Тепломассообмен при конвекции

Конвекция — процесс переноса тепла и массы в жидкости и газах за счёт движения самого вещества. В отличие от теплопроводности, где энергия передается через тепловые колебания атомов, при конвекции энергия переносится макроскопическим движением вещества.

Виды конвекции

  • Естественная (свободная) конвекция: Возникает из-за разности плотностей, вызванной неравномерным нагревом жидкости или газа. Теплый участок расширяется, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх, уступая место более холодному и плотному участку.

  • Вынужденная конвекция: Возникает при внешнем воздействии, например, при обдуве вентиляторами или движении насоса.

Основные характеристики процесса конвекции

  • Тепловой поток при конвекции:

$$ Q = \alpha \cdot S \cdot (T_{поверхности} - T_{\жидкости}), $$

где α — коэффициент теплопередачи при конвекции, S — площадь поверхности теплообмена, Tповерхности и $T_{\жидкости}$ — температуры поверхности и жидкости.

  • Коэффициент теплопередачи α зависит от свойств жидкости/газа, скорости движения, геометрии поверхности и других параметров.

Механизмы тепломассообмена в конвекции

  1. Передача тепла:

    • За счёт движения жидкости переносятся участки с разной температурой.
    • В зонах с высокой турбулентностью теплообмен значительно усиливается.

  2. Передача массы:

    • При конвекции происходит транспорт примесей, растворенных веществ или фазовых компонентов.
    • Пример — испарение и последующая конденсация влаги.

Числовые характеристики конвекции

  • Число Нуссельта Nu — безразмерное число, характеризующее интенсивность теплопереноса конвекцией по сравнению с теплопроводностью:

$$ Nu = \frac{\alpha L}{\lambda}, $$

где L — характерный размер, λ — теплопроводность среды.

  • Число Рейнольдса Re — отношение инерционных и вязких сил, определяющее режим течения (ламинарный или турбулентный):

$$ Re = \frac{\rho v L}{\mu}, $$

где ρ — плотность, v — скорость потока, μ — динамическая вязкость.

  • Число Грасгофа Gr — безразмерное число, характеризующее естественную конвекцию:

$$ Gr = \frac{g \beta (T_s - T_\infty) L^3}{\nu^2}, $$

где g — ускорение свободного падения, β — коэффициент теплового расширения, Ts — температура поверхности, T∞ — температура окружающей среды, ν — кинематическая вязкость.

Взаимосвязь процессов кипения, конденсации и конвекции

  • Кипение и конденсация сопровождаются интенсивным теплообменом, в котором роль конвекции очень велика.
  • Образование пузырьков при кипении способствует перемешиванию жидкости, увеличивая коэффициент теплопередачи.
  • При конденсации конвекция поддерживает удаление конденсата и способствует охлаждению поверхности.
  • В системах с конвекцией могут происходить фазовые переходы, что существенно влияет на тепломассообмен и энергетический баланс.

Практические приложения

  • Теплообменники с кипением и конденсацией: широко применяются в энергетике и холодильной технике.
  • Естественная и вынужденная конвекция используются для охлаждения электронных устройств, систем вентиляции, отопления.
  • Анализ тепломассообмена при конвекции необходим для проектирования систем климат-контроля, химических реакторов и промышленных процессов.

Особенности экспериментальных исследований

  • Используются методы визуализации пузырьков и капель.
  • Измерение температурных полей и скоростей потока — с помощью датчиков и лазерной диагностики.
  • Разработка математических моделей и численных методов позволяет прогнозировать процессы и оптимизировать инженерные системы.
Оглавление