С помощью чего передается тепло конвекции
Передача теплоты конвекцией
— скорости движения теплоносителя;
— направления теплового потока (нагревание или охлаждение);
— площади поверхности стенки F, омываемой теплоносителем;
— формы стенки, ее размеров и других факторов.
Расчет процесса конвективного теплообмена производят на основе закона Ньютона, который выражается формулой:
 | (8) |
Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теплоты передается от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К.
Разделив обе части уравнения (8) на Ft, получим выражение для плотности теплового потока при теплоотдаче:
 | (9) |
 | (10) |
Коэффициент теплоотдачи а определяют опытным или аналитическим методом. Аналитический метод весьма сложен и не обеспечивает нужной точности.
Сложный теплообмен
 | (11) |
обозначить буквой k, то формула для подсчета количества теплоты, передаваемой через площадь F за время τ, примет следующий вид:
 | (12) |
Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, например из трех (рисунок 7, б), то плотность теплового потока с учетом формул (7) и (10) будет
 | (13) |
В многочисленных теплообменных устройствах, применяемых в любой области промышленности, в том числе в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями. Такой теплообмен называют теплопередачей.
Поэтому задание № 3 по сути соответствует случаю передачи теплоты от греющего газа к кипящей воде через разделительную однослойную (коэффициент теплопроводности материала стенки λ = 50 Вт/м∙К и толщина стенки δ = 10 мм.) и многослойную стенку (поверхность нагрева парового котла со стороны дымовых газов покрылась слоем сажи толщиной δс и со стороны воды слоем накипи толщиной δн (соответственно, коэффициент теплопроводности сажи λс = 0,08 Вт/м∙К и накипи λн = 0,6 Вт/м∙К)). Далее необходимо сравнить результаты расчетов для обоих случаев и определить уменьшение тепловой нагрузки в процентах, построить график распределения температур (См. рисунок 7, а и б).
1. Андрижиевский, А.А. Энергосбережение и энергетический менеджмент: учебное пособие / А.А. Андрижиевский, В.И. Володин. – Минск: Высшая школа, 2005. – 294 с.
2. Быстрицкий, Г.Ф. Основы энергетики [Текст] /Г.Ф.Быстрицкий – М.: Изд-во ИНФРА, 2007. – 278 с.
3. Полонский В.М. Энергосбережение: учебное пособие / В.М. Полонский – М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2005. – 160с.
Конвекция
Содержание
Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция и излучение. В прошлом уроке вы познакомились с теплопроводностью. При этом явлении внутренняя энергия передается от одной части тела к другой или от одного тела к другому. Это тесно связано со структурой рассматриваемого вещества и тепловым движением частиц в нем.
Когда мы будем говорить о конвекции, речь будет идти не о движении отдельных частиц, а о движении групп частиц. В данном уроке мы выясним определяющую разницу явления конвекции от теплопроводности и дадим ему определение. Далее рассмотрим конвекцию в жидкостях и газах, узнаем это явление в бытовых примерах и природе.
Определение конвекции
Возьмем пробирку и наполним ее водой. Начнем нагревать верхнюю часть пробирки пламенем спиртовки (рисунок 1, а).
Вода на поверхности пробирки закипит, тогда как у ее дна она останется просто теплой. Этот пример определяется теплопроводностью воды. Она у жидкостей невелика.
А теперь проделаем такой же опыт, но с небольшим изменением. Переместим пламя спиртовки в нижнюю часть пробирки (рисунок 1, б).
На этот раз вода в пробирке по всему объему достаточно быстро нагреется и закипит. Значит, здесь перенос энергии осуществляется не за счет теплопроводности жидкости, а на основании другого явления — конвекции.
Конвекция (от лат. конвекцио — перенесение) — это вид теплопередачи, при котором энергия переносится струями газа или жидкости.
Конвекция в жидкостях
Когда мы нагреваем жидкость снизу, в первую очередь нагревается самый нижний слой воды. Он становится теплее остальной жидкости. При нагревании вода расширяется и ее плотность уменьшается. Такой слой воды становится более легким. В итоге, нагретые слои вытесняются вверх более тяжелыми холодными слоями.
Холодные слои, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла. Далее они тоже вытесняются менее нагретой водой.
Благодаря такому постоянному движению, вода равномерно нагревается.
Такое движение слоев объясняется действием архимедовой силы. При увеличении объема нагретого слоя, увеличивается действующая на него архимедова сила. Она становится больше силы тяжести, действующей на данный слой. Он поднимается наверх.
Наглядно это можно пронаблюдать на опыте, изображенном на рисунке 3.
Здесь в жидкость добавляют марганцовку и начинают ее нагревать. Нагретая в пламени свечи вода начинает расширяться и поднимается наверх. Так как вода окрашена неравномерно, легко пронаблюдать циркуляцию.
Конвекция в газах
Если мы поместим руку над горячей плитой, то почувствуем, как над ней поднимаются теплые струи воздуха. Это происходит конвекция в воздухе.
Пронаблюдаем это явление на опыте (рисунок 4). У нас есть вертушка и свечи, расположенные под ней.
После того как мы зажжем все свечи, мы увидим, что вертушка начала вращаться. Что же здесь происходит?
Воздух, соприкасающийся с пламенем свечей, нагревается, расширяется и становится менее плотным. На него со стороны холодного воздуха действует сила Архимеда снизу вверх. Эта сила становится больше силы тяжести, действующей на теплый воздух. В итоге, теплый воздух начинает подниматься вверх, а его место занимает холодный воздух.
Если мы будем постепенно тушить свечи, то увидим, что скорость вращения вертушки начинает снижаться. Это связано с уменьшением объема циркулирующего воздуха.
Свойства и виды конвекции
Мы выясняли (рисунок 1, а), что если подогревать жидкость не снизу, то конвекция не будет происходить. То же самое справедливо и для конвекции в газах. Нагретые слои не смогут опуститься ниже холодных, более тяжелых. Значит,
для осуществления конвекции в жидкостях и газах необходимо нагревать их снизу.
Может ли происходить конвекция в твердых тела? В твердых телах частицы совершают колебания около определенных положений. Их удерживает сильное взаимное притяжение. В такой ситуации невозможно образование потоков вещества, как в жидкостях или газах. Следовательно,
конвекция не может происходить в твердых телах.
Конвекция бывает двух видов (рисунок 5):
Примерами естественной конвекции являются все примеры, которые мы рассмотрели выше.
Вынужденная конвекция наблюдается, например, если мы используем веер или перемешиваем жидкость ложкой.
Конвекция в быту и природе
Явление конвекции легко просматривается в наших квартирах. Когда в холодное время работает отопление, в комнатах постоянно происходит ощутимая циркуляция воздуха (рисунок 6).
Отметьте для себя тот факт, что в явлении конвекции кроется причина того, что отопительные батареи размещают в нижней части стен, ближе к полу.
Иногда в одной комнате бывает теплее, чем в соседней. Например, стоит дополнительная батарея или работает печка в кухне. В дверном проеме между такими комнатами можно обнаружить потоки воздуха (рисунок 7).
Холодный воздух будет иметь большую плотность и находится внизу. Если мы подставим пламя зажигалки внизу дверного проема, то увидим, что холодный воздух двигается в более теплую комнату. Если же поместим горящую зажигалку в верхнюю часть проема, то пламя отклонится в другую сторону. Так теплый воздух движется в холодную комнату.
Яркий пример конвекции в природе — это ветер. Наша атмосфера по всей Земле прогревается неодинаково. Из-за разного нагрева воздуха в жарких тропиках и полярных областях возникает мощное конвекционное движение воздуха — образуются ветра.
Пассаты — ветра, дующие от субтропических областей с экватору — частично образуются из-за неравномерного нагревания земной поверхности. Из-за вращения Земли, потоки воздуха отклоняются от меридиана (рисунок 8). Поэтому в Северном полушарии пассаты движутся в северо-восточном направлении, а в Южном — в юго-восточном направлении.
Ветра способствуют образования течений. Верхние слои воды (поверхностное течение) движутся в направлении постоянно дующего ветра (рисунок 9). Так, теплые и холодные течения — пример вынужденной конвекции.
Ветер на берегах морей — бриз — также образуется за счет конвекции (рисунок 10).
В теплое время года суша днем прогревается сильнее, чем море. Нагретые слои воздуха поднимаются вверх. Их давление становится меньше давления более холодного воздуха. Так, днем воздух дует с моря (дневной бриз), потому что прохладный воздух замещает собой теплый. Ночью все происходит наоборот — вода в море остывает медленнее, чем поверхность суши. Ветер дует с суши на море — образуется ночной бриз.
Конвекция
Хотите узнать больше о конвекции? В этой статье мы объясним все об этом.
Теплопередача
Это одна из причин, почему, поднося руку к плите, мы чувствуем тепло. Печь не передает это тепло. Существуют также другие процессы теплопередачи, такие как излучение и теплопроводность, которые объясняются вместе с конвекцией, поэтому мы также рассмотрим их позже.
