Informator wentylacyjny

Informacje z zakresu wentylacji, klimatyzacji i automatyki

Konwekcja

Wrzesień 6th, 2011

Konwekcja albo unoszenie ciepła jest mechanizmem przekazywania ciepła podczas występowania ruchu substancji (albo inaczej mieszania się płynu) między obszarami o różnych temperaturach. Zjawisko to jest charakterystyczne dla gazów i cieczy i występuje również przy kontakcie tych poruszających się substancji z ograniczającą je stałą powierzchnią, np. ścianką. Niezbędnym warunkiem występowania przenoszenia ciepła przez konwekcję jest więc ruch ośrodka. Rozróżnia się dwa typy konwekcji:

1) swobodną (naturalną) – jest to przenoszenie ciepła w nurcie strumienia powstającego wyłącznie w wyniku różnicy gęstości gazu lub cieczy, wywołanego różnicą temperatur w tymże ośrodku;
2) wymuszoną – jest to przenoszenie ciepła w nurcie strumienia gazu lub cieczy, który wywołany jest sztucznie, np. przez specjalne urządzenie, takie jak pompa lub wentylator, mamy do czynienia z przenoszeniem ciepła
w warunkach konwekcji wymuszonej. Schemat objaśniający konwekcję (swobodną lub wymuszoną), po obu zewnętrznych stronach ścianki, jest przedstawiony na rys. 1.

Rys. 1. Ustalone przenikanie ciepła przez ściankę, będące procesem złożonym z konwekcji po jednej stronie przegrody (w obszarze 1), przewodzenia przez ściankę stałą (w obszarze 2), konwekcji po drugiej stronie przegrody (w obszarze 3).

Wielkość strumienia ciepła przekazywanego przez konwekcję określa się następującą zależnością:

$latex q=\alpha(T_{s’c'}-T_{p})$

gdzie:
$latex \alpha$  – współczynnik przejmowania ciepła od płynu do ścianki [W/m2K];
$latex T_{s’c'}$ – temperatura ścianki ([K] lub[°C]);
$latex T_{p}$ – temperatura płynu ([K] lub[°C]).
Jeżeli $latex T_{s’c'}$  > $latex T_{p}$ to ciepło przechodzi od ścianki do płynu, w przeciwnym przypadku, tzn. $latex T_{p}$ > $latex T_{s’c'}$, ciepło dopływa do ścianki.
Opór cieplny wynikający z konwekcji wynosi:

$latex R_{c\alpha}=\frac{1}{\alpha}$

Jako formuły obliczeniowe do wyznaczania współczynnika przejmowania ciepła $latex \alpha$ (między ścianką a płynem) stosuje się powszechnie zależności wynikające z opracowania pomiarów eksperymentalnych i teorii podobieństwa.
Używane są w tej metodzie tzw. liczby bezwymiarowe (zwane też liczbami kryterialnymi). Wynikają one z zaawansowanej analizy równań: ciągłości, pędu, energii i wymiany ciepła.
Warto podać jedynie skromną próbkę wyników takiego podejścia, które dotyczą konwekcji naturalnej oraz przepływu burzliwego. Podane zależności pozwolą na prezentację metody oraz określanie współczynników (dla wspomnianych przypadków. Zależności te, wiążące odpowiednie liczby kryterialne w wymienionych przypadkach, mają postać:

dla przypadku konwekcji naturalnej:

$latex Nu=C (Gr Pr)^{n}$

gdzie:
Nu = – liczba Nusselta;
Gr = – liczba Grashofa;
Pr = – liczba Prandtla.

dla przypadku przepływu burzliwego w kanałach:

$latex Nu = f (Re, Pr)$

gdzie:
Re = – liczba Reynoldsa.

Na rysunku 2 przedstawiono wykres obrazujący wpływ sposobu transportu ciepła (tzn. „czystego” przewodzenia, konwekcji swobodnej lub wymuszonej) na rozkład temperatury po jednej stronie ścianki. Dla prostoty założono, że temperatura wewnętrznej strony ścianki (Twj) oraz temperatura płynu daleko od ścianki (Tot lub Tp) mają wartości stałe.

Rys. 2. Porównanie profilów temperatury w przestrzeni po jednej stronie przegrody, w zależności od mechanizmu transportu ciepła występującego w tej przestrzeni

Informator wentylacyjny

Informacje z zakresu wentylacji, klimatyzacji i automatyki