для наножидкости Cu-H 2 O.

Параметр объемная доля наночастиц является ключевым фактором при изучении того, как наночастицы влияют на поток жидкости, а также на температурный перенос наножидкостей. Типы наночастиц также являются ключевым фактором для улучшения теплопередачи.В таблице показано среднее число Нуссельта (Nu av ) вдоль нижней нагретой стенки полости для различных значений объемных долей наночастиц и различных типов наночастиц базовых жидкостей, таких как вода (H 2 O), керосин и этиленгликоль (EG ) с четырьмя различными типами наночастиц, такими как Cu, Co, Al 2 O 3 и TiO 2 , когда Ra = 10 5 , Ha = 15 и n = 3. Наблюдается, что средний Число Нуссельта увеличивается с увеличением объемной доли наночастиц для всех типов наножидкостей.Это связано с более высокой теплопроводностью наночастиц. В таблице показана самая высокая теплопередача для наножидкостей на основе керосина по сравнению с наножидкостями на водной основе и на основе этиленгликоля. Хотя наночастицы Cu имеют более высокую теплопроводность, чем Co, Al 2 O 3 и TiO 2 , наножидкости керосина демонстрируют более высокую скорость теплопередачи. Самая низкая теплопередача наблюдается для наножидкостей на водной основе из-за более низкой теплопроводности и более высокой динамической вязкости жидкости на основе.

Таблица 3

Среднее число Нуссельта вдоль нижней нагретой стенки для различных типов наножидкостей и разного размера наночастиц при Ra = 105 и Ha = 10.

ϕ = 0 ϕ = 0,02
Ra Ghasemi et al. 24 Wan et al. 25 Настоящее исследование Ghasemi et al. 24 Настоящее исследование
10 3 1.002 1,117 1,002 1,060 1,060
10 4 1,183 2,254 1,182 1,212 9059 1010 9059 4 9058 9059 4 9059 4 9059 5 9601 3,138 3,138 3,097
10 6 7,907 8,976 7,820 7,979 7.796000 7.979 7.796

905 905 905 905 воды 0,00

01 0,05 04

01 0,05 04

07 0,05 04 9048

938 911 938 1 1

913 90EG 907
Нанофлюиды ϕ Nu av Увеличение (%) Нанофлюиды ϕ Nu av
5,0869043 Cu-керосин 0.00 5,1108449
0,01 5,1279040 0,81 0,01 5,33 4,46
0,10 5,4715713 7,56 0,10 5,7623863 12,75
Co-water 0,00 5.0869043 Кокеросин 0,00 5,1108449
0,01 5,1255934 0,76 0,01 9018 605 9018 4 9018 5,40484 0,05 5,77 13,08
0,10 5,4451034 7,04 0,10 5,9494259 16,41
5,0869043 Al 2 O 3 -керосин 0,00 5,1108449
0,01
0,01 5,149601 9059 0,01 5,149601 9059 0,01 9059 4 9059 9059 9059 9059 9059 9059 0
0,05 5,4261935 6,67 0,05 5,5797743 9,18
0,10 5.7008267 12,07 0.10 5,8481775 14,43
TiO 2 -водяной 0,00 5,0869043 TiO 2 -керосин 0,04
0,04
904 5,1394618 1,04 0,01 5,1601554 0,96
0,05 5,3977902 6,11 0,05 5,4457005 55
0,10 5,6101714 10,29 0,10 5,7818382 13,13
Cu-EG 0,00
0,00 5,1015913
0,01 5,13 0,73 0,01 5,1662068 1,27
0,05

97890

5,649 0,05 5,4683156 7,19
0,10 5,5339510 8,47 0,10 5,82 5,82 9604 TiO 2 -EG 0,00 5,1015913
0,01 5,13
0,74 0,01 5.1564652 1,08
0,05 5,3895143 5,64 0,05 5,4205563 6,25
0,10 5,5662212
0,10 5,5607 Анализ передачи пассивного теплообменника с отводом остаточного тепла в условиях естественной конвекции в резервуаре

С целью расчета теплопередачи пассивного теплообменника с отводом остаточного тепла (PRHR HX), эксперименты по теплопередаче С-образной трубы, погруженной в воду танка были выполнены.Проведены сравнения различных корреляций в литературе с экспериментальными данными. Можно сделать вывод, что корреляция Диттуса-Боелтера обеспечивает наилучшую оценку соответствия экспериментальным результатам. Средняя ошибка составляет около 0,35%. Для трубы снаружи корреляции МакАдамса как для горизонтальных, так и для вертикальных областей оцениваются лучше всего. Средние ошибки составляют около 0,55% для горизонтальной области и около 3,28% для вертикальной области. В данной работе также исследовались смесительные характеристики резервуара.Можно сделать вывод, что жидкость в резервуаре постепенно поднималась, что приводит к явлению термического расслоения.

1. Введение

Реакторы серии AP представляют собой реакторы с водой под давлением, предназначенные для использования теплообменника с естественной циркуляцией в качестве связанного с безопасностью средства удаления тепла распада активной зоны и явного тепла после определенных проектных событий [1]. Теплообменник с пассивным отводом остаточного тепла (PRHR HX) удаляет остаточное тепло ядра, чтобы уменьшить потери радиатора, которые понижают давление в системе.Он передает тепло от первичной стороны к защитной оболочке, нагревая воду в резервуаре для хранения дозаправочной воды в защитной оболочке (IRWST). PRHR HX состоит из пучка труб теплообменника -образной формы, погруженного в IRWST [2].

Естественный циркуляционный поток создается за счет разницы плотностей холодной воды в трубках PRHR над активной зоной реактора и горячей воды на входе в теплообменник. Теплообмен на внешней поверхности трубы — естественная конвекция и недогретое кипение на начальном этапе эксплуатации и постепенно переходит в насыщающее кипение по мере нагрева [3].Из-за большой разницы температур в трубках теплообменника нагревателя естественная конвекция с высоким числом Грасгофа будет происходить вдоль внешних поверхностей трубок [4].