И жидкости, и газы считаются жидкостями. Движение его молекул отвечает за то, что тепло может установить поток между двумя телами. Плохая теплопроводность означает, что тесто нужно заставить отжимать или отдавать тепло. Для этого он охлаждает или нагревает твердые тела или жидкости.
В котлах используется теплообменник. Он состоит из металлической трубы, внутри которой циркулирует вода. На улице у нас будет газ очень высокой температуры. В процессе конвекции газ сможет отдавать свое тепло металлической трубке, а вода получит его за счет теплопроводности. Трубка нагревается и отдает тепло воде, текущей в другом направлении. Эта вода, получая тепло за счет конвекции, нагревается и превращается в пар.
Вождение
излучение
В этом типе процесса мы увидим теплообмен по тот простой факт, что одно тело горячее другого. Для того, чтобы этот процесс был воспринят, необходимо, чтобы более теплое тело было при очень высокой температуре. Простой пример этого можно увидеть летом, когда вы идете на пляж. Когда вы оставляете машину на стоянке и часы идут, вы возвращаетесь за чем-то, а когда вы касаетесь металла дверей, вы обжигаетесь от того, насколько он горячий. Солнце находится на очень большом расстоянии и, однако, с помощью излучения может передавать это тепло автомобилю.
В случае излучения мы также принимаем во внимание тип материала, с которым имеем дело. Деревянная поверхность нагревается, но из-за своих изоляционных свойств не может удерживать столько тепла.
Типы конвекции
После того, как мы объяснили возможные теплопередачи, мы собираемся подсчитать существующие типы конвекции. Передача тепла за счет конвекции может происходить несколькими способами, а именно:
Чтобы лучше понять различные типы конвекции, мы приведем пример. Если мы включаем радиатор, мы должны ждать повышения температуры. Если мы положим руку на радиатор на небольшом расстоянии, мы увидим, что это совершенно естественный поток воздуха, поскольку горячий воздух имеет тенденцию подниматься. Окружающий воздух нагревается и уменьшается в плотности, что снижает его вес. Таким образом, он течет вверх, заставляя воздух проходить снова, постоянно обновляя себя. Это как если бы это был циклический процесс.
Надеюсь, что с помощью этой информации вы сможете больше узнать о конвекции и теплопередаче.
Содержание статьи соответствует нашим принципам редакционная этика. Чтобы сообщить об ошибке, нажмите здесь.
Способы передачи тепловой энергии
Передачу тепловой энергии называют теплопередачей. Есть три способа (рис. 1) передачи тепловой энергии:
С помощью теплопередачи можно изменять внутреннюю энергию тел.
Что такое теплопроводность
Теплопроводность — это передача (внутренней) тепловой энергии от одной части тела к другой его части.
Примечание: С помощью теплопроводности можно передавать тепловую энергию от одного тела к другому, если плотно прижать тела друг к другу.
При теплопроводности передается только энергия, а вещество не переносится.
Теплопроводности различных веществ отличаются. Металлы в твердом и жидком состоянии очень хорошо проводят тепло, то есть, обладают высокой теплопроводностью.
Примечание: Медь и серебро – это металлы с очень высокой теплопроводностью.
Но у остальных жидкостей теплопроводность меньше, чему твердых тел.
А у газов, например, у воздуха, теплопроводность очень мала. Поэтому пористые тела, содержащие большое количество газа, хорошо изолируют тепло.
Дом, построенный из пенобетона может иметь более тонкие стены, чем кирпичный дом.
В твердых телах тепло передается только с помощью теплопроводности.
Что такое конвекция и как она происходит
В жидкостях и газах тепло передается только с помощью конвекции. Конвекцио (лат.) – перенос.
Слои жидкости, или газа, имеющие различную температуру, могут самостоятельно перемешиваться. Этот процесс называется конвекцией.
Примечание: Конвекция — это самостоятельное перемешивание слоев жидкости, или газа, имеющих различную температуру.
Располагая руку в нескольких сантиметрах над горящей свечой, из-за конвекции мы можем ощущать тепло.
Как происходит конвекция: Более горячие слои жидкости, или газа, имеют маленькую плотность, поэтому поднимаются вверх, а их место занимают более холодные слои.
Примечание: Чтобы конвекция происходила хорошо, нужно нагревать жидкости и газы снизу.
— в чайнике нагревается вся вода, а не только находящаяся в нижней части чайника;
— воздух в помещении от пола до потолка прогревается батареями отопления, расположенными в нижней части помещения;
— дуют ветры, днем – с моря (дневной бриз), а по ночам – с суши на море (ночной бриз).
