Конвекция свободная и вынужденная: Свободная и вынужденная конвекция 1 Теплообмен при свободной

Содержание

Свободная и вынужденная конвекция 1 Теплообмен при свободной

Свободная и вынужденная конвекция 1. Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей 2. Теплоотдача при свободном движении около горизонтальной трубы 3. Теплообмен при свободном движении жидкости в вертикальных щелях

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей Свободное движение возникает за счет массовых (объемных) сил, приложенных к частицам жидкости внутри системы. Такими силами являются сила тяжести, центробежная сила, силы электромагнитного поля и некоторые другие. Нас интересует свободное движение жидкости, вызванное гравитационными силами. При теплообмене температура жидкости переменна. Поэтому возникает разность плотностей и, как следствие, разность гравитационных сил, представляющая собой подъемную (опускную) силу. Работу по перемешиванию жидкости совершает сила тяжести. Скорость свободного движения жидкости определим из закона сохранения механической энергии (уравнения Бернулли), в котором гравитационные силы учитываются членом ρg, имеющим размерность силы, отнесенной к единице объема: откуда следует, что характерная скорость свободной конвекции

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей На рис. показано распределение температуры и скорости в пограничном слое. За пределами пограничного слоя в большом объёме скорость равна нулю. Из уравнений гидродинамики пограничного слоя находят выражение для δ: Поскольку α=2λ/δ, получим: Используя критерии подобия можно получить общий вид выражения теплообмена:

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей Изменение коэффициента теплоотдачи при подъемном свободном движении вдоль вертикальной стенки и связь этого изменения с характером движения показаны на рис. При ламинарном течении коэффициент теплоотдачи уменьшается по высоте пропорционально х 0, 25. Здесь определяющей температурой является температура жидкости за пределами движущегося слоя, определяющий размер — длина пластины, отсчитываемая от начала теплообмена. Формула получена для теплоносителей с числами Прандтля от 0, 7 до 3000. Ею следует пользоваться при 103

Теплообмен при свободной конвекции в большом объеме около вертикальных поверхностей При турбулентном течении коэффициент теплоотдачи от х не зависит. Хотя переменность физических параметров и Δt по высоте может привести и к изменению коэффициента теплоотдачи. Развитое турбулентное течение наступает при числах Gr. Pr > 6*1010. Для местных коэффициентов теплоотдачи при развитом турбулентном течении предложена формула:

Теплоотдача при свободном движении около горизонтальной трубы Характер свободного движения около горячих горизонтальных труб представлен на рис. При прочих равных условиях чем больше диаметр труб, тем вероятнее разрушение ламинарного течения. У труб малого диаметра разрушение ламинарного течения может происходить вдали от трубы. Для расчета средних коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном движении около горизонтальных труб может быть использована формула Михеевой И. М. В формуле за определяющую принята температура жидкости или газа вдали от трубы, в качестве определяющего размера берется диаметр трубы.

Теплообмен при свободном движении жидкости в вертикальных щелях Если расстояние между стенками велико, то восходящий и нисходящий потоки движутся без взаимных помех. В этом случае движение имеет такой же характер, как и в неограниченном объеме. Если же расстояние между стенками мало, то вследствие взаимных помех возникают внутренние циркуляционные контуры. Высота контуров h определяется шириной щели, родом жидкости и интенсивностью процесса. Перенос тепла между стенками может быть вычислен по уравнениям теплопроводности. При практических расчетах обычно необходимо определить тепловой поток через слой жидкости. Принято заменять сложный процесс переноса теплоты через щели эквивалентным процессом теплопроводности: где λэкв — эквивалентный коэффициент теплопроводности, учитывающий перенос теплоты через щель как теплопроводностью, так и конвекцией. Отношение εк=λэкв/ λ, характеризует влияние конвекции на перенос теплоты через щель. εк является функцией чисел Gr и Pr.

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности Полагаем, что плоская поверхность омывается потоком несжимаемой жидкости, скорость и температура которой за пределами гидродинамического и теплового пограничных слоев постоянны и равны соответственно w 0 и t 0.

Коэффициент теплообмена между поверхностью тела и средой определён законом Ньютона — Рихмана: Принимая распределение температуры в пограничном слое по параболе, что близко к реальному в ламинарном режиме, получено: Где k – толщина теплового пограничного слоя. Отсюда видно, что основная задача при нахождении α аналитическим методом заключается в определении толщины теплового пограничного слоя. Для решения этой задачи необходимо знание распределение скорости и теплового потока в пределах пограничного слоя, которые находятся из уравнений энергии и импульса. После интегрирования этих диференциальных уравнений находят толщину теплового пограничного слоя:

Теплоотдача при вынужденном продольном омывании плоской поверхности Подставляя полученное значение k в выражение для α и приведя результат к безразмерному виду получим: . X – отношение текущей кординаты х к длине пластины l. Отсюда уравнение теплообмена для всей пластины имеет вид: Для турбулентного режима течения можно для среднего коэффициента теплотдачи получить аналогичное выражение:

Вынужденное продольное омывание поверхности. Переход ламинарного течения в турбулентное происходит на некотором участке как показано на рисунке. Законы теплообмена при ламинарном и турбулентном режимах течениях различны, поэтому определение их границ имеет большое значение. О режимах течения судят по критическим значениям числа Рейнольдса: В ходе экспериментальных исследований установлено, что: для пластины: Reкр1 ≈ Reкр2 ≈ 105 для трубы: Reкр1 = 2300. Reкр2 ≈ 104

Вынужденное продольное омывание поверхности. Переход ламинарного течения в турбулентное Изменение коэффициента теплоотдачи при обтекании пластины приведено на рис. Из рисунка видно, что при ламинарном режиме течения, коэффициент теплоотдачи уменьшается быстрее чем при турбулентном, поскольку быстрее увеличивается толщина пограничного слоя.

Упражнения И

Упражнения 1. Прямой цикл Карно (см. рис. ) состоит из четырех обратимых процессов: двух изотермических a-b, d-c и двух адиабатных а-d, Ь-с. В тепловой машине, работаю щей по этому циклу, подвод теплоты от высшего источника осуществляется при 1200 К, а отвод к низшему — при 300 К. Какая доля подводимого количества теплоты расхо дуется на совершение работы и какая отводится к низшему источнику теплоты? 2. Эффективный к. п. д. ДВС (с учетом всех потерь и отклонений реального процесса от теоретического) отлича ется от термического к. п. д. цикла Карно на 30%. Опреде лить диапазон изменения эффективного к. п. д. ДВС, если температура сгорания топлива 1800 °С, а двигатель эксплу атируется при температуре окружающей среды ± 50 °С.

Смешанная свободная и вынужденная конвекция

Содержание:

Смешанная свободная и вынужденная конвекция

  • Для вашего 7-10, свободная конвекция, влияние на подачу и передачу тепла силы Тома не было considered. In на самом деле, когда плотность изменяется с температурой, плавучесть возникает в нормальном потоке, и интересно знать, когда ею можно пренебречь, а когда нужно учитывать. Это соображение осложняется большим количеством влияний parameters. In помимо числа Рейнольдса и числа Прандтля, число глашофа также имеет важное значение.

Также важны параметры, описывающие геометрию границы и направление течения относительно гравитационного поля. По-видимому, наиболее полно исследован стимулированный поток через круглую трубу с осью, параллельной направлению ускорения силы тяжести, при этом средний поток направлен вверх или вниз. [224]. Влияние естественной конвекции на теплопередачу может не приниматься во внимание, если число Рейнольдса велико(и, следовательно, скорость потока велика) или число кузнечиков невелико.

Применение термодинамики для решения практических задач часто требует знания параметров, конкретизирующих свойства изучаемого объекта, то есть требуется математическая модель системы, с необходимой точностью описывающая её свойства. Людмила Фирмаль

С другой стороны, если число глашофа велико, а число Рейнольдса мало, то естественная конвекция должна быть доминирующей Факторы. Это проиллюстрировано на рисунке. В 11-15-вертикальная труба (крышка) с другим соотношением длины и диаметра и жидкость с другим числом Прандтля[L. 225].Принудительный поток через трубу будет в том же направлении, что и плавучесть потока у стенки трубы. Вы можете видеть, что область смешанного потока определяется как область, в которой теплопередача отличается более чем на 10%. Рис. 11-15.Режимы принудительного перемешивания и свободной конвекции[л. 373].

Теплопередача, полученная из зависимости вынужденного течения или свободной конвекции, на самом деле очень мала. Макс Адамс предложил правило, позволяющее определить теплообмен в области смешанного flow. In в этом случае вычисляется коэффициент теплопередачи вынужденной и свободной конвекции и используется большое значение. Измеренные значения, полученные для потока через вертикальную трубу, не отклоняются более чем на 25% от значений, рассчитанных по правилам Мак Адамса.

Задачи 11-1.Вычислите ламинарный перенос тепла свободной конвекцией вдоль плоской пластины, расположенной под углом к вертикальному направлению, используя интегральное уравнение пограничного слоя и тот же профиль скорости, что и§ 11-1.

11-2. Используйте интегральное уравнение пограничного слоя и профиль скорости, используемые в 11-1 для расчета коэффициента ламинарного свободного конвективного теплообмена вокруг горизонтального цилиндра кольцевого сечения.

  • Предположим, что толщина пограничного слоя меньше диаметра цилиндра. 11-3.By эффект естественной конвекции, вызванной центробежной силой, вычисляют по локальному коэффициенту теплопередачи на поверхности охлаждающего воздушного канала в полой лопатке газовой турбины. Поскольку вынужденный поток воздуха при атмосферном давлении и температуре 260 ° С через проход очень мал, то влияние на конвективный теплообмен предполагается незначительным. Температура поверхности прохода составит » 538 В С. охлаждающие каналы расположены по оси, параллельной оси вращения, длиной 5,08 см, расстоянием от оси 38,1 см.

Лопатка крепится к турбинному колесу, которое вращается со скоростью 10 000 об / мин! В этом расчете мы предполагаем, что поверхность прохода можно считать плоской бритвой-ржавчиной, на которую действует центробежная сила. -Не принимай во внимание силу Кориолиса. 11-4. Используя расчеты, кратко описанные в § 11-2, выведем уравнение турбулентного свободного конвективного теплообмена на вертикальной пластине(11-16). 11-5.Теплопроводность газа часто измеряется методом Сазерленда путем встраивания платиновой проволоки вдоль оси капиллярной трубки, заполненной исследуемым газом. Проволока нагревается электрически, труба охлаждается снаружи, измеряется тепловой поток, температура проволоки и трубы.

