Конвекция. Конвективный теплообмен

Конвективный теплообмен
Конвективный теплообмен – это сложный вид теплообмена, при котором совместно протекают процессы конвекции и теплопроводности. Конвекция происходит только в газах и жидкостях и состоит в том, что перенос теплоты осуществляется перемещающимися в пространстве объемами среды. Среды, которые участвуют в процессах тепломассообмена, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей используются: вода, воздух, водяной пар, минеральные масла, нефть, органические жидкости, ртуть, расплавленные металлы и многие другие. В зависимости от физических свойств теплоносителей процессы тепломассообмена протекают различно. Наиболее часто используется вода, поскольку она широко распространена, имеет стабильный химический состав, нетоксична, обладает хорошей теплоемкостью.

Большое влияние на теплообмен оказывают следующие физические свойства теплоносителей:
коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м·K); удельная теплоемкость с, кДж/(кг·К);
плотность ρ
коэффициент температуропроводности а, м2/с;
коэффициенты динамической μ, Па·с, и кинематической ν, м2/с,
вязкости.
Эти параметры для каждого вещества имеют определенные значения и являются функцией температуры, а некоторые из них – и давления.

Понятие о пограничном слое

Понятие о пограничном слое
Рассмотрим процесс продольного омывания какого-либо тела безгранич-ным потоком жидкости с постоянной скоростью течения w . Вследствие влияния сил трения в непосредственной близости от поверхности тела скорость течения должна очень быстро падать до нуля. Тонкий слой жидкости вблизи поверхности тела, в котором происходит изменение скорости жидкости от значения скорости невозмущенного потока вдали от стенки до нуля, непосредственно на стенке, называется гидродинамическим пограничным слоем. Толщина этого слоя δ возрастает вдоль по потоку. С увеличением скорости потока толщина гидродинамического пограничного слоя уменьшается вследствие сдувания его потоком. Напротив, с увеличением вязкости толщина гидродинамического слоя увеличивается.

Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи
Из многих видов конвективного теплообмена выделяют часто встречающийся случай, когда теплотой обмениваются поверхность твердого тела и жидкость, движущаяся у этой поверхности. Такой вид конвективного теплообмена называют теплоотдачей.
Процесс теплоотдачи описывается уравнением Ньютона-Рихмана, или уравнением теплоотдачи приведенный ниже.
Коэффициент теплоотдачи α характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и жидкостью. По физическому смыслу α представляет собой тепловой поток, проходящий через 1 м2 поверхности при разности температур между поверхностью тела и окружающей средой в 1 градус. коэффициент теплоотдачи – величина сложная и для ее определения невозможно дать общую формулу. Обычно для определения α приходится прибегать к опытным исследованиям.

Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи
Опытным путем установлено, что в условиях свободной конвекции для воздуха α = 5÷25 Вт/(м2·К), а для воды α = 20÷100 Вт/(м2·К). В условиях вынужденной конвекции значения коэффициента теплоотдачи выше, например, для воздуха α = 10÷200 Вт/(м2·К) и для воды α = 50÷10000 Вт/(м2·К). Для кипящей воды α = 3000÷100 000 Вт/(м2·К); для конденсирующего водяного пара α = 5000÷100 000 Вт/(м2·К).

Коэффициент теплоотдачи зависит
1. от скорости потока носителя тепла
2. вида течения
3 геометрии поверхности твердого тела.
Это сложная величина и ее невозможно определить общей формулой. Обычно коэффициент теплоотдачи находят экспериментально.

тепловая труба (ТТ)
тепловая труба (ТТ) – это замкнутое испарительно-конденсационное устройство, предназначенное для охлаждения, нагрева, или терморегулирования объектов. Впервые термин "тепловая труба" был предложен Гровером Г.М. и использован в описании к патенту (02.12.1963, Комиссия по атомной энергии США). Перенос тепла в ТТ осуществляется путем переноса массы теплоносителя, сопровождающегося изменением его фазового состояния (обычно испарение рабочей жидкости и ее последующая конденсация).

Водяной пар конденсируется на холодной алюминиевой крышке и стекает обратно в стакан в виде холодной воды, благодаря чему вода и не может закипеть.
Для примера возьмём бокал с небольшим количеством воды и поставим на плиту. В алюминиевую крышечку положим немного льда. Включаем!!!

Именно по такому принципу и устроены тепловые трубки, широко применяющиеся для охлаждения компьютеров.
Разница только в том, что из промышленных образцов откачан воздух и вода в них закипает при более низкой температуре, градусах при тридцати. Второе принципиальное различие в том, что в тепловых трубках применяется капиллярный эффект, для того, чтобы система охлаждения могла работать в любом положении

Как это происходит?
Пример в компъюторной технике!!!
1. Нагретый чип -2. Передает тепло по тепловой трубке – 3. Радиатор охлаждает за счет рассеяния в окружающую среду!

Как это происходит?
Вот так работает классический термосифон, прародитель современных тепловых трубок. Снизу источник тепла, сверху – охладитель. Жидкость испаряется и образуется пар, который поступает в охладитель, где конденсируется, и превратившись в холодную воду стекает вниз, под действием сил гравитации. Если такую конструкцию перевернуть вверх ногами, то увы, ничего работать не будет…

Как это происходит?
Так как заставить тепловую трубку работать вверх ногами, как сделать так, что жидкость будет перемещаться наперекор силам гравитации? В этом нам помог капиллярный эффект, при котором жидкость, как известно, может подниматься вверх. Для этого в внутрь тепловой трубки запихивают обычный фитилёк, по которому и поднимается охлаждённая жидкость вверх, где она снова испаряется при нагреве .

Термосифон работает так:
к нижнему концу (зона испарения) подводиться тепло, вода начинает испаряться без пузырькового кипения (это тоже очень важно, потому что при кипении на стенках ТТ возникают пузырьки, которые затрудняют отвод образующегося на греющей поверхности пара через толщу фитиля, и, следовательно, ограничивают мощность теплопередачи), поглощая при этом большую энергию, пар поднимается по трубе к холодному концу (зона конденсации), конденсируется, отдавая энергию, и в виде воды стекает по стенкам трубки вниз. Так как скрытая теплота фазового перехода у многих веществ достаточно высока, обеспечивается высокая плотность теплового потока. Термосифоны могут работать, если зона испарения находится ниже зоны конденсации, поэтому область их применения ограничена.
Первые термосифоны применялись для выпечки хлеба в Америке в 19 веке. Нижний конец трубы подогревался в топке, а верхний конец был соединен с камерой, в которой выпекался хлеб. Благодаря тому, что ТТ и термосифоны обладают термостабилизирующими свойствами, хлеб никогда не пригорал.