Конвекція

Конвеція

Даний рис. показує розрахунок для теплової конвекції в мантії Землі. Кольори ближчі до червоного – позначені гарячі ділянки, а холодні ділянки – синього кольору. Менш щільна нижня межа шару посилає вихр гарячого матеріалу вгору, аналогічно, холодний матеріал рухається зверху вниз.

Конвекція — це вид теплопередачі, здійснюваний шляхом перенесення теплоти потоками рідини або газу.

Конвективний теплообмін, який часто називають просто конвекцією, є передача тепла в рухомій рідині від одного місця до іншого. Конвекція є домінуючою формою передачі тепла в рідинах і газах. Хоча часто обговорюється як метод окремої теплопередачі, конвективний теплообмін включає комбіновані процеси провідності (дифузії тепла) і адвекції (перенесення тепла в масі потоку рідини).

Конвективний перенос тепла і маси відбуваються як по дифузії - випадковий броунівський рух окремих частинок в рідині - і адвекції, в якому матерія чи тепло транспортується більш масштабним рухом потоку в рідині. У контексті тепло- і масообміну, термін "конвекція" використовується для позначення суми адвекційного і дифузійного переносу.[1]

Дифузії тепла, що відбувається в твердих тілах називається теплопровідністю.

Термінологія

Термін конвекція може мати декілька різних трактувань в наукових чи інженерних контекстах або додатків. В механіці рідин - конвекція належить до руху рідини, незалежно від причини. [2] [3] Тим не менш, в термодинаміці "конвекція" часто відноситься конкретно до передачі тепла конвекцією. [4]

Конвекційні механізми

У широкому сенсі, конвекція виникає через сили тіл, що діють в рідині, такі як вага (плавучість) або поверхневі сили, які діють на кордоні рідини.

Різні типи конвекції описані нижче.

Природна конвекція

Природна конвекція (вільна), відбувається через різницю температур, які впливають на щільність а, отже, на відносну плавучість рідини. Більш важкі (більш щільні) компоненти будуть падати, в той час як більш легкі (менш щільні) компоненти зростати, що приведе до руху сипучих рідин. Природна конвекція може відбуватися тільки, в гравітаційному полі. Типовим прикладом природної конвекції є зростання диму від пожежі.

Для виникнення природної конвекції потрібний підігрів рідини знизу (або охолодження зверху), причому нагрів в різних ділянках повинен бути нерівномірним.

У разі підвищення температури рідина розширюється, її густина зменшується й архімедова сила, що діє на виділений об`єм рідини, стає більшою , ніж сила тяжіння. Тому нагріта рідина (яка має меншу густину) спливає, а холодна рідина – опускається.

Передача тепла за рахунок природної конвекції грає роль у структурі земної атмосфери, океанів, та її мантії. Наступ природної конвекції може визначатися числом Релея (Ra).

Примусова конвекція

У примусовій конвекції, яка також називається адвекція тепла, рух рідини відбувається завдяки зовнішнім поверхневим силам, таких як вентилятор або насос. Примусова конвекції зазвичай використовується для збільшення швидкості теплообміну. Багато видів змішування також використовують примусову конвекцію для поширювання однієї речовини в іншу. Примусова конвекція також відбувається в якості побічного продукту в інших процесах, таких як: дія гвинта в потоці рідини або аеродинамічного нагріву.

Відомими прикладами примусової конвенції являються гідравлічні та пневматичні системи радіатора, а також обігрів та охолодження частин тіла по циркуляції крові.

Примусова циркуляція може відбутися природним шляхом, наприклад, коли тепло багаття викликає розширення повітря та утворює за допомогою цього об'ємний потік повітря. В умовах мікрогравітації, такий потік (що трапляється у всіх напрямках) разом з дифузією є єдиним засобом, за допомогою якого пожежі здатні залучити свіжий кисень для підтримки себе. Ударна хвиля, яка передає тепло і масу з вибухів також являється типом примусової конвекції.

Гравітаційна (плавуча) конвекції

Гравітаційна конвекція є одним із видів природної конвекції, викликаної змінами плавучості в результаті властивостей матеріалу, відмінних від температури. Як правило, це викликано змінною складу рідини. Різні властивості під дією градієнта концентрації розчиненої речовини, відома як концентраційна конвекція. [27] Наприклад, конвекцію можна побачити в дифузії джерела сухої солі, яка йде до низу у вологий ґрунт за рахунок плавучості прісної води у сольовому розчині. [28]

Тим не менш, всі види плавучої конвекції, у тому числі природної конвекції, не зустрічаються в мікрогравітації середовищах. Всі вони вимагають присутності середовищі, яка відчуває G-Force (власне прискорення).

Гранульована конвекції

Вібрація конвекції відбувається в порошках та гранульованих матеріалів у контейнерах, що підлягають вібрації, де вісь вібрації паралельна силі тяжіння. Коли контейнер прискорює вгору, в нижній частині контейнера весь вміст штовхає вгору. На противагу цьому, коли контейнер прискорює вниз, бічні сторони контейнера тиснуть на сусідній матеріал вниз за рахунок тертя, але матеріал, більш віддалений від стінок, менш схильний до впливу. Кінцевим результатом є повільна циркуляція частинок вниз по сторонах, і вгору по центру.

Термомагнітні конвекції

Термомагнітна конвекція може статися, коли зовнішнє магнітне поле накладається на магнітну рідину з різною магнітною сприйнятливості. Феррорідина це рідина, яка стає сильно намагніченою в присутності магнітного поля.

Ця форма теплопередачі може бути корисною у випадках, коли звичайна конвекція не в змозі забезпечити адекватну передачу тепла, наприклад, в мініатюрних пристроях мікромасштабних або при знижених гравітаційних умовах.

Математичні моделі конвекції

Математично, конвекція може бути описана рівнянням конвекції-дифузії, також відома як загальне скалярне рівняння переносу.

Природна конвекція проти примусової конвекції

Відносні величини Грасгофа і Рейнольдса числа в квадраті визначають, який вид конвекції домінує. Якщо [math]{Gr \over Re^2}\gg 1\[/math], то примусовою конвекцію можна знехтувати, тоді як, якщо [math]{Gr \over Re^2}\ll 1\[/math], тоді можна знехтувати природною конвекцією. Якщо співвідношення становить приблизно один, то обидві конвекції повинні бути прийняті до уваги.

Закон Ньютона охолодження

За законом Ньютона швидкість охолодження тіла пропорційна різниці між температурою тіла і температурою навколишнього середовища. [7]

Коефіцієнт пропорційності є коефіцієнтом теплопередачі. [5] Закон застосовується, коли коефіцієнт незалежний, або частково незалежний від різниці температур між об'єктом і навколишнім середовищем.

У класичному природно-конвектовному теплообміну, коефіцієнт теплопередачі залежить від температури. Тим не менше, закон Ньютона робить приблизну реальність, коли зміни температури порівняно невеликі.

Тепловіддача

Основним зв'язком для передачі тепла шляхом конвекції є формула: [math]q=h×A×(T_a-T_b)[/math],

(де [math]q[/math] - тепло, що передається за одиницю часу, [math]h[/math] - коефіцієнт тепловіддачі, [math]А[/math] – швидкість руху рідини, [math]T_a[/math] - температура поверхні об'єкта і [math]T_b[/math] - температура рідини. [6] ).

Конвективний коефіцієнт теплопередачі залежить від фізичних властивостей рідини і фізичної ситуації. Значення [math]h[/math] виміряне та зведене в таблицю довідника.

Приклад

Ефект Стека

Ефект Стека або димар ефект руху повітря в і з будинків, димових труб. Плавучість виникає через різницю в приміщенні до зовнішньої щільності повітря в результаті різниці температур та вологості. Чим більша різниця теплового ефекту і висоти конструкції, тим більше підйомна сила, і, таким чином ефект Стека допомагає управляти природною вентиляцією та інфільтрацією. Деякі градирні працюють на цьому принципі. Аналогічним чином сонячної вежі висхідний потік є запропонованим пристроєм для вироблення електроенергії на основі ефекту Стека.