Yonomoto et al. [3] провели экспериментальное исследование по моделированию аварий с малой потерей теплоносителя в реакторе с использованием крупномасштабного испытательного комплекса РОСА-В. Эффективность теплопередачи PRHR HX в эксперименте была проанализирована путем применения корреляций теплопередачи, доступных в литературе, к трубкам PRHR HX.Jeong et al. [5] разработали код многомерной теплогидравлической системы MARS для анализа теплогидравлики пассивной системы отвода остаточного тепла (PRHRS) SMART-P. Chung et al. [6, 7] исследовали естественную циркуляцию в PRHRS для реактора интегрального типа и рассчитали результаты с использованием кода MARS. Согласно работе Чанга, код MARS достаточно хорошо предсказывает характеристики естественной циркуляции в PRHRS. Примечательно, что в статье Йономото и в коде MARS используются разные корреляции теплопередачи внутренней и внешней поверхностей трубки, но причина, по которой более ранние исследователи выбирают корреляции, в их статье не упоминается.

Основная цель этого исследования — определить применимость различных корреляций теплопередачи для конструкции PRHR HX. Вторичной целью является исследование характеристик смешивания IRWST в IRWST. Как упоминалось выше, естественная конвекция теплопередачи на внешней поверхности трубы играет значительную роль в PRHR HX, особенно на начальной стадии. Кипение на внешней поверхности трубки в данной работе не рассматривалось; все эти результаты в этой статье относятся к условию естественной конвекции на внешней поверхности.

2. Экспериментальная установка

Экспериментальная установка (см. Рисунок 1) была построена для исследования тепловых характеристик PRHR HX при естественной конвекции в IRWST. Он в основном состоял из цилиндра высокого давления, открытого резервуара для воды, тепловой трубы в форме А, двух рубашек электрического обогрева, нескольких настенных и жидкостных термопар, а также центробежного насоса. Тепло распада активной зоны первичной системы было заменено горячей водой, образующейся в сосуде высокого давления. Манометр и предохранительный клапан были установлены в верхней части сосуда высокого давления для контроля давления и обеспечения защиты от избыточного давления.Диапазон манометра от 0 до 0,6 МПа, точность показаний 0,05 МПа. IRWST был смоделирован цилиндрическим резервуаром объемом 3 м, заполненным водой при атмосферном давлении, который номинально заполнен до уровня 0,4 м над верхней частью трубы теплообменника. Влияние разделительной пластины и ADS 1–3 Spargger в IRWST в этом эксперименте не учитывалось. Для визуального наблюдения были предусмотрены два смотровых люка, установленные по обеим сторонам танка. Трубка теплообменника представляла собой трубу -образную форму с 19.Внешний диаметр 05 мм и толщина 1,65 мм. Материал корпуса высокого давления, открытого резервуара для воды и трубы теплообменника — нержавеющая сталь 304.


В трубку теплообменника было вставлено 13 термопар в оболочке, 2 из которых были установлены на каждом конце трубки, для измерения температуры жидкости на входе и выходе. Температуру воды на стенках и резервуаре измеряли медь-константановыми термопарами. Четыре пристенных термопары были приварены к каждой позиции внешней поверхности трубки, чтобы получить среднюю температуру стенки.Как показано на рисунке 2, термопары воды в резервуаре были расположены в 3 различных положениях вдоль вертикального направления резервуара. Среднее арифметическое из 3 положений на каждой отметке использовалось в качестве средней температуры жидкости в резервуаре на возвышении в процессе обработки данных. Электрические сигналы от преобразователей обрабатывались системой сбора данных. Жидкость со стороны трубы нагревалась двумя электронагревательными рубашками мощностью 8 кВт. Две термопары Pt100 были установлены в разных частях сосуда высокого давления и работали с двумя терморегуляторами для регулирования температуры жидкости в сосуде высокого давления.Скорость потока в трубке измерялась турбинным расходомером, установленным на входе нагревательной трубки, и регистрировалась системой сбора данных.


Эксперименты проводились в соответствии со следующей процедурой, которая включает начальное наполнение резервуара и трубного контура, удаление растворенных в воде газов, нагрев сосуда под давлением, начало испытания и запись экспериментальных данных. В качестве жидкости для исследования использовалась дистиллированная вода. Перед экспериментом необходимо было удалить растворенные газы.Процесс дегазации осуществлялся путем нагрева жидкости в сосуде высокого давления и работы центробежного насоса. Во время этого процесса был открыт клапан V2. Непрерывное барботирование газов в указателе уровня воды означает дегазацию жидкости. Это продолжалось до тех пор, пока в индикаторе не уменьшилось выделение пузырьков, что указывало на отсутствие растворенных газов в контуре трубки. В конце процесса клапан V2 был закрыт. Одновременно производилась дегазация резервуарной воды; процесс продолжался несколько часов.После этого система естественным образом остыла в помещении. Поскольку резервуар для воды открыт, растворенные газы в воде резервуара не могут быть удалены полностью. Процедуру дегазации выполняли каждый раз перед запуском данной серии экспериментальных запусков.

Приборы были откалиброваны, и неопределенность измеренных параметров была оценена в соответствии с процедурой, предложенной Абернети и Томпсоном [8]. Результаты представлены в таблице 1.


Параметры Погрешности

Температура трубки ± 0.6 ° C
Температура стенок и резервуара ± 0,3 ° C
Массовый расход ± 0,6%

3. Теплообмен с редукцией данных

Труба была виртуально разделена на 14 ячеек в продольном направлении трубы, 4 ячейки для верхнего горизонтального сечения, 6 для вертикального сечения и 4 для нижнего горизонтального сечения. Расчет проводился в каждой из 14 ячеек для получения теплового потока и коэффициентов теплопередачи по трубе.Схема расчетной модели ‘-й ячейки показана на рисунке 3.


Основные измерения эксперимента включают измеренные скорости потока в трубке, осевое распределение температуры жидкости в трубке, температуры внешней стенки трубки и температуры жидкости в резервуаре, которые были измерены. в разных местах резервуара.

Температура жидкости внутри трубки использовалась для расчета скорости теплопередачи по длине ячейки с использованием стационарного одномерного уравнения баланса энергии: где = удельная энтальпия ’й ячейки, определенная по температуре жидкости внутри трубки, Дж / кг, = массовый расход трубки, кг / с, и = локальная скорость теплопередачи, Вт.

Тепловой баланс от внутренней стенки трубы до внешней стенки трубы можно записать как где и = температура внутренней и внешней стенки трубки ‘-ой ячейки, К, = длина’ -ой ячейки, м, и = внутренний и внешний диаметр трубки, м, и = теплопроводность материала трубки ‘-ой ячейки. ячейка, как определено из среднего арифметического температуры внутренней стенки трубки и температуры внешней стенки трубки, Вт / мК.

Предполагалось, что сначала нужно свериться со значением.Затем рассчитывается новая температура внутренней стенки с использованием (2). Текущие и предыдущие значения температуры стенки внутренней трубы сравниваются, и после приемлемого приближения пересмотренные значения температуры являются необходимыми результатами.

Температура жидкости на стороне трубки измеряется по средней линии трубки, которая является самым горячим местом в трубке. Правильная температура, используемая для баланса энергии, указанного в (1), должна быть температурой жидкости в объеме, которая является средневзвешенной температурой потока. Поток внутри трубки представляет собой турбулентный режим потока, который приводит к тому, что объемные температуры жидкости близки, но не равны показаниям термопары, снятым на центральной линии трубок.

Подход основан на нормированном профиле скорости мощности th. Предполагается, что распределение температуры прямо пропорционально нормированному распределению скорости как где = температура жидкости в радиальном положении, K, = температура жидкости у стенки, приблизительно равная температуре боковой стенки трубы, K, = температура жидкости, измеренная в центре трубы, K, = местная скорость в трубе на радиусе, м / s, = средняя скорость в трубе, м / с, = локальное радиальное положение в трубе, м, = внутренний радиус трубы, м, и = аппроксимация для профиля скорости.

Отношение температуры стенки к объему к температуре от стенки к средней линии затем можно рассчитать как где = температура жидкости внутри трубы, используемая для определения удельной энтальпии в (1), K.

Полученное соотношение температур затем определяется как Уравнение (5) показывает, что измеренная средняя температура приблизительно равна температуре в объеме. Соответствующее значение для приведено в Schlichting [9].

Затем рассчитывается коэффициент конвективной теплопередачи внутри трубы вдоль трубы с использованием теплового потока стенки, температуры жидкости внутри трубы и экстраполированной температуры внешней стенки: где = коэффициент теплопередачи трубы внутри ‘-й ячейки, Вт / м 2 K, = температура жидкости внутри трубы в объеме’ -ой ячейки, равная в (4), K, = температура жидкости снаружи трубы ‘ -я ячейка, равная среднему арифметическому показаний термопар в различных положениях (I, II и III) в резервуаре, K.

Коэффициент конвективной теплопередачи за пределами трубы рассчитывается с использованием теплового баланса между внешней стенкой трубы и жидкостью резервуара: где — коэффициент теплопередачи трубы вне камеры.

Шаги расчета были выполнены с помощью программы обработки данных. Программа берет необработанные данные испытаний, вычисляет тепловой поток стенки, температуру внутренней стенки и коэффициенты теплопередачи с обеих сторон трубы и сравнивает измеренную теплопередачу с коэффициентами теплопередачи, предсказанными с помощью нескольких выбранных корреляций.

4. Результаты и обсуждение

Испытания проводились с резервуаром изначально при комнатной температуре или близкой к ней. В таблице 2 представлены номинальные условия для испытания. Регулятор температуры в сосуде высокого давления был установлен на 353,15 К, чтобы обеспечить как можно большую разницу температур между трубной жидкостью и резервуарной жидкостью. Незначительное изменение скорости потока внутри трубки и температуры на входе в трубку привело к стабильности числа Рейнольдса. Число Рейнольдса для трубки внутри жидкости варьировалось от 1.73 10 5 до 1,82 10 5 в тесте. Показания манометра, установленного на сосуде высокого давления, составили около 0,05 МПа.


Продолжительность
(с)
Температура на входе
(K)
Расход
(л / с)
Начальная температура жидкости в баке Уровень жидкости в баке
(K)

(м)

11100 353.15 0,8 286,61 (13,46) 1,4

Во время теста все эти инструменты работали хорошо. Несколько тестов были проведены в условиях, указанных в таблице 2, и ошибки каждого теста составили около 5%. Таким образом, можно подтвердить, что результаты верны.

Испытания регистрируют распределение температуры в резервуаре и, таким образом, обеспечивают измерение перемешивания в резервуаре. На рис. 4 показаны измеренные температуры жидкости как функция времени на пяти уровнях резервуара в положении I (рис. 2).Показано, что возвышения в верхней части резервуара нагреваются первыми, а нижние возвышения задерживаются. Этот стратифицированный тепловой режим был установлен с теплообменником, работающим как тепловой насос. Вода в баке нагревалась по трубке за счет естественной конвекции. Тепловой шлейф, окружавший трубку, поднимался к верху резервуара в виде слоя горячей жидкости. На момент времени 11280 секунд вертикальный температурный градиент между отметкой верхнего резервуара (1,3 м) и уровнем дна (0,05 м) составляет около 27 К.


Сравнение температур в трех положениях (положения I, II и III) во время испытания на высоте 1,3 м показано на рисунке 5. Небольшой диапазон температур указывает на то, что резервуар хорошо перемешан на этой высоте. Следует указать, что на одной и той же высоте температуры в трех положениях очень похожи друг с другом.


Согласно установленным значениям расхода, числа Рейнольдса внутреннего потока трубки находились в полностью турбулентном диапазоне.Коэффициенты теплопередачи на первичной стороне рассчитывались с использованием корреляций однофазной принудительной конвекции Диттуса-Боелтера [10], Петухова-Попова [11] и Гниелинского [12].

( 1) Корреляция Диттуса-Боелтера . Корреляция Диттуса-Боелтера дается как где = теплопроводность жидкости, Вт / мК, Re = числа Рейнольдса внутреннего потока в трубке, Pr = число Прандтля внутреннего потока в трубке.

Физические свойства жидкости определяются средней объемной температурой каждой ячейки трубки.

( 2) Корреляция Петухова-Попова . Корреляция Петухова-Попова имеет вид где, и.

( 3) Корреляция Гниелинского . Корреляция Гниелинского дается как где, и.

Нижние индексы и представляют число Прандтля жидкости, рассчитанное с учетом средней температуры жидкости и температуры стенки.

Данные испытаний были проанализированы, чтобы определить применимость этих корреляций.На рис. 6 показано сравнение корреляции Диттуса-Боелтера, корреляции Петухова-Попова и корреляции Гниелинского с коэффициентом теплопередачи внутри стенки трубы, определенным в ходе испытаний, вдоль трубы теплообменника в разное время.

Поскольку на коленах нет термопар, коэффициент теплопередачи коленчатых ячеек не показан на рисунке 6. Как видно из рисунка 6, коэффициенты теплопередачи из всех этих корреляций завышают экспериментальные данные.Корреляция Петухова-Попова и корреляция Гниелинского превосходят данные почти на 7% и 16%. Общепринятая корреляция Диттуса-Боелтера для однофазной конвективной теплопередачи обеспечивает большее согласие с экспериментальными данными, особенно в более поздний период испытаний. Эти сравнения показывают, что корреляция Диттуса-Боелтера более приемлема, чем две другие корреляции для расчета теплопередачи на первичной стороне.

В настоящем испытании труба теплообменника охлаждалась естественной конвекцией.Корреляции для расчета коэффициентов теплоотдачи внешней поверхности трубы естественной конвекцией предлагались во многих литературных источниках. Применимость корреляций в литературе была спорной, потому что все эти корреляции были первоначально разработаны для условий, отличных от этой статьи. Корреляции во взаимосвязанных литературных источниках резюмируются следующим образом.

( 1) Корреляции Ленгмюра и Черчилля-Чу [3] . Корреляция Ленгмюра разработана для однофазной естественной конвекции вдоль горизонтальной трубы и дается выражением где, и.

Ra — число Рэлея, в котором внешний диаметр трубки используется в качестве характеристической длины.

Корреляция Черчилля-Чу использовалась для естественной конвекции вдоль вертикальной части трубы: куда .

Высота от нижнего горизонтального участка трубы использовалась в качестве характерной длины для этой корреляции. Эта корреляция применима к числам Грасгофа> 10 10 .

( 2) Корреляция кода MARS [5]. Корреляция МакАдама была использована в коде MARS для горизонтальной области трубы теплообменника: Для естественной конвекции по вертикальной части трубы использовалось соотношение Черчилля-Чу:

( 3) Корреляции МакАдамса [13] . Более часто используемые корреляции МакАдамса для расчета теплопередачи естественной конвекции также сравниваются с экспериментальными данными в этой статье.

Корреляция МакАдамса для горизонтального сечения трубы, соответственно, определяется выражением Для вертикального сечения трубы, Gr — число Грасгофа для жидкости за пределами трубки.

Физические свойства жидкости в этих корреляциях определяются средней температурой измеренной температуры внешней стенки трубы и температурой внешней жидкости трубы.

На рисунке 7 показано сравнение измеренного теплового потока с тепловым потоком, рассчитанным с использованием упомянутых выше корреляций естественной конвекции.

Ячейки 1–3 и 8–10 на рисунке 7 — это ячейки в верхнем горизонтальном сечении и нижнем горизонтальном сечениях. Ячейки 4–7 находятся в вертикальном сечении нагревательной трубки -образной формы.Из рисунка 7 видно, что коэффициенты теплопередачи, рассчитанные с учетом корреляций естественной конвекции в литературе, не являются непрерывными по длине трубы. Это вызвано различием корреляции, используемой для расчета горизонтальной и вертикальной областей.

Как видно на рисунке 7, для горизонтальных ячеек корреляции Мак-Адамса лучше подходят. Средняя относительная ошибка горизонтальных ячеек между корреляциями МакАдамса и экспериментальными данными для 4 моментов на рисунке 7 равна 0.55%. Коэффициенты теплоотдачи, рассчитанные с вертикальной корреляцией в коде MARS, ближе к экспериментальным данным и средняя ошибка составляет 1,46%. Но вертикальный участок корреляции кода MARS предсказывает тенденцию к увеличению коэффициента теплоотдачи по длине трубы, что не согласуется с экспериментальными данными. В соответствии с рисунком 7 вертикальный разрез корреляций МакАдамса показывает вторую наилучшую оценку, совпадающую с экспериментальными данными; средняя ошибка составляет 3,28%. Сравнение показывает, что корреляции МакАдамса представляют более близкую и более разумную тенденцию с экспериментальными данными.Все эти корреляции, упомянутые выше, выводятся на основе различных экспериментальных данных. У них есть свои прикладные диапазоны. Это приводит к ошибке между результатами корреляции и экспериментальными результатами.

