8.5.6. Перенос теплоты (конвекция)

Конвекция  процесс теплообмена, сопровождающийся перемешиванием нагретых и холодных слоев жидкостей или газов. Существуют различные виды конвекции зависимо от причин, которые ее порождают. Свободная конвекция возникает в поле сил тяжести из-за неоднородности плотности, вызываемой разницей температур. Нагретое вещество под влиянием архимедовой силы перемещается относительно менее нагретого вещества в направлении, противоположном направлению силы тяжести. Вынужденная конвекция вызывается внешним механическим влиянием на среду, например, за счет ветра. Увеличение скорости ветра вызывает увеличение количества теплоты, рассеянной вследствие вынужденной конвекции. Поблизости поверхности листка создается граничный слой воздуха, в котором происходит переход от неподвижного воздуха к воздушному потоку.

Тепловой поток J_Q, проходящий через единицу площади двойного граничного слоя (образуемого около плоского листка) за единицу времени и уносимый конвекционным потоком, зависит от коэффициента теплопроводности k_п воздуха (табл. 8.7) и градиента температуры :

J_Q = 2 k_п = 2 k_п , (8.81)

где тепловой поток J_Q измеряется в Вт·м^-2. Тепловой поток считается положительным, если теплота переносится от листка в воздух, и отрицательным в противоположном случае.

Эффективная толщина граничного слоя _гр зависит от скорости ветра  и размеров листка L:

_гр(мм) = 4,0 . (8.82)

Тепловой поток J_Q для объектов цилиндрической формы радиусом r, обусловленный теплопроводностью, определяется выражением:

J_Q = , (8.83)

где Т_ц – температура поверхности цилиндрического объекта, Т_п – температура окружающего воздуха.

Тепловой поток J_Q считается положительным, если теплота переносится от листка в воздух, и отрицательным в противоположном случае.

Для объектов цилиндрической формы толщина граничного слоя определяется выражением:

_гр(мм) = 5,8 , (8.84)

где D – диаметр цилиндра.

Пример

Определить тепловой поток J_Q, обусловленный теплопроводностью, для плоского листка длиной 10 см, если температура листка t_л = 25 ⁰С, температура окружающего воздуха t_п = 20 ⁰С, а толщина граничного слоя равна 1,4 мм.

Решение

Подставим числовые данные в уравнение (8.17):

J_Q = 2k_п = = 185 Втм^-2.

Пример

Рассчитать плотность потока теплоты, которой обменивается благодаря конвекции овца с окружающей средой, если тело овцы можно аппроксимировать цилиндром диаметром 60 см. Температура поверхности тела 38 ⁰С, температура окружающей среды 20 ⁰С , скорость движения воздуха 80 см/с.

Решение

Величина оценивается для тел цилиндрической формы с помощью соотношения (8.84):

_гр(мм) = 5,8 = 5,8 = 5 мм = 510^-3 м.

Подставим числовые данные в выражение (8.83), определяющее количество теплоты Q, которой обменивается животное с окружающей средой, с учетом того, что коэффициент теплопроводности воздуха при температуре 20 ^оС равен 0,0257 Вт·м^-1·К^-1 (см. табл.8.5).

J_Q = = = 93 Вт/м².

Контрольное задание

Рассчитать плотность потока теплоты, которой обменивается благодаря конвекции с окружающей средой животное, которое можно аппроксимировать цилиндром, диаметр которого 0,20 м, если температура тела – 40 ⁰С, скорость движения воздуха – 5 м/с.

Ответ: 446,96 Вт/м².