Конвекция

Конвекция является режимом переноса тепла, при котором тепло переносится между поверхностью твердого тела и соседствующей движущейся жидкостью (или газом). В конвекции имеются два элемента:
  • Перенос энергии благодаря случайному молекулярному движению (диффузия) и
  • Перенос энергии объемным или макроскопическим движением жидкости (адвекция).
Данный механизм конвекции может быть объяснен следующим образом: по мере того, как слой жидкости, соседствующий с горячей поверхностью, становится теплее, его плотность уменьшается (при постоянном давлении плотность обратно пропорциональна температуре) и он становится всплывающим. Более холодная (более тяжелая) жидкость около поверхности замещается теплой жидкостью и формируется структура циркуляции.

Скорость теплообмена между жидкостью температуры Tf и поверхностью твердого тела площадью A при температуре Ts подчиняется закону охлаждения Ньютона, который можно записать так:

Qконвекции = h A (Ts - Tf)

где h – коэффициент конвективной теплопередачи. Единицы измерения h – Вт/м2.K или БТЕ/с.дюйм2.F. Коэффициент конвективной теплопередачи (h) зависит от движения жидкости, геометрии и термодинамических и физических свойств.

В принципе, имеются два режима переноса тепла конвекцией:

Естественная (свободная) конвекция

Движение жидкости или газа, примыкающих к поверхности твердого тела, вызывается силами выталкивания, на которые оказывает влияние изменение в плотности жидкости или газа благодаря разнице температур между твердым телом и жидкостью или газом. Когда горячая пластина оставлена остывать на воздухе, частички воздуха, соприкасающиеся с поверхностью пластины, нагреваются, их плотность уменьшается и потому они движутся вверх.

Принудительная конвекция

Некое внешнее устройство, например вентилятор или насос, используется для ускорения потока жидкости или газа по поверхности твердого тела. Быстрое движение частичек жидкости или газа по поверхности твердого тела максимизирует температурный градиент и увеличивает скорость теплообмена. На следующем рисунке воздух принудительно нагнетается поверх горячей пластины.

Коэффициент конвективной теплопередачи

Закон охлаждения Ньютона устанавливает, что скорость теплопередачи при покидании поверхности при температуре Ts в окружающий газ или жидкость при температуре Tf дается уравнением:

Qконвекции = h A (Ts - Tf)

где коэффициент теплопередачи h имеет единицы измерения Вт/м2.K или БТЕ/с.дюйм2.F. Коэффициент h не является термодинамическим свойством. Он представляет собой упрощенное соотношение для состояния газа или жидкости и условий на поток, и потому часто называется потоковым свойством.

Конвекция связана с концепцией пограничного слоя, которым является тонкий слой перехода между поверхностью, считающейся примыкающей к стационарным, и потоком жидкости ли газа по соседству. Это проиллюстрировано на следующем рисунке для потока поверх плоской пластины.

Здесь u(x,y) – скорость по направлению x. Область поверх внешнего края слоя газа или жидкости, определяемого как 99% свободной скорости потока, называется толщиной пограничного слоя жидкости или газа δ(x).

Похожий эскиз можно выполнить для температурного переноса от температуры поверхности к температуре окружения. Схематика изменения температуры дана на следующем рисунке. Отметим, что толщина термического пограничного слоя не обязательно должна быть той же, что у жидкости или газа. Свойства жидкости или газа, которые увязываются в число Прандтля, определяют относительную величину двух типов пограничных слоев. Число Прандтля (Pr), равное 1, вызывало бы одинаково поведение для обоих пограничных слоев.

Актуальный механизм теплопередачи через пограничный слой принимается как проводимость по направлению оси y через стационарную жидкость рядом со стенкой, равная скорости конвекции от пограничного слоя к самой жидкости ли газу. Это можно записать так:

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s

Таким образом, коэффициент конвекции для заданной ситуации может быть оценен измерением скорости теплопереноса и разницы температур или измерением температурного градиента, примыкающего к поверхности, и разницы температур.

Измерение температурного градиента поперек пограничного слоя требует высокой точности и обычно проводится в научно-исследовательских лабораториях. Во многих учебниках приводятся табличные данные коэффициентов конвективной теплопередачи для различных конфигураций.

Следующая таблица показывает некоторые типичные значения для коэффициента конвективной теплопередачи:

Средний Коэффициент теплопередачи h (Вт/м2.K)
Воздух (естественная конвекция) 5-25
Воздух/перегретый пар (принудительная конвекция) 20-300
Масло (принудительная конвекция) 60-1800
Вода (принудительная конвекция) 300-6000
Вода (кипящая) 3000-60,000
Пар (конденсирующийся) 6000-120,000

Число Прандтля

Число Прандтля представляет собой параметр, который связывает толщину скорости и термические пограничные слои и задается соотношением:

где ν – кинематическая вязкость, α – коэффициент температуропроводности, ρ – плотность жидкости, κ – теплопроводность жидкости и cp – теплоемкость жидкости при постоянном давлении.

Кинематическая вязкость (v) жидкости или газа показывает информацию о скорости, при которой кинетическая энергия диффундирует сквозь жидкость или газ ввиду молекулярного движения. Температуропроводность α показывает информацию о диффузии тепла в жидкости. Таким образом, отношение этих двух величин выражает относительные величины кинетической энергии и тепла в жидкости или газе.