5. Выводы

(1) Температура жидкости в резервуаре уменьшается с уменьшением высоты в вертикальном направлении. В горизонтальных направлениях температуры почти однородны. (2) Корреляция Диттуса-Боелтера более приемлема, чем корреляция Петухова-Попова и корреляция Гниелинского для расчета теплопередачи на стороне трубы.(3) Трубка теплообменника охлаждалась естественной конвекцией. По сравнению с экспериментальными данными, корреляции МакАдамса представляют более близкую и более разумную тенденцию, чем корреляции Ленгмюра и Черчилля-Чу и корреляции кода MARS для расчета теплопередачи за пределами трубы.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении публикации данной статьи.

Как применить охлаждение с естественной конвекцией для управления температурным режимом электроники (часть 1 из 3)

Сегодня мы собираемся начать серию из трех частей здесь, в блоге ATS, чтобы обсудить охлаждение естественной конвекцией и то, как его применить к управлению температурой электроники.Щелкните здесь, чтобы перейти к части 2 и здесь, к части 3.

Большинство мощных электронных устройств охлаждаются потоком воздуха с принудительной конвекцией, но иногда возникает необходимость в охлаждении естественной конвекцией. Определяющие факторы, которые включают стоимость, шум, вибрацию и надежность, могут исключить использование вентилятора или нагнетателя, особенно в бытовой электронике и наружных шкафах. Отказ вентилятора также изменит режим потока с принудительного потока на естественную конвекцию. В отличие от воздушного потока, создаваемого механической работой первичного двигателя, естественная конвекция является результатом выталкивающих сил, создаваемых окружающим воздухом, нагретым источником тепла.Воздух, прилегающий к источнику тепла, поглощает тепло от поверхности, становится более горячим, чем окружающий воздух, и поднимается вверх из-за разницы в плотности. Более холодный воздух вытесняет более теплый воздух, в результате чего возникает естественная конвекция. Величина воздушного потока зависит от геометрии твердого тела, поверхностного теплового потока и характеристик плавучести несущей жидкости, определяемых безразмерным числом Рэлея.

Геометрия источника тепла играет важную роль в определении характеристик теплопередачи.Рассмотрим энергопотребляющую микросхему на печатной плате: ориентация платы относительно направления силы тяжести может иметь большое влияние на охлаждение микросхемы за счет естественной конвекции. Адаптированная форма модели Эллисона [1] может использоваться для упрощенных конфигураций, как показано ниже на Рисунке 1, для прогнозирования местного коэффициента теплопередачи для конкретного источника тепла при определенной ориентации относительно направления силы тяжести.

Где:

ч = коэффициент теплоотдачи от поверхности (Вт / м 2 .° С)

T (w) = температура поверхности упаковки (° C)

T (a) = температура окружающей среды (° C)

f, n = константы, перечисленные в таблице 1

L (ch) = характерная длина (в метрах), как определено в таблице 1

Рисунок 1. Общая ориентация электронных плат

На рисунке 1 представлены две распространенные конфигурации электронных плат. Пример A представляет собой набор карт PCI Express, которые уложены друг над другом по вектору силы тяжести, так что платы расположены перпендикулярно направлению силы тяжести.В примере B показана стопка плат ATCA, выровненных параллельно силе тяжести.

Таблица 1. Таблица параметров, используемых в аналитической модели Эллисона [1]

В части 2 мы рассмотрим ориентацию платы и ее влияние на охлаждение естественной конвекцией, а также полезные уравнения, которые можно использовать для расчета начальных и упрощенных результатов на основе жизнеспособных предположений.

—————————

Ссылки
1. Hwang, P., Ченг, Х., Фанг, Дж. И Ли, Дж., Определение тепловых характеристик микроэлектронных устройств на уровне платы при естественном конвекционном охлаждении на основе CFD, микросистемы, упаковка, сборка и технологии схем, 2007. IMPACT 2007.

«Интерферометрическое исследование естественной конвекции теплопередачи от верти» Сушил Хироо Бхавнани

Название степени

Доктор философских наук

Отдел

Машиностроение

Абстрактные

Исследование теплопередачи естественной конвекцией имеет значение в нескольких областях техники.Естественная конвекция представляет собой ограничение на скорость теплопередачи, и это становится очень важным соображением в ситуациях, в которых другие режимы либо невозможны, либо нецелесообразны. Естественная конвекция от вертикальных поверхностей с элементами крупномасштабной шероховатости встречается во многих технологических приложениях. Особый интерес представляет отвод тепла от электронных схем, где производительность и надежность компонентов сильно зависят от рабочей температуры.Естественная конвекция — это по своей сути надежный процесс охлаждения. Печатные платы представляют собой естественную ситуацию со свободной конвекцией. В других приложениях может потребоваться улучшение поверхности для достижения желаемого уровня температуры; Настоящее исследование было предпринято для получения информации о природе теплопередачи от шероховатых поверхностей. Интерферометрическая методика использовалась для экспериментального измерения локальных коэффициентов теплоотдачи. Этот метод практически не требует вмешательства и поэтому чрезвычайно подходит для изучения явлений с низким потоком, таких как естественная конвекция; были изучены несколько различных типов поверхностей, а именно повторяющиеся ребристые, ступенчатые и синусоидальные поверхности.Было изучено влияние таких параметров, как отношение высоты выступов к расстоянию между ними, амплитуда промежутков, проводимость ребер, геометрия передней кромки и угол наклона; было обнаружено, что улучшение теплопередачи возможно при ламинарной естественной конвекции с использованием элементов поперечной шероховатости. с правильным подбором размеров и формы. Теплоотдача от ребристых поверхностей оказалась меньше, чем от плоской плоской пластины такой же площади выступа. Было обнаружено, что ступенчатые поверхности можно использовать для улучшения характеристик теплопередачи по сравнению с плоской плоской пластиной с равной площадью проецирования.Исследование показало наличие оптимального соотношения шага шага к высоте. Характеристики синусоидальных поверхностей существенно не отличались от характеристик плоской плоской пластины с одинаковой площадью проецирования при низких отношениях амплитуды к длине волны. Эффективность теплопередачи снижалась по мере увеличения отношения амплитуды к длине волны. Исследование также показало, что элементы шероховатости вызывают ранний переход к турбулентному течению.

DOI

https://doi.org/10.31274/rtd-180813-10609

Издатель

Digital Repository @ Государственный университет Айовы, http: // lib.dr.iastate.edu/

Правообладатель

Сушил Хироо Бхавнани

Формат файла

заявка / pdf

Рекомендуемое цитирование

Бхавнани, Сушил Хироо, «Интерферометрическое исследование естественной конвекции теплопередачи от вертикальной плоской пластины с элементами поперечной шероховатости» (1987). Ретроспективные диссертации и диссертации . 11669.
https://lib.dr.iastate.edu/rtd/11669

Естественная конвекция — Свободная конвекция | Определение

В естественная конвекция жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, и из-за теплового расширения становится менее плотным и поднимается вверх.Решающую роль играет тепловое расширение жидкости. Другими словами, более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, в то время как более легкие (менее плотные) компоненты поднимутся, что приведет к движению объемной жидкости.

В общем, конвекция — это либо массоперенос, либо теплопередача из-за объемного движения молекул в жидкостях, таких как газы и жидкости. Хотя жидкости и газы, как правило, не очень хорошо проводят тепло, они могут довольно быстро передавать тепло за счет конвекции. Конвекция происходит посредством адвекции, диффузии или того и другого.В предыдущих главах мы рассматривали перенос конвекции в потоках жидкости, возникающих из-за внешнего вынуждающего условия — вынужденной конвекции. В этой главе мы рассматриваем естественную конвекцию , где любое движение жидкости происходит за счет естественных средств, таких как плавучесть .

Определение естественной конвекции

Естественная конвекция , известная также как свободная конвекция — это механизм или тип переноса массы и тепла, при котором движение жидкости создается только разницей плотности в жидкости, возникающей из-за перепадам температуры, а не каким-либо внешним источником (например, насосом, вентилятором, всасывающим устройством и т. д.).

В естественная конвекция жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, и из-за теплового расширения становится менее плотным и поднимается вверх. Решающую роль играет тепловое расширение жидкости. Другими словами, более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, в то время как более легкие (менее плотные) компоненты поднимутся, что приведет к движению объемной жидкости. Естественная конвекция может происходить только в гравитационном поле или при наличии другого надлежащего ускорения , например:

  • ускорения
  • центробежной силы
  • силы Кориолиса
  • 9

    по существу не работает на орбите Земли.Например, на орбитальной Международной космической станции требуются другие механизмы теплопередачи для предотвращения перегрева электронных компонентов.

    См. Также: Естественная циркуляция

    Конвекционные токи

    Движение, возникающее в результате непрерывной замены нагретой жидкости в непосредственной близости от источника тепла более холодной жидкостью поблизости, называется потоком естественной конвекции , а масса и тепло передача, которая усиливается в результате этого потока естественной конвекции , называется передачей массы естественной конвекции .

    Конвекционные токи возникают из-за разницы в плотности жидкости, возникающей из-за температурных градиентов. Конвекционные токи связаны с естественной конвекцией , при которой любое движение жидкости происходит за счет естественных средств, таких как плавучесть. При естественной конвекции материя и тепло перемещаются из одного места в другое. Конвекционные токи привлекли большое внимание исследователей из-за своего присутствия как в природе, так и в технических приложениях.

    В природе конвекционные потоки, образующиеся при поднятии воздуха над нагретой солнечным светом землей или водой, являются основной характеристикой всех погодных систем. Конвекционные потоки также наблюдаются в поднимающемся шлейфе горячего воздуха от огня, тектоники плит и океанической циркуляции.

    Создание конвекционных токов

    Создание конвекционных потоков основано на трех физических допущениях:
    • Наличие источника тепла . Требуется источник тепла, потому что конвекционные токи генерируются разницей плотности в жидкости, возникающей из-за температурных градиентов.При естественной конвекции жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло и в результате теплового расширения становится менее плотной и поднимается вверх. Решающую роль играет тепловое расширение жидкости. Другими словами, более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, в то время как более легкие (менее плотные) компоненты поднимутся, что приведет к движению объемной жидкости.
    • Наличие правильного ускорения. Естественная конвекция может происходить только в гравитационном поле или при наличии другого надлежащего ускорения, такого как ускорение, центробежная сила и сила Кориолиса.Естественная конвекция на орбите Земли практически не действует. Например, на орбитальной Международной космической станции требуются другие механизмы теплопередачи для предотвращения перегрева электронных компонентов.
    • Правильная геометрия . Наличие и величина естественной конвекции также зависят от геометрии задачи. Наличие градиента плотности жидкости в гравитационном поле не гарантирует существования естественных конвективных течений. Эта проблема проиллюстрирована на следующем рисунке, где жидкость окружена двумя большими горизонтальными пластинами разной температуры (T верхний T нижний ).
      • В корпусе A температура нижней пластины выше, чем температура верхней пластины. В этом случае плотность уменьшается в направлении силы тяжести. Эта геометрия способствует циркуляции жидкости, а передача тепла происходит посредством естественной циркуляции . Более тяжелая жидкость будет опускаться, нагреваясь при этом, в то время как более легкая жидкость поднимется, охлаждая при движении.
      • В корпусе B температура нижней пластины ниже, чем температура верхней пластины.В этом случае плотность увеличивается в направлении силы тяжести. Такая геометрия обеспечивает стабильные условия, стабильный температурный градиент и не способствует циркуляции жидкости. Передача тепла происходит исключительно за счет теплопроводности.

