Konvekce

Konvekce je způsob převodu tepla, kde se teplo převádí mezi povrchem tělesa a sousedící pohybující se kapalinou (nebo plynem). Konvekce má dvě složky:
  • převod energie způsobený náhodným pohybem molekul (difúzí),
  • převod energie pohybem objemu neboli makroskopickým pohybem kapaliny (advekce).
Mechanismus konvekce lze vysvětlit následujícím způsobem: když se vrstva kapaliny sousedící s horkým povrchem zahřívá, její hustota se snižuje (za konstantního tlaku je hustota nepřímo úměrná teplotě) a začne na ni působit vztlak. Studenější (těžší) kapalina u povrchu nahrazuje teplejší kapalinu a dochází k cirkulaci.

Míra převodu tepla mezi kapalinou o teplotě Tf a povrchem tělesa o teplotě Ts se řídí Newtonovým zákonem ochlazování, který lze napsat takto:

Qkonvekce = h A (Ts - Tf)

kde h je součinitel konvekce převodu tepla. Jednotky h jsou W/m2.K nebo Btu/s.in2.F. Součinitel konvekce převodu tepla (h) závisí na pohybu kapaliny, geometrii a termodynamických a fyzikálních vlastnostech.

Obecně existují dva způsoby převodu tepla konvencí:

Přirozená (volná) konvekce

Pohyb kapaliny sousedící s povrchem tělesa je způsoben vztlakovými silami vyvolanými změnami hustoty kapaliny kvůli rozdílům v teplotě mezi tělesem a kapalinou. Když je horká deska nechána vychladnout na vzduchu, částice vzduchu u povrchu desky se zahřívají, jejich hustota se snižuje a proto stoupají vzhůru.

Nucená konvekce

Pro urychlení proudění kapaliny kolem povrchu tělesa se používají externí prostředky, například ventilátor nebo pumpa. Rychlý pohyb částic kapaliny kolem povrchu tělesa maximalizuje teplotní gradient a zvyšuje velikost tepelné výměny. Na následujícím obrázku vzduch nuceně proudí nad horkou deskou.

Součinitel konvekce tepla

Newtonův zákon ochlazování říká, že míra převodu tepla opouštějícího povrch o teplotě Ts do okolní kapaliny o teplotě Tf je dána rovnicí:

Qkonvekce = h A (Ts - Tf)

kde součinitel převodu tepla má jednotky W/m2.K nebo Btu/s.in2.F. Součinitel h není termodynamická vlastnost. Je to zjednodušená korelace s kapalným stavem a podmínkami proudění, a proto se často nazývá vlastnost proudění.

Konvekce je spojena s koncepcí hraniční vrstvy, což je tenká vrstva přechodu mezi povrchem, o kterém se předpokládá, že sousedí s nepohyblivými molekulami, a prouděním okolní kapaliny. Tato situace je vidět na následujícím obrázku proudění nad plochou deskou.

Kde u(x,y) je rychlost ve směru x. Oblast po vnější hranici vrstvy kapaliny definovaná jako 99 % rychlosti volného proudění se nazývá tloušťka hraniční vrstvy kapaliny δ(x).

Podobně by bylo možné vytvořit obrázek přechodu teploty z teploty povrchu na teplotu okolí. Na následujícím obrázku je schéma s různými teplotami. Všimněte si, že tloušťka hraniční vrstvy teploty není stejná jako tloušťka vrstvy kapaliny. Vlastnosti kapaliny tvořící Prandtlovo číslo řídí relativní velikost dvou typů hraničních vrstev. Prandtlovo číslo (Pr) o velikosti 1 by znamenalo stejné chování pro obě hraniční vrstvy.

Převod tepla hraniční vrstvou vede teplo ve směru y přes nepohyblivou kapalinu vedle stěny a je roven míře konvekce z hraniční vrstvy do kapaliny. Tento jev je možné napsat následujícím způsobem:

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s

Součinitel konvekce pro danou situaci lze zjistit změřením převodu tepla a rozdílu teplot nebo změřením teplotního gradientu u povrchu a rozdílu teplot.

Měření teplotního gradientu v hraniční vrstvě vyžaduje vysokou přesnost a obvykle se provádí ve výzkumné laboratoři. Mnoho příruček obsahuje tabulky součinitelů konvekce převodu tepla pro různé konfigurace.

V následující tabulce jsou některé typické hodnoty součinitele konvekce převodu tepla:

Střední Součinitel převodu tepla h (W/m2.K)
Vzduch (přirozená konvekce) 5-25
Vzduch/přehřátá pára (nucená konvekce) 20-300
Olej (nucená konvekce) 60-1800
Voda (nucená konvekce) 300-6000
Voda (vařící) 3000-60,000
Pára (kondenzující) 6000-120,000

Prandtlovo číslo

Prandtlovo číslo je parametr, který se vztahuje k tloušťkám hraničních vrstev rychlosti a teploty a který je dán vztahem:

kde ν je kinematická viskozita, α tepelný rozptyl, ρ hustota kapaliny, κ tepelná vodivost kapaliny a cp je tepelná kapacita kapaliny za konstantního tlaku.

Kinematická viskozita ν kapaliny obsahuje informace o míře, jakou se hybnost může šířit kapalinou díky pohybu molekul. Tepelný rozptyl α obsahuje informace o rozptylu tepla v kapalině. Poměr těchto dvou veličin vyjadřuje relativní velikost rozptylu momentu a tepla v kapalině.