Что такое излучение
Излучение – это перенос тепловой энергии без помощи вещества. Поэтому в вакууме тепловая энергия переносится излучением.
Вакуум – это отсутствие молекул вещества в пространстве (глубокий вакуум в космосе), или, наличие небольшого количества молекул газа.
Например, в современных лабораториях можно из-под колокола откачать воздух до состояния, когда в одном кубометре пространства под колоколом будет содержаться всего несколько молекул воздуха.
Все тела могут излучать энергию. Сильно нагретые тела излучают больше энергии, чем более холодные.
Солнце – это большой раскаленный газовый шар, то есть, звезда. Солнце излучает тепло, это тепло через вакуум с помощью излучения переносится на Землю и нагревает ее поверхность и все тела, находящиеся на ней.
Известно, что черные предметы на солнце нагреваются очень быстро, а белые, почти не нагреваются.
По причине излучения более темные тела охлаждаются быстрее, чем белые.
В наши дни широкое распространение получили бытовые инфракрасные обогреватели. Эти обогреватели нагревают окружающие предметы с помощью теплового (инфракрасного) излучения.
Примечание: Теплопроводность и конвекция происходят в веществе. А излучение может переносить тепловую энергию без помощи вещества.
С помощью чего передается тепло конвекции
Теплопередача – это способ изменения внутренней энергии тела при передаче энергии от одной части тела к другой или от одного тела к другому без совершения работы. Существуют следующие виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Теплопроводность
Теплопроводность – это процесс передачи энергии от одного тел а к другому или от одной части тела к дpугой благодаря тепловому движению частиц. Важно, что при теплопроводности не происходит перемещения вещества, от одного тела к другом у или от одной части телa к другой передается энергия.
Разные вещества обладают разной теплопроводностью. Если на дно пробирки, наполненной водой, положить кусочек льда и верхний её конец поместить над пламенем спиртовки, то через некоторое время вода в верхней части пробирки закипит, а лёд при этом не растает. Следовательно, вода, так же как и все жидкости, обладает плохой теплопроводностью.
Ещё более плохой теплопроводность ю обладают газы. Возьмём пробирку, в которой нет ничего, кроме воздуха, и расположим её над пламенем спиртовки. Палец, помещённый в пробирку, не почувствует тепла. Следовательно, воздух и другие газы обладает плохой теплопроводностью.
Хорошими проводниками теплоты являются металлы, самыми плохими — сильно разреженные газы. Это объясняется особенностями их строения. Молекулы газов находятся друг от друга на расстояниях, больших, чем молекулы твёрдых тел, и значительно реже сталкиваются. Поэтому и передача энергии от одних молекул к другим в газах происходит не столь интенсивно, как в твёрдых телах. Теплопроводность жидкости занимает промежуточное положение между теплопроводностью газов и твёрдых тел.
Конвекция
Как известно, газы и жидкости плохо проводят теплоту. В то же время от батарей парового отопления нагревается воздух. Это происходит благодаря такому виду теплопроводности, как конвекция.
Если вертушку, сделанную из бумаги, поместить над источником тепла, то вертушка начнёт вращаться. Это происходит потому, что нагретые менее плотные слои воздуха под действием выталкивающей силы поднимаются вверх, а более холодные движутся вниз и занимают их место, что и приводит к вращению вертушки.
Конвекция — вид теплопередачи, при котором энергия передаётся слоями жидкости или газа. Конвекция связана с переносом вещества, поэтому она может осуществляться только в жидкостях и газах; в твёрдых телах конвекция не происходит.
Излучение
Третий вид теплопередачи — излучение. Если поднести руку к спирали электроплитки, включённой в сеть, к горящей электрической лампочке, к нагретому утюгу, к батарее отопления и т.п., то можно явно ощутить тепло.
Опыты также показывают, что чёрные тела хорошо поглощают и излучают энергию, а белые или блестящие плохо испускают и плохо поглощают её. Они хорошо энергию отражают. Поэтому понятно, почему летом носят светлую одежду, почему дома на юге предпочитают красить в белый цвет.
Путём излучения энергия передаётся от Солнца к Земле. Поскольку пространство между Солнцем и Землёй представляет собой вакуум (высота атмосферы Земли много меньше расстояния от неё до Солнца), то энергия не может передаваться ни путём конвекции, ни путём теплопроводности. Таким образом, для передачи энергии путём излучения не требуется наличия какой-либо среды, эта теплопередача может осуществляться и в вакууме.
Конспект урока «Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение».