Конвекция (или конвективная теплопередача) - это передача тепла от одного места к другому за счет движения жидкости. Хотя конвективная теплопередача часто обсуждается как отдельный метод теплопередачи, она включает в себя комбинированные процессы теплопроводности (диффузии тепла) и адвекции (теплопередачи объемным потоком жидкости ). Конвекция обычно является доминирующей формой теплопередачи в жидкостях и газах.
Обратите внимание, что это определение конвекции применимо только в контексте теплопередачи и термодинамики. Его не следует путать с явлением динамической жидкостной конвекции, которое обычно называют естественной конвекцией в термодинамическом контексте, чтобы различать эти два явления.
Конвекцию можно «вызвать» движением жидкости с помощью иных средств, кроме выталкивающих сил (например, водяной насос в автомобильном двигателе). Тепловое расширение жидкости также может вызвать конвекцию. В других случаях одни только силы естественной плавучести полностью отвечают за движение жидкости, когда жидкость нагревается, и этот процесс называется «естественной конвекцией». Примером может служить сквозняк в дымоходе или вокруг любого пожара. При естественной конвекции повышение температуры вызывает снижение плотности, что, в свою очередь, вызывает движение жидкости из-за давления и сил, когда на жидкости различной плотности действует сила тяжести (или любая перегрузочная сила ). Например, когда вода нагревается на плите, горячая вода со дна кастрюли вытесняется (или вытесняется вверх) более холодной более плотной жидкостью, которая падает. После прекращения нагрева смешивание и теплопроводность в результате 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 возникает, и работают только режимы принудительной конвекции.
Конвекционный режим теплопередачи состоит из одного механизма. Помимо передачи энергии из-за определенного молекулярного движения ( диффузии ), энергия передается за счет объемного или макроскопического движения жидкости. Это движение связано с тем фактом, что в любой момент большое количество молекул движется вместе или как агрегаты. Такое движение при наличии градиента температуры способствует теплопередаче. Поскольку молекулы в совокупности сохраняют свое беспорядочное движение, общий перенос тепла происходит из-за суперпозиции переноса энергии за счет случайного движения молекул и объемного движения жидкости. Обычно используется термин конвекция, когда речь идет об этом кумулятивном переносе, и термин адвекция, когда речь идет о переносе за счет движения жидкости в объеме.
Можно выделить два типа конвективного теплообмена:
Во многих реальных приложениях (например, потери тепла в центральных приемниках солнечной энергии или охлаждение фотоэлектрических панелей) естественная и принудительная конвекция происходят одновременно ( смешанная конвекция ).
Внутренний и внешний поток также могут классифицировать конвекцию. Внутренний поток возникает, когда жидкость окружена твердой границей, например, когда она течет по трубе. Внешний поток возникает, когда жидкость бесконечно расширяется, не встречая твердой поверхности. Оба этих типа конвекции, естественная или принудительная, могут быть внутренней или внешней, поскольку они независимы друг от друга. Объемная температура или средняя температура жидкости, является удобной точкой отсчета для оценки свойств, связанных с конвективной теплопередачи, в частности, в применениях, связанных с потоком в трубах и каналах.
Дальнейшая классификация может быть произведена в зависимости от гладкости и волнистости твердых поверхностей. Не все поверхности гладкие, хотя большая часть доступной информации касается гладких поверхностей. Волнистые неровные поверхности обычно встречаются в устройствах теплопередачи, включая 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 неровностей поверхностей, их нужно решать с математической точностью с помощью элегантных методов упрощения. Кроме того, они влияют на характеристики потока и теплопередачи, поэтому ведут себя не так, как прямые гладкие поверхности.
Для визуального восприятия естественной конвекции можно поместить стакан с горячей водой и красным пищевым красителем в аквариум с холодной чистой водой. Можно увидеть, как конвекционные потоки красной жидкости поднимаются и опускаются в различных областях, а затем в конечном итоге ослабевают, иллюстрируя процесс рассеивания градиентов тепла.
Иногда предполагается, что конвекционное охлаждение описывается законом охлаждения Ньютона.
Закон Ньютона гласит, что скорость потери тепла телом пропорциональна разнице температур между телом и окружающей средой, когда он находится под воздействием ветерка. Константа пропорциональности - это коэффициент теплопередачи. Закон применяется, когда коэффициент не зависит или относительно не зависит от разницы 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 небольшие, а также для принудительного воздушного и перекачиваемого жидкостного охлаждения, когда скорость жидкости не увеличивается с увеличением разницы температур.
Основное соотношение теплопередачи за счет конвекции:
где - тепло, передаваемое в единицу времени, A - площадь объекта, h - коэффициент теплопередачи, T - температура поверхности объекта, T f - температура жидкости, а b - коэффициент масштабирования.
Коэффициент конвективной теплопередачи зависит от физических свойств жидкости и физической ситуации. Значения h были измерены и сведены в таблицу для часто встречающихся жидкостей и ситуаций потока.