Выбор независимых переменных для калорического уравнения состояния, теоретически не имеющий принципиального значения, важен с практической точки зрения: удобнее иметь дело с непосредственно измеримыми величинами типа температуры и давления. Людмила Фирмаль

Теплопроводность рассчитывается в предположении, что тепло от теплопроводности излучается от провода в трубку. Если желательно измерить теплопроводность водяного пара до давления 150 бар, то во избежание ошибок, обусловленных естественной конвекцией, определяют диаметр капилляра. (Используйте данные приложения для определения характеристик.!)Для этого используйте схему. Ил-14.Разница в температуры 5.6°C между трубкой и проводом поддержана. 11-6.

Температура плоских стенок сосуда составляет 93°с, изолированных 3 слоями алюминиевой фольги.1 слой находится на стене, еще 1 слой находится на расстоянии 1,25 см, соответственно, образуя 2 пространства. Снаружи изоляция охлаждается до 37,5°C окружающим воздухом. Какой температуры будет фольга пластины в середине быть? Сколько стоит тепловой поток в час на квадратный метр через изоляцию? Не учитывайте излучаемый теплообмен. 11-7.In в случае задачи 11-3 условия охлаждения воздуха, влиянием естественной конвекции на теплообмен можно пренебречь? (Предполагается, что гидравлический диаметр воздушного канала составляет 1 см.)

Смотрите также:

Свободная и вынужденная конвекция — Справочник химика 21

    Совместная свободная и вынужденная конвекции около погруженных в жидкость теп  [c. 312]

    СОВМЕСТНЫЕ СВОБОДНАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИИ В ОБЪЕМЕ [c.313]

    Режим ползущего течения (Не- -(1 На->0). Корреляция для горизонтальных цилиндров в этом режиме конвекции в 3 иа основе комбинации отдельных аналитических решений 10. для ползущего течения прн чисто свободной и вынужденной конвекциях [c.313]


    В. Противоположное значение сил свободной и вынужденной конвекции. Экспериментальные и теоретические результаты для этого случая менее обширны, чем для совместного влияния сил вынужденной и свободной конвек- [c.313]

    Совместные свободная и вынужденная конвекции в каналах  [c.315]

    Противоположно направленные свободная и вынужденная конвекции при ламинарном течении. В [4] считается, что теплоотдача для ламинарной свободной конвекции, противоположно направленной вынужденному движению, может быть описана с помощью (1), в котором знак + за- [c.318]

    Турбулентная конвекция. Как показано в [13], при совпадении направлений свободной и вынужденной конвекций вначале влияние сил плавучести приводит при турбулентном течении к уменьшению теплообмена вследствие уменьшения скорости, тем самым касательного напряжения и интенсивности турбулентности в ядре потока. Обратное влияние имеет место при противоположном направлении подъемных сил и сил вынужденной конвекции, при [c.319]

    Для совпадающих по направлению сил свободной и вынужденной конвекции экспериментальные данные качественно следуют за соотношением (15). Такое поведение чисел N11 противоположно поведению теплоотдачи нри ламинарном течении. [c.319]

    Чаще всего колебания температуры расплава возникают вследствие нестабильности работы нагревателей печи, присутствия потоков свободной и вынужденной конвекций в расплаве, а также из-за неравномерности вращения кристалла и тигля. [c.88]

    Рассмотренные в этой главе задачи связаны главным образом с проблемами пограничного слоя при наличии свободной и вынужденной конвекции. Все они решены исключительно интерференционными методами с помощью интерферометра Маха—Цендера (МЦИ). Интерференционные методы применительно к рассматриваемым задачам имеют очень большое значение. [c.185]

    Наконец, коротко будет рассмотрен случай, когда конвекция вынужденного потока находится под влиянием объемных сил (смешанная свободная и вынужденная конвекция).  [c.385]

    СМЕШАННАЯ СВОБОДНАЯ И ВЫНУЖДЕННАЯ КОНВЕКЦИЯ [c.408]

    Свободная и вынужденная конвекция [c.23]

    Процессы теплопроводности и диффузии в неподвижной среде в чистом виде могут наблюдаться только в твердых телах, так как в жидкостях и газах на эти процессы неизбежно накладывается движение среды как целого — свободная и вынужденная конвекция. [c.23]


    Конвекция — это перенос тепла движущейся жидкостью, сопровождаемый перемешиванием ее объемов с различной температурой. Жидкость, соприкасающаяся с горячей поверхностью, нагрета сильнее, чем остальная масса. Если движение жидкости происходит только вследствие возникающей при этом разницы плотностей и подъемных сил в поле тяжести, такой процесс называют свободной или естественной конвекцией. Если перемешивание осуществляется каким-либо другим способом, то такой процесс называют вынужденной конвекцией, хотя в некоторых случаях свободная и вынужденная конвекция вносят одинако- [c.26]

    Определение величины ав связано е трудностями, вызванными сложностью процессов теплообмена это и лучеиспускание газов, и свободная и вынужденная конвекция парогазовой смеси в пузырьке. Расчеты показывают, что количество тепла, переданное излучением, составляет лишь около 5% общего количества тепла, отданного пузырьком. Величину ап можно определить из уравнения И. Г. Аладьева [26]  [c.94]

    Уравнения (2)—(4) показывают, что безразмерными комплексами, которые определяют относительный вклад свободной и вынужденной конвекции, являются Ра (Ке Рг / ) —=Ог/(Ре Фг ) приРг оо 1 Ка/(Ре Рг)==Ог/Ре » при Рг- -О. Здесь Ог= р- (7 г,,—7 )/ /г — —число Грас офа. Эти два комплекса для предельных случаев определены так [c.312]

    В [6] получены аналитические решения для совпадающего по направлению влияния свободной и вынужденной конвекции с учетом изменения вязкости н плотности с температурой. Эти результаты представлены на рис. 6. Влияние ВЯ.ЭКОСТИ оказывается существенным, хотя и несколько меньшим, чем влияние плавучести. Иа рис. 7 расчетные значения сопоставлены с экспериментальными данными. [c.317]

    Рнс. 8. Сравнение результатов, полученных по (1) п (3), с частичным использованием уравнений (10) и (12) для полностью развитого ламинарного течения в однородно обогреваемой вертикальной трубе в условиях совпадения по направлению сил свободной и вынужденной конвекций. Точки — результаты экспериментоа [8. 9  [c.318]

    При противоположном направлении сил свободной и вынужденной конвекции эти данные хорошо описываются уравнением (1) с использованием следующих выражений для турбулентной выиужденной конвекции [15] и свободной турбулентной конвекции [16(  [c. 319]

    Klya hko L. S., J. Heat Transfer, 85, 355 (1963). [Имеется перевод Клячко. К вопросу о теплообмене между газом и шаровой поверхностью в условиях совместного действия свободной и вынужденной конвекции.— Труды амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1963, № 4, с. 80.1 [c.667]

    Yao L. S., J. Heat Transfer, 100, 212 (1978). [Имеется перевод Яо. Совместная свободная и вынужденная конвекция на начальном участке нагретой прямой трубы.—Труды амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1978, № 2, с. 41.] [c.671]

    Имеется перевод Юнг, Озел. Смешанная свободная и вынужденная конвекция при обтекании короткого вертикального цилиндра ламинарным горизонтальным потоком, — Труды амер. о-ва инж.-мех., сер. С, Теплопередача, 1985, № I, с. 213.] [c.675]

    СЛОИ у стенок трубы обладают большей вязкостью, чем в основном ядре тотока, поэтому скоростное поле описывается кривой с. Температурное поле и теплообмен находятся в известной зависимости от изменения скоростного поля. Таким образо М, ко1эффициент теплообмена зависит. как от направления теплового потока, тш и от его величины. Расчет теплообмена в вязких жидкостях был Выполнен К. Ямагата [Л. 88]. Во-вторых, расчетные и опытные данные трудно сравнивать потому, что часто при низких скоростях, характерных для ламинарного потока, вихревые токи свободной конвекции изменяют ламинарный характер движения в результате получается сочетание свободной и вынужденной конвекции [Л. 89]. Этот вопрос будет рассматриваться в разделе 11-5. В-третьих, для масел участок полной гидродинамической и тепловой стабилизации настолько велик, [c.247]

    При отсутствии свободной и вынужденной конвекции общий диффузионный поток i-ro компонента складывается из потока молекулярной диффузии 7j и стефанова потока При диффузии [c.45]


Свободная конвекция Естественная конвекция — Справочник химика 21

    Теплоотдача при свободном движении (естественной конвекции) в неограниченном пространстве [c. 567]

    При свободной или естественной конвекции характер движения жидкости определяется только подъемными силами, зависящими в свою очередь от плотности и сил тяжести. Кроме того, профили скорости и температуры в жидкости тесно взаимосвязаны. Это резко отличает рассматриваемый вид теплообмена от вынужденной конвекции, когда режим течения определяется внешними силами, создаваемыми, например, насосами или вентиляторами. В последнем случае предварительно определяют профиль скорости, а затем используют его для расчета профиля температуры. При вынужденной конвекции число Нуссельта является функцией чисел Прандтля и Рейнольдса, а при свободной конвекции — чисел Прандтля и Грасгофа. Число Грасгофа — это безразмерный комплекс, представляющий собой отношение подъемных сил к силам вязкости  [c.33]


    Свободное движение (естественная конвекция) [c.287]

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

    Свободное движение жидкости, или естественная конвекция, возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости и определяется физическими свойствами жидкости, ее [c.132]

    Естественная или свободная конвекция, вызываемая разностью плотностей в различных точках раствора, может оказывать существенное влияние на массоперенос, особенно при разделении растворов электролитов, плотность которых сильно зависит от концентрации. В аппаратах с горизонтальными плоскими мембранами естественная конвекция может вносить большой вклад в общий массоперенос, при [c. 177]

    В зависимости от характера движения потока различают два, принципиально различных, конвективных способа теплообмена — теплообмен при свободном движении (естественная конвекция) и при вынужденном движении (вынужденная конвекция). Если вдоль поверхности нагрева меняется температура среды, то меняется и ее плотность. Последнее обстоятельство является причиной возникновения свободного (естественного) конвективного потока. В другом случае внешние силы, вызывающие движение потока, могут быть настолько велики, что по сравнению с ними силы, вызывающие возникновение свободного движения, оказываются чрезвычайно малыми. В этом случае имеет место вынужденное движение. Если теплообмен происходит между частицами тел, находящимися только в непосредственном соприкосновении, то такой способ передачи тепла называется теплопроводностью. [c.61]

    Движение жидкой или газообразной фазы относительно граничной поверхности может происходить под действием внешних источников движения (вынужденная конвекция) или за счет различия плотности в разных областях среды, находящейся в поле гравитационных сил (свободная или естественная конвекция).[c.205]


    Поток свободной -или естественной конвекции возникает различными путями, например, когда нагретый объект помещен в газ, плотность которого изменяется с температурой. Тепло переносится от поверхности объекта к слоям окружающего его газа. Уменьшение плотности, которое в обычном газе связано с увеличением температуры, заставляет эти слои подниматься и таким образом создает поток свободной конвекции, переносящий тепло от объекта. Физически такой поток можно описать на основании учета тех объемных сил, которые его вызывают. [c.384]

    В частности, при свободном движении (естественной конвекции), обусловленном разностью плотностей жидкости (газа) за счет разности температур в различных ее точках, затруднительно определить скорость потока. Ее исключают, комбинируя критерии Рейнольдса и Фруда  [c.38]

    Конвекция — это перенос тепла движущейся жидкостью, сопровождаемый перемешиванием ее объемов с различной температурой. Жидкость, соприкасающаяся с горячей поверхностью, нагрета сильнее, чем остальная масса. Если движение жидкости происходит только вследствие возникающей при этом разницы плотностей и подъемных сил в поле тяжести, такой процесс называют свободной или естественной конвекцией. Если перемешивание осуществляется каким-либо другим способом, то такой процесс называют вынужденной конвекцией, хотя в некоторых случаях свободная и вынужденная конвекция вносят одинако- [c.26]

    II. Свободное движение [естественная конвекция). . .  [c.154]

    Вынужденное движение жидкости вызывается работой насоса, вентилятора, дымовой трубы или другого устройства, причем между входом и выходом из канала, по которому движется жидкость, устанавливается определенная разность давлений. Свободное движение (естественная конвекция) может происходить и при отсутствии перепада давлений и обусловливается различием удельных весов жидкости в разных точках рассматриваемого объема, вызывающим появление так называемой подъемной силы.[c.24]

    Теплообмен между стенкой и газом, массы которого перемещаются под влиянием разности температур поверхности стенки и газа, называется теплообменом при свободной или естественной конвекции. [c.194]

    VI. Свободный поток (естественная конвекция)  [c.271]

    Если движение жидкости обусловлено градиентами температуры или концентраций, то говорят о свободной, или естественной, конвекции. Если движение вызывается внешними силами, то процесс носит название вынужденной конвекции [4]. [c.322]

    В общем случае возможны две различные (по происхождению) формы движения вынужденное движение, вызванное действием внешних возбудителей процесса, и свободное движение (естественная конвекция), обусловленное неоднородностью поля плотности. Но пространственные различия плотности могут возникнуть только как следствие одной из следующих двух причин либо физической неоднородности среды (смесь двух жидкостей, твердые частицы или пузырьки газа в капельной жидкости и т. п.), либо изменения плотности среды в зависимости от температуры или давления. Мы изучаем здесь случай однородной среды и к тому же полагаем, что она обладает неизменными физи- [c.114]

    При наличии заметных градиентов концентрации компонента с сильно отличной от газовой среды молекулярной массой возникает естественная конвекция за счет разности плотностей и конвекционные токи усиливают перемешивание [8]. Подробнее к этому вопросу мы вернемся в гл. IV при учете свободной конвекции, вызываемой температурными градиентами. [c.89]

    Передача тепла в теплообменниках происходит в основном за счет проводимости и конвекции, так как при существующих температурах тепловое излучение незначительно. Проводимость — основной механизм передачи тепла в твердых телах. Он заключается главным образом в передаче энергии при прохождении одного слоя молекул вдоль другого слоя и обмена между ними кинетической энергией. Конвекция имеет место только в потоках и заключается в реальном перемещении молекул с одного места па другое. Свободная конвекция возникает при естественном случайном движении, а принудительная является результ атом принудительного движения молекул, которое имеет место только при наличии потоков. [c.167]

    При естественной свободной конвекции, связанной исключительно с изменениями температуры окружающей среды, конвекционные токи в резервуаре в зависимости от направления теплового потока могут быть круговыми или вертикальными (рис. 13). В наземных ре- [c.144]

    Область свободной конвекции АВ, где температурные градиенты создаются в объеме и теплота передается естественной конвекцией к свободной поверхности жидкости и отсюда испарением в паровое пространство. [c.369]

    Подъемные силы обусловливают возникновение потока в жидкости или газе, даже когда они находятся в состоянии покоя (ио = 0). Перемещение тепла, вызванное этим движением, называется свободной или естественной конвекцией. Здесь критерий Рейнольдса равен нулю и поэтому выпадает из решеиий (9-15) — (9-17) и из уравнений, описывающих безразмерные параметры теплообмена.[c.297]


    Передача тепла конвекцией имеет место только в жидкостях и газах и происходит при перемещении частиц жидкости (или газа). Перемещение частиц либо обусловлено движением всей массы жидкости или газа (вынужденная, или принудительная конвекция), либо является следствием разности плотностей в различных точках, вызванной неравномерных распределением темлера-туры по массе жидкости или газа (свободная, или естественная конвекция). Конвекция всегда сопровождается передачей тепла теплопроводностью. [c.269]

    Различают два типа конвективного переноса свободную (или естественную) конвекцию, при которой поток создается исключительно различиями в плотности, связанными с различиями температур тела и окружающей среды (в данном случае воздуха), и вынужденную конвекцию, при которой поток возникает вследствие движения воздуха. В прир10дных условиях над поверхностью листьев редко наблюдается в чистом виде конвекция первого типа, так как воздух обычно не бывает неподвижным. Вынужденная конвекция, таким образом, преобладает, хотя иногда важное значение имеют оба процесса. [c.256]

    Для общего случая свободной или естественной конвекции тепла между твердым телом и жидкостью (газом), без перемены агрегат-ноге состояния Nusselt, Davis, Ri e и ряд других исследователей дают следующее уравнение в однородных единицах (см. стр. 187)  [c.212]

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

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

    Назовем несколько общих обзоров по свободной конвекции. В 1954 г. в [1] проведен наиболее общий об. зор. В 1901 г. в [2] рассмотрены результаты исследования свободной и естественной конвекций, особое внимание уделено последним достижениям. В 1965 г. в [3 проведен обзор работ по стационарной свободгюй и естественной конвекции. В 1966 г. в [4 рассмотрены достижения в области численных методов исследования свободной и естественной конвекций. В 1967 г. в [5] проведен подробный обзор результатов по свободной конвекции на вертикальных пластинах. В 16] материал о свободной конвекции включен в обзор, посвященный задачам, описывающим конвекцию около цилиндров. [c.274]


Конвективный теплообмен. Закон Ньютона — Рихмана. Свободная и вынужденная конвекция. Физический смысл коэффициента теплоотдачи, его зависимость от различных факторов. Изотермический процесс. Конвективный теплообмен. Дизельные и карбюраторные двигатели

Похожие главы из других работ:

Вертикальный парогенератор с витой поверхностью нагрева и природной циркуляцией рабочего тела

1.
2 Теплообмен со стороны теплоносителя. Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы

Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя рассчитывается по эмпирическим зависимостям для случая течения однофазной среды в трубах, кВт/м2? К (1.7) где л-коэф.теплопроводности воды, кВт/м ?К dн и дст — соотв…

Виды теплообмена

2. ВЫНУЖДЕННЫЙ КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН

Уметь рассчитывать конвективный тепловой поток нужно не только при течениях в каналах, но и при обтекании пластин, цилиндров, сфер и пучков труб, что важно для инженерных приложений. 2…

Волны де–Бройля и их физическое толкование

4. Физический смысл волн де-Бройля

Существуют, кроме того, и общие соображения, указывающие на то, что микроскопические частицы нельзя рассматривать как пакеты воли. Необходимым признаком элементарных частиц является их неделимость. Мы утверждаем…

Законы сохренения импульса

1.
Закон сохранения импульса в классической механике и свяжите его с законом динамики Ньютона. Пример использования того закона. Как он связан со свойствами пространства-времени, и почему этот закон фундаментален?

Момент импульса системы тел сохраняется неизменным при любых взаимодействиях внутри системы, если результирующий момент внешних сил, действующих на нее, равен нулю. Закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона…

Краевые задачи остывания нагретых тел

1.1 Физический смысл уравнения теплопроводности

Рассмотрим физические предпосылки вывода уравнения теплопроводности на примере линейного случая. В задаче линейной теплопроводности стержень предполагается настолько тонким…

Моделирование процессов конвективного обмена

1. Конвективный теплообмен в однородной среде

Расчет вертикального парогенератора с витой поверхностью нагрева и естественной циркуляцией рабочего тела

1.
2 Теплообмен со стороны теплоносителя. Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы

Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя рассчитывается по эмпирическим зависимостям для случая течения однофазной среды в трубах, кВт/м2? К , (1.7) где: л — коэффициент теплопроводности воды…

Расчет вертикального парогенератора с витой поверхностью нагрева и естественной циркуляцией рабочего тела

1.2 Теплообмен со стороны теплоносителя. Расчет коэффициента теплоотдачи от теплоносителя к стенке трубы

Коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя рассчитывается по эмпирическим зависимостям для случая течения однофазной среды в трубах, кВт/м2? К (1.7) где л-коэф.теплопроводности воды, кВт/м ?К dн и дст — соотв…

Регенеративные циклы

1 Физический смысл регенерации тепла в цикле теплового двигателя и способы ее осуществления

Для выяснения физической сути регенерации тепла целесообразно рассмотреть идеальные циклы для простейшей ПТУ, где балансы тепловой энергии не осложнены дополнительными потерями. Из термодинамики известно…

Тепловые процессы. Конвективный теплообмен

1. Конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называют распространение теплоты в жидкой или газообразной среде с неоднородным распределением температуры, осуществляемое макроскопическими элементами среды при ее перемещении…

Теплопроводность жидкостей и газов

2. Физический смысл коэффициента теплопроводности

Вспомним ещё раз, что основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF…

Теплопроводность жидкостей и газов

Физический смысл коэффициента теплопроводности

Вспомним ещё раз, что основным законом передачи тепла теплопроводностью является закон Фурье. Согласно этому закону количество тепла dQ, передаваемое посредством теплопроводности через элемент поверхности dF. ..

Численное исследование конвективных течений в пакете ANSYS

2.1 Свободная конвекция

Рассматривается цилиндрический слой жидкости. Полагается, что на верхней границе выполняется условие проскальзывания…

Численное исследование конвективных течений в пакете ANSYS

2.2 Вынужденная конвекция

Рассматривается цилиндрический слой жидкости. Полагается, что на боковой стенке и на дне выполняется условие прилипания (схематично исследуемая модель представлена на рисунке 3) Рис. 2…

Численное решение уравнения Шредингера средствами Java

1. Уравнение Шредингера и физический смысл его решений

Какова Вынужденная конвекция?

Какова Вынужденная конвекция?

 

Конвекция описывает эффект высокой температуры от жидкостей путешествия или газов на твердом объекте. В вынужденной конвекции поток жидкости или газа увеличен или создан искусственно. Лопасти — распространенный способ вызвать газы, в то время как насосы часто используются с жидкостями. Вынужденная конвекция обычно работает более быстро чем стандартная конвекция.

простой пример вынужденной конвекции плавил бы кубик льда с теплой водой. Кубик льда будет плавиться естественно во все еще бассейн с теплой водой. Свободная конвекция привела бы к воде вокруг становления кубика льда, более прохладного и менее эффективного при плавлении кубика льда, поскольку процесс развивается. Если бы теплая вода была вызвана через кубик льда непрерывно, то вода не охладилась бы, и кубик льда плавился бы намного быстрее.

Эффективность конвективного теплообмена определен несколькими факторами. Вообще, чем больше подвергнутая действию область поверхности, которая будет нагрета, тем более трудный это должно нагреться. Поэтому, поток газа или жидкости должен быть приспособлен соответственно. Это часто достигается добавлением искусственного источника, чтобы увеличить поток жидкостей или газа.

Скорость потока конвекции также важна. Вообще, более быстрые потоки более эффективны. Охлаждение ветра — хороший пример этой эффективности. Человек, стоящий в тяжелом ветре, охладится быстрее чем один в воздухе мантиссы, потому что теплая кожа подвергается действию большего объема холодного воздуха в пределах данного времени.

Различие в температуре также воздействует на уровень, при котором происходит вынужденная конвекция. Поверхности, подвергнутые действию конвекционного тока с намного более высокой температурой, нагреются быстрее. Конвективный теплообмен замедляется, поскольку объект приближает к температуре потока.

Более густые жидкости и газы обычно более эффективны при теплопередаче. Это проблематично, потому что много более густых газов и жидкостей требуют, чтобы больше силы обслужило эффективную скорость в конвекционном токе. Забота также должна быть проявлена, что жидкость или газы остаются мобильными, как они охлаждаются.

Хотя основное внимание вынужденной конвекции часто — объект, который будет нагрет или охлажден, важно помнить, что температурная передача идет обоими путями. Когда поток конвекции нагревает объект, более низкая температура объекта передана потоку. Определение изменения температуры и в объекте и в потоке важно, судя эффективность метода вынужденной конвекции.

Анализ теплопередачи брикетируется или вручную или программным обеспечением. Есть много переменных, но есть два основных признака эффективности принудительного конверсионного метода. Первая индикация — повышение температуры в поверхности, которая будет нагрета. Вторая индикация — различие в температуре потока конвекции прежде и после того, как это передало по поверхности. Чем больше различие, тем более полезный метод конвекции.

 

 

 

 

[<< Назад ] [Вперед >> ]

Сопряженная теплопередача | Блог COMSOL

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

Теплопередача в твердых телах и жидкостях

Теплопередача в твердом теле

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

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

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

Теплопередача в жидкости

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

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

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

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

Прикладные задачи, связанные с сопряженной теплопередачей

Высокоэффективная теплопередача

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

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

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


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

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


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

Энергосбережение

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


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


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

Взаимодействие твердых тел и жидкостей

Граница жидкости и твердого тела

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


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

Свободная конвекция

Свободная конвекция возникает тогда, когда жидкость приводится в движение силами плавучести. В зависимости от ожидаемых тепловых характеристик естественная конвекция может быть как полезной (например, в случае охлаждения), так и нежелательной (например, свободная конвекция в слое термоизоляции). 3

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

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

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


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

Вынужденная конвекция

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

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

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

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

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

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


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

Заключение

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

Примечания

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

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

Gr: число Грасгофа (безразмерная величина)

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

L: характерный размер (единицы СИ: м)

n: показатель преломления (безразмерная величина)

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

Pr: число Прандтля (безразмерная величина)

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

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

Ra: число Рэлея (безразмерная величина)

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

T: поле температуры (единицы СИ: K)

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

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

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

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

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

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

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

\varepsilon: излучательная способность поверхности (безразмерная величина)

\rho: плотность (единицы СИ: кг/м3)

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

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

Тепловая конвекция: естественная и 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. Конкретные приложения, такие как аэрокосмическая промышленность, лишены жидкости и не могут использовать тепловую конвекцию.В противном случае это самый популярный способ получить тепло от продуктов.

Но в промышленности вы, наверное, слышали термины «принудительная конвекция» и «естественная конвекция». Хотя может показаться, что это не имеет большого значения между ними, это оказывает большое влияние на то, как разработано ваше решение для управления температурным режимом. Итак, давайте посмотрим на естественную конвекцию и принудительную конвекцию и разберемся в различиях.

Конвекция: история двух процессов

Процесс конвекции, как мы его называем в тепловом менеджменте, на самом деле является комбинацией двух процессов.Первый процесс технически является теплопроводностью, когда тепло от поверхности радиатора передается любой жидкости, контактирующей с этой поверхностью. Вторым процессом считается адвекция, представляющая собой объемный поток жидкости, нагретой устройством, от источника тепла. То, что мы делаем, вместо того, чтобы обращаться к обоим по отдельности, мы объединяем их в один термин: конвекция.

Важно понимать две части конвекции, когда мы пытаемся улучшить тепловые характеристики наших решений.Когда мы понимаем части конвекции, у нас появляется больше возможностей разрушить и улучшить каждую из этих частей, чтобы улучшить нашу общую теплопередачу.

Естественная конвекция против принудительной

Мы классифицируем тип конвективного потока как естественный или вынужденный. Мы сделали это обозначение, поскольку каждое из них по-своему влияет на приложение и продукт в целом. Эти разные типы потока имеют разные проектные ограничения и проблемы, которые необходимо решать индивидуально.

Это естественно (поток)

Естественная конвекция – это когда естественная плавучесть приводит в движение адвективный поток. Вы, наверное, слышали термины «шлейф» или «эффект дымохода» для описания естественной конвекции. По сути, когда жидкость внутри или рядом с источником тепла и радиатором нагревается выше температуры окружающей среды, она имеет меньшее давление. Здесь, на Земле, у нас есть гравитация, поэтому меньшее давление означает большую плавучесть. Этот перепад давления создает движение более горячего воздуха вверх, в сторону от источника гравитации.Затем более холодная окружающая жидкость заполняет место, откуда выходит горячий воздух, создавая поток внутрь, а затем вверх.

Плывите по течению: рекомендации по проектированию естественной тепловой конвекции

Сверхнадежность решений с естественной тепловой конвекцией

В приложениях, где надежность имеет решающее значение, естественная конвекция является предпочтительным типом потока в рамках решения по управлению температурным режимом. Полагаясь на естественные силы для придания движения вашей жидкости, ключевые компоненты, такие как вентиляторы или насосы, не требуются. Эти компоненты, хотя и тщательно спроектированы и протестированы, со временем изнашиваются. Пока у вас есть фрикционные детали, такие как двигатели вентиляторов или насосов, вы будете обеспокоены надежностью ваших двигателей.

Варианты жидкости для естественной тепловой конвекции

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

Расстояние между ребрами естественной тепловой конвекции

Когда вы говорите о радиаторах с естественной и принудительной конвекцией, вы увидите разницу в общей структуре радиатора. Независимо от жидкости, мы хотим оптимизировать наш радиатор, чтобы максимизировать эффект дымохода. Это означает, что между ребрами радиатора достаточно места, чтобы они могли «дышать». Вам нужно достаточно места для нагрева рядом с ребрами в пределах их пограничного слоя с каждой стороны зазора, а также дополнительное пространство посередине для потока воздуха вверх. Вы увидите, что меньшее расстояние между ребрами на тепловых контурах внизу слева позволяет более холодному воздуху проходить гораздо дальше вверх по зазорам ребер, чем к радиатору справа. Вот почему вы заметите, что некоторые радиаторы имеют гораздо больший зазор между ребрами, чем другие.Ребра с зазором около 1/4″ и больше обычно предназначены для естественной конвекции.

Принуждение субъекта к принудительной тепловой конвекции

Когда этот адвективный поток создается не только естественной плавучестью, но и другим механизмом, мы называем его принудительной конвекцией. В этих случаях мы обычно используем что-то вроде вентилятора или насоса для управления потоком жидкости. Вынужденная конвекция также может быть вызвана такими вещами, как кто-то, кто дует на кожу, чтобы охладить ожог, или слуги, вооруженные пальмовыми ветвями.Дело в том, что есть какой-то механизм, помимо физики, управляющий потоком, это называется вынужденная конвекция.

Влияние конструкции на принудительную конвекцию

Избавься от жары!

Большим преимуществом принудительной конвекции по сравнению с естественной конвекцией является увеличение теплопередачи. Имея возможность перемещать больше жидкости через систему за тот же период времени, больше тепла, поглощаемого жидкостью, может быть отведено от вашего источника тепла.Это не позволяет теплу задерживаться и накапливаться, а в управлении температурой это последнее, чего мы хотим.

Что принудительная конвекция означает для надежности

К сожалению, недостаток того, что что-то принудительно проходит через вашу систему, заключается в том, что оно может выйти из строя. Фрикционные детали в наших насосах и вентиляторах изнашиваются, у легкого ожога кружится голова от всего этого дуновения, или слуги идут есть или спать. Эти вещи не могут продолжаться бесконечно. Именно здесь инженеры-конструкторы должны учитывать надежность своих компонентов и убедиться, что конечный продукт достаточно исправен, чтобы заменить сломанные детали, или что детали могут прослужить дольше, чем ожидаемый срок службы конечного продукта.Это особенно верно для критических устройств, которые поддерживают жизнь или безопасность.

Движущиеся части и шум

Поскольку принудительная конвекция требует движущихся частей для ускорения потока жидкости, она также производит звук. Двигатели вентиляторов или насосов производят больше шума по сравнению с естественной конвекцией. Для некоторых приложений это может быть настоящим недостатком. Я имею в виду, что это действительно выводит вас из вашего захватывающего опыта с видеоиграми или фильмом, когда вентилятор включает высокую передачу и начинает громко напевать. Вам все еще нужен вентилятор, так как вы хотите играть в игры и смотреть фильмы на долгие годы. Но этот вентилятор может включиться в те напряженные моменты вашего аудио/визуального опыта.

