Convecție (transfer de căldură)
Convecția (din latină convehere , „a aduna ”, „a aduce împreună”) sau fluxul de căldură este, pe lângă conducerea căldurii și radiația de căldură , unul dintre cele trei mecanisme pentru transferul de căldură al energiei dintr-un loc în altul. Convecția este întotdeauna legată de transportul particulelor care își transportă energia cu ele, motiv pentru care este folosit și termenul de transfer de căldură . În consecință, nu poate exista o convecție în solidele nepermeabile sau în vid . Convecția poate fi greu evitată în gaze sau lichide .
Particulele solide din fluide pot fi, de asemenea, implicate în convecție, vezi de ex. B. pat fluidizat . Corpurile solide pot transporta, de asemenea, energia căldurii prin mișcare dacă o absorb într-un loc și mai târziu o eliberează într-un alt loc, dar aceasta nu este o convecție în sine. Numai fluxul unui fluid permite convecția.
În legătură cu curenții, pe lângă transferul de căldură prin convecție (fluxul de căldură) descris aici, au loc și alte procese convective , care transferă alte cantități fizice în plus față de energie.
General
Convecția este cauzată de un curent care transportă particule. Cauza fluxului de transport poate fi forțe diferite, cum ar fi B. gravitația sau forțele rezultate din diferențele de presiune , densitate , temperatură sau concentrație .
Se face o distincție între
- Convecție forțată , în care transportul particulelor este cauzat de influențe externe, de exemplu un ventilator sau o pompă și
- convecție liberă sau naturală , în care transportul particulelor este cauzat exclusiv de efectele gradientului de temperatură .
Convecția liber datorită diferențelor de densitate termică: Atunci când este încălzit, de obicei , substanțe extinde (excepție, de exemplu densitatea anomalie a apei ). Sub acțiunea forței gravitaționale, zonele cu densitate mai mică se ridică împotriva câmpului gravitațional ( flotabilitate statică ) în interiorul unui fluid , în timp ce zonele cu densitate mai mare se scufundă în el.
Dacă se asigură căldură pe partea inferioară și există posibilitatea răcirii pe partea superioară, se creează un flux continuu: fluidul este încălzit, se extinde și crește în sus. Odată ajuns acolo, se răcește, se contractă din nou și se scufundă pentru a fi încălzit din nou mai jos.
Convecție fără transfer de masă
Imaginea prezintă profilul de temperatură într-un perete solid cu transfer de căldură convectivă pe ambele părți. Nu sunt mișcați atomi în perete, deci există o conductă de căldură acolo.
În timp ce conducerea pură a căldurii cu un profil de temperatură liniar are loc într-un corp solid, transportul de căldură în fluid are loc într-un strat termic limită . Datorită vitezei locale de curgere, care trebuie să fie zero direct pe perete, există inițial și o conducție de căldură în fluidul de lângă perete, care este suprapusă continuu prin procese de amestecare, astfel încât profilul liniar de temperatură aproape de perete să se transforme în una neliniară, indiferent dacă în ce direcție curge căldura.
Convecția este determinată aici de „ stratul de graniță ”, stratul dintre cele două volume în care parametrii fizici diferă de cei ai celor două volume. Parametrii esențiali sunt temperatura și compoziția substanțelor, precum și debitul. Fiecare dintre acești parametri își formează propriul strat limită. În cazul convecției dintre fluide, determinarea straturilor limită este de obicei foarte dificilă sau chiar imposibilă, deoarece acestea nu pot fi măsurate sau sunt dificil de determinat și adesea se schimbă la o frecvență înaltă .
Debitul de căldură este descris de coeficientul de transfer de căldură α sau de numărul Nusselt adimensional Nu .
Firește, cu convecție liberă, direcția fluxului este dată de gravitație , deoarece fluxul este cauzat de diferențele de densitate și, astfel, de greutate. Prin urmare, o aliniere verticală a suprafeței corpului solid este de dorit pentru o utilizare optimă. Pe de altă parte, în cazul convecției forțate, orientarea în cameră este arbitrară, deoarece fluxul este în mod normal dimensionat structural astfel încât proporția convecției libere inevitabile să fie irelevantă.
Simularea numerică a convecției pe o placă orizontală - filamente de curent ...
La fel pentru o placă verticală - componentă de viteză verticală
... și câmpul de temperatură
... și câmpul de temperatură
Deoarece parametrii care caracterizează fluxul de căldură (diferențele de temperatură, diferențele de densitate, forța de ridicare / descărcare, vitezele de curgere) se influențează reciproc în acesta din urmă, determinarea transferului de căldură al componentelor tehnice este foarte complicată. De exemplu, măsurarea puterii pe încălzitoarele de spațiu pentru fiecare tip și fiecare dimensiune în condiții de funcționare diferite în condiții limită fixe trebuie determinată individual prin măsurare. O simulare computațională, pe de altă parte, este chiar mai complexă și, mai presus de toate, mai puțin precisă, chiar și cu computerele performante de astăzi.
Avantajul convecției libere este că căldura este transportată fără energie și aparate suplimentare de acționare, dar gravitația stabilește limite în distribuția locală, deoarece fluxul este de preferință orientat vertical . Dezavantajul este transferul slab de căldură, care trebuie compensat de suprafețe mari. Transportul de căldură cu fluide pe distanțe mari este dezavantajos pentru ambele tipuri de convecție din cauza pierderilor termice, de exemplu în termoficare .
Un sistem de circulație este, de asemenea, posibil cu convecție liberă dacă există o sursă de căldură și un radiator într-o cameră închisă (exemplu: încălzirea camerei , conducta de căldură ), care are un efect de autoreglare în anumite limite ( feedback negativ ), deoarece circulația crește odată cu creșterea diferenței de temperatură și invers.
Transferul de căldură poate fi considerabil mai eficient, chiar și cu convecție liberă, dacă fluidul are un punct de fierbere în intervalul de temperatură de lucru , de exemplu condensatorul unei mașini frigorifice (bobina țevii din exteriorul din spatele unui frigider de uz casnic, în care agentul frigorific se condensează în interior ). În plus, există avantajul că transferul de căldură pe această parte este aproape complet izoterm , adică diferența de temperatură față de aerul din cameră este aproape aceeași pe toată conducta.
Convecție într-un strat orizontal
Un fluid care stă deasupra unei suprafețe orizontale încălzite (exemplu: aer peste o suprafață încălzită a pământului, apă într-o cratiță) nu curge deasupra suprafeței cu o diferență de temperatură foarte mică și fără influențe externe. Există doar conducere de căldură și difuzie de căldură. Dacă diferența de temperatură crește, se formează curenți de convecție sub formă de structuri în formă de role sau hexagonale, celulele de convecție sau celulele Bénard. Dacă diferența de temperatură crește și mai mult, structurile devin turbulente, vezi granulația (astronomie) .
Convecție cu transfer de masă
Adesea „celălalt” volum este, de asemenea, un fluid în sine, ceea ce are ca consecință că interfețele curg lin între ele și în multe cazuri există un schimb de substanțe în plus față de schimbul de căldură , ceea ce înseamnă că și compoziția substanței este adusă în linie. Dacă fluidul curge peste un solid sau un amestec de substanțe cu o presiune mai mică de vapori de saturație sau de sublimare , acest lucru duce la un transfer de masă în care substanța a cărei presiune de vapori sau de sublimare este depășită se difuzează în fluid (exemplu: uscare ). O diferență de temperatură nu este absolut necesară pentru aceasta, dar este benefică. De regulă, acest lucru se întâmplă deoarece substanța care se evaporă sau sublimată atrage căldura de evaporare din propria sa solidă sau lichidă în fază și , astfel , o răcește în jos, ceea ce este valabil și în cazul de evaporare ( vezi evaporativ de racire ).
În acest caz, convecția naturală poate apărea și din faptul că fluidul își schimbă densitatea ca urmare a transportului materialului și astfel primește ridicarea sau forța de forță dacă diferența de temperatură este prea mică.
Procesul se caracterizează prin faptul că căldura este suprapusă printr-un transport material. Ambele urmează aproximativ aceleași legi, care este cunoscută sub numele de „analogia dintre schimbul de căldură și material”. Acest lucru este exprimat și în descrierea matematică: transportul de căldură este descris prin legea lui Fourier , transportul de masă prin legea lui Fick , care sunt formal aceleași, diferă doar în variabilele temperatură sau concentrație și în rezistențele de contact respective.
În cazul lichidelor nemiscibile, cum ar fi apa și uleiul , procesele cu diferențe de debit scăzute sunt comparabile cu cele de pe un perete solid; la debituri mai mari, se pot forma picături, ceea ce duce la o emulsie . La rândul său, acest lucru duce la un transfer de căldură crescut datorită măririi interfețelor de pe picături.
Dacă ambele fluide sunt miscibile între ele, ca întotdeauna în cazul gazelor, nu există nicio interfață care să stabilizeze interfața. Un caz tipic este o flacără , de exemplu o lumânare sau o brichetă . Datorită convecției gazelor care curg, aerul lor de ardere curge de jos din cauza presiunii negative generate . Un gradient puternic de temperatură apare de la miezul flăcării la exterior, prin care gazele flăcării cresc, „aspiră” aerul înconjurător și „îl transportă de-a lungul” în sus. Chiar și cu diferențe relativ mici în viteza de curgere, apar turbulențe și, ca rezultat, are loc amestecarea.
Diferențe mari de densitate a gazelor pot stabiliza un strat limită în ciuda unui gradient mare de temperatură, de exemplu norii de acid sulfuric din Venus au o suprafață în cea mai mare parte fără structură și plăcile de circuite imprimate sunt vizibil imersate în vaporii fierbinți Galden ™ în timpul lipirii în fază de vapori .
Exemple
Convecție liberă
- Gulf Stream : din Caraibe, apa caldă de suprafață este transportată mai întâi de-a lungul coastei de est a SUA, apoi mai departe în direcția nord-est de-a lungul Atlanticului, trecând prin Irlanda. Prin pierderile prin evaporare și creșterea concentrației de sare implicate este greutatea specifică apei și cade în Islanda în profunzime. Fără această „încălzire a apei calde”, temperaturile din Europa ar fi la fel de scăzute ca în centrul Canadei.
- Atmosfera terestră și oceanele sau mările formează un sistem de convecție liberă cu un sistem bifazat aer / apă , cu evaporare / condensare și amestecare / segregare ( nori / ploaie ), precum și surse de căldură (suprafețe încălzite solare pe continent și mări) și chiuvete (partea solară îndepărtată a pământului și regiunile din apropierea polului), circulație. Aerul este încălzit pe pământul cald și crește, un factor decisiv pentru formarea vântului , a norilor și a furtunilor. Transportul orizontal pe scară largă de căldură este, de asemenea, cunoscut sub numele de advecție .
- În stratificarea densității legate de temperatură a lacurilor , când suprafața se răcește (noaptea și toamna), curenții de convecție verticală apar între straturile de apă superioare și inferioare.
- În interiorul pământului , rocile sunt condiționate fluide și transportă căldura pe o perioadă lungă de timp. Manta și exterioară nucleul Pământului , de asemenea , forma sisteme de convecție atunci când sunt privite pe perioade de timp geologice. Acestea sunt cauza tectonicii plăcilor și, astfel, cutremurelor și vulcanilor . Se vorbește despre o convecție a jachetei prin așa-numitele panouri . În miezul exterior, convecția aliajului de fier lichid creează câmpul magnetic al pământului .
- În stele și planete de răcire , convecția transportă energia termică din interior spre exterior.
- Structura granulară a suprafeței soarelui este creată de material ascendent și descendent în zonele exterioare ale soarelui. Materialul mai fierbinte și mai luminos crește în granule , degajă căldură ca radiație și se scufundă din nou în zonele mai întunecate dintre granule. În schimb, petele solare și proeminențele sunt un fenomen magnetic .
- Dacă cazanul de încălzire centrală este instalat în cel mai de jos punct al sistemului de încălzire, acesta poate funcționa fără o pompă de circulație ( încălzire gravitațională ). Apa caldă crește prin convecție în radiatoare, unde se răcește și apoi curge înapoi în jos.
- Convecția liberă a aerului are loc în exteriorul radiatoarelor , încălzirii prin pardoseală și a altor componente: Aerul se extinde atunci când este încălzit și este forțat în sus datorită flotabilității statice crescute . Aerul mai rece curge de dedesubt peste podea și pereți.
- Turn solar , centrală de curent electric : generarea de energie electrică din curenți de convecție liberi.
- În planor , energia de zbor este utilizată printre altele. obținut din curentul de curent termic , așa-numitele termice .
- În coșul de fum ( coșul de fum ), convecția asigură că gazele de eșapament cu ardere fierbinte sunt transportate întotdeauna spre exterior prin flotabilitate ( efect coș ). Coșul de fum trebuie dimensionat astfel încât să se mențină un flux de flotabilitate suficient în ciuda disipării căldurii prin peretele interior. Acest lucru se realizează printr-o înălțime și un diametru adecvat.
- În clădirile rezidențiale, efectul de ventilație a îmbinării asigură că aerul cald scapă prin articulațiile superioare și aerul rece curge prin golurile inferioare.
- Uscarea rufelor pe o linie: cum ar fi uscarea părului, dar convecție liberă (evaporarea se răcește, aerul curge în jos)
- Când frigiderul este deschis, aerul rece curge de jos. În schimb, aerul cald curge în partea superioară a deschiderii ușii.
- Cu o conductă de căldură , cantități mari de energie pot fi transportate cu puțin efort și într-un spațiu mic. Cu aceasta este posibilă o răcire eficientă.
Convecție forțată
- Răcirea procesoarelor de computer cu ventilatoare.
- Răcirea cu apă a motoarelor autovehiculelor
- La uscarea părului cu un uscător de păr , convecția este forțată de un ventilator.
- Încălzirea apei calde : Aici, pompele de circulație asigură distribuția apei calde către componentele de la distanță ale sistemului de încălzire.
- Bobinele generatoarelor mari trebuie răcite. Bobinele din stator sunt răcite cu apă. Bobinele din rotor, pe de altă parte, utilizarea hidrogenului , care circulă prin carcasa generatorului sub o presiune de până la 10 bari și cedează căldura într - un aval schimbător de căldură .