    Естественная конвекция — теплопередача

    Аналогично принудительной конвекции, также естественная конвекция теплопередача имеет место как на тепловая диффузия (случайное движение молекул жидкости), так и за счет адвекции , в котором вещество или тепло переносятся крупномасштабным движением токов в жидкости. На поверхности поток энергии происходит исключительно за счет теплопроводности, — даже за счет конвекции. Это связано с тем, что на поверхности теплопередачи всегда имеется тонкий слой застойной пленки жидкости . Но в следующих слоях происходит как проводимость, так и диффузионно-массовое движение на молекулярном или макроскопическом уровне. Из-за движения массы скорость передачи энергии выше. Чем выше скорость движения массы, тем тоньше будет слой застойной пленки жидкости и выше будет скорость теплового потока.

    Тепловое расширение

    Как правило, плотность может быть изменена на путем изменения давления или температуры . Увеличение давления всегда увеличивает плотность материала . Влияние давления на плотности жидкостей и твердых тел очень и очень мало. С другой стороны, на плотность газов сильно влияет давление. Это выражается сжимаемостью . Сжимаемость — это мера относительного изменения объема жидкости или твердого тела в ответ на изменение давления.

    Влияние температуры на плотность жидкостей и твердых тел также очень важно. Большинство веществ расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении . Однако степень расширения или сжатия варьируется в зависимости от материала. Это явление известно как тепловое расширение . Изменение объема материала, который претерпевает изменение температуры, определяется следующим соотношением:

    , где ∆T — изменение температуры, V — исходный объем, ∆V — изменение объема и α V — коэффициент объемного расширения .

    Следует отметить, что из этого правила есть исключения. Например, вода отличается от большинства жидкостей тем, что она становится на менее плотной по мере замерзания . Он имеет максимальную плотность при 3,98 ° C (1000 кг / м 3 ), тогда как плотность льда составляет 917 кг / м 3 . Она отличается примерно на 9%, поэтому ледяных плавучих средства для жидкой воды

    Плотность воды как функция температуры

    Плотность воды как функция температуры

    Мы знаем, что плотность газов и жидкостей обычно зависит от температуры уменьшается (из-за расширения жидкости) с повышением температуры.

    Величина теплопередачи естественной конвекции между поверхностью и жидкостью напрямую связана со скоростью потока жидкости, вызванной естественной конвекцией . Чем выше скорость потока, тем выше скорость теплопередачи. Скорость потока в случае естественной конвекции устанавливается динамическим балансом плавучести и трения .

    Допустим, пластина при температуре T стенка , которая погружена в неподвижную жидкость при температуре T в объеме , где ( T стенка > T в объеме ).Жидкость рядом с пластиной менее плотная, чем жидкость, которая удаляется далее. Силы плавучести , таким образом, вызывают пограничный слой естественной конвекции, в котором нагретая и более легкая жидкость поднимается вертикально, увлекая более тяжелую жидкость из области покоя. Результирующее распределение скорости отличается от распределения, связанного с пограничными слоями с принудительной конвекцией, и зависит также от вязкости жидкости. В частности, скорость равна нулю на поверхности , а также на границе из-за сил вязкости.Следует отметить, что естественная конвекция также развивается, если (T стенка bulk ), но в этом случае движение жидкости будет направлено вниз.

    Наличие и величина естественной конвекции также зависят от геометрии задачи. Наличие градиента плотности жидкости в гравитационном поле не гарантирует существования естественных конвективных течений. Эта проблема проиллюстрирована на следующем рисунке, где жидкость окружена двумя большими горизонтальными пластинами разной температуры (T верхний T нижний ).

    1. В случае A температура нижней пластины выше, чем температура верхней пластины. В этом случае плотность уменьшается в направлении силы тяжести. Такая геометрия способствует циркуляции жидкости, а передача тепла происходит за счет естественной циркуляции. Более тяжелая жидкость будет опускаться, нагреваясь при этом, в то время как более легкая жидкость поднимется, охлаждая при движении.
    2. В корпусе B температура нижней пластины ниже, чем температура верхней пластины.В этом случае плотность увеличивается в направлении силы тяжести. Такая геометрия обеспечивает стабильные условия, стабильный температурный градиент и не вызывает циркуляцию жидкости . Передача тепла происходит исключительно за счет теплопроводности.

    Поскольку естественная конвекция сильно зависит от геометрии, большинство корреляций теплопередачи при естественной конвекции основаны на экспериментальных измерениях, и инженеры часто используют правильные характеристические числа для описания теплопередачи естественной конвекции.

    Естественная конвекция — ламинарный и турбулентный

    Важно отметить, что пограничные слои естественной конвекции не ограничиваются ламинарным потоком. Как и в случае принудительной конвекции, могут возникать гидродинамические неустойчивости. То есть возмущения потока могут усиливаться, что приводит к переходу от ламинарного к турбулентному потоку. Для вертикальной плоской пластины поток становится турбулентным для значения:

    Ra x = Gr x . Pr> 10 9

    Как и в случае принудительной конвекции, микроскопическая природа корреляций потока и конвекции отчетливо различается в ламинарной и турбулентной областях.

    Естественная конвекция — Корреляции

    Как уже было написано, большинство корреляций теплопередачи в естественной конвекции основаны на экспериментальных измерениях, и инженеры часто используют правильные характеристические числа для описания теплопередачи естественной конвекции. Характеристическим числом, которое описывает конвективную теплопередачу (то есть коэффициент теплопередачи), является число Нуссельта , которое определяется как отношение тепловой энергии , конвектируемой к текучей среде, к тепловой энергии , проводимой внутри текучей среды.Число Нуссельта представляет усиление теплопередачи через слой жидкости в результате конвекции по сравнению с теплопроводностью через тот же слой жидкости. Но в случае свободной конвекции корреляции теплопередачи (для числа Нуссельта) обычно выражаются через число Рэлея .

    Число Рэлея используется для выражения теплопередачи при естественной конвекции. Величина числа Рэлея является хорошим индикатором того, является ли пограничный слой естественной конвекции ламинарным или турбулентным.Простые эмпирические корреляции для среднего числа Нуссельта Nu при естественной конвекции имеют вид:

    Nu x = C. Ra x n

    Значения констант C и n зависят от геометрии поверхности и режима потока, который характеризуется диапазоном числа Рэлея . Значение n обычно составляет n = 1/4 для ламинарного потока и n = 1/3 для турбулентного потока .

    Например:

    См. Также: Номер Нуссельта
    См. Также: Число Рэлея

    Пример: Естественная конвекция — Плоская пластина

    Вертикальная пластина высотой 10 см поддерживает температуру 261 ° C в сжатой воде 260 ° C (16 МПа). ). Определите число Нуссельта , используя простую корреляцию для вертикальной плоской пластины.

    Чтобы вычислить число Рэлея, мы должны знать:

    • коэффициент теплового расширения, который составляет: β = 0.0022
    • число Прандтля (для 260 ° C), которое составляет: Pr = 0,87
    • кинематическая вязкость (для 260 ° C), что составляет ν = 0,13 x 10 -6 (обратите внимание, что , это значение значительно ниже, чем для 20 ° C)

    Результирующее число Рэлея равно:

    Результирующее число Нуссельта, которое представляет усиление теплопередачи через слой жидкости в результате конвекции относительно проводимости через один и тот же слой жидкости составляет:

    Комбинированная принудительная и естественная конвекция

    Как уже было написано, конвекция происходит посредством адвекции, диффузии или того и другого.В предыдущих главах мы рассматривали перенос конвекции в потоках жидкости, возникающих из-за внешнего вынуждающего условия — вынужденная конвекция . В этой главе мы рассматриваем естественную конвекцию , где любое движение жидкости происходит за счет естественных средств, таких как плавучесть. Фактически, существуют режимы потока, в которых мы должны рассматривать оба нагнетающих механизма . Когда скорости потока низкие, естественная конвекция также будет вносить свой вклад в дополнение к принудительной конвекции. Существенна ли свободная конвекция для теплопередачи, можно проверить с помощью следующих критериев:

    • Если Gr / Re 2 >> 1 преобладает свободная конвекция
    • Если Gr / Re 2 << 1 принудительная конвекция преобладает
    • Если Gr / Re 2 ≈ 1 следует учитывать и то, и другое

    Влияние плавучести на теплопередачу в принудительном потоке сильно зависит от направления выталкивающей силы относительно потока. Естественная конвекция может помочь или повредить принудительная конвекция теплопередачи, в зависимости от относительных направлений движения, вызванного плавучестью и принудительной конвекцией. Три частных случая, которые были тщательно изучены, соответствуют вызванным плавучестью и вынужденным движениям:

    • Вспомогательный поток . Плавучее движение происходит в том же направлении, что и вынужденное движение.
    • Противоположный поток . Плавучее движение происходит в направлении, противоположном принудительному движению.
    • Поперечный поток . Подъемное движение перпендикулярно вынужденному движению.

    Очевидно, что при вспомогательном и поперечном потоках плавучесть увеличивает скорость теплопередачи, связанную с чистой принудительной конвекцией. С другой стороны, при встречных потоках это снижает скорость теплопередачи. При определении числа Нуссельта в условиях комбинированной естественной и принудительной конвекции возникает соблазн сложить вклады естественной и принудительной конвекции в вспомогательные потоки и вычесть их в противоположных потоках:

    Для конкретной интересующей геометрии Числа Нуссельта Nu принудительная и Nu естественная определяются из существующих соотношений для чистой принудительной и естественной (свободной) конвекции соответственно.Наилучшая корреляция данных с экспериментами часто достигается для показателя степени n = 3 , но он может варьироваться от 3 до 4, в зависимости от геометрии задачи.

    Естественная циркуляция

    Естественная циркуляция в замкнутом контуре

    Естественная циркуляция — это циркуляция жидкости внутри трубопроводных систем или открытых бассейнов , что связано с изменениями плотности , вызванными перепадами температур. Естественная циркуляция не требует каких-либо механических устройств для поддержания потока.

    Это явление имеет ту же природу, что и естественная конвекция, но в данном случае коэффициент теплопередачи не является объектом исследования. В данном случае объектом исследования является основной поток через контур . Это явление является скорее гидравлической проблемой , чем проблемой теплопередачи, хотя в результате естественная циркуляция отводит тепло от источника и переносит его к радиатору, что имеет первостепенное значение для безопасности реактора.

    См. Также: Естественная циркуляция

    Ссылки:

    Теплопередача:
    1. Основы тепломассообмена, 7-е издание.Теодор Л. Бергман, Эдриенн С. Лавин, Фрэнк П. Инкропера. John Wiley & Sons, Incorporated, 2011. ISBN: 9781118137253.
    2. Тепло- и массообмен. Юнус А. Ценгель. McGraw-Hill Education, 2011. ISBN: 9780071077866.
    3. Министерство энергетики США, термодинамики, теплопередачи и потока жидкости. Справочник DOE по основам, Том 2 от 3 мая 2016 г.

    Ядерная и реакторная физика:

    1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Аддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс (1983).
    2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную инженерию, 3-е изд., Прентис-Холл, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
    3. У. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
    4. Гласстон, Сесонске. Nuclear Reactor Engineering: Reactor Systems Engineering, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
    5. W.S.C. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
    6. G.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Аддисон-Уэсли Паб. Co; 1-е издание, 1965 г.
    7. Роберт Рид Берн, Введение в эксплуатацию ядерных реакторов, 1988 г.
    8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам DOE, тома 1 и 2. Январь 1993 г.
    9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

    Advanced Reactor Physics:

    1. К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, пересмотренное издание (1989), 1989, ISBN: 0-894-48033-2.
    2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
    3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *