Применение в технике и природе конвекции: сообщение применение теплопередачи в быту и технике и примеры теплопередачи

Конвекция в природе и технике

«Конвекция

в природе и технике»

  Если бы я захотел читать не зная букв, это было бы бессмыслицей. Точно так же, если бы я захотел судить о явлениях природы, не имея представления о началах вещей, это было бы такой же бессмыслицей…

М.В. Ломоносов

Что такое конвекция?

Конвекция (от лат. convectio — доставка) – это вид теплообмена, при котором тепло переносится самими струями газа или жидкости.

Объяснение конвекции

Явление конвекции можно объяснить законом Архимеда и явлением теплового расширения тел. 

При повышении температуры объем жидкости возрастает, а плотность уменьшается. Под действием архимедовых сил менее плотная нагретая жидкость поднимается вверх, а более плотная холодная жидкость опускается вниз.

Если же жидкость нагревать сверх, то менее плотная теплая жидкость там и останется и конвекция не возникнет. Так устанавливается круговорот жидкости, сопровождающийся переносом энергии от нагретых участков к более холодным. Совершенно аналогичным образом возникает конвекция в газах.

Механизм конвекции:

Виды конвекции

естественная

вынужденная

Особенности конвекции

• возникает в  жидкостях и газах, невозможна в твердых телах и вакууме;
• само вещество  переносится;
• нагревать вещества нужно снизу.

в жидкостях

в газах

Естественная конвекция

Для возникновения естественной конвекции требуется подогрев жидкости снизу (или охлаждение сверху), причем нагрев в разных участках должен быть неравномерным.

Вынужденная конвекция

При вынужденной конвекции потоки нагретой (или охлажденной) жидкости или газа переносятся под действием насосов или вентиляторов. Такая конвекция используется в тех случаях, когда естественная конвекция оказывается недостаточно эффективной, а также в состоянии невесомости, когда естественная конвекция невозможна.

Конвекция в природе и технике

работа обычной батареи отопления; 

тяга в печи;

отопление дома;

образование облаков;

образование ветра, бриза и муссонов;

движение тектонических плит;

процессы горообразования;

  процесс  дымообразования из труб и кратеров вулканов;

процесс  охлаждения продуктов в холодильнике;

КОНВЕКЦИЯ В ЖИЗНИ ЧЕЛОВЕКА

ОБЪЯСНИ ЗАДАЧУ

: Пришёл купец к другому купцу в гости. Тот гостю обрадовался, и самовар растапливать стал. Наложил щепок в самоварную трубу, поджёг их сверху. Вода в самоваре закипела – пар из самовара повалил. Сели за стол чай пить. В чашки чайные наливают из самовара воду, а она холодная. Почему купцам не удалось чаю попить?

Почему алюминиевая кружка с чаем обжигает губы, а фарфоровая чашка с чаем нет?

Ветры бризы, возникающие на берегах морей.   В каком направлении дуют они в летние дни днем и ночью и почему?  Где надо расположить лед: снизу или сверху, чтобы охладить продукты?

 

Литература.

1.Алейникова Л.А. Теплообмен в природе и технике. Физика. Издательский дом «Первое сентября» №22, 2006 г.

2. Атаманченко А.К. Физика за малые деньги. Издательство «Школа – Пресс», «Физика в школе», 1998, №2.

3.Галин Н. М., Кириллов П. Л. Тепломассообмен. — М.: Энергоатомиздат, 1987.

4.Григорьев Б. А., Цветков Ф. Ф. Тепломассообмен: Учеб. пособие — 2-е изд. — М: МЭИ, 2005.

5.Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учеб. заведений. – М.: Дрофа, 2005.

6. Крюков С.Н. Физика: третий вопрос в экзаменационных билетах: итоговая аттестация. 11 класс. – М.: Чистые пруды, 2007.

7.Материал из Википедии — свободной энциклопедии.

8. Мир физики в художественной литературе/ Ред.-сост. С.А.Тихомирова. – М.: Школа – Пресс, 1997.

9.Перышкин А.В. Физика. 8 кл.: Учеб. для общеобразоват.учреждений. – М.: Дрофа, 2004.

10.Семке А.И. Практические работы по физике с экологическим содержанием: Естественнонаучный профиль. 9-11 классы. – М.: Чистые пруды, 2008.

11.  Семке А.И. Физика и живая природа: Занимательный материал к уроку. 7-9 классы. – М.: Чистые пруды, 2008.

12.  Физика: Молекулярная физика и термодинамика с основами общей астрономии: Учеб.для 7 кл. общеобразоват.учреждений / Под редакцией А.А.Фадеевой. – М.: Просвещение, 2000.

13.  http://images.yandex.ru

14.  http://www.tvk.by/pimg/s_63.jpghttp://images.yandex.ru

   

 

Виды теплопередачи в быту, их учет и использование

Основные виды теплопередачи в быту — это перераспределение температур путем нагрева, излучения или конвекции. Разные материалы имеют отличные друг от друга свойства. Хорошими проводниками являются все металлические изделия.

Классификация

Существуют основные виды теплопередачи в быту: теплопроводность (между твердыми телами), конвекция (имеет отношение к газовым средам), излучение (передача тепла бесконтактным способом). Теплопередача обозначает действие преобразования энергии внутри предмета без осуществления внешнего воздействия на него. Перенос тепла происходит благодаря внутренним процессам.

Виды теплопередачи в быту:

• Перенос энергии от разогретой подошвы утюга к тканям.
• Нагрев металлической вставки рукоятки ножа после опускания его кончика в кипящую воду.
• Ручка металлического половника становится огненной, после опускания его в горячий суп.
• Нагрев плафона освещения от лампы накаливания, размещенной внутри люстры.

Перечисленные процессы описывают только некоторые виды теплопередачи в быту. Нагрев воздуха от батареи является примером конвекции, когда энергия пассивно передается от твердого тела газообразному веществу. Этот процесс описывают взаимодействием молекул между собой.

Материалы

Рассматривать примеры теплопередачи в природе и быту проще всего на металлических предметах. Они обладают самыми высокими показателями теплопроводности. К таким относят медные стержни (штативы, проволоку, трубы, пружины), сталь и сплавы.

Доказательством теплопередачи является стеклянный термометр. Стальная ножка контактирует с ртутью, нагревается человеческим телом. Жидкое вещество начинает расширяться, что мы видим по встроенной шкале.

Пластмассы тоже хорошо передают тепло. Этот процесс мы наблюдаем в процессе зарядки смартфона, планшета или ноутбука. Задняя крышка всегда более тёплая. Там и происходит перераспределение внутренней энергии.

Изученные виды теплопередачи в природе, быту используются повсеместно. В обычном чайнике тепло от металлического корпуса передается жидкости. А она в свою очередь нагревает ручку из пластмассового материала. Передача энергии в последнем случае осуществляется за счет пара.

Закономерности вокруг нас

Теплопередача в природе, технике, быту зависит от множества условий. Соприкасаемые друг с другом материалы передают энергию по-разному. Это мы можем увидеть на примере обычного окна. Между стеклянными поверхностями задуман промежуток из воздушной прослойки. Последняя слабо передает тепло.

Стеклянные поверхности быстро принимают и отдают энергию. Пористые материалы обладают практически нулевой теплопроводностью. Поэтому их используют для утепления фасадов зданий при строительстве.

Доказательством различной теплопроводности является одежда, сделанная из различных по свойствам тканей. Шерсть и другие ворсистые материалы плохо проводят тепло. А плащевка (синтетика) пропускает энергию моментально. Поэтому в изделиях из таких тканей холодно зимой.

Закономерности дома

По утрам наливая кружку горячего чая, какие мы можем увидеть виды теплопередачи? Их учёт и использование в быту будет выглядеть так:

• Кружка горячего чая помещается в подстаканник из слабо проводящего тепло материала. Часто этот вариант используется проводниками в поездах.
• Металлические кастрюли оборудуются крышками с ручками из пробкового дерева либо пластмассы. Последние материалы практически не нагреваются.
• Ручки ножей, ложек, половников также оформляются пластиковыми вставками.
• У газовых и электрических плит поверхность духового шкафа покрывается фольгированным материалом, способным отражать тепло. А между корпусом и нагревающимися элементами предусмотрены воздушные зазоры.

Для рационального потока воздуха в комнате форточки на окнах располагаются наверху. Тепло всегда поднимается, а холодный воздух с улицы помогает равномерно распределяться энергии в помещении. Когда мы открываем окно, мерзнут в первую очередь именно ноги. Эта неравномерность выравнивается за счет конвекции.

Отличия

Существуют свои особенности различных видов теплопередачи. У конвекции преимущественно перенос тепла происходит за счет смешивания газов. Молекулы передают энергию за счет соприкосновения. В конце процесса температура в замкнутом объеме выравнивается. После закрытия окна в комнате температура воздуха одинакова везде, если нет других источников тепла или холода.

Теплопередача зависит от вида материала. Так, сталь и медь после соприкосновения будут отличаться по температуре. Это объясняется различными свойствами передачи энергии. Нагретый металлический предмет не нагревает пробковый материал. Ложка в стакане чая раскаляется так, что невозможно ее взять в руки. Однако она может быть изготовлена из алюминиевого сплава, а он обладает низкой теплопроводностью.

Излучение наблюдают во всех вышеперечисленных примерах. За счет этого явления происходит незначительная потеря энергии. В бытовых приборах это явление наблюдается особенно сильно: в нагревателях, утюгах, паяльниках. Заметить лучи можно, поднося руку на расстоянии к поверхности нагрева. Ощущаться должно небольшое тепло — это происходит за счет инфракрасного излучения.

Излучение

Используются все виды теплопередачи в природе, быту, технике. Излучение инфракрасного спектра можно встретить в медицинских приборах. Оно положительно влияет на поверхность тела. Таким образом прогревают мышцы, суставы, внутренние органы.

В природе главным источником тепла являются солнечные лучи. Именно излучением согревается планета Земля. Все растения питаются этой энергией. Моря и океаны, воздух приходят в движение. Ветра образуются под влиянием инфракрасного спектра.

Излучение учитывают при производстве всех бытовых приборов, работающих от электрического тока. Телефонные мобильные аппараты греются постоянно. Именно поэтому не рекомендуется располагать смартфоны в области сердца.

Доказательства закономерностей опытами

Для проведения простого эксперимента потребуется медный провод небольшой длины. Оголяют два конца, один из которых берут в руку. Второй помещают над огнем или в кипящую воду.

Постепенно оба конца становятся горячими. Но в области изоляции провод можно спокойно удерживать. Это есть доказательство теплопроводности. Для опыта с конвекцией достаточно открыть окно. Предметы внизу будут более холодными, чем у потолка. После закрытия форточки температура тел сравняется.

Излучение можно ощутить от любого нагретого предмета. На расстоянии ощущается передача тепла. При таянии льда на расстоянии ощущается и холод. Невидимые лучи можно почувствовать рукой, если засунуть её в пространство морозилки холодильника.

Теплопроводность ощущается при работе стиральной машины. Достаточно потрогать крышку люка при нагреве воды. Воск на свече нужен для снижения теплоотдачи, чтобы она горела дольше.

Опыты с различными материалами

Доказательство теплопроводности можно получить путем нагрева стальной и серебряной ложек. Два металла имеют различные свойства передачи энергии. На конец ручки каждой ложки нужно нанести воск. Далее нагревают оба предмета от одинакового источника тепла с другой стороны.

У стальной ложки воск растает гораздо раньше, что говорит о лучшей теплопроводности. Вместо воска можно взять кусочек замороженного сливочного масла или маргарина для опыта в домашних условиях.

Второй опыт доказывает зависимость теплопроводности от цвета материала. Потребуется темный и светлый чайники. Оба сосуда нагревают до кипения в них воды и засекают время остывания каждого.

По законам физики темный чайник остывает дольше. Это доказывает, что светлые материалы нагреваются меньше. Поэтому в жаркое время носят белые панамки. Ведь солнечные лучи притягиваются черной тканью.

В мороз же мы носим теплые шарфы, чтобы не произошло обледенение лица. Так, в шерстяной варежке рука абсолютно не мерзнет в морозилке. Это говорит о низкой теплопроводности материала.

Примеры теплопередачи в природе, в быту

Тепловая энергия является термином, который мы используем для описания уровня активности молекул в объекте. Повышенная возбужденность, так или иначе, связана с увеличением температуры, в то время как в холодных объектах атомы перемещаются намного медленней.

Примеры теплопередачи можно встретить повсюду — в природе, технике и повседневной жизни.

Примеры передачи тепловой энергии

Самым большим примером передачи тепла является солнце, которое согревает планету Земля и все, что на ней находится. В повседневной жизни можно встретить массу подобных вариантов, только в гораздо менее глобальном смысле. Итак, какие же примеры теплопередачи можно наблюдать в быту?

Вот некоторые из них:

• Газовая или электрическая плита и, например, сковорода для жарки яиц.
• Автомобильные виды топлива, такие как бензин, являются источниками тепловой энергии для двигателя.
• Включенный тостер превращает кусок хлеба в тост. Это связано с лучистой тепловой энергией тоста, который вытягивает влагу из хлеба и делает его хрустящим.
• Горячая чашка дымящегося какао согревает руки.
• Любое пламя, начиная от спичечного пламени и заканчивая массивными лесными пожарами.
• Когда лед помещают в стакан с водой, тепловая энергия из воды его плавит, то есть сама вода является источником энергии.
• Система радиатора или отопления в доме обеспечивает тепло в течение долгих и холодных зимних месяцев.
• Обычные печи являются источниками конвекции, в результате чего помещенный в них пищевой продукт нагревается, и запускается процесс приготовления.
• Примеры теплопередачи можно наблюдать и в своем собственном теле, взяв в руку кусочек льда.
• Тепловая энергия есть даже внутри у кошки, которая может согреть колени хозяина.

Тепло — это движение

Тепловые потоки находятся в постоянном движении. Основными способами их передачи можно назвать конвенцию, излучение и проводимость. Давайте рассмотрим эти понятия более подробно.

Что такое проводимость?

Возможно, многие не раз замечали, что в одном и том же помещении ощущения от прикосновения с полом могут быть совершенно разные. Приятно и тепло ходить по ковру, но если зайти в ванную комнату босыми ногами, ощутимая прохлада сразу дает чувство бодрости. Только не в том случае, где есть подогрев полов.

Так почему же плиточная поверхность мерзнет? Это все из-за теплопроводности. Это один из трех типов передачи тепла. Всякий раз, когда два объекта различных температур находятся в контакте друг с другом, тепловая энергия будет проходить между ними. Примеры теплопередачи в этом случае можно привести следующие: держась за металлическую пластину, другой конец которой будет помещен над пламенем свечи, со временем можно почувствовать жжение и боль, а в момент прикосновения к железной ручке кастрюли с кипящей водой можно получить ожог.

Факторы проводимости

Хорошая или плохая проводимость зависит от нескольких факторов:

• Вид и качество материала, из которого сделаны предметы.
• Площадь поверхности двух объектов, находящихся в контакте.
• Разница температур между двумя объектами.
• Толщина и размер предметов.

В форме уравнения это выглядит следующим образом: скорость передачи тепла к объекту равна теплопроводности материала, из которого изготовлен объект, умноженной на площадь поверхности в контакте, умноженной на разность температур между двумя объектами и деленной на толщину материала. Все просто.

Примеры проводимости

Прямая передача тепла от одного объекта к другому называются проводимостью, а вещества, которые хорошо проводят тепло, называются проводниками. Некоторые материалы и вещества плохо справляются с этой задачей, их называют изоляторами. К ним относят древесину, пластмассу, стекловолокно и даже воздух. Как известно, изоляторы фактически не останавливают поток тепла, а просто его замедляют в той или иной степени.

Конвекция

Такой вид теплопередачи, как конвекция, происходит во всех жидкостях и газах. Можно встретить такие примеры теплопередачи в природе и в быту. Когда жидкость нагревается, молекулы в нижней части набирают энергию и начинают двигаться быстрее, что приводит к уменьшению плотности. Теплые молекулы текучей среды начинают двигаться вверх, в то время как охладитель (более плотная жидкость) начинает тонуть. После того как прохладные молекулы достигают дна, они опять получают свою долю энергии и снова стремятся к вершине. Цикл продолжается до тех пор, пока существует источник тепла в нижней части.

Примеры теплопередачи в природе можно привести следующие: при помощи специального оборудованной горелки теплый воздух, наполняя пространство воздушного шара, может поднять всю конструкцию на достаточно большую высоту, все дело в том, что теплый воздух легче холодного.

Излучение

Когда вы сидите перед костром, вас согревает исходящее от него тепло. То же самое происходит, если поднести ладонь к горящей лампочке, не дотрагиваясь до нее. Вы тоже почувствуете тепло. Самые крупные примеры теплопередачи в быту и природе возглавляет солнечная энергия. Каждый день тепло солнца проходит через 146 млн. км пустого пространства вплоть до самой Земли. Это движущая сила для всех форм и систем жизни, которые существуют на нашей планете сегодня. Без этого способа передачи мы были бы в большой беде, и мир был бы совсем не тот, каким мы его знаем.

Излучение — это передача тепла с помощью электромагнитных волн, будь то радиоволны, инфракрасные, рентгеновские лучи или даже видимый свет. Все объекты излучают и поглощают лучистую энергию, включая самого человека, однако не все предметы и вещества справляются с этой задачей одинаково хорошо. Примеры теплопередачи в быту можно рассмотреть при помощи обычной антенны. Как правило, то, что хорошо излучает, также хорошо и поглощает. Что касается Земли, то она принимает энергию от солнца, а затем отдает ее обратно в космос. Эта энергия излучения называется земной радиацией, и это то, что делает возможной саму жизнь на планете.

Примеры теплопередачи в природе, быту, технике

Передача энергии, в частности тепловой, является фундаментальной областью исследования для всех инженеров. Излучение делает Землю пригодной для обитания и дает возобновляемую солнечную энергию. Конвекция является основой механики, отвечает за потоки воздуха в зданиях и воздухообмен в домах. Проводимость позволяет нагревать кастрюлю, всего лишь поставив ее на огонь.

Многочисленные примеры теплопередачи в технике и природе очевидны и встречаются повсюду в нашем мире. Практически все из них играют большую роль, особенно в области машиностроения. Например, при проектировании системы вентиляции здания инженеры высчитывают теплоотдачу здания в его окрестностях, а также внутреннюю передачу тепла. Кроме того, они выбирают материалы, которые сводят к минимуму или максимизируют передачу тепла через отдельные компоненты для оптимизации эффективности.

Испарение

Когда атомы или молекулы жидкости (например, воды) подвергаются воздействию значительного объема газа, они имеют тенденцию самопроизвольно войти в газообразное состояние или испариться. Это происходит потому, что молекулы постоянно движутся в разных направлениях при случайных скоростях и сталкиваются друг с другом. В ходе этих процессов некоторые из них получают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы отталкиваться от источника нагревания.

Однако не все молекулы успевают испариться и стать водяным паром. Все зависит от температуры. Так, вода в стакане будет испаряться медленнее, чем в нагреваемой на плите кастрюле. Кипение воды значительно увеличивает энергию молекул, что, в свою очередь, ускоряет процесс испарения.

Основные понятия

• Проводимость — это передача тепла через вещество при непосредственном контакте атомов или молекул.
• Конвекция — это передача тепла за счет циркуляции газа (например, воздуха) или жидкости (например, воды).
• Излучение — это разница между поглощенным и отраженным количеством тепла. Эта способность сильно зависит от цвета, черные объекты поглощают больше тепла, чем светлые.
• Испарение — это процесс, при котором атомы или молекулы в жидком состоянии получают достаточно энергии, чтобы стать газом или паром.
• Парниковые газы — это газы, которые задерживают тепло солнца в атмосфере Земли, производя парниковый эффект. Выделяют две основные категории — это водяной пар и углекислый газ.
• Возобновляемые источники энергии — это безграничные ресурсы, которые быстро и естественно пополняются. Сюда можно отнести следующие примеры теплопередачи в природе и технике: ветры и энергию солнца.
• Теплопроводность — это скорость, с которой материал передает тепловую энергию через себя.
• Тепловое равновесие — это состояние, в котором все части системы находятся в одинаковом температурном режиме.

Применение на практике

Многочисленные примеры теплопередачи в природе и технике (картинки выше) указывают на то, что эти процессы должны быть хорошо изучены и служили во благо. Инженеры применяют свои знания о принципах передачи тепла, исследуют новые технологии, которые связаны с использованием возобновляемых ресурсов и являются менее разрушительными для окружающей среды. Ключевым моментом является понимание того, что перенос энергии открывает бесконечные возможности для инженерных решений и не только.

Примеры теплообмена в природе и технике

1.

Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. При этом воздух над сушей расширяется, после чего его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по низу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) — дует ветер. Это и есть дневной (или морской) бриз.

Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Теперь более высокое давление оказывается над сушей, и потому воздух начинает перемещаться от берега к морю. Это ночной (или береговой) бриз.

2. Тяга. Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку или печь не будет поступать воздух, то горение прекратится. Для поддержания горения часто используют естественный приток воздуха — тягу. При этом над местом горения топлива устанавливают трубу. Нагреваясь, воздух расширяется, и давление в топке и трубе становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух устремляется извне в топку, а теплый поднимается вверх по трубе. Это и есть тяга.

С увеличением высоты трубы тяга усиливается, так как, чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе.

3. Водяное отопление. Жители стран, расположенных в умеренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свои жилища в холодную погоду. В жилых помещениях наиболее благо приятной для человека считается температура 18—20 °С. Для поддержания такой температуры во многих домах применяют водяное отопление.

Нагревание воды в системах центрального отопления происходит за пределами отапливаемого помещения (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ). От нагревателя горячая вода по трубопроводам поступает в здания. Здесь (рис. 71) она по главному стояку 1 поднимается вверх, а оттуда — по трубам в отопительные приборы (радиаторы 2). По мере охлаждения в них вода возвращается вниз и снова поступает к нагревателю. Так осуществляется непрерывная циркуляция воды по всей системе. В небольших зданиях эта циркуляция возникает благодаря естественной конвекции, а в больших городских домах она происходит за счет действия специальных насосов (искусственная или принудительная конвекция).

Для предотвращения разрушения отопительной системы (в результате увеличения давления при расширении нагреваемой жидкости) главный стояк 1 снабжают расширительным баком 3.

4. Термос. Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чайник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный теплообмен, причем во всех его трех проявлениях (при конвекции, теплопроводности и излучении). Это достигается путем помещения тела в специальный сосуд — сосуд Дьюара, который был изобретен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Сосуды Дьюара вначале применялись лишь для хранения легкоиспаряюшихся сжиженных газов (например, жидкого гелия). Впоследствии их стали применять и в бытовых целях — для сохранения при неизменной температуре помещаемых в них пищевых продуктов. Такие сосуды Дьюара стали называть термосами (рис. 72).

Устройство термоса, предназначенного для хранения жидкостей, показано на рисунке 73. Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стенками. Внутренняя поверхность этих стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреждений, его помещают в картонный или металлический футляр 3. Сосуд закупоривают пробкой 2, а сверху футляра навинчивают колпачок 1.

Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стенками препятствует переносу энергии путем конвекции и теплопроводности, а блестящий слой па внутренней поверхности термоса препятствует передаче энергии излучением.

1. Почему дневной бриз дует с моря в сторону берега, а ночной бриз — с берега в сторону моря? 2. В результате чего возникает тяга? 3. Как устроена система водяного отопления? 4. Расскажите об устройстве термоса. За счет чего в нем удается уменьшить теплообмен? Почему пища в термосе все-таки охлаждается?

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

Код и классификация направлений подготовки	Код группы образовательной программы	Наименование групп образовательных программ	Количество мест
8D01 Педагогические науки
8D011 Педагогика и психология	D001	Педагогика и психология	45
8D012 Педагогика дошкольного воспитания и обучения	D002	Дошкольное обучение и воспитание	5
8D013 Подготовка педагогов без предметной специализации	D003	Подготовка педагогов без предметной специализации	22
8D014 Подготовка педагогов с предметной специализацией общего развития	D005	Подготовка педагогов физической культуры	7
8D015 Подготовка педагогов по естественнонаучным предметам	D010	Подготовка педагогов математики	30
	D011	Подготовка педагогов физики (казахский, русский, английский языки)	23
	D012	Подготовка педагогов информатики (казахский, русский, английский языки)	35
	D013	Подготовка педагогов химии (казахский, русский, английский языки)	22
	D014	Подготовка педагогов биологии (казахский, русский, английский языки)	18
	D015	Подготовка педагогов географии	18
8D016 Подготовка педагогов по гуманитарным предметам	D016	Подготовка педагогов истории	17
8D017 Подготовка педагогов по языкам и литературе	D017	Подготовка педагогов казахского языка и литературы	37
	D018	Подготовка педагогов русского языка и литературы	24
	D019	Подготовка педагогов иностранного языка	37
8D018 Подготовка специалистов по социальной педагогике и самопознанию	D020	Подготовка кадров по социальной педагогике и самопознанию	10
8D019 Cпециальная педагогика	D021	Cпециальная педагогика	20
		Всего	370
8D02 Искусство и гуманитарные науки
8D022 Гуманитарные науки	D050	Философия и этика	20
	D051	Религия и теология	11
	D052	Исламоведение	6
	D053	История и археология	33
	D054	Тюркология	7
	D055	Востоковедение	10
8D023 Языки и литература	D056	Переводческое дело, синхронный перевод	16
	D057	Лингвистика	15
	D058	Литература	26
	D059	Иностранная филология	19
	D060	Филология	42
		Всего	205
8D03 Социальные науки, журналистика и информация
8D031 Социальные науки	D061	Социология	20
	D062	Культурология	12
	D063	Политология и конфликтология	25
	D064	Международные отношения	13
	D065	Регионоведение	16
	D066	Психология	17
8D032 Журналистика и информация	D067	Журналистика и репортерское дело	12
	D069	Библиотечное дело, обработка информации и архивное дело	3
		Всего	118
8D04 Бизнес, управление и право
8D041 Бизнес и управление	D070	Экономика	39
	D071	Государственное и местное управление	28
	D072	Менеджмент и управление	12
	D073	Аудит и налогообложение	8
	D074	Финансы, банковское и страховое дело	21
	D075	Маркетинг и реклама	7
8D042 Право	D078	Право	30
		Всего	145
8D05 Естественные науки, математика и статистика
8D051 Биологические и смежные науки	D080	Биология	40
	D081	Генетика	4
	D082	Биотехнология	19
	D083	Геоботаника	10
8D052 Окружающая среда	D084	География	10
	D085	Гидрология	8
	D086	Метеорология	5
	D087	Технология охраны окружающей среды	15
	D088	Гидрогеология и инженерная геология	7
8D053 Физические и химические науки	D089	Химия	50
	D090	Физика	70
8D054 Математика и статистика	D092	Математика и статистика	50
	D093	Механика	4
		Всего	292
8D06 Информационно-коммуникационные технологии
8D061 Информационно-коммуникационные технологии	D094	Информационные технологии	80
8D062 Телекоммуникации	D096	Коммуникации и коммуникационные технологии	14
8D063 Информационная безопасность	D095	Информационная безопасность	26
		Всего	120
8D07 Инженерные, обрабатывающие и строительные отрасли
8D071 Инженерия и инженерное дело	D097	Химическая инженерия и процессы	46
	D098	Теплоэнергетика	22
	D099	Энергетика и электротехника	28
	D100	Автоматизация и управление	32
	D101	Материаловедение и технология новых материалов	10
	D102	Робототехника и мехатроника	13
	D103	Механика и металлообработка	35
	D104	Транспорт, транспортная техника и технологии	18
	D105	Авиационная техника и технологии	3
	D107	Космическая инженерия	6
	D108	Наноматериалы и нанотехнологии	21
	D109	Нефтяная и рудная геофизика	6
8D072 Производственные и обрабатывающие отрасли	D111	Производство продуктов питания	20
	D114	Текстиль: одежда, обувь и кожаные изделия	9
	D115	Нефтяная инженерия	15
	D116	Горная инженерия	19
	D117	Металлургическая инженерия	20
	D119	Технология фармацевтического производства	13
	D121	Геология	24
8D073 Архитектура и строительство	D122	Архитектура	15
	D123	Геодезия	16
	D124	Строительство	12
	D125	Производство строительных материалов, изделий и конструкций	13
	D128	Землеустройство	14
8D074 Водное хозяйство	D129	Гидротехническое строительство	5
8D075 Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	D130	Стандартизация, сертификация и метрология (по отраслям)	11
		Всего	446
8D08 Сельское хозяйство и биоресурсы
8D081 Агрономия	D131	Растениеводство	22
8D082 Животноводство	D132	Животноводство	12
8D083 Лесное хозяйство	D133	Лесное хозяйство	6
8D084 Рыбное хозяйство	D134	Рыбное хозяйство	4
8D087 Агроинженерия	D135	Энергообеспечение сельского хозяйства	5
	D136	Автотранспортные средства	3
8D086 Водные ресурсы и водопользование	D137	Водные ресурсы и водопользования	11
		Всего	63
8D09 Ветеринария
8D091 Ветеринария	D138	Ветеринария	21
		Всего	21
8D11 Услуги
8D111 Сфера обслуживания	D143	Туризм	11
8D112 Гигиена и охрана труда на производстве	D146	Санитарно-профилактические мероприятия	5
8D113 Транспортные услуги	D147	Транспортные услуги	5
	D148	Логистика (по отраслям)	4
8D114 Социальное обеспечение	D142	Социальная работа	10
		Всего	35
		Итого	1815
		АОО «Назарбаев Университет»	65
		Стипендиальная программа на обучение иностранных граждан, в том числе лиц казахской национальности, не являющихся гражданами Республики Казахстан	10
		Всего	1890

Сравнение видов теплопередачи.

Примеры теплопередачи в природе и технике.

Урок № 6. Тема: Сравнение видов теплопередачи.

Примеры теплопередачи в природе и технике

Цель урока: Углубить знания учащихся о видах теплообмена и их роли и природе и технике. Рассмотреть примеры использования видов теплообмена в раз­личных областях человеческой деятельности.

Демонстрации:

1. Работа термоса.

2. Работа вертушки над поверхностью горячей воды.

3. Рисунки, слайды, таблицы по примерам теплопередачи и природе и технике.

Ход урока

Повторение изученного материала

1. Что понимают под внутренней энергией тела? При каких условиях внутренняя энергия тела изменяется?

2. Какой процесс называют теплопередачей? Перечислите виды теплопередачи.

3. Раскройте физическую суть процесса нагревания холодной металлической ложки, опущенной в горячую воду. Происходит ли при этом перенос вещества? Какие вещества обладают наибольшей теплопроводностью? наименьшей?

4. Почему при деформации тела его внутренняя энергия из­меняется?

5. Какой процесс называется конвекцией? Дайте объяснение этого процесса. В каких средах она возможна? Почему?

6. Каким видом теплопередачи солнечная энергия передается на Землю? Почему этот вид теплопередачи является единственно возможным в данном случае?

7. Что является источником теплового излучения? Какие тела поглощают излучение лучше? хуже?

8. Проверка решения задач № 1-3 из упр. 2 и № 1-3 из упр. 3.

Самостоятельная работа

Уровень 1

1. Почему ручки кранов у баков с горячей водой делают деревянными?

2. Какие из перечисленных ниже веществ обладают хорошей теплопро­водностью: медь, воздух, алюминий, вода, стекло, водяной пар?

Уровень 2

1. Что стынет быстрее: стакан компота или стакан киселя? Почему?

2. Обыкновенный или пористый кирпич обеспечит лучшую теплоизо­ляцию здания? Почему?

Уровень 3

1. Будет ли гореть свеча на борту космического орбитального комплекса?

2. Зачем на нефтебазах баки для хранения топлива красят «серебряной» краской?

3. Почему термосы изготавливают круглого, а не квадратного сечения?

Уровень 4

1. Какие тела — твердые, жидкие или газообразные — обладают лучшей теплопроводностью?

2. Когда парусным судам удобнее входить в гавань — днем или ночью?

3. Почему самая высокая температура воздуха не в полдень, а после по­лудня?

4. Почему тонкая полиэтиленовая пленка предохраняет растения от ночного холода?

Фронтальный опрос:

1. При какой температуре и металл, и дерево будут казаться одина­ково нагретыми?

2. Почему форточки для проветривания комнаты помещают в верх­ней части окна?

3. Почему снег в городе тает быстрее, чем в поле?

4. Почему в низинах растения чаще гибнут от заморозков, чем на возвышенностях?

5. Почему зимой в доме, где рамы двойные, теплее, чем в доме с однократным застеклением?

6. Почему эскимосы зимой смазывают лицо жиром?

7. В каком из двух сосудов закипит быстрее вода? Один сосуд свет­лый, а другой закопченный.

8. Согласны ли вы с утверждением, что шуба «греет»?

Изучение нового материала

Материал урока связан с определением места изученных ранее явлений в нашей жизни, поэтому можно объяснение построить на привлечении раз­личного дополнительного материала, который повысит познавательную деятельность учеников.

1. Ветры

Говоря о конвекционных эффектах, можно привести в качестве примера ветры, которые постоянно дуют в земной атмосфере. Именно перенос вет­рами огромной энергии, либо наоборот, приводит к заметному изменению погоды в данном регионе.

Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба. Конвекцией, например, объясняются бризы — ночные и дневные ветры, возникающие на берегах морей и больших озер.

В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой. При этом воздух над сушей расширяется, после чего его давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по­ низу с моря (где давление больше) перемещается к берегу (где давление меньше) — дует ветер. Это и есть дневной (или мор­ской) бриз.

Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Теперь более высокое давление оказывается над сушей, и потому воздух начи­нает перемещаться от берега к морю. Это ночной (или береговой) бриз.

Побережье любого теплого моря зимой всегда имеет более высокую среднюю температуру, чем материковые области, которые могут находиться южнее. Пример. Побережье Мурманской облас­ти и центральная Сибирь. Существование теплых и холодных морских те­чений — тоже примеры конвекционных явлений.

1. Тяга

Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку или печь не будет поступать воздух, то горение прекратится. Для поддержания горения часто используют естественный приток воздуха — тягу. При этом над местом горения топлива устанавливают трубу. Нагреваясь, воз­дух расширяется, и давление в топке и трубе становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений хо­лодный воздух устремляется извне в топку, а теплый поднимается вверх по трубе. Это и есть тяга.

С увеличением высоты трубы тяга усиливается, так как, чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница дав­лений наружного воздуха и воздуха в трубе. Часто можно в зоне промышленных предприятий увидеть высокие тру­бы из кирпича. Они служат для создания хорошей тяги. Теплый газ или дым легче холодного воздуха, и поэтому он поднимается вверх. Чем боль­ше перепад давления внизу и вверху трубы, тем лучше тяга. Поэтому трубы и делают высокими. Ясно, что из двух труб одинаковой высоты лучшая тяга будет у кирпичной, нежели у металлической. Горячий воздух в метал­лической трубе остывает при подъеме быстрее, отчего тяга уменьшается.

1. Водяное отопление

Жители стран, расположенных в уме­ренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свои жилища в холодную погоду. В жилых помещениях наиболее благо­приятной для человека считается температура 18—20 °С. Для поддержания такой температуры во многих домах применяют водяное отопление. Принцип отопления связан с циркуляцией горячей воды по трубам. Источником горячей воды являются котельные и ТЭЦ. Вода, циркулируя по трубам, отдает часть тепла, охлаждается, затем снова идет на нагрев в ТЭЦ. Любые изменения давления в системе регулируют при помощи рас­ширительных баков.

Нагревание воды в системах центрального отопления проис­ходит за пределами отапливаемого помещения (в котельных или теплоэлектроцентралях — ТЭЦ).

От нагревателя горячая вода по трубопроводам поступает в здания. Здесь (рис) она по глав­ному стояку 1 поднимается вверх, а оттуда — по трубам в отопи­тельные приборы (радиаторы 2). По мере охлаждения в них вода возвра­щается вниз и снова поступает к нагревателю. Так осуществляется не­прерывная циркуляция воды по всей системе. В небольших зданиях эта циркуляция возникает благодаря естественной конвекции, а в больших городских домах она происходит за счет действия специальных насосов (искусственная или принудительная конвекция).

Для предотвращения разрушения отопительной системы (в результате увеличения давления при расшире­нии нагреваемой жидкости) главный стояк 1 снабжают расширительным баком 3.

1. Термос

Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому, например, горячий чай ник, снятый с плиты, при соприкосновении с окружающим воздухом через некоторое время остывает. Чтобы помешать телу остывать (или нагреваться), нужно предотвратить возможный тепло обмен, причем во всех его трех проявлениях (при конвекции, теплопроводности и излучении). Это достигается путем помещения тела в специальный сосуд — сосуд Дьюара, который был изобре­тен в 1892 г. английским ученым Джеймсом Дьюаром.

Сосуды Дьюара вначале применялись лишь для хранения легкоиспаряющихся сжиженных га­зов (например, жидкого гелия). Впоследствии их стали применять и в бытовых целях — для сохра­нения при неизменной температуре помещаемых в них пищевых продуктов. Такие сосуды Дьюара стали называть термосами (рис.).

Устройство термоса, предназначенного для хранения жидкостей, показано на рисунке. Он состоит из стеклянного сосуда 4 с двойными стен­ками. Внутренняя поверхность этих стенок покры­та блестящим металлическим слоем, а из прост­ранства между стенками выкачан воздух. Чтобы защитить стеклянный корпус термоса от повреж­дений, его помещают в картонный или металли­ческий футляр 3. Сосуд закупоривают пробкой 2, а сверху футляра навинчивают колпачок 1.

Термос устроен таким образом, что теплообмен его содержимого с окружающей средой сведен до минимума. Отсутствие воздуха между его стен­ками препятствует переносу энергии путем кон­векции и теплопроводности, а блестящий слой на внутренней поверхности термоса препятствует пе­редаче энергии излучением.

Можно в качестве примера провести опыт: налить в открытый сосуд и термос равные порции воды, нагретой до 70°С. Затем, через 10 — 20 минут, измерить температуру в обоих сосудах. Ясно, что в термосе температура изменится очень слабо, а в открытом сосуде — заметно.

Использование теплиц. Роль стекла в создании в теплице оп­ределенного микроклимата (отражение теплового излучения нагре­той солнечными лучами почвы и препятствование конвекции в объеме теплицы).

По ходу объяснения материала заранее подготовленные учащиеся де­лают сообщения по теме, остальные — дополняют, исправляют ответы.

Закрепление материала

1. Какой из видов теплопередачи играет основную роль в нагревании воды в чайнике?

2. Человек греется у костра. Какой из трех видов теплопередачи иг­рает главную роль в передаче тепла от костра к человеку?

3. Почему не падают облака?

4. Стакан наполовину заполнен кипятком. В каком из двух случаев по­лучится менее горячая вода: а) если подождать 5 мин, а затем долить в стакан холодную воду; б) если сразу долить холодную воду, а за­тем подождать 5 мин?

5. Когда тяга в трубах лучше — зимой или летом? Почему?

6. На севере меховые шапки носят, защищаясь от холода, а на юге — от жары. Объясните целесообразность этого.

7. Почему от закрытого окна, даже если оно плотно закрыто, дует (особенно зимой)?

8. Почему дневной бриз дует с моря в сторону берега, а ночной бриз — с берега в сторону моря?

9. В результате чего возникает тяга?

10. Как устроена система водяного отопления?

11. Расскажите об устройстве термоса. За счет чего в нем удается уменьшить теплообмен? Почему пища в термосе все-таки охлаждается?

Фронтальный опрос

1. Для чего делают высокими заводские трубы?

Ответ. С увеличением высоты трубы увеличивается раз­ность давлений воздуха внутри трубы (горячего воздуха) и вне ее (более холодного наружного воздуха) на уровне основания трубы, т. е. увеличивается тяга.

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

Ответ. 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.

1. Почему в металлических печных трубах тяга меньше, чем в кирпичных трубах той же высоты?

Ответ. 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.

1. Обшивка космического корабля нагревается от трения о воздух, а также солнечным излучением. Какая из причин нагрева­ния приобретает большее значение при увеличении высоты полета? При уменьшении высоты?

Ответ. На малых высотах, где плотность воздуха значи­тельна, решающую роль в нагреве обшивки космического корабля играет трение о воздух. На больших высотах — нагрев солнечными лучами (трение о воздух становится несущественным).

1. Один из способов поддержания определенной температу­ры в космическом корабле или спутнике заключается в том, что оболочку спутника делают двойной и ее внутреннюю полость за­полняют газом (например, азотом). Этот газ при помощи вентиля­тора заставляют двигаться около тепловыделяющих приборов и переносить энергию к оболочке. Почему приходится пользоваться вынужденной, а не свободной конвекцией?

Ответ. В состоянии невесомости отсутствует естественная конвекция в жидкостях и газах. Поэтому приходится пользоваться вынужденной конвекцией.

Домашнее задание: § 4-6; с 178, № 965, 976, 981.

Открытый урок по теме « Три вида теплопередачи – теплопроводность, конвекция, излучение»

Открытый урок по теме « Три вида теплопередачи – теплопроводность, конвекция, излучение»

Выполнил учитель физики Растяпин А.А.

Цели урока:

• изучить виды теплопередачи- теплопроводность, конвекция. излучение; объяснить условия протекания данных процессов и выяснить их использование в быту, природе и технике;

• продолжить формирование умения анализировать, сравнивать, обобщать , формировать техническую грамотность;

Тип урока: изучение и первичное закрепление нового материала.

Оборудование: компьютер, мультимедийный проектор, штатив, медный стержень с прикреплёнными к нему гвоздиками, спиртовка, теплоприёмник, жидкостный манометр, источник инфракрасного излучения, сосуд с водой.

Ход урока.

I.Организационный момент.

Здравствуйте ребята. Садитесь.

II.Создание проблемной ситуации. Постановка целей урока.

Ещё на заре цивилизации древний мыслитель и философ Китая Конфуций говорил, что:

Перед человеком к разуму три пути:

путь размышления- самый благотворный

путь подражания – самый лёгкий

путь личного опыта – самый тяжёлый

Тем самым подчеркивая особое место числа три. Эту мысль о числе 3 можно подчеркнуть и в современном мире: на улицах города можно увидеть трёхцветный светофор, Земля третья планета от Солнца. В физике число 3 также занимает особое место: Ньютон открыл 3 своих закона, три агрегатных состояний вещества, мы живём в трёхмерном пространстве.

Поэтому сегодня на уроке мы ещё раз подтвердим особое место числа 3 изучив три вида теплопередачи – теплопроводность, конвекцию, излучение.

Выясним особенности данных видов теплопередачи, условия их протекания и проявление в быту природе и технике.

Откройте свои рабочие тетради и запишите тему урока.

III. Изучение нового материала.

Изучим более подробно первый вид теплопередачи – теплопроводность.

Выходит ученик ( Никонова К) с табличкой теплопроводность и рассказывает о данном явлении.

Я теплопроводность!

Изучение меня происходило в основном опытным путем. Теплопроводность свойственно всем веществам во всех трех агрегатных состояниях в жидком, твёрдом и газообразном .

Самой высокой теплопроводностью обладают металлы и твердые тела, самой низкой теплопроводностью обладают газа.

У вас естественно возникает вопрос, как же происходит теплопроводность?

Теплопроводность в первую очередь связано с внутренней структуры тел и зависит от того как располагаются молекулы друг относительно друга как они движутся и как они взаимодействуют друг с другом.

При теплопроводности не происходит переноса вещества

вещество остается на месте оно никак не смещается

но передачи энергии происходит от частиц к частице или от одного тела другому телу при их непосредственном контакте.

Поэтому можно дать мне определение следующим образом :

Процесс передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению и взаимодействию частиц называется теплопроводностью.

Итак какие выводы мы можем сделать:

• Белолипецкая — процесс передачи внутренней энергии от одного тела к другому или от одной части тела к другой благодаря тепловому движению и взаимодействию частиц называется теплопроводностью.

• Дубенская – при теплопроводности не происходит перенос вещества

• Зубехин – наибольшей теплопроводностью обладают металлы

• Киселёв – наименьшей теплопроводностью обладают газы

• Камнева— жидкости плохие проводники тепла

Рассмотрим использование теплопроводности в быту и технике ( слайд — шоу)

Второй вид теплопередачи – конвекция.

Выходит ученик ( Плешивцева) с табличкой конвекция и рассказывает о данном явлении.

Я Конвекция!

Конвекции в переводе с латинского на русский язык означает как

«перенесение, перенос».

Для лучшего понимания меня как вида теплопередачи обратимся к опыту

Мы возьмем ложечку и в неё насыпи небольшое количество

марганцовки опустим эту ложечку в воду можно видеть как сейчас происходит небольшое окрашивания воды. Зажжём спиртовку и будем нагревать один конец сосуда, обратите внимание что сейчас будет

происходить. Жидкость нагревается температура ее увеличивается и увеличивается объем, плотность уменьшается и окрашенные потоки

жидкости начинает подниматься вверх ,чем дольше у нас горит спиртовка тем процесс происходит интенсивнее и соответственно мы наблюдаем как окрашенные жидкость доходит до перемычки и теперь распространяется по перемычке. Обратите внимание более нагретая часть жидкости поднимается вверх из другого колена более холодным

жидкость опускается вниз. Спустя некоторое время вся жидкость окрасится в розовый цвет. Так происходит процесс конвекции.

Итак какие выводы мы можем сделать:

• Седова – при конвекции не происходит перенос вещества;

• Терехова – конвекция может осуществляться только в жидкостях и газах;

Третий вид теплопередачи – излучение.

Выходит ученик ( Попова) с табличкой излучение и рассказывает о данном явлении.

Я излучение!

Солнце нагревает Землю, моря, океаны. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность, ни конвекция!

Излучение это явление передачи энергии отличный от теплопроводности и конвекции. Излучение играет в нашей жизни огромную роль. Дело все в том, что между солнцем и землей нет вещества, там в основном вакуум и поэтому поступления всей энергии от солнца на землю продолжается при помощи электромагнитных волн, а электромагнитные волны это и есть ни что иное, как один из видов излучение.

Итак какие выводы мы можем сделать:

• Котельников – распространяется в любой прозрачной среде и даже в вакууме

• Камнева – тёмные поверхности поглощают и излучают больше энергии чем светлые

IV. Первичное закрепление нового материала.

Сегодня утром на электронную почты школы пришло письмо адресованное вашему классу. Давайте прочитаем его

Уважаемые учащиеся 8 Б класса!

Администрация ИРО направляет ВАМ

задания первого тура конкурса

« Тепловые явления в нашей жизни».

1. Задание №1

2. Задание №2

3. Задание №3

4. Задание №4

Желаем удачи!

Выполняются задания №1, №2, №3.

3) На выполнение задания № 4 отводится 8 минут. После выполнения задания выполнить взаимопроверку.

IV. Итог урока Домашнее задание.

Учитель – сегодня на уроке мы с вами познакомились с видами теплопередачи и проявления данных видов в природе, технике и быту.

Что было для вас положительного на уроке, а что отрицательного?

Откройте свои дневники и запишите домашнее задание:

Параграф 25,26; ТПО № 107,108, 109, 112,113.

Желающие ученики могут подготовить к следующему уроку небольшие сообщения о применении теплообмена в авиации, в сельском хозяйстве, промышленности.

Естественная конвекция — обзор

6.1 Введение

Естественная конвекция — это форма конвекционной теплопередачи, в которой движущей силой объемного движения или адвекции являются силы самоиндуцированной энергии. Эти силы могут быть вызваны градиентами температуры или концентрации. В этой книге мы фокусируем наше внимание на естественном конвекционном потоке и теплопередаче за счет температурных градиентов. В свете вышеприведенного утверждения интуитивно очевидно, что поток и теплопередача будут тесно связаны в естественной конвекции.Из-за объемного движения передача тепла естественной конвекцией будет в несколько раз больше, чем при молекулярной проводимости. Даже в этом случае, поскольку в естественной конвекции не участвуют никакие внешние факторы, такие как насос или воздуходувка, скорости будут небольшими, обычно порядка см / с или десятков см / с, в отличие от нескольких м / с, которые обычно наблюдается при принудительной конвекции. Как следствие этого, скорость теплопередачи естественной конвекции будет ниже, чем принудительная конвекция в конкретной ситуации, если все другие управляющие переменные, такие как разность температур, геометрия и среда, одинаковы.Напомним, что традиционно конвекция, вызванная внешним воздействием, таким как насос, вентилятор или воздуходувка, получила название «принудительной» конвекции. В связи с этим естественная конвекция, если так сказать «не принуждение» извне, также известна как свободная конвекция.

Рассмотрим две бесконечно широкие горизонтальные параллельные пластины при температурах T ₁ и T ₂ соответственно. Пусть пространство между двумя пластинами занято такой средой, как воздух. Существуют две возможности, как показано на рис.6.1.

Рисунок 6.1. Среда заключена между двумя параллельными пластинами с температурами T ₁ и T ₂ . (A) T ₁ & gt; T ₂ (B) T ₁ & lt; Т ₂ .

В ситуации (A) верхняя пластина горячее, чем нижняя пластина. Ввиду этого, поскольку воздух (или любая другая среда в этом отношении) нагревается от верхней пластины, он остается наверху, поскольку нагретый воздух менее плотный. Таким образом, это представляет собой устойчивую конструкцию в том, что касается конвекции, а это означает, что в этом случае естественной конвекции не будет.Даже в этом случае теплопередача будет происходить между T ₁ и T ₂ через воздух через путь теплопроводности или молекулярной диффузии. Также может происходить излучение, но это зависит от разницы между T ₁ и T ₂ , радиационных свойств поверхностей и так далее. Радиационная теплопередача является предметом главы 8 этой книги.

Пока достаточно сказать, что на рис. 6.1A представлена ​​ситуация «нет потока», «нет естественной конвекции». Ситуация на рис.6.1B, тем не менее, интересно. Нагреваемая пластина находится внизу, поэтому воздух, контактирующий с ней, нагревается и поднимается вверх. Как только воздух попадает на верхнюю пластину, он охлаждается, становится более плотным и возвращается к нижней пластине, чтобы снова нагреться и продолжить цикл. Это типичная естественная конвекция.

Применения этого многочисленны, например, для охлаждения электронного оборудования, такого как трансформаторы, теплопередачи в окнах с двойным стеклопакетом, солнечных коллекторов, теплогидравлики в ядерных реакторах и так далее.Список бесконечен. Чтобы подчеркнуть, что приведенный выше не является банальным и забитым списком применений естественной конвекции, мы хотели бы обратить ваше внимание на ядерную катастрофу на Фукусима-дайити, которая произошла 11 марта 2011 года. Катастрофа впервые началась при землетрясении, и как только землетрясение было обнаружено, ядерные реакторы остановились. Однако из-за проблем с сетью электроснабжение прекратилось, и аварийные дизель-генераторные установки начали обеспечивать циркуляцию теплоносителя через активные зоны ядерного реактора для удаления остаточного тепла (которое не прекращается немедленно и соответствует типичному q = ae-bt вид распределения, где a и b — известные константы, t — время, а q — тепловыделение).Однако землетрясение вызвало цунами высотой почти 50 футов, затопившее подвал завода, парализовав аварийный генератор. Это привело к так называемой аварии с потерей теплоносителя (LOCA), расплавлению реактора и выбросу радиации в атмосферу. Основная проблема здесь заключалась в том, что система отвода остаточного тепла была разработана только для случая принудительной конвекции, и система не могла предотвратить LOCA, если аварийные генераторы вышли из строя. Система отвода остаточного тепла, которая работала бы даже при естественной конвекции, потребовала бы значительных инженерных усилий, включения дымоходов и т. Д., Но спасла бы положение.Даже в обычном ноутбуке тепловая трубка отводит тепло, выделяемое процессором, но конденсация пара на самой тепловой трубке должна происходить за счет естественной конвекции и излучения со всех поверхностей ноутбука. Стоит помнить, что в конечном итоге любое выделяемое тепло должно выделяться в окружающий воздух или в близлежащее озеро, пруд, море или космическое пространство. Задача специалиста по теплопередаче состоит в том, чтобы обеспечить и спроектировать этот путь, который был бы надежным, безопасным, экономичным, экологически безвредным и соответствовал всем руководящим принципам и законам.

Естественная конвекция в трубах — применение для солнечного нагрева воды

Естественная конвекция в трубках — Приложение для солнечного нагрева воды

Автор (ы)

В. М. Криплани и М. П. Нимкар

Аннотация

Настоящая работа посвящена экспериментальным исследованиям теплообмена и потока. характеристика для потока, индуцированного плавучестью, через наклонные трубы. Параметры в ходе экспериментов менялись наклон трубы и подача тепла.Установлено, что массовый расход и коэффициент теплоотдачи увеличиваются. с увеличением теплового потока. Расход уменьшается по мере увеличения трубки наклон. Ключевые слова: термосифон, естественная конвекция, поток, индуцированный плавучестью, солнечная энергия. система водяного отопления, равномерный поток тепла через стену, возобновляемые источники энергии. 1. Введение Теплоотдача за счет естественной конвекции внутри трубы (круглой или квадратной) имеет большое количество приложений в отраслях. К ним относятся солнечное нагревание воды. системы охлаждения лопаток газовых турбин, теплообменников и др.Теплопередача и характеристики потока по различным параметрам играют жизненно важную роль для проектирование таких систем. Настоящая работа проводится с конкретным имеется в виду применение, например, в бытовых солнечных водонагревательных системах. В настоящее время большинство размеров солнечных водонагревателей стандартизированы от некоторые другие коммерческие соображения и не обязательно предоставление лучшего термосифона полученные результаты. В литературе имеется мало информации о теплопередаче. характеристики плавучести обтекания наклонных трубок [1–4].В Настоящая работа направлена ​​на изучение влияния наклона трубы и теплового потока на теплоотдачу. характеристики передачи и потока для индуцированного плавучести потока через наклонные трубки, и разработать экспериментальную модель. Следовательно, эта работа предпринимается.

Ключевые слова

термосифон, естественная конвекция, поток, индуцированный плавучестью, солнечный система водяного отопления, равномерный поток тепла через стену, возобновляемые источники энергии.

Тепловая конвекция: естественная или принудительная конвекция

Тепловая конвекция: основа теплопередачи

В большинстве решений по управлению температурным режимом мы используем тепловую конвекцию как средство отвода тепла от наших чувствительных компонентов и устройств.В редких случаях мы не используем конвекцию, потому что у нас практически нет жидкости для работы. В конкретных приложениях, например в аэрокосмической промышленности, нет жидкости и не может использоваться тепловая конвекция. В остальном это самый популярный способ отвести тепло от продуктов.

Но в отрасли вы, наверное, слышали термины «принудительная конвекция» и «естественная конвекция». Хотя это может показаться несущественным между ними, это оказывает большое влияние на то, как спроектировано ваше решение для управления температурным режимом.Итак, давайте посмотрим на естественную конвекцию в сравнении с принудительной конвекцией и разберемся в различиях.

Конвекция: сказка о двух процессах

Процесс конвекции, как мы его называем в управлении температурным режимом, на самом деле представляет собой комбинацию двух процессов. Первый процесс — это технически теплопроводность, когда тепло от поверхности радиатора передается любой жидкости, которая контактирует с этой поверхностью. Второй процесс считается адвекцией, то есть объемным потоком жидкости, нагретой устройством, вдали от источника тепла.То, что мы делаем, вместо того, чтобы относиться к обоим по отдельности, мы объединяем их в один термин: конвекция.

Важно понимать две составляющие конвекции, когда мы пытаемся улучшить тепловые характеристики наших решений. Когда мы постигаем составляющие конвекции, у нас появляется больше возможностей разбить и улучшить каждую из этих составляющих, чтобы улучшить нашу общую теплопередачу.

Естественная конвекция в сравнении с принудительной конвекцией

Мы классифицируем тип конвективного течения как естественный или принудительный.Мы используем это обозначение, поскольку каждое из них имеет свои последствия для приложения и продукта в целом. Эти разные типы потоков имеют разные конструктивные ограничения и проблемы, которые необходимо решать индивидуально.

Это естественно (поток)

Естественная конвекция — это когда естественная плавучесть управляет адвективным потоком. Вы, наверное, слышали термины «шлейф» или «эффект дымохода» для описания естественной конвекции. По сути, поскольку жидкость внутри или рядом с источником тепла и радиатором становится горячее, чем температура окружающей среды, давление в ней меньше.Здесь, на Земле, есть сила тяжести, поэтому меньшее давление означает большую плавучесть. Этот перепад давления вызывает движение горячего воздуха вверх от источника гравитации. Затем более холодная окружающая жидкость заполняет место, откуда выходит горячий воздух, создавая поток внутрь, а затем вверх.

Двигайтесь по потоку: соображения при проектировании с естественной тепловой конвекцией

Сверхнадежность для решений с естественной тепловой конвекцией

В приложениях, где надежность имеет решающее значение, естественная конвекция является предпочтительным типом потока в решении для управления температурным режимом.Полагаясь на естественные силы для создания движения вашей жидкости, ключевые компоненты, такие как вентиляторы или насосы, не требуются. Эти компоненты, хотя и тщательно спроектированы и испытаны, со временем изнашиваются. Пока у вас есть фрикционные детали, такие как двигатели в вентиляторах или насосах, вы будете беспокоиться о надежности ваших гидравлических двигателей.

Варианты жидкостей для естественной тепловой конвекции

Естественная конвекция легче в системах с воздушным охлаждением, чем в системах с жидкостным охлаждением.Жидкость необходимо удерживать, и если система не погружена в воду, и большая часть электроники не работает с жидкостями, весь путь жидкости необходимо спланировать и сдержать. Это подразумевает больше времени на разработку, особенно на этапах проектирования и валидации разработки продукта. С другой стороны, мы окружены воздухом, и любое движение воздуха от системы будет быстро заменено другим окружающим воздухом.

Расстояние между ребрами естественной конвекции

Когда вы говорите о радиаторах с естественной конвекцией и радиаторами с принудительной конвекцией, вы увидите разницу в общей структуре радиатора.Независимо от жидкости, мы хотим оптимизировать наш радиатор, чтобы добиться максимального эффекта дымохода. Это означает, что между ребрами радиатора есть достаточно места, чтобы они могли «дышать». Вам нужно достаточно места для нагрева рядом с ребрами в их пограничном слое с каждой стороны зазора, а также дополнительное пространство посередине, чтобы воздух мог течь вверх. Вы увидите, что меньшее расстояние между ребрами на тепловых контурах ниже слева позволяет более холодному воздуху проходить гораздо дальше в зазоры ребер, чем радиатор справа. Вот почему вы заметите, что у некоторых радиаторов зазоры между ребрами намного больше, чем у других.Те, у которых зазор между ребрами составляет около 1/4 дюйма и больше, обычно рассчитаны на естественную конвекцию.

Принуждение к принудительной тепловой конвекции

Когда этот адвективный поток генерируется не только естественной плавучестью, но и другим механизмом, мы называем это принудительной конвекцией. В этих случаях мы обычно используем что-то вроде вентилятора или насоса, чтобы управлять потоком жидкости. Принудительная конвекция также может быть вызвана такими вещами, как кто-то дует им на кожу, чтобы охладить ожог, или слуги, владеющие пальмовыми листьями.Дело в том, что помимо физики существует какой-то механизм, управляющий потоком, это принудительная конвекция.

Значение конструкции для принудительной конвекции

Изгони жару!

Большим положительным признаком принудительной конвекции по сравнению с естественной конвекцией является повышенная теплопередача. Имея возможность перемещать больше жидкости через систему за тот же период времени, большее количество тепла, поглощаемого жидкостью, может быть отведено от вашего источника тепла.Это предотвращает задержку и накопление тепла, а при регулировании температуры это последнее, чего мы хотим.

Что означает принудительная конвекция для обеспечения надежности

К сожалению, недостаток силы, протекающей через вашу систему, заключается в том, что она может дать сбой. Фрикционные детали в наших насосах и вентиляторах изнашиваются, у незначительной жертвы ожога кружится голова от всего этого дуновения, слуги идут есть или спать. Эти вещи не могут продолжаться бесконечно. Именно здесь инженерам-конструкторам необходимо учитывать надежность своих компонентов и убедиться, что конечный продукт достаточно пригоден для обслуживания, чтобы заменить сломанные детали, или детали могут служить дольше, чем ожидаемый срок службы конечного продукта.Это особенно актуально для критически важных устройств, поддерживающих жизнь или безопасность.

Движущиеся части и шум

Поскольку для принудительной конвекции требуются движущиеся части для ускорения потока жидкости, она также производит звук. Двигатели вентилятора или насоса производят больше шума по сравнению с естественной конвекцией. Для некоторых приложений это может быть настоящим недостатком. Я имею в виду, это действительно уводит вас от погружения в видеоигры или кино, когда вентилятор вскакивает на полную мощность и начинает громко гудеть. Вентилятор по-прежнему нужен, так как вы хотите играть в игры и смотреть фильмы на долгие годы.Но этот поклонник может включиться в эти напряженные моменты вашего аудио / визуального опыта.

Выбор правильного типа конвекции

Когда дело доходит до вашего дизайна и конечного продукта, вы и ваш конечный покупатель являетесь экспертами. Вы должны суметь определить предпочтительный тип потока, исходя из вашей надежности и требований конечного пользователя. Но помните, вы не одиноки. Aavid Genie может помочь пройти через процесс сравнения естественной конвекции и принудительной конвекции для вашего приложения.Если вы обнаружите, что вам нужна дополнительная помощь, инженеры-конструкторы Aavid разработали решения для сложных ситуаций с естественной конвекцией с высокой мощностью или сделали решения с принудительной конвекцией, отвечающие жестким требованиям надежности. Каким бы способом ни было ваше приложение, будь оно естественным или принудительным, Aavid может помочь вам с тем, что вам нужно.

Удачного проектирования!

Конвекционные токи и как они работают

Конвекционные токи — это текущая жидкость, которая движется из-за разницы температур или плотности внутри материала.

Поскольку частицы в твердом теле фиксируются на месте, конвекционные токи наблюдаются только в газах и жидкостях. Разница температур приводит к передаче энергии из области с более высокой энергией в область с более низкой энергией.

Конвекция — это процесс теплопередачи. Когда возникают токи, материя перемещается из одного места в другое. Так что это тоже процесс массообмена.

Естественная конвекция называется естественной конвекцией или свободной конвекцией .Если жидкость циркулирует с помощью вентилятора или насоса, это называется принудительной конвекцией . Ячейка, образованная конвекционными потоками, называется конвекционной ячейкой или ячейкой Бенара .

Почему они формируются

Разница температур заставляет частицы двигаться, создавая ток. В газах и плазме разница температур также приводит к участкам с более высокой и более низкой плотностью, где атомы и молекулы движутся, заполняя области с низким давлением.

Короче говоря, горячие жидкости поднимаются, а холодные — опускаются.Если не присутствует источник энергии (например, солнечный свет, тепло), конвекционные токи продолжаются только до тех пор, пока не будет достигнута однородная температура.

Ученые анализируют силы, действующие на жидкость, чтобы классифицировать и понять конвекцию. Эти силы могут включать:

• Плотность
• Поверхностное натяжение
• Разница концентраций
• Электромагнитные поля
• Вибрация
• Образование связи между молекулами

Конвективные токи можно моделировать и описывать с помощью уравнений конвекции-диффузии, которые представляют собой скалярные уравнения переноса.

Примеры конвективных токов и шкалы энергии

• Вы можете наблюдать конвекционные токи в воде, кипящей в кастрюле. Просто добавьте несколько горошин или кусочков бумаги, чтобы отследить текущий поток. Источник тепла на дне кастрюли нагревает воду, давая ей больше энергии и заставляя молекулы двигаться быстрее. Изменение температуры также влияет на плотность воды. Когда вода поднимается к поверхности, часть ее имеет достаточно энергии, чтобы уйти в виде пара. Испарение охлаждает поверхность настолько, что некоторые молекулы снова опускаются на дно сковороды.
• Простой пример конвекционных потоков — теплый воздух, поднимающийся к потолку или чердаку дома. Теплый воздух менее плотный, чем холодный, поэтому он поднимается вверх.
• Ветер — это пример конвекционного течения. Солнечный свет или отраженный свет излучает тепло, создавая разницу температур, которая заставляет воздух двигаться. Тенистые или влажные участки более прохладны или способны поглощать тепло, усиливая эффект. Конвекционные токи являются частью того, что движет глобальной циркуляцией атмосферы Земли.
• При сгорании возникают конвекционные токи.Исключением является то, что горению в условиях невесомости не хватает плавучести, поэтому горячие газы не поднимаются естественным образом, позволяя свежему кислороду подпитывать пламя. Минимальная конвекция при невесомости приводит к тому, что многие пламя заглушаются собственными продуктами сгорания.
• Атмосферная и океаническая циркуляция — это крупномасштабные движения воздуха и воды (гидросфера) соответственно. Эти два процесса работают вместе друг с другом. Конвекционные потоки в воздухе и на море приводят к погоде.
• Магма в мантии Земли движется конвекционными токами. Горячее ядро ​​нагревает материал над ним, заставляя его подниматься к корке, где он охлаждается. Тепло исходит от сильного давления на скалу в сочетании с энергией, выделяющейся при естественном радиоактивном распаде элементов. Магма не может продолжать подниматься, поэтому она движется горизонтально и снова опускается вниз.
• Эффект дымовой трубы или дымохода описывает конвекционные потоки, перемещающие газы через дымоходы или дымоходы. Плавучесть воздуха внутри и снаружи здания всегда разная из-за разницы температуры и влажности.Увеличение высоты здания или стека увеличивает силу эффекта. Это принцип, на котором основаны градирни.
• Конвекционные токи очевидны на солнце. Гранулы, видимые в фотосфере Солнца, являются вершинами конвективных ячеек. В случае Солнца и других звезд жидкость — это плазма, а не жидкость или газ.

Тепловая линия визуализации МГД естественной конвекции теплопередачи наножидкости в призматической оболочке

Полученные результаты представлены с использованием обтекаемых контуров, контуров изотермы и тепловых линий для анализа потока температуры свободной конвекции, а также потока жидкости внутри призматической оболочки.Наночастицы меди сферической формы \ ((\, n = 3) \) обрабатываются жидкостью на водной основе. Численные результаты обсуждались для различных параметров, называемых объемной долей наночастиц \ ((\ phi) \), числом Гартмана \ ((Ha) \) и числом Рэлея \ ({\ text {(Ra)}} \) при течении жидкости. , теплопередача, а также характеристики переноса температуры с использованием линий изотермы, линий тока, линий тепла, местного и среднего числа Нуссельта с использованием двух различных температурных граничных условий вдоль горизонтальной стенки.{6}) \) при \ (\ phi = 0,04 \) и \ (Ha = 10 \) на линиях тока, контурах изотермы, а также на линиях тепла с использованием условия равномерного прогрева на горизонтальной стенке. Рисунок 4 (а) показывает, 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 каверны, 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. При увеличении \ (Ra \) две рециркуляционные ячейки растут. Это означает, что нагретая жидкость ускоряется больше за счет эффекта плавучести.{4}) \) контуры изотермы почти параллельны у нижней горячей стенки, что указывает на то, что конвекция в каверне слабее. Электропроводность — это основной режим температурного потока внутри корпуса за счет равномерного прогрева нижней стенки. Небольшая компактность контуров изотермы наблюдается также в центре каверны, что представляет собой плохо конвективный температурный поток. При увеличении значений \ (Ra \) контуры изотермы оказываются излишне искаженными, а также исчезают в центре полости, создавая определенную форму в виде гриба.{6} \), особый вид изотерм, подобных грибу, указывает на то, что температурная энергия течет внутри жидкости в полости от нижней нагретой стороны за счет потенциальных эффектов плавучести. Рисунок 4 (c) демонстрирует, что теплопроводы чистые и примерно параллельны перпендикулярным стенкам, что приводит к изменению температуры в результате теплопроводности. Устойчивость тепловых линий рядом с нагретой стенкой усиливает, а также извращает для более высокого параметра плавучести \ (Ra \). Компактность теплопроводов увеличивается в середине шкафа из-за сильной конвекции.{6}) \) эффекты на контурах линий тока, изотермах и тепловых линиях, когда \ (\ phi = 0,04 \) и \ (Ha = 10 \) для условий линейного обогрева на нижней стенке показаны на рис. 5, соответственно. На рис. 5 (а) показано, что на контуры обтекаемой формы не полностью влияют частицы наножидкости внутри корпуса. Температура горизонтальной стороны выше по сравнению с болтающимися 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.{6} \) компактность и высокая плотность изотермического рисунка отмечаются по соседству с горизонтальными нагретыми и свисающими холодными стенками кровли, что представляет собой высокий градиент температуры в этих областях.

Рисунок 5

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

To представляет температурный поток внутри корпуса, проводящий температурный поток \ (\ left ({- \ frac {\ partial \ theta} {{\ partial X}}, \, \ frac {\ partial \ theta} {{\ partial Y}}} \ right) \) используется для тепловой функции, тогда как конвективный температурный поток \ (\ left ({U \ theta, \, V \ theta} \ right) \) используется для отображения температурного потока.{3}) \) от горизонтальной нагретой стороны к верхним наклонным холодным сторонам из-за малой силы потока жидкости, а также температуры, протекающей в основном за счет теплопроводности.

По мере увеличения \ ({\ text {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.{5} \) по обтекаемым контурам, контурам изотермы и тепловым линиям для равномерного прогрева дна стенки. На Фигуре 6 (а) показано, что две противоположно симметричные камеры встречного вращения относительно центральной вертикальной линии сформированы внутри полости для равномерного нагрева стенки. Левая циркуляция внутри корпуса осуществляется по часовой стрелке, а другая ячейка — по часовой стрелке. Эта конкретная форма является результатом однородного подогрева граничного условия на горизонтальной стороне. Физическая причина этой конкретной формы обтекаемых контуров уже рассказана.{5} \) и \ (Ha = 10 \).

На фиг. 6 (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 плотная изотермическая структура 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 6 (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. Для \ (\ phi = 0,1 \) компактность теплопроводов увеличивается в середине корпуса из-за сильной конвекции.{5} \) на контурах линий тока, контурах изотермы и тепловых линиях для стенки с линейно-нижним обогревом. Рисунок 7 (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 7 (б) показывает, что параллельные изотермы соседствуют с прогретыми и остывшими стенками.Мы уже наблюдали эту подобную особую форму. Рисунок 7 (c) показывает, что тепловые линии компактны в середине внутри полости, что указывает на высокотемпературную область 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. {5} \) и \ (Ha = 10 \).{5} \) и \ (\ phi = 0,04 \). Эти цифры показывают, что число Гартмана оказывает значительное влияние на температурную область. На рисунке 8 (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 i.е. 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 рис. 8 (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 нижней 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.

Рисунок 8

Результаты числа Гартмана \ ((Ha) \) на ( a ) Контуры обтекания, ( b ) Контуры изотермы ( c ) Тепловые линии для однородных тепловых граничных условий на нижней стенке, когда \ ( \ phi = 0.{5} \).

Большая циркуляционная ячейка с маленькой трубкой в ​​верхней части корпуса показана на рис. 9 (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 8 (c) показаны характеристики теплопередачи метода теплопроводов 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) \) тепловые линии проходят к верхним наклонным стенкам от нижней нагретой стенки. Теплота потока уменьшается из-за более низкой скорости при более высокой напряженности магнитного поля.Подобная картина тепловых линий с большим центральным кругом наблюдается для линейных тепловых условий на рис. 9 (c) для всех значений числа Гартмана.

На рисунках 10 и 11, соответственно, представлены эффекты локального числа Нуссельта \ ((Nu_ {L}) \) \ (Ra \) и объемных долей наночастиц на нижней горячей стенке для однородных тепловых граничных условий и линейных температурных граничных условий. Эти цифры показывают увеличение средней скорости переноса температуры для увеличения как числа Рэлея, так и объемных долей наночастиц как для однородно теплового граничного условия, так и для линейно теплового граничного условия.{4}) \) внутри корпуса. На рисунке 12 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.

Рисунок 10

Локальное число Нуссельта числа Рэлея для ( a ) равномерно нагретой нижней стенки ( b ) линейно нагревает нижнюю стенку, когда \ (\ phi = 0.{5} \) и \ (\ phi = 0,04 \).

На рисунке 13 показано, что среднее число Нуссельта монотонно увеличивается при увеличении \ (Ra \). Интересно отметить, что однородный нагретый режим на нижней стенке обеспечивает самый высокий температурный поток внутри камеры, чем линейный температурный режим. На рисунках 14, 15 и 16 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 16 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.

Рисунок 13

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

Рисунок 14

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

Рисунок 15

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

Рисунок 16

Среднее число Нуссельта объемной доли наночастиц и разная 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 3 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 среднее 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 , керосиновые наножидкости показывают более высокую скорость теплопередачи.{5} \) и \ (Ha = 10 \).

4 типа механизмов теплопередачи для охлаждения электрических шкафов

Охлаждение электрического шкафа включает процессы передачи тепла изнутри шкафа и отвода его в окружающий воздух. Существуют различные механизмы теплопередачи, включая конвекцию, теплопроводность, тепловое излучение и испарительное охлаждение.

Механизмы теплопередачи

Охлаждение корпуса включает комбинацию механизмов теплопередачи.Основные механизмы, используемые для охлаждения электрических шкафов, следующие:

• Проводимость: Это передача тепла через твердое тело. Например, тепло, генерируемое внутри корпуса, передается на внешнюю поверхность посредством теплопроводности.
• Конвекция: Конвекция — это передача тепла от поверхности с помощью жидкости, такой как воздух. Естественная конвекция возникает при нагревании воздуха: он расширяется, поднимается вверх и заменяется более холодным воздухом. Степень конвекции можно увеличить, используя вентилятор для увеличения потока воздуха.
• Излучение: Это процесс, при котором энергия излучается через воздух посредством электромагнитного излучения. Хотя он эффективен для источников высокой температуры, таких как солнце, он менее эффективен при температуре окружающей среды на Земле.
• Испарение: Скрытая теплота жидкости может использоваться для передачи тепла путем поглощения энергии, необходимой для испарения этой жидкости. Поглощенное тепло высвобождается, позволяя жидкости конденсироваться за пределами корпуса.

Эти формы теплопередачи используются для охлаждения электрических шкафов несколькими способами.

Пассивное охлаждение

Пассивное охлаждение, основанное на естественной проводимости, конвекции и излучении, подходит для легких нагруженных шкафов с относительно большой площадью поверхности и хорошей вентиляцией. Температура окружающего воздуха должна быть ниже температуры корпуса. Этот метод не подходит для термочувствительных компонентов при высоких температурах окружающей среды.

Принудительная вентиляция

Эффективность конвекции можно повысить за счет использования вентиляторов, которые увеличивают поток воздуха через шкаф.Холодный воздух втягивается в нижнюю часть шкафа, а горячий воздух выходит в верхнюю часть. Вентиляторы должны быть оснащены фильтрами, чтобы ограничить попадание грязи, которая может повредить компоненты. Чтобы электрические компоненты не сильно нагревались, температура окружающей среды должна быть значительно ниже максимальной желаемой температуры корпуса.

Технология тепловых трубок

Тепловые трубки, впервые разработанные в 1960-х годах, представляют собой практически безэнергетический метод охлаждения корпуса. Тепловая трубка состоит из вакуумированной медной трубки, частично заполненной жидкостью, такой как спирт или вода.Из-за низкого давления жидкость на дне трубы закипает, когда она поглощает тепло из воздуха внутри помещения. Пар поднимается к верху трубы, где он охлаждается воздухом за пределами камеры и конденсируется. Затем конденсированная жидкость возвращается на дно трубки, и цикл повторяется.

В теплообменниках воздух-воздух Thermal Edge используется эта новая технология для охлаждения герметичных электрических шкафов. Единственная энергия, необходимая маленьким вентиляторам, — это циркуляция воздуха вокруг горячих и холодных концов тепловой трубки.

Кондиционер в шкафу

В кондиционировании воздуха также используется испарение, но немного по-другому. Жидкий хладагент под давлением пропускается через расширительное устройство. Падение давления вызывает испарение жидкости в змеевике испарителя кондиционера и поглощение тепла, охлаждая воздух внутри помещения. Затем горячий газ сжимается и проходит через змеевик конденсатора, где газ сжижается, передавая свое тепло воздуху за пределами камеры.Комбинированный кондиционер представляет собой чрезвычайно эффективный метод охлаждения шкафа и будет эффективно работать, даже если температура окружающей среды намного выше, чем температура воздуха в шкафу.

Чтобы узнать больше о продуктах Thermal Edge и о том, как выбрать подходящий метод охлаждения для вашего электрического шкафа, свяжитесь с нашим отделом продаж сегодня.

Естественная конвекция в прямоугольном корпусе с дифференциальным обогревом и сплошным многоугольником

ScientificWorldJournal.2014; 2014: 617492.

Р. Рослан

¹ Факультет науки, технологий и человеческого развития, Университет Тун Хусейн Онн Малайзия, 86400 Парит Раджа, Бату Пахат, Джохор, Малайзия

Х. Салех

² Школа математических наук, Факультет науки и технологий, Университет Кебангсаан Малайзия (UKM), 43600 Банги Селангор, Малайзия

И. Хашим

² Школа математических наук, факультет науки и технологий, Университет Кебангсаан Малайзия (UKM), 43600 Банги Селангор, Малайзия

³ Исследовательский институт солнечной энергии, Университет Кебангсаан Малайзия (UKM), 43600 Банги Селангор, Малайзия

⁴ Отделение математики, факультет естественных наук, Университет короля Абдулазиза, П.O. Box 80257, Джидда 21589, Саудовская Аравия

¹ Факультет науки, технологий и человеческого развития, Universiti Tun Hussein Onn Malaysia, 86400 Parit Raja, Batu Pahat, Johor, Malaysia

² Школа математических наук, факультет науки и технологий, Университет Кебангсаан Малайзия (UKM), 43600 Банги Селангор, Малайзия

³ Исследовательский институт солнечной энергии, Университет Кебангсаан Малайзия (UKM), 43600 Банги Селангор, Малайзия

⁴ Отделение математики, факультет естественных наук, Университет короля Абдулазиза, П.О. Box 80257, Джидда 21589, Саудовская Аравия

Академический редактор: Мохаммед Хаснауи

Получено 18 января 2014 г .; Пересмотрено 27 апреля 2014 г .; Принято 20 мая 2014 г.

Это статья в открытом доступе, распространяемая по лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии правильного цитирования оригинальной работы.

Abstract

Целью настоящего численного исследования является анализ сопряженной естественной конвекции теплопередачи в квадратном корпусе с дифференциальным обогревом, содержащем проводящий многоугольный объект.Левая стенка нагревается, правая — охлаждается, а горизонтальные стенки остаются адиабатическими. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics применяется для решения безразмерных основных уравнений. В качестве управляющих параметров рассматриваются тип многоугольника, 3 ≤ N ≤ ∞ , горизонтальное положение, 0,25 ≤ X . ₀ ≤ 0,75, размер многоугольника, 0 ≤ A ≤ π /16, коэффициент теплопроводности, 0,1 ≤ K _r ≤ 10.0, а число Рэлея 10 ³ ≤ Ra ≤ 10 ⁶ . Было обнаружено, что критический размер твердого многоугольника существует при низких значениях проводимости. Скорость теплопередачи увеличивается с увеличением размера сплошного многоугольника, пока не достигнет максимального значения. Здесь размер сплошного многоугольника достигает критического значения. Кроме того, за пределами этого критического размера сплошного многоугольника будет уменьшаться скорость теплопередачи.

1. Введение

Передача тепла естественной конвекцией в корпусах с дифференцированным обогревом сбоку или снизу привлекла большое внимание за последние несколько десятилетий, в основном из-за большого разнообразия применений, включая технологию солнечных коллекторов, накопление энергии, ядерные реакторы и технологии.Другое практическое применение естественной конвекции встречается, когда препятствие, такое как вставленный объект, помещается внутри ограждения. В приложениях, связанных с энергетическими компонентами здания, такими как стены, окна или корпус для электроники, вставленный твердый объект может уменьшить поток, тем самым уменьшая скорость теплопередачи по корпусу. С другой стороны, теплопередача может быть улучшена, если твердый объект имеет относительно высокую теплопроводность.

House et al. [1] сначала исследовали влияние центрированного теплопроводного объекта на естественную конвекцию теплопередачи в вертикальном корпусе для различных чисел Рэлея, числа Прандтля, размера объекта и отношения теплопроводностей.Они выяснили, что теплопередача может быть увеличена или уменьшена с помощью квадратного объекта с коэффициентом теплопроводности меньше или больше единицы. Позже Лю и Фан-Тьен [2] включили радиационный эффект. Ох и др. [3], Deng and Tang [4] и Zhao et al. [5] визуализировали проблему с помощью концепции тепловых линий. Меррих и Мохамад [6] обнаружили, что размещение твердых объектов рядом со стенами снижает скорость теплопередачи из-за эффектов блокировки, но размещение объектов с низкой проводимостью далеко от области пограничного слоя может повысить скорость теплопередачи по сравнению с ограждениями без препятствия.Ha et al. [7] использовали спектральную многодоменную методологию для обработки квадратного объекта, расположенного в центре, и пришли к выводу, что число Рэлея для полей жидкости и температуры становится несимметричным и зависит от времени, зависит от тепловых граничных условий объекта. Bhave et al. В [8] сообщается о существовании критического размера адиабатического объекта. Теплопередача увеличивается с увеличением размера объекта, пока не достигает критического размера, при котором теплопередача имеет максимальное значение.При превышении этого критического размера адиабатического объекта скорость теплопередачи снизится. Дас и Редди [9] и Аминосадати и Гасеми [10] изучали сопряженную естественную конвекцию в ограждениях с заданным углом наклона. Они получили более высокую проводимость твердых тел, что приводит к лучшей теплопередаче, а увеличение угла наклона улучшает характеристики теплопередачи.

Fu et al. [11] поместил изотермический цилиндрический объект в левую половину корпуса. Они обнаружили улучшение теплопередачи, вставив вращающийся объект.Коста и Раймундо [12] рассматривали токопроводящий вращающийся цилиндр, вставленный в центр квадратного корпуса. Они пришли к выводу, что теплофизические свойства цилиндрического объекта важны для общего процесса теплопередачи через корпус. Хуссейн и Хуссейн [13] проанализировали эффект помещения проводящего вращающегося цилиндра в различных вертикальных точках внутри квадратной полости с дифференцированным нагревом. Кроме того, вставляя четырехугольные или цилиндрические объекты, Shih et al. [14] вставил объект адиабатического треугольника в ограждение.Они пришли к выводу, что больший размер треугольника показывает самые высокие характеристики теплопередачи.

Настоящая работа направлена ​​на исследование характеристик потока жидкости и теплопередачи для различных типов многоугольников и тепловых свойств, помещенных внутри центра квадратного корпуса. Проведено полное двумерное численное моделирование и систематическое обобщение поведения сопряженной теплопередачи, происходящей в ограждении за счет изменения формы препятствий.

2. Математическая формулировка

представляет системы координат и квадратный корпус, имеющий проводящий правильный многоугольник, расположенный в ( x ₀ , л ₀ ).Предполагается, что размер в направлении z достаточно велик, и конечные эффекты на поток пренебрежимо малы; то есть поток жидкости и теплопередача двумерны. Вертикальные стенки обоих корпусов поддерживаются постоянными и имеют одинаковые разные уровни температуры, T _h и T _с . Горизонтальные стены утеплены. Свободное пространство между многоугольниками и стенами ограждения заполнено ньютоновской жидкостью, которая несжимаема, но расширяется или сжимается при изменении температуры.Это предположение приводит к использованию приближения Буссинеска. При сделанных предположениях тепловым излучением пренебрегают; основные уравнения для установившегося потока естественной конвекции с использованием сохранения массы, количества движения и энергии можно записать как

∂u∂x + ∂v∂y = 0, u∂u∂x + v∂u∂y = −1ρ∂p∂x + ν (∂2u∂x2 + ∂2u∂y2), u∂v∂x + v∂v∂y = −1ρ∂p∂y + ν (∂2v∂x2 + ∂2v∂y2) + gβ (Tf − Tc), u∂Tf∂x + v∂Tf∂y = α (∂2Tf∂x2 + ∂2Tf∂y2)

(1)

а уравнение энергии для твердого многоугольника имеет вид

∂2Ts∂x2 + ∂2Ts∂y2 = 0,

(2)

где нижние индексы f и s обозначают жидкость и твердое тело, соответственно.На всех границах раздела твердое тело-жидкость предполагается условие отсутствия проскальзывания. Используя следующие безразмерные переменные:

X = xl, Y = yl, R = rl, U = ulα, V = vlα, Θf = Tf − TcTh − Tc, P = pl2ρα2, Pr = να, Ra = gβ (Th − Tc) l3Prν2, Θs = Ts − TcTh − Tc.

(3)

Полученные безразмерные формы (1) — (2) таковы:

(4)

(5)

(6)

Значения безразмерной скорости равны нулю в твердой области и на границах раздела твердое тело-жидкость. Граничные условия для безразмерных температур:

Θf = 1 при X = 0, Θf = 0 при X = 1, ∂Θf∂Y = 0 при Y = 0, Y = 1, Θf = Θs на внешней поверхности многоугольника, ∂Θf∂η = Kr∂Θs ∂η на внутренней поверхности многоугольника,

(7)

где K _к = к _с / к _f — коэффициент теплопроводности.Все стороны сплошного многоугольника равны по длине (правильный многоугольник). Количество сторон обозначается N , где для N = 3 форма — треугольник, для N = 4 форма — квадрат, для N = 5 форма — пятиугольник, для N = 6. форма — шестиугольник, для N = 7 форма — семиугольник, для N = 8 форма — восьмиугольник, а для N = ∞ форма становится цилиндрической. Отношение многоугольника к площади ограждения определяется как

Движение жидкости отображается с использованием функции потока Ψ, полученной из компонентов скорости U и V .Соотношения между функцией тока и компонентами скорости следующие: U = ∂Ψ / ∂ Y и V = −∂Ψ / ∂ X , что дает одно уравнение в виде

∂2Ψ∂X2 + ∂2Ψ∂Y2 = ∂U∂Y − ∂V∂X.

(9)

(а) Схематическое изображение модели. (б) Распределение сетки.

Физическая величина, представляющая интерес в этой задаче, — это скорость теплопередачи. Распределение скорости теплопередачи получается путем применения закона Фурье на горячей стенке; то есть,

которая принимает вид безразмерных переменных

Nu = ql (Th − Tc) = — kf∂Θf∂X | X = 0,

(11)

где Nu — местное число Нуссельта на основе l .Среднее число Нуссельта на нагретой левой стенке затем находится путем интегрирования локальных распределений; то есть, используя

Nu¯ = ∫01 − ∂Θf∂XdY.

(12)

3. Методология вычислений

Основные уравнения и граничные условия решаются численно с помощью программного пакета CFD COMSOL Multiphysics. COMSOL Multiphysics (ранее FEMLAB) — это пакет программного обеспечения для анализа методом конечных элементов, решателя и моделирования для различных физических и инженерных приложений.Мы рассматриваем следующие режимы приложений в COMSOL Multiphysics. Несжимаемый прикладной режим Навье-Стокса (нс), прикладной режим конвекции-проводимости (cc) и прикладной режим диффузии (di) используются для уравнений (4), (5) и (6) соответственно. P2-P1 элементы Лагранжа и метод наименьших квадратов Галеркина используются для обеспечения стабильности. Параллельный прямой решатель (PARDISO) и метод затухающего Ньютона реализованы для решения дискретных уравнений. Здесь критерий сходимости установлен равным 10 ⁻⁶ .

В этом исследовании создание сетки на квадратном корпусе, содержащем полигональный объект, производится с помощью треугольников. Распределение треугольной сетки показано на. Было проведено несколько тестов на чувствительность сетки, чтобы определить, достаточна ли сеточная схема и гарантировать, что результаты не зависят от сетки. Мы используем настройки COMSOL по умолчанию для предопределенных размеров сетки, а именно: очень грубая, очень грубая, грубая, грубая, нормальная, мелкая, более мелкая, сверхтонкая и очень мелкая. В тестах учитываем параметры N = 5, X ₀ = 0.5, A = π /25, Ra = 10 ⁵ и K _r = 1, как показано на. Принимая во внимание точность и время ЦП, для всех вычислений, выполненных в этой статье, был выбран более мелкий размер сетки.

Таблица 1

Проверка чувствительности сети при N = 5, X ₀ = 0,5, A = π / 25, Ra = 10 ⁵ и K _r = 1.

6 ранее опубликованный решена сопряженная естественная конвекция в квадратном корпусе с проводящими четырехугольными и цилиндрическими объектами. показывает сравнение текущих рассчитанных тепловых линий (a, c) с таковыми Zhao et al.[5] для четырехугольника, N = 4 (b) и Коста и Раймундо [12] для цилиндра, N = ∞ (d) при Ra = 10 ⁵ , X ₀ = 0,5 и К _r = 1. Сравнение показывает хорошее согласие с опубликованными исследованиями. Эти всеобъемлющие усилия по проверке продемонстрировали надежность и точность нынешних вычислений.

Сравнение текущих расчетных тепловых линий (a, c) с таковыми Zhao et al.[5] для четырехугольника, N = 4 (b) и Коста и Раймундо [12] для цилиндра, N = ∞ (d) при Ra = 10 ⁵ , X ₀ = 0,5 и К _r = 1.

4. Результаты и обсуждение

Анализы в рамках численного исследования выполняются в следующем диапазоне связанных безразмерных групп: отношение твердого многоугольника к площади ограждения, 0 ≤ A ≤ π /16, горизонтальное положение, 0.25 ≤ Х ₀ ≤ 0,75, коэффициент теплопроводности 0,1 ≤ К _r ≤ 10, а число Рэлея 10 ³ ≤ Ra ≤ 10 ⁶ . Формы многоугольника варьируются от треугольника к цилиндру, где цилиндр классифицируется как особый многоугольник, имеющий бесконечные стороны.

иллюстрирует линии тока для различных типов сплошного многоугольника, где сплошная область ( A ) достигает значения π /100, π /25 и π /16, соответственно.Коэффициент теплопроводности зафиксирован на уровне К _r = 1.0 и X ₀ = 0,5 и число Рэлея при Ra = 10 ⁵ . Температура жидкости, прилегающей к горячей поверхности, повышается и перемещается слева направо, падая вдоль холодной поверхности, а затем снова повышаясь на горячей поверхности. Это движение создает ячейку циркуляции по часовой стрелке в свободном пространстве между многоугольником и стеной ограждения. Форма ячейки, прилегающая к внешней поверхности многоугольника, была изогнута треугольником присутствия, четырехугольником и пятиугольником.Изгиб занимает более высокое положение по мере увеличения размера многоугольника. Сила циркуляции потока уменьшается за счет увеличения твердой площади для того же типа многоугольника. Очевидно, что увеличение A приводит к уменьшению пространства для циркуляции потока. При фиксированном A увеличение N увеличивает силу потока, как указано из | Ψ | _мин. значений. Это увеличение происходит за исключением маленького цилиндра, A = π /100, где сила потока слабее, чем у маленького сплошного пятиугольника, вставленного внутрь корпуса.

Линии обтекания для разного размера многоугольника A и количества сторон многоугольника N при K _r = 1.0, X ₀ = 0,5, а Ra = 10 ⁵ .

Соответствующие тепловые линии, представленные на, показывают, что открытые линии, начинающиеся от левой горячей поверхности и доходящие до правой холодной поверхности, отвечают за теплообмен между системой и окружающей средой. Тепловые линии, пересекающие горячую поверхность, более густонаселенны у нижней стороны, чем у верхней.Многие тепловые линии следуют за потоком жидкости. Линии тепла показывают, что тепло проходит вертикально через сплошной многоугольник. Замкнутый контур бывает различных размеров и типов многоугольников. Мы наблюдали двойной замкнутый контур, возникающий в корпусе, содержащем небольшой пятиугольник или цилиндр. Отрицательное значение в ячейках с замкнутым контуром соответствует пассивной зоне, в которой тепло вращается с небольшим вкладом в теплопередачу между активными стенками. Наблюдается, что большие размеры многоугольника создают большее подавление внутренней циркуляции тепла, как указано в | H | _мин. значений.| H | _мин⁡ остается постоянным при увеличении N при относительно небольшой твердой площади. Увеличение N с 3 до 4 приводит к уменьшению | H | _мин⁡ на сплошном многоугольнике среднего размера. При относительно большой твердой площади | H | _мин⁡ значений увеличивается при увеличении N . Модель H _макс. значений остаются постоянными при настройке N и A . Модель H _max⁡ находится в верхней части корпуса; это относится к общему количеству теплопередачи системы.

Теплопроводы для различных полигонов по отношению к площади корпуса A и количеству сторон многоугольника N при K _r = 1.0, X ₀ = 0,5, а Ra = 10 ⁵ .

представляет линии тока, изотермы и тепловые линии, чтобы показать влияние коэффициента теплопроводности на поля потока, тепловые характеристики и характеристики теплового тракта для твердого пятиугольника, A = π /25, X ₀ = 0.5, а Ra = 10 ⁵ . Все линии тока, показанные слева, циркулируют как вихри, поскольку нет обмена массой или жидкостью между системой корпуса и окружающей средой. Сила потока, измеренная | Ψ | _мин⁡ увеличивается с увеличением коэффициента теплопроводности К _r . Изотермы в твердом пятиугольнике более разреженные, в то время как изотермы в жидкости остаются неизменными за счет увеличения проводимости твердого тела. Внутренняя циркуляция тепла усиливается, когда повышается проводимость твердого тела.Модель H _max⁡ уменьшается по мере усиления проводимости твердого тела.

Линии тока (слева), изотермы (в центре) и тепловые линии (справа), эволюция путем изменения коэффициента теплопроводности для N = 5, X ₀ = 0,5, A = π /25 и Ra = 10 ⁵ .

представляет линии тока, изотермы и тепловые линии, чтобы показать влияние числа Рэлея на поля потока, тепловые характеристики и характеристики теплового тракта для твердого пятиугольника, A = π /25, X ₀ = 0.5, и K _r = 1,0. При низком числе Рэлея линии тока имеют круглую форму и равномерно распределены. Это сигнал об очень слабой конвекции. Следовательно, теплопередача через кожух в основном обусловлена ​​процессом теплопроводности, и из-за этого тепловые линии и изотермы представляют собой псевдопроводящую картину. Сила потока, измеренная | Ψ | _мин⁡ увеличивается с увеличением числа Рэлея. Постепенно развивается температурная стратификация.При Ra = 10 ⁵ наблюдается неравномерное распределение линий тока. Круглые ячейки имеют удлиненную форму и указывают на сильную конвекцию во внешней области и слабую в ядре. Изотермы в твердом пятиугольнике распределены горизонтально, в то время как изотермы в жидкости у изотермических стенок более плотные, чем раньше. Редкие тепловые линии в сплошном пятиугольнике указывают на то, что роль теплопроводности в процессе теплопередачи заметно ослаблена. При большой силе плавучести Ra = 10 ⁶ линии тока группируются в тонкой внешней области и разрежены во внутренней области.На изотермических стенках формируются тесные вертикальные тепловые пограничные слои. Циркуляция потока, внутренняя циркуляция тепла и максимальные значения тепловых линий, представленные на рисунке, увеличиваются по мере увеличения выталкивающей силы. Вихрь ячеек с замкнутым контуром по часовой стрелке перемещается из нижней средней области в верхнюю левую область за счет увеличения Ra.

Линии тока (слева), изотермы (в центре) и линии тепла (справа), эволюция путем изменения числа Рэлея для N = 5, X ₀ = 0.5, A = π /25 и K _r = 1,0.

Вариации среднего числа Нуссельта при горизонтальном положении X ₀ показаны для K _r = 1.0, размер многоугольника, A = π /25 и разные значения числа Рэлея. Видно, что число Нуссельта увеличивается с увеличением числа Рэлея из-за усиления эффекта конвекции.В общем, когда внутренний многоугольник смещается к центру полости, Nu ¯ увеличивается из-за ослабления взаимодействия между активными стенками и твердым многоугольником, который оказывается расположен за пределами тепловых пограничных слоев. Для Ra = 10 ³ в теплопередаче преобладает теплопроводность, и число Нуссельта Nu¯ остается неизменным при изменении положения многоугольника. Для Ra = 10 ⁴ Nu¯ представляет параболический профиль с максимальным значением X . ₀ = 0.5. При Ra = 10 ⁵ Nu¯ имеет плоский профиль в диапазоне 0,35 ≤ X . ₀ ≤ 0,65. Этот плоский профиль становится шире при Ra = 10 ⁶ , как следствие развития теплового граничного режима для этого высокого значения Ra.

Вариант Nu ¯ с X ₀ для различных значений Ra при K _r = 1,0 и A = π /25.

Вариации среднего числа Нуссельта с количеством сторон многоугольника показаны в для различных значений числа Рэлея при K _r = 1.0 и X ₀ = 0,5 и размер многоугольника A = π /25. Мы применили обратную формулу (8), чтобы сохранить эквивалент площади каждого многоугольника. Применение формулы (8) к входу R и N дает результат A ; затем применение обратной формулы (8) к A дает результат R и N . R и N обратно пропорциональны, более длинный R будет использоваться для более низкого N или наоборот.показывает, что среднее число Нуссельта не меняется при варьировании типов многоугольников при рассматриваемых значениях Ra. Тщательное расследование показывает, что модель H _max⁡ значений, показанных в, эквивалентны значениям Nu¯ на этом рисунке. Это доказательство того, что общую эффективность теплопередачи можно определить непосредственно по положительному значению теплопроводности в верхней части корпуса.

Вариация Nu ¯ с N для различных значений Ra при K _r = 1.0, Х ₀ = 0,5 и A = π /25.

Вариации среднего числа Нуссельта в зависимости от количества сторон многоугольника показаны в для различных коэффициентов теплопроводности при Ra = 10 ⁵ , X ₀ = 0,5 и A = π /25. Увеличение N с 3 до 4 приводит к уменьшению среднего числа Нуссельта. Это означает, что квадратный объект приводит к большему подавлению внутренней циркуляции тепла, чем треугольный объект, как показано на | H | _мин⁡ (см.).Было показано, что среднее число Нуссельта стабильно для N ≥ 5. Увеличение коэффициента теплопроводности приводит к уменьшению числа Нуссельта для фиксированного значения N .

Вариация Nu ¯ с N для различных значений K _r при Ra = 10 ⁵ , X ₀ = 0,5 и A = π /25.

Вариации среднего числа Нуссельта в зависимости от размеров многоугольника показаны в для различных коэффициентов теплопроводности при Ra = 10 ⁵ , X ₀ = 0.5 и N = 5. демонстрирует существование критического размера твердого пятиугольника при низкой проводимости, K _r = 0,1, 0,5; ниже которого увеличение размера увеличивает Nu¯, а выше которого увеличение размера уменьшает Nu¯. Наблюдается уменьшение Nu¯ при увеличении размера твердого тела с высокой проводимостью, K _r ≥ 2,0.

Вариация Nu ¯ с A для различных значений K _r при Ra = 10 ⁵ , X ₀ = 0.5 и N = 5.

5. Выводы

Настоящее численное моделирование исследует влияние различных свойств твердых многоугольников на естественную конвекцию внутри квадратного ограждения. Безразмерные формы определяющих уравнений решались с помощью программы COMSOL Multiphysics. Подробные результаты расчетов расхода жидкости, распределения температуры, теплового тракта и характеристик теплопередачи в кожухе представлены в графической форме. Основные выводы настоящего анализа сводятся к следующему.

1. Сила потока и внутренней циркуляции тепла намного выше для большего N . Максимальное значение тепловых линий не зависит от изменения N .

2. Скорость теплопередачи остается стабильной для N ≥ 5, а многоугольники, расположенные в центре шкафа, будут обеспечивать максимальную скорость теплопередачи.

3. Было обнаружено, что критический размер твердого многоугольника существует при низкой проводимости. Скорость теплопередачи увеличивается с увеличением размера сплошного многоугольника, пока не достигнет максимального значения.В этот момент размер сплошного многоугольника достигает критического значения. Кроме того, за пределами этого критического размера сплошного многоугольника будет уменьшаться скорость теплопередачи.

Предполагается, что теоретический прогноз в этой статье станет полезным руководством для экспериментаторов при изучении различных комбинаций формы многоугольника и его свойств теплопроводности для управления потоком жидкости и тепловыми характеристиками корпуса при различных размерах. Факторы расположения, ориентации и вращения многоугольника с разной угловой скоростью будут в центре нашего исследования.

Номенклатура

Предустановленный размер ячейки	Элементы сетки	Nu¯	Процессорное время (с)
Очень грубый	261	4.4311	2
Экстра грубое	459	4,4860	2
более грубое	677	4,5051	2
				906	Нормальный	1973	4.5120	2
Тонкий	2969	4.5162	2
Тонкий	8871	4.5193	3
Экстра штраф	24827	4.5195	6
Чрезвычайно штраф	32411	4.5201	7

0: u , v :

A :	Отношение многоугольника к площади корпуса
g :	Ускорение силы тяжести
K r 9000 9095
k :	Теплопроводность
л :	Ширина и высота шкафа
N :	Количество сторон многоугольника12 Среднее		Число Нуссельта
r и R :	Радиус многоугольника и безразмерный радиус многоугольника
Ra:	Число Рэлея
T
Компоненты скорости в x 901 43 — и y — направления
x , y & X , Y :	Пространственные координаты и безразмерные пространственные координаты.

Греческие символы

9014 650

α :	Температуропроводность
β :	Коэффициент теплового расширения
	: 906 :	Кинематическая вязкость.

Нижний индекс

Твердый.

c :	Холодный
f :	Жидкий
h 50
h 50

Конфликт интересов

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

Ссылки

1. House JM, Beckermann C, Smith TF. Влияние центрированного проводящего тела на естественную конвекционную теплопередачу в ограждении. Числовая теплопередача A: Приложения . 1990. 18 (2): 213–225. [Google Scholar] 2. Лю И, Фан-Тьен Н. Полная проблема сопряженной кондукции, конвекции и излучения для нагретого блока в вертикальном дифференциально обогреваемом квадратном корпусе. Вычислительная механика . 1999. 24 (3): 175–186. [Google Scholar] 3. Oh JY, Ha MY, Kim KC. Численное исследование теплообмена и потока естественной конвекции в ограждении с теплопроводящим телом. Числовая теплопередача A: Приложения . 1997. 31 (3): 289–303. [Google Scholar] 4. Дэн Ц.-Х, Тан Г-Ф. Численная визуализация переноса массы и тепла для сопряженной естественной конвекции / теплопроводности по линии тока и линии тепла. Международный журнал тепломассообмена .2002. 45 (11): 2373–2385. [Google Scholar] 5. Чжао Ф-И, Лю Д., Тан Г-Ф. Сопряженная теплопередача в квадратных корпусах. Тепломассообмен . 2007. 43 (9): 907–922. [Google Scholar] 6. Меррих А.А., Мохамад А.А. Эффекты блокировки при естественной конвекции в шкафах с дифференциальным обогревом. Журнал улучшенной теплопередачи . 2001. 8 (1): 55–72. [Google Scholar] 7. Ха МЫ, Ким И-К, Юн Х.С. и др. Двумерная неустойчивая естественная конвекция в горизонтальном корпусе с квадратным корпусом. Числовая теплопередача A: Приложения . 2002. 41 (2): 183–210. [Google Scholar] 8. Бхаве П., Нарасимхан А., Риз Д.А. Улучшение теплопередачи естественной конвекцией с помощью адиабатического блока: оптимальный размер блока и эффект числа Прандтля. Международный журнал тепломассообмена . 2006. 49 (21-22): 3807–3818. [Google Scholar] 9. Дас МК, Редди КСК. Сопряженная естественная конвекция теплопередачи в наклонной квадратной полости, содержащей токопроводящий блок. Международный журнал тепломассообмена .2006: 49 (25-26): 4987–5000. [Google Scholar] 10. Аминосадати С.М., Гасеми Б. Сопряженная естественная конвекция в наклонном корпусе, заполненном наножидкостью. Международный журнал численных методов тепловых и жидкостных потоков . 2012. 22 (4): 403–423. [Google Scholar] 11. Fu W-S, Cheng C-S, Shieh W-J. Повышение естественной конвекционной теплопередачи ограждения за счет вращающегося кругового цилиндра. Международный журнал тепломассообмена . 1994. 37 (13): 1885–1897. [Google Scholar] 12.Коста ВАФ, Раймундо AM. Стабильная смешанная конвекция в квадратном корпусе с дифференцированным обогревом и активным вращающимся круглым цилиндром. Международный журнал тепломассообмена . 2010. 53 (5-6): 1208–1219. [Google Scholar] 13. Хуссейн Ш., Хусейн А.К. Смешанная конвекция теплопередачи в квадратном корпусе с дифференцированным обогревом и токопроводящим вращающимся круглым цилиндром в различных вертикальных положениях. Международная связь в области тепло- и массообмена . 2011. 38 (2): 263–274.[Google Scholar] 14. Ших Й.-К., Ходадади Дж. М., Вен К-Х, Ахмед А. Периодический поток жидкости и теплопередача в квадратной полости за счет изолированного или изотермического вращающегося цилиндра. Журнал теплопередачи . 2009. 131 (11): 1–11. [Google ученый] .

No related posts.