Конвекция (или конвективный перенос тепла ) — это перенос тепла из одного места в другое за счет движения жидкости. Хотя конвективный перенос тепла часто обсуждается как отдельный метод передачи тепла, он включает в себя комбинированные процессы проводимости ( диффузии тепла) и адвекции (переноса тепла объемным потоком жидкости ). Конвекция обычно является доминирующей формой переноса тепла в жидкостях и газах .
Обратите внимание, что это определение конвекции применимо только в контексте теплопередачи и термодинамики . Его не следует путать с динамическим явлением жидкости конвекции , которое обычно называют естественной конвекцией в термодинамических контекстах, чтобы различать их.
Конвекция может быть «вынуждена» движением жидкости другими способами, нежели силы плавучести (например, водяной насос в автомобильном двигателе). Тепловое расширение жидкостей также может вызывать конвекцию. В других случаях только естественные силы плавучести полностью отвечают за движение жидкости при нагревании жидкости, и этот процесс называется «естественной конвекцией». Примером может служить тяга в дымоходе или вокруг любого огня. При естественной конвекции повышение температуры приводит к снижению плотности, что, в свою очередь, вызывает движение жидкости из-за давления и сил, когда жидкости разной плотности подвергаются воздействию силы тяжести (или любой силы g ). Например, когда вода нагревается на плите , горячая вода со дна кастрюли вытесняется (или выталкивается вверх) более холодной плотной жидкостью, которая падает. После прекращения нагревания смешивание и проводимость от этой естественной конвекции в конечном итоге приводят к почти однородной плотности и даже температуре. Без наличия силы тяжести (или условий, вызывающих перегрузку любого типа) естественная конвекция не происходит, и действуют только режимы вынужденной конвекции. [ необходима цитата ]
Конвекционный режим теплопередачи включает два механизма. В дополнение к переносу энергии за счет специфического молекулярного движения ( диффузии ), энергия переносится объемным или макроскопическим движением жидкости. Это движение связано с тем, что в любой момент времени большое количество молекул движутся коллективно или как агрегаты. Такое движение при наличии градиента температуры способствует переносу тепла. Поскольку молекулы в совокупности сохраняют свое случайное движение, общий перенос тепла тогда обусловлен суперпозицией переноса энергии за счет случайного движения молекул и объемного движения жидкости. Принято использовать термин конвекция, когда речь идет об этом кумулятивном переносе, и термин адвекция, когда речь идет о переносе за счет объемного движения жидкости. [1]
Можно выделить два типа конвективного теплообмена:
Во многих реальных приложениях (например, потери тепла в центральных солнечных приемниках или охлаждение фотоэлектрических панелей) естественная и принудительная конвекция происходят одновременно ( смешанная конвекция ). [4]
Внутренний и внешний поток также могут классифицировать конвекцию. Внутренний поток возникает, когда жидкость заключена в твердую границу, например, при течении по трубе. Внешний поток возникает, когда жидкость простирается бесконечно, не встречая твердой поверхности. Оба эти типа конвекции, как естественная, так и вынужденная, могут быть внутренними или внешними, поскольку они независимы друг от друга. [ необходима цитата ] Объемная температура , или средняя температура жидкости, является удобной точкой отсчета для оценки свойств, связанных с конвективным теплопереносом, особенно в приложениях, связанных с потоком в трубах и каналах.
Дальнейшая классификация может быть сделана в зависимости от гладкости и волнистости твердых поверхностей. Не все поверхности гладкие, хотя большая часть доступной информации касается гладких поверхностей. Волнистые нерегулярные поверхности обычно встречаются в устройствах теплопередачи, которые включают солнечные коллекторы, регенеративные теплообменники и подземные системы хранения энергии. Они играют важную роль в процессах теплопередачи в этих приложениях. Поскольку они вносят дополнительную сложность из-за волнистости поверхностей, их необходимо решать с математической точностью посредством элегантных методов упрощения. Кроме того, они влияют на характеристики потока и теплопередачи, тем самым ведя себя иначе, чем прямые гладкие поверхности. [5]
Для визуального восприятия естественной конвекции стакан, наполненный горячей водой и красным пищевым красителем, можно поместить в аквариум с холодной чистой водой. Можно увидеть, как конвекционные потоки красной жидкости поднимаются и опускаются в разных областях, а затем в конечном итоге успокаиваются, иллюстрируя процесс рассеивания градиентов тепла.
Иногда предполагается, что конвекционное охлаждение описывается законом охлаждения Ньютона. [6]
Закон Ньютона гласит, что скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой при воздействии бриза . Константа пропорциональности — это коэффициент теплопередачи . [7] Закон применяется, когда коэффициент независим или относительно независим от разности температур между объектом и окружающей средой.
В классической естественной конвективной теплопередаче коэффициент теплопередачи зависит от температуры. Однако закон Ньютона приближается к реальности, когда изменения температуры относительно невелики, а также для принудительного воздушного и нагнетаемого жидкостного охлаждения, где скорость жидкости не увеличивается с ростом разницы температур.
Основное соотношение для теплопередачи путем конвекции:
где — тепло, передаваемое за единицу времени, A — площадь объекта, h — коэффициент теплопередачи , T — температура поверхности объекта, а T f — температура жидкости. [8]
Коэффициент конвективного теплообмена зависит от физических свойств жидкости и физической ситуации. Значения h были измерены и сведены в таблицу для часто встречающихся жидкостей и ситуаций потока.