Влияние конструкции на принудительную конвекцию

Когда дело доходит до вашего дизайна и требований к конечному продукту, вы и ваш конечный покупатель являетесь экспертами. Вы должны быть в состоянии определить предпочитаемый тип потока на основе вашей надежности и требований конечного пользователя. Но помните, вы не одиноки. Aavid Genie может помочь пройти процесс сравнения естественной и вынужденной конвекции для вашего приложения.Если вы обнаружите, что вам нужна дополнительная помощь, инженеры-конструкторы Boyd разработали решения для сложных ситуаций с высокой мощностью естественной конвекции или создали решения для принудительной конвекции, отвечающие жестким требованиям надежности. Каким бы ни было ваше приложение, будь то естественное или принудительное, Бойд может помочь вам с тем, что вам нужно.

Удачного проектирования!

Сопутствующие товары и ресурсы

Естественная конвекция — Свободная конвекция | Определение

При естественной конвекции жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается на тепловое расширение .Тепловое расширение жидкости играет решающую роль. Другими словами, более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, а более легкие (менее плотные) компоненты будут подниматься, что приведет к движению объемной жидкости.

В общем, конвекция представляет собой либо перенос массы, либо перенос тепла из-за объемного движения молекул внутри жидкостей, таких как газы и жидкости. Хотя жидкости и газы, как правило, не очень хорошие проводники тепла, они могут довольно быстро передавать тепло за счет конвекции. Конвекция происходит посредством адвекции, диффузии или того и другого.В предыдущих главах мы рассмотрели перенос конвекции в потоках жидкости, возникающий из-за внешнего вынужденного условия – вынужденной конвекции. В этой главе рассматривается естественная конвекция , когда любое движение жидкости происходит за счет естественных средств, таких как плавучесть .

Определение естественной конвекции

Естественная конвекция , также известная как свободная конвекция, представляет собой механизм или тип переноса массы и тепла, при котором движение жидкости создается только разницей плотности в жидкости, из-за перепадов температур, а не из-за какого-либо внешнего источника (например, насоса, вентилятора, всасывающего устройства и т. д.).).

В естественной конвекции жидкость, окружающая источник тепла, получает тепло, становится менее плотной и поднимается за счет теплового расширения . Тепловое расширение жидкости играет решающую роль. Другими словами, более тяжелые (более плотные) компоненты будут падать, а более легкие (менее плотные) компоненты будут подниматься, что приведет к движению объемной жидкости. Естественная конвекция может возникать только в гравитационном поле или наличии другого надлежащего ускорения , таких как:

  • ускорение
  • 9013 центробежна
  • Центробежная сила
  • Coriolis Force 9013

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

См. также: Естественная циркуляция

Конвекционные потоки

Движение, возникающее в результате постоянной замены нагретой жидкости вблизи источника тепла более холодной жидкостью поблизости, называется естественным конвекционным потоком , а масса и тепло перенос, усиливающийся в результате этого естественного конвекционного тока , называется естественной конвекцией массы и теплопередачи .

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

В природе конвекционные потоки, образованные воздухом, поднимающимся над нагретой солнечным светом землей или водой, являются основной особенностью всепогодных систем. Конвекционные потоки также видны в восходящем шлейфе горячего воздуха от огня, тектоники плит и океанической циркуляции.

Создание конвекционных потоков

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

Естественная конвекция – теплопередача

Аналогично, что и для вынужденной конвекции, естественная конвекционная теплопередача происходит как по тепловой диффузии по адвекции 9010 молекул жидкости (беспорядочное движение 9010 молекул) , в котором вещество или тепло переносится более крупномасштабным движением токов в жидкости.Поток энергии происходит исключительно за счет проводимости на поверхности даже при конвекции. Это связано с тем, что на поверхности теплопередачи всегда имеется тонкий слой застойной жидкости . Но в следующих слоях и проводимость, и диффузионно-массовое движение происходят на молекулярном или макроскопическом уровнях. Из-за движения массы скорость передачи энергии выше. Чем выше скорость движения массы, тем тоньше будет слой застойной жидкости и тем выше скорость теплового потока.

Тепловое расширение

В общем, плотность  можно изменить  изменив давление или температуру . Увеличение давления всегда увеличивает плотность материала. Влияние давления на плотность жидкостей и твердых тел очень и очень мало. С другой стороны, плотность газов сильно зависит от давления. Это выражается сжимаемостью . Сжимаемость измеряет относительное изменение объема жидкости или твердого вещества в ответ на изменение давления.

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

где ∆T — изменение температуры, V — первоначальный объем, ∆V — изменение объема, а α V  это  коэффициент объемного расширения .

Следует отметить, что из этого правила есть исключения. Например, вода  отличается от большинства жидкостей тем, что становится менее плотной при замерзании . Его максимальная плотность составляет 3,98 °C (1000 кг/м 90 272 3 90 273 ), тогда как плотность льда составляет 917 кг/м 90 272 3 90 273 . Она отличается примерно на 9 % и, следовательно,  лед плавает  на жидкой воде

Плотность воды как функция температуры

Плотность воды как функция температуры

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

Величина естественной конвекционной теплопередачи между поверхностью и жидкостью напрямую связана с расходом жидкости, вызванным естественной конвекцией . Чем выше скорость потока, тем выше скорость теплопередачи. Расход в случае естественной конвекции устанавливается динамическим балансом плавучести и трения.

Пусть пластина при температуре T стенка погружена в покоящуюся жидкость при температуре T объем , где ( T стенка > T 8 объем).Жидкость вблизи пластины менее плотная, чем жидкость, удаленная дальше. Силы плавучести, следовательно, индуцируют естественную конвекцию пограничного слоя, в котором нагретая и более легкая жидкость поднимается вертикально, увлекая за собой более тяжелую жидкость из спокойной области. Результирующее распределение скоростей отличается от распределения пограничных слоев с принудительной конвекцией и зависит от вязкости жидкости. В частности, скорость равна нулю на поверхности , а также на границе из-за вязких сил.Следует отметить, что естественная конвекция возникает и в том случае, если (T стенка < T объем ), но в этом случае движение жидкости будет нисходящим.

Наличие и величина естественной конвекции также зависят от геометрии задачи. Наличие градиента плотности жидкости в гравитационном поле не обеспечивает существования естественных конвекционных течений. Эта проблема проиллюстрирована на следующем рисунке, где жидкость окружена двумя большими горизонтальными пластинами с разными температурами (T верхняя ≠ T нижняя ).

  1. В случае A, температура нижней пластины выше, чем температура верхней пластины. В этом случае плотность уменьшается в направлении силы тяжести. Эта геометрия вызывает циркуляцию жидкости, а теплопередача происходит посредством естественной циркуляции. Более тяжелая жидкость будет опускаться вниз, нагреваясь при этом, в то время как более легкая жидкость будет подниматься вверх, охлаждаясь при движении.
  2. В случае B, температура нижней пластины ниже температуры верхней пластины.В этом случае плотность увеличивается в направлении силы тяжести. Такая геометрия обеспечивает стабильные условия, стабильный температурный градиент и не вызывает циркуляции жидкости . Теплопередача происходит исключительно за счет теплопроводности.

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

Естественная конвекция — ламинарная и турбулентная

Важно отметить, что пограничные слои естественной конвекции не ограничены ламинарным потоком. Как и в случае вынужденной конвекции, могут возникать гидродинамические нестабильности. Возмущения течения могут усиливаться, что приводит к переходу от ламинарного течения к турбулентному. Для вертикальной плоской пластины течение становится турбулентным на величину:

Ra x = Gr x . Pr > 10 9

Как и в случае вынужденной конвекции, микроскопический характер корреляций потока и конвекции в ламинарной и турбулентной областях резко различается.

Естественная конвекция – корреляции

Большинство корреляций теплопередачи в естественной конвекции основаны на экспериментальных измерениях, и инженеры часто используют правильные характеристические числа для описания теплопередачи естественной конвекции. Характеристическое число, описывающее конвективную теплопередачу (т. е. коэффициент теплопередачи), представляет собой число Нуссельта , которое определяется как отношение тепловой энергии, переданной конвекцией в жидкость, к тепловой энергии, переданной внутри жидкости. Число Нуссельта представляет усиление теплопередачи через слой жидкости за счет конвекции по сравнению с проводимостью через тот же слой жидкости. Но в случае свободной конвекции корреляции теплообмена (для числа Нуссельта) обычно выражаются через число Рэлея .

Число Рэлея используется для выражения теплопередачи при естественной конвекции. Величина числа Рэлея является хорошим показателем того, является ли пограничный слой естественной конвекции ламинарным или турбулентным.Простые эмпирические корреляции для среднего числа Нуссельта Nu в естественной конвекции имеют вид: на геометрию поверхности и режим течения, который характеризуется диапазоном числа Рэлея . Значение n обычно составляет n = 1/4 для ламинарного потока и n = 1/3 для турбулентного потока .

Например:

См. также: число Нуссельта
См. также: число Рэлея

Пример: естественная конвекция – плоская пластина

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

Чтобы вычислить число Рэлея, мы должны знать:

  • коэффициент теплового расширения, который равен: β = 0. Pr = 0,87 это значение значительно ниже, чем при 20°C)

Результирующее число Рэлея равно:

Результирующее число Нуссельта, которое представляет усиление теплопередачи через слой жидкости в результате относительной конвекции к проводимости через тот же слой жидкости:

Комбинированная принудительная и естественная конвекция

Как было сказано, конвекция происходит посредством адвекции, диффузии или того и другого.В предыдущих главах мы рассмотрели конвекционный перенос в потоках жидкости, возникающий из-за внешнего вынужденного условия – вынужденная конвекция . В этой главе рассматривается естественная конвекция , когда любое движение жидкости происходит за счет естественных средств, таких как плавучесть. Есть режимы течения, в которых мы должны рассматривать оба механизма форсирования . Когда скорость потока низкая, в дополнение к принудительной конвекции также будет способствовать естественная конвекция. Важна ли свободная конвекция для теплообмена, можно проверить с помощью следующих критериев:

  • Если Gr/Re 2 >> 1 преобладает свободная конвекция
  • Если Gr/Re 2 << 1 преобладает вынужденная конвекция
  • Если Gr/Re 2 ≈ 1, следует учитывать оба варианта. Естественная конвекция может помочь или повредить принудительная конвекция теплообмен в зависимости от относительных направлений выталкивающего и вынужденного конвекционного движений. Три особых случая, которые были тщательно изучены, соответствуют движениям, вызванным плавучестью, и вынужденным движениям:

    • Вспомогательный поток . Выталкивающее движение происходит в том же направлении, что и вынужденное движение.
    • Противоток . Выталкивающее движение противоположно вынужденному движению.
    • Поперечный поток . Выталкивающее движение перпендикулярно вынужденному движению.

    Очевидно, что при вспомогательных и поперечных течениях плавучесть увеличивает скорость теплообмена, связанную с чистой вынужденной конвекцией. С другой стороны, встречные потоки уменьшают скорость теплообмена. При определении числа Нуссельта в условиях комбинированной естественной и вынужденной конвекции возникает соблазн сложить вклады естественной и вынужденной конвекции в вспомогательных течениях и вычесть их в встречных течениях:

    и Nu натуральный определяются из существующих корреляций для чистой принудительной и естественной (свободной) конвекции для интересующей конкретной геометрии.Наилучшая корреляция данных с экспериментами часто получается для показателя n = 3 , но он может варьироваться от 3 до 4 в зависимости от геометрии задачи.

    Естественная циркуляция

    Естественная циркуляция в замкнутом контуре

    Естественная циркуляция — это циркуляция жидкости в трубопроводных системах или открытых бассейнах вследствие изменений плотности , вызванных разницей температур. Естественная циркуляция не требует никаких механических устройств для поддержания потока.

    Это явление имеет сходную с естественной конвекцией природу, но в данном случае коэффициент теплопередачи не является объектом исследования. В этом случае объемный поток через контур является объектом исследования. Это явление является скорее гидравлической проблемой , чем проблемой теплопередачи. Однако в результате естественная циркуляция отводит тепло от источника и переносит его к теплоотводу и имеет первостепенное значение для безопасности реактора.

    См. также: Естественная циркуляция

     

    Ссылки:

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

    Ядерная и реакторная физика:

    1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Аддисон-Уэсли, Рединг, Массачусетс (1983).
    2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
    3. В. М. Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
    4. Гласстоун, Сезонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
    5. WSC. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г. , ISBN: 978-0198520467
    6. Г.Р.Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965 г.
    7. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988 г.
    8. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. Справочник по основам Министерства энергетики, том 1 и 2. Январь 1993 г.
    9. Пол Ройсс, Нейтронная физика. EDP ​​Sciences, 2008. ISBN: 978-2759800414.

    Advanced Reactor Physics:

    1. К. О. Отт, В. А. Безелла, Введение в статистику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, исправленное издание (1989 г.), 1989 г., ISBN: 0-894-48033-2.
    2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
    3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
    4. Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

    Таблица коэффициентов конвективной теплопередачи

    Связанные ресурсы: передача тепла

    Таблица коэффициентов конвективной теплопередачи

    Технология теплопередачи
    Термодинамика

    Таблица коэффициентов конвективной теплопередачи

    Следующие таблицы показывают типичные коэффициенты конвективной теплопередачи для жидкостей и конкретных применений

    Типовые значения коэффициента теплопередачи

    Тип потока

    (Вт/м 2 К)

    Принудительная конвекция; низкоскоростной поток воздуха над поверхностью

    10

    Принудительная конвекция; умеренная скорость потока воздуха над поверхностью

    100

    Принудительная конвекция; среднескоростной поперечный поток воздуха над цилиндром

    200

    Принудительная конвекция; умеренный поток воды в трубе

    3000

    Принудительная конвекция; расплавленные металлы

    от 2000 до 45000

    Принудительная конвекция; кипяток в трубе

    50 000

    Принудительная конвекция – вода и жидкости

    от 50 до 10000

    Свободная конвекция — газы и сухие пары

    от 5 до 37

    Свободная конвекция – вода и жидкости

    от 50 до 3000

    Воздух

    от 10 до 100

    Свободная конвекция; вертикальная пластина на воздухе с разницей температур 30°C

    5

    Кипяток

    3. от 000 до 100 000

    Подача воды по трубам от 500 до 1200
    Конденсация водяного пара 5,0 — 100,0
    Вода в свободной конвекции

    от 100 до 1200

    Масло в свободной конвекции

    от 50 до 350

    Течение газа по трубкам и между трубками

    от 10 до 350

    Типовые значения коэффициентов теплопередачи нагревателей

    Нагреватели (без фазового перехода) коэффициенты теплопередачи

    Горячая жидкость Холодная жидкость (БТЕ/час-фут 2 -F)
    Пар Воздух 10 – 20
    Пар Вода 250 – 750
    Пар Метанол 200 – 700
    Пар Аммиак 200 – 700
    Пар Водные растворы 100 – 700
    Пар Легкие углеводороды
    (вязкость < 0. 5 сп)
    100 – 200
    Пар Средние углеводороды
    (0,5 сП < вязкость < 1 сП)
    50 – 100
    Пар Тяжелые углеводороды
    (вязкость > 1)
    6 – 60
    Пар Газы 5 – 50
    Даутерм Газы 4 – 40
    Даутерм Тяжелые масла 8 – 60
    Дымовой газ Ароматические углеводороды и пар 5 – 10

    Типовые значения коэффициентов теплопередачи испарителя

    Коэффициенты теплопередачи испарителей

    Горячая жидкость Холодная жидкость Комбинезон U
    (БТЕ/час-фут 2 -F)
    Пар Вода 350 – 750
    Пар Органические растворители 100 – 200
    Пар Легкие масла 80 – 180
    Пар Тяжелые масла (вакуум) 25 – 75
    Вода Хладагент 75 – 150
    Органические растворители Хладагент 30 – 100

    Типовые значения коэффициентов теплопередачи охладителей

    Охладители (без фазового перехода) коэффициенты теплопередачи

    Холодная жидкость Горячая жидкость Комбинезон U
    (БТЕ/час-фут 2 -F)
    Вода Вода 150 – 300
    Вода Органический растворитель 50 – 150
    Вода Газы 3 – 50
    Вода Легкие масла 60 – 160
    Вода Тяжелые масла 10 – 50
    Легкое масло Органический растворитель 20 – 70
    Рассол Вода 100 – 200
    Рассол Органический растворитель 30 – 90
    Рассол Газы 3 – 50
    Органические растворители Органические растворители 20 – 60
    Тяжелые масла Тяжелые масла 8 – 50

    Типовые значения коэффициентов теплопередачи конденсаторов

    Коэффициенты теплопередачи конденсаторов

    Холодная жидкость Горячая жидкость Комбинезон U
    (БТЕ/час-фут 2 -F)
    Вода Пар (давление) 350 -750
    Вода Пар (вакуум) 300 – 600
    Вода или рассол Органический растворитель (насыщенный, атмосферный) 100 – 200
    Вода или рассол Органический растворитель (атмосферный, с высокой степенью неконденсации) 20 – 80
    Вода или рассол Органический растворитель (насыщенный, вакуум) 50 – 120
    Вода или рассол Органический растворитель (вакуум, высокая степень неконденсации) 10 – 50
    Вода или рассол Ароматические пары (атмосферные с неконденсируемыми газами) 5 – 30
    Вода Низкокипящий углеводород (атмосферный) 80 – 200
    Вода Высококипящий углеводород (вакуум) 10 – 30

    Родственный:

    (PDF) Комбинированная вынужденная и свободная конвекция в оболочке, заполненной пористой средой

    Комбинированная вынужденная и свободная конвекция в оболочке, заполненной пористой средой

    305

    [15] M. К. Акбар, М. Рахман и С.М. Гиасиан, «Перенос частиц в небольшом квадратном корпусе при ламинарной

    естественной конвекции», Aerosol Science, Vol. 40, с. 747 – 761, 2009.

    [16] С.Ю. Мотлах, Э. Голаб и А.Н. Садр, «Двухфазное моделирование свободной конвекции наножидкости внутри наклонной пористой полукольцевой оболочки

    », Международный журнал механических наук, Vol. 164, с. 105-

    183, 2019.

    [17] А. Махмуд, Л. Дж. Хабиб, Х.Х. Мохаммед и Х. Дж. Джабер, «Естественная конвекция в частично открытой коробке

    , заполненной пористой средой», Журнал инженерных наук Аль-Кадисия, Vol. 6, № 4, с. 400-

    414,2013.

    [18] Л. Дж. Хабиб, М. А. Машкур и Х. Дж. Джабер, «Экспериментальное исследование теплообмена с принудительной конвекцией в частично открытой коробке

    , заполненной пористой средой», Материалы Международной конференции по инженерии

    и информационным технологиям (ICEIT) , стр.92-103, 2012.

    [19] Дж. Р. Ли, «Численное моделирование естественной конвекции в горизонтальном корпусе: Часть I. О влиянии

    адиабатического препятствия в середине», Международный журнал тепло- и массообмена, Vol. 124, с. 220–232, 2018.

    [20] Х. Цуй, Ф. Сюй, С. С. Саха и К. Лю, «Переходная теплопередача свободной конвекцией в секционно-треугольном призматическом корпусе

    с различными соотношениями сторон», Международный журнал тепловых наук, Vol.139, с. 282–291,

    2019.

    [21] С.Х. Парк, Ю.М. Сео, М.Ю. Ха и Ю.Г. Парк, «Естественная конвекция в квадратном корпусе с различными

    положениями и углами наклона эллиптического цилиндра. Часть I: Вертикальная решетка из одного эллиптического цилиндра и

    одного круглого цилиндра», Международный журнал тепло- и массообмена, Vol. 126, с. 173–183, 2018.

    [22] C. Qi, J. Tang, Z. Ding, Y. Yan, L. Guo, and Y. Ma, «Влияние угла поворота и металлической пены на естественную

    конвекцию наножидкости в полости под регулируемым магнитным полем», International Communications in

    Heat and Mass Transfer, Vol. 109, с. 104-349, 2019.

    [23] P. Zhang, X. Zhang, J. Deng, and L. Song, «Численное исследование естественной конвекции в корпусе с наклонным квадратом

    с эллиптическим цилиндром с использованием вариационного многомасштабного элемента. свободный метод Галеркина», International

    Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 99, с. 721–737, 2016.

    [24] Л. Дж. Хабиб, М. А. Машкур и Х. Дж. Джабер, «Экспериментальное исследование принудительной конвекции теплопередачи в частично открытой коробке

    , заполненной пористой средой», Труды Международной конференции по инженерии

    и информационные технологии, 17-19, 2012.

    [25] Л. Дж. Хабиб, «Численное моделирование конвективной теплопередачи и течения жидкости через пористую среду с

    различными движущимися и нагреваемыми стенками», Всемирная академия наук, инженерии и технологий 69 2012.

    ICAMAME 2012: Международная конференция по Аэрокосмическая промышленность, машиностроение, автомобилестроение и материалы

    Engineering Берлин, Германия, 19-20 сентября.

    [26] Л. Дж. Хабиб, «Свободная конвективная теплопередача в корпусе, заполненном пористой средой с изолированной движущейся стенкой

    и без нее», Всемирная академия наук, инженерии и технологий 69, 2012 г.ICAMME

    2012: Международная конференция по аэрокосмической, машиностроительной, автомобильной и материалотехнической промышленности Берлин,

    Германия, 19-20 сентября.

    [27] Машкур М.А., Хабиб Л., Джабер Х.Дж. Теплообмен в частично открытой полости, заполненной пористой средой

    , 3-я Международная научная конференция, стр. 601-614, 2013.

    [28] Машкур М.А., Хабиб Л.Дж., Джабер Х.Дж., «Естественная конвекция в частично открытом ящике, заполненном пористой средой

    », Журнал научной инженерии Кадисия, Vol.6, № 4, с. 400-414, 2013.

    [29] М.Х. Алтураихи, Л. Джассим, А.Р. Альгубури, Л.Дж. Хабиб и Х.К. Ялгхаф, «Влияние пористости на

    естественную конвекционную теплопередачу от нагретого цилиндра в квадратном пористом корпусе», Journal of Mechanical

    Engineering Research and Developments, Vol. 43, № 6, с. 236-254, 2020.

    [30] Д. Ангираса, «Смешанная конвекция в вентилируемом корпусе с изотермической вертикальной поверхностью», Fluid Dynamics

    Research, Vol.26, с. 219-233, 2000.

    Моделирование естественной и вынужденной конвекции в COMSOL Multiphysics®

    Всякий раз, когда нагреваемая или охлаждаемая деталь подвергается воздействию воздуха, происходит некоторая передача тепла от детали воздуху посредством конвекции. Движение воздуха может быть как принудительным, через вентилятор, так и свободным, в результате естественных колебаний плавучести при изменении температуры воздуха. Сегодня мы рассмотрим несколько различных способов моделирования этих типов конвекции в программном пакете COMSOL Multiphysics®.

    Простое начало: коэффициент теплопередачи

    Начнем с рассмотрения модели электрообогрева сборной шины, показанной ниже. Вы можете признать это вводным примером в COMSOL Multiphysics, но если вы еще не смоделировали его, мы рекомендуем вам ознакомиться с этой моделью, ознакомившись с буклетом Introduction to COMSOL Multiphysics в формате PDF.


    Электрические токи (график со стрелкой), протекающие по металлической шине, вызывают резистивный нагрев, повышающий температуру (график цветной поверхности).

    В этом примере мы моделируем электрический ток, протекающий по шине. Это приводит к резистивному нагреву, который, в свою очередь, вызывает повышение температуры шины. Мы предполагаем, что имеет место только передача тепла окружающему воздуху, пренебрегая кондуктивной передачей тепла через болты и теплопередачей излучением. В примере также изначально предполагается, что вентилятор не нагнетает воздух на шину. Таким образом, передача тепла воздуху осуществляется посредством естественной, или свободной, конвекции.

    Поскольку деталь нагревает окружающий воздух, воздух становится горячее. Когда воздух становится более горячим, его плотность уменьшается, в результате чего горячий воздух поднимается по отношению к более холодному окружающему воздуху. Эти свободные конвективные воздушные потоки увеличивают скорость передачи тепла от детали к окружающему воздуху. Потоки воздуха зависят от колебаний температуры, а также от геометрии детали и ее окружения. Конвекция, конечно, может происходить и в любом другом газе или жидкости, например, в воде или трансформаторном масле, но мы сосредоточим наше обсуждение главным образом на конвекции в воздухе.

    Мы можем классифицировать окружающее воздушное пространство по одной из двух категорий: Внутреннее или Внешнее . Внутреннее означает, что вокруг части имеется полость конечного размера (например, электрическая распределительная коробка), в которой достаточно хорошо удерживается воздух, хотя она может иметь входные и выходные отверстия для воздуха во внешнее пространство. Затем мы предполагаем, что тепловые граничные условия снаружи полости и на входе и выходе известны. С другой стороны, Внешний подразумевает, что объект окружен тем, что по существу является бесконечно большим объемом воздуха.Затем мы предполагаем, что температура воздуха вдали от объекта является постоянной известной величиной. 2K – коэффициент теплопередачи.2к.

    Понятно, что ввод однозначного коэффициента теплопередачи для свободной или принудительной конвекции является чрезмерным упрощением, так зачем же мы это делаем? Во-первых, это просто реализовать и легко сравнить лучший и худший случаи. Кроме того, это граничное условие можно применять в базовом пакете COMSOL Multiphysics. Однако в модуле теплопередачи и модуле CFD доступны более сложные подходы, поэтому давайте рассмотрим их далее.

    Использование конвективной корреляции

    Конвективная корреляция — это эмпирическая зависимость, разработанная для обычных геометрий.При использовании модуля теплопередачи или модуля CFD эти корреляции доступны в граничном условии теплового потока, как показано на снимке экрана ниже.


    Граничное условие теплового потока с корреляцией внешней естественной конвекции для вертикальной стены.

    Для использования этих корреляций необходимо ввести характеристические размеры детали. Например, в нашей модели шинопровода мы используем корреляцию Внешняя естественная конвекция, Вертикальная стена и выбираем высоту стены 10 см для моделирования свободного конвективного теплового потока от вертикальных поверхностей шинопровода.Нам также необходимо указать температуру и давление наружного воздуха. Эти значения можно загрузить из базы данных ASHRAE. Этот процесс мы описали в предыдущем сообщении блога.

    В таблице ниже показаны схемы всех доступных корреляций. Они берут информацию о геометрии поверхности и используют корреляцию числа Нуссельта для вычисления коэффициента теплопередачи. Например, для горизонтально выровненных граней шинопровода мы используем корреляции Горизонтальная пластина, Верхняя сторона и Горизонтальная пластина, Нижняя сторона .

    При использовании корреляций принудительной конвекции необходимо также ввести скорость воздуха. Эти конвективные корреляции имеют то преимущество, что они более точно отражают реальность, поскольку они основаны на хорошо установленных экспериментальных данных. Эти корреляции приводят к нелинейному граничному условию, но это обычно приводит лишь к немного большему времени вычислений, чем при использовании постоянного коэффициента теплопередачи. Недостатком является то, что их целесообразно использовать только тогда, когда существует эмпирическое соотношение, приемлемое для геометрии детали.

    Свободная конвекция Принудительная конвекция
    Внешний
    Внутренний

    Доступные Конвективная корреляция граничные условия.

    Обратите внимание, что все приведенные выше конвективные корреляции, даже классифицированные как Внутренние, предполагают наличие бесконечного внешнего резервуара жидкости; е.г., окружающее воздушное пространство. Тепло, уносимое с поверхностей, переходит в это окружающее воздушное пространство без изменения его температуры, а поступающий окружающий воздух имеет известную температуру. Однако если мы имеем дело с конвекцией в полностью закрытом контейнере, то ни одно из этих соотношений не подходит, и мы должны перейти к другому подходу к моделированию.

    Аппроксимация свободной конвекции в корпусе с повышенной теплопроводностью

    Рассмотрим прямоугольную полость, заполненную воздухом.Если эту полость с одной из вертикальных сторон нагревать, а с другой охлаждать, то будет происходить регулярная циркуляция воздуха. Точно так же будет циркуляция воздуха, если полость нагревается снизу и охлаждается сверху. Эти случаи показаны на изображениях ниже, которые были созданы путем решения как распределения температуры, так и воздушного потока.


    Свободные конвективные потоки в вертикально и горизонтально ориентированных прямоугольных полостях.

    Решение для свободных конвективных потоков довольно сложное.См., например, этот пост в блоге о моделировании естественной конвекции. Поэтому мы могли бы найти более простую альтернативу. В модуле теплопередачи имеется возможность использовать функцию «Эквивалентная проводимость для конвекции» . При использовании этой функции эффективная теплопроводность воздуха увеличивается на основе корреляций для случаев горизонтальной и вертикальной прямоугольной полости, как показано на снимке экрана ниже.


    Эквивалентная проводимость для функции конвекции и настройки.

    Воздушная область по-прежнему явно моделируется с использованием функции области Fluid в интерфейсе Heat Transfer , но поля воздушного потока не рассчитываются, а параметр скорости просто игнорируется. Теплопроводность увеличивается за счет эмпирического коэффициента корреляции, который зависит от размеров полости и изменения температуры в полости. Необходимо ввести размеры полости, но программное обеспечение может автоматически определять и обновлять разность температур в полости.


    Распределение температуры в вертикальных и горизонтальных полостях с использованием функции Эквивалентная проводимость для конвекции. Свободные конвективные воздушные потоки не рассчитываются. Вместо этого теплопроводность воздуха увеличивается.

    Этот подход для аппроксимации свободной конвекции в полностью закрытой полости требует, чтобы мы разбили воздушную область и вычислили температурное поле в воздухе, но обычно это требует лишь небольших вычислительных затрат.Недостатком этого подхода является то, что он не очень применим для непрямоугольных геометрий.

    Аппроксимация принудительной конвекции в корпусе с использованием изотермических доменов

    Далее рассмотрим полностью герметичный корпус, но с вентилятором или воздуходувкой внутри, активно перемешивающим воздух. Мы можем разумно предположить, что хорошо перемешанный воздух имеет постоянную температуру во всей полости. В этом случае уместно использовать функцию Isothermal Domain , которая доступна с модулем Heat Transfer Module, когда в окне настроек выбрана опция Isothermal domain .


    Настройки, связанные с использованием интерфейса Isothermal Domain.

    Область хорошо перемешанного воздуха может быть явно смоделирована с помощью функции «Изотермическая область». В модели температура всего домена является постоянной величиной. Температура воздуха рассчитывается на основе баланса тепла, поступающего в домен и покидающего его через границы. Границы изотермической области могут быть установлены одним из следующих вариантов:

    • Теплоизолированный : без теплопередачи через границу
    • Непрерывность : непрерывность температуры через границу
    • Вентиляция : известный массовый расход жидкости известной температуры в изотермическую область или из нее
    • Конвективный тепловой поток : задаваемый пользователем коэффициент теплопередачи, как описано ранее
    • Термоконтакт : удельное тепловое сопротивление

    Из всех этих вариантов граничных условий Конвективный тепловой поток является наиболее подходящим для хорошо перемешанного воздуха в закрытой полости.


    Репрезентативные результаты при использовании функции Isothermal Domain. Область хорошо перемешанного воздуха имеет постоянную температуру, и существует передача тепла к окружающим твердым областям через заданный коэффициент теплопередачи.

    Явное моделирование воздушного потока

    Самый затратный с вычислительной точки зрения подход, но и самый общий, заключается в явном моделировании воздушного потока. Мы можем моделировать как принудительную, так и свободную конвекцию, а также моделировать внутренний или внешний поток.Этот тип моделирования можно выполнить с помощью модуля теплопередачи или модуля CFD.


    Пример расчета расхода воздуха и температуры внутри корпуса.

    Если вы прочитали буклет Введение в COMSOL Multiphysics , вы уже решили один пример модели внутренней принудительной конвекции. Вы можете узнать больше о явном моделировании воздушного потока в ресурсах, упомянутых в конце этого поста.

    Когда мы можем полностью игнорировать свободную конвекцию?

    Мы закончим эту тему рассмотрением вопроса: когда свободной конвекцией в воздухе можно пренебречь и как мы можем моделировать эти случаи? Когда размеры полости очень малы, например, тонкий зазор между частями или очень тонкая трубка, мы сталкиваемся с возможностью того, что вязкое демпфирование превысит любые силы плавучести. Этот баланс сил вязкости и плавучести характеризуется безразмерным числом Рэлея. Начало свободной конвекции может сильно различаться в зависимости от граничных условий и геометрии. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что при размерах менее 1 мм свободной конвекции, скорее всего, не будет, но как только размеры полости превысят 1 см, скорее всего, будут свободные конвективные потоки.

    Итак, как мы можем смоделировать передачу тепла через эти маленькие зазоры? Если потока воздуха нет, то эти заполненные воздухом области можно просто смоделировать как твердое тело или жидкость без конвективного члена.Это продемонстрировано в учебном пособии по тепловым характеристикам окон и остекления. Также уместно моделировать воздух как твердое тело внутри любой закрытой структуры микромасштаба.

    Если эти тонкие промежутки очень малы по сравнению с другими измерениями анализируемой системы, вы можете еще больше упростить эти промежутки, смоделировав их с помощью граничного условия Тонкий слой с типом слоя Тепловая толстая аппроксимация . Это граничное условие вводит скачок температуры через внутренние границы в зависимости от заданной толщины и теплопроводности.


    Граничное условие Тонкий слой может моделировать тонкий воздушный зазор между деталями.

    Два предыдущих подхода можно использовать в основном пакете COMSOL Multiphysics. В модуле «Теплообмен» есть дополнительные опции для условия «Тонкий слой», позволяющие учитывать более общие и многослойные границы, которые могут состоять из нескольких слоев материалов.

    Заключительные замечания по моделированию естественной и вынужденной конвекции в COMSOL Multiphysics®

    Прежде чем завершить это обсуждение, мы также должны быстро рассмотреть вопрос о радиационном переносе тепла.Хотя мы не обсуждали здесь радиацию, инженер всегда должен ее учитывать. Поверхности, подверженные воздействию окружающих условий, будут излучать тепло в окружающую среду и нагреваться солнцем. Величина радиационного нагрева от Солнца значительна — около 1000 ватт на квадратный метр — и ею нельзя пренебрегать. Подробнее о моделировании радиационного переноса тепла в окружающую среду см. в этой предыдущей записи блога.

    Между внутренними поверхностями также будет осуществляться лучистый теплообмен.Лучистый тепловой поток между поверхностями является функцией разности температур в четвертой степени. Имейте в виду, что радиационная теплопередача между двумя поверхностями при 20°C и 50°C будет составлять не более 200 Вт на квадратный метр, но возрастает до 1000 Вт на квадратный метр для поверхностей при 20°C и 125°C. Чтобы правильно рассчитать лучистый теплообмен между поверхностями, также важно рассчитать коэффициенты обзора с помощью модуля теплопередачи.

    Сегодня мы рассмотрели несколько подходов к моделированию конвекции, начиная с простейшего подхода с использованием постоянного коэффициента конвективной теплопередачи.Затем мы обсудили использование граничного условия эмпирической конвективной корреляции, прежде чем перейти к тому, как использовать эффективную теплопроводность в пределах домена и изотермический элемент домена, подходы с более высокой точностью и лишь немного большими вычислительными затратами. Наиболее ресурсоемкий подход — явное вычисление поля течения — конечно же, является наиболее общим. Мы также коснулись того, когда уместно полностью пренебречь свободной конвекцией и как моделировать такие ситуации.Теперь вы должны лучше понимать доступные варианты и компромиссы для моделирования свободной и принудительной конвекции. Удачного моделирования!

    Дополнительные ресурсы

    • Узнайте о явном моделировании воздушного потока и теплообмена в блоге COMSOL.
    • Получите представление о моделировании теплообмена в архивном веб-семинаре

    В чем разница между принудительной и свободной конвекцией? – М.В.Организинг

    В чем разница между принудительной и свободной конвекцией?

    Конвекция классифицируется как естественная (или свободная) и принудительная конвекция в зависимости от того, как инициируется движение жидкости.В то время как при принудительной конвекции жидкость вынуждена течь по поверхности или в трубе с помощью внешних средств, таких как насос или вентилятор.

    Что является примером конвекции в природе?

    Движущей силой естественной конвекции является гравитация. Например, если есть слой холодного плотного воздуха поверх более горячего менее плотного воздуха, гравитация сильнее притягивает более плотный верхний слой, поэтому он падает, а более горячий менее плотный воздух поднимается, чтобы занять его место. Это создает циркулирующий поток: конвекцию.

    Как нагревается воздух в процессе конвекции?

    Конвекция, процесс, при котором тепло передается движением нагретой жидкости, такой как воздух или вода. Естественная конвекция возникает в результате стремления большинства жидкостей расширяться при нагревании, т. е. становиться менее плотной и подниматься вверх в результате увеличения плавучести.

    Какое влияние оказывает конвекция на поверхность Солнца?

    Конвекционные движения в недрах Солнца генерируют магнитные поля, которые проявляются на поверхности в виде солнечных пятен и петель горячего газа, называемых протуберанцами. В конце концов большая часть солнечной энергии выходит из тонкого слоя атмосферы Солнца, называемого фотосферой, которая представляет собой часть Солнца, наблюдаемую невооруженным глазом.

    Как передается тепло в жидкостях?

    В жидкостях тепло часто передается конвекцией, при которой движение самой жидкости переносит тепло из одного места в другое. Другим способом передачи тепла является теплопроводность, которая не связана с движением вещества, а представляет собой передачу энергии внутри вещества (или между соприкасающимися веществами)….

    Как три основные теплопередачи влияют на температуру земли?

    Передача тепла в земле представляет собой цепной процесс, ниже может быть возможное сканирование: через излучение тепло солнца нагревает моря, теплое море передает тепло на землю за счет теплопроводности, а море в воздух за счет конвекции. ….

    Как 3 основных процесса теплопередачи влияют на температуру земли?

    Тепло может передаваться тремя способами: проводимостью, конвекцией и излучением. Процесс теплообмена между Солнцем и Землей посредством излучения контролирует температуру на поверхности Земли. Внутри Земли радиация значительна только в самых горячих частях ядра и нижней мантии.

    Как теплообмен влияет на температуру земли?

    Солнечное излучение падает на землю, нагревая скалы. По мере повышения температуры породы из-за теплопроводности тепловая энергия высвобождается в атмосферу, образуя воздушный пузырь, который теплее окружающего воздуха.Этот пузырь воздуха поднимается в атмосферу.

    Каким образом количество тепла, получаемого Землей от Солнца, может поддерживать жизнь?

    Ответ. Ответ: Поглощенный солнечный свет уравновешивается теплом, излучаемым земной поверхностью и атмосферой. Атмосфера и поверхность Земли вместе поглощают 71 процент поступающей солнечной радиации, поэтому вместе они должны излучать такое же количество энергии обратно в космос, чтобы средняя температура планеты оставалась стабильной…

    Какие три процесса теплопередачи?

    Тепло может передаваться тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

    Эксперимент TecQuipment со свободной и принудительной конвекцией

    Оборудование для настольного монтажа включает в себя вертикальный канал, в котором находится выбранная поверхность теплопередачи, и все необходимые инструменты.

    TecQuipment включает в себя три различные общие поверхности теплопередачи с оборудованием:

    • Плоская пластина
    • A Штыревая поверхность – аналогична трубчатому теплообменнику
    • Ребристая поверхность — похожа на ребра двигателей с воздушным охлаждением или электрические радиаторы 

    Каждая поверхность имеет встроенный электронагреватель переменной мощности.Студенты выбирают, какую поверхность им нужно протестировать, и крепят ее к воздуховоду с помощью простых креплений.

    Для испытаний на свободную конвекцию нагретый воздух поднимается с поверхности вверх по воздуховоду. Для испытаний с принудительной конвекцией вентилятор с регулируемой скоростью прогоняет воздух вверх по воздуховоду и по поверхности. Термопары измеряют температуру воздуха до и после поверхности, а также температуру на поверхности теплообмена. Зонд, расположенный ниже по потоку, перемещается по поперечному механизму для измерения распределения температуры по воздуховоду, что позволяет рассчитать общую температуру на выходе.Дополнительный датчик позволяет учащимся измерять распределение температуры вдоль выступающих поверхностей штифтовых и оребренных передающих поверхностей нагревателя. Чувствительный анемометр измеряет скорость воздуха.

    Два элемента управления позволяют учащимся устанавливать различные скорости воздуха и мощность нагревателя для полного спектра тестов.

    Цифровой дисплей показывает мощность нагревателя, скорость воздуха и температуру, измеренную термопарами.

    Вы можете выполнять тесты как с подключенным компьютером, так и без него.Тем не менее, для более быстрых испытаний с более простой записью результатов TecQuipment может поставить дополнительную универсальную систему сбора данных (VDAS®). Это обеспечивает точный сбор данных в режиме реального времени, мониторинг и отображение, расчет и составление графиков всех важных показаний на компьютере.

    Результаты обучения

    • Сравнение свободной и принудительной конвекции для различных поверхностей
    • Сравнение свободной конвекции с вертикальной и горизонтальной (ребристых) поверхностей
    • Сравнение эффективности поверхности теплопередачи
    • Сравнение коэффициента теплопередачи и числа Нуссельта для вынужденной и свободной конвекции
    • Распределение температуры по ребристым и штифтовым поверхностям

    Дополнительная информация

    .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск