Естественная и принудительная 📙 конвекция

1. Естественная конвекция 
2. Вынужденная конвекция 

Конвекцией называют разновидность передачи тепловой энергии, при которой обмен производится с помощью потоков жидкости или газа.

Практически вся конвекция в природе является естественной, так как она возникает сама собой в результате нагревания газа или жидкости в земном поле тяготения. В качестве примера можно привести нагрев атмосферы — нижние слои нагреваются быстрее, за счет внутренней температуры планеты и становятся легче, в результате чего они поднимаются, вынуждая более холодные слои опускаться ниже. В свою очередь, опустившиеся холодные слои через время также нагреваются и поднимаются, и этот процесс является непрерывным. В ходе определенных условий процесс смешивания потоков упорядочивается в отдельные вихри, в результате чего возникает решетка из конвекционных ячеек. Многие атмосферные явления, облака, появление солнечных гранул, перемещение тектонических плит — все эти природные явления происходят в результате естественной конвекции.

В отличие от естественной конвекции, принудительная происходит посредством внешних сил, обеспечивающих перенос рабочего вещества (насосом или вентилятором). Она применяется в том случае, когда естественной конвекции недостаточно для достижения необходимого эффекта. 

Конвекция относится не только к переносу тепловой энергии, но также к переносу массы или электрических зарядов.

Изучение естественной конвекции, ее процессов и свойств имеет очень важное значение для стабильной работы многих технических систем, так как это напрямую связано с отводом тепловой энергии. В случае, когда обычные способы сброса избыточного тепла являются недостаточно эффективными, применяются принудительную конвекцию.

Самыми распространенными отопительными приборами являются конвекторы, в которых основная часть теплоносителя подается как раз посредством конвекции, например конвекторы из оребренных труб, по которым перемещается теплоноситель. Сама труба заключается в специальный кожух с отверстиями для прохода воздуха.

Привычные всем радиаторы отопления совмещают в себе принципы естественной и принудительной конвекции. Внутри радиаторов теплоноситель перемещается принудительно, но обогрев непосредственно самого помещения происходит посредством естественных процессов.

Тем не менее, в некоторых случаях необходимо подавлять естественную конвекцию, чтобы снизить потери тепла. Это, к примеру, происходит в солнечных коллекторах, когда снижение теплопотерь через прозрачную изоляцию является первостепенной задачей.

Еще одним широко используемым в быту и промышленности прибором, основанным на принципе конвекции, является воздухонагреватель. Его используют не только для обогрева помещений, но также для продувки доменных печей и других целях. Когда воздухонагреватель работает в режиме нагрева, продукты сгорания устремляются вверх и попадает в коллектор. В режиме продувки холодный воздух забирает тепловую энергию, аккумулирующуюся в коллекторе, после чего сам нагревается и направляется в воздухопровод, где и используется в различных целях.

Вынужденной конвекцией называется явление, когда движение газа или жидкости вызывается посредством воздействия внешних сил.

Когда происходит процесс течения жидкости, то непосредственно к поверхности твердого тела образуется пограничный неподвижный слой. Теплота передается через этот слой путем теплопроводности. плотность теплового потока через пограничный слой пропорциональна разности температур жидкости и поверхности тела

Что такое конвекция в духовке, и как она работает

Большинство современных духовок оснащены режимом конвекции. Этот полезный режим способен существенно повысить качество приготовляемых блюд, а также сэкономить время. Но многие не задумываются над тем, что же обозначает этот термин. Поэтому мы решили разобраться подробнее в принципе работы духовки, а также в функции конвекции – для чего она нужна и какой бывает?

Принцип работы духовки: естественная конвекция

Даже самые простые модели работают по принципу конвекции, называющейся естественной: противень подогревается лишь снизу, а в верхней части духовки циркулирует нагретый нижними горелками воздух. Из-за этого в классических духовых шкафах пища зачастую готовится неравномерно. Пирожки, расположенные ближе к задней стенке духовки, подрумяниваются гораздо быстрее, чем те, что у дверцы. Поэтому хозяйки вынуждены открывать шкаф и поворачивать противень для равномерного нагрева, а не каждое блюдо способно приготовиться в условиях таких манипуляций (например, бисквит опадет при преждевременном открывании дверцы).

Более новые модели оснащены и верхним нагревательным элементом, что улучшает процесс естественной конвекции и качество приготовления блюд. Но даже это не дает таких положительных результатов, как встроенный вентилятор, который принимает участие в равномерном разогреве духового шкафа и регулировании потоков горячего и холодного воздуха. Эта принудительная вентиляция и называется режимом конвекции.

Принудительная конвекция: как это работает

Благодаря вентилятору перемешанный воздух внутри шкафа обеспечивает равномерную температуру по всему объему, вследствие чего блюдо пропекается со всех сторон одинаково. Когда необходимая температура достигнута, система вентиляции автоматически отключается, экономя ресурсы. Электрические духовки с режимом конвекции оснащены многими функциями, позволяющими приготовить самые разнообразные блюда любой сложности, использовать гриль и самостоятельно подбирать или комбинировать режимы в зависимости от рецепта и желаемого результата. Ознакомившись с инструкцией, вы без труда разберетесь с работой и нюансами конвекции.

Особенности конвекции в газовых духовках

Газовые модели с режимом конвекции встречаются реже, чем электрические. Это обусловлено использованием открытого огня в духовках на газу. Во-первых, в них отсутствует герметизация, так как продукты горения должны выводиться наружу, а значит, длительность приготовления пищи увеличивается по сравнению с электрическими моделями. Во-вторых, при работе вентилятор может задуть огонь, но производители таких моделей учитывают это и создают конструкции таким образом, чтобы подача газа автоматически отключалась при погасшем пламени. На эту опцию стоит обратить особое внимание при покупке газовой духовки с принудительной конвекцией.

Духовой шкаф газовый FREGGIA OGSB64B

Зачем использовать конвекцию

Процесс естественной конвекции происходит медленно и зависит от многих факторов. К примеру, если противень по бокам плотно прилегает к стенкам шкафа и не оставляет зазоров, то горячему воздуху снизу будет крайне сложно добраться до верхней части духовки, что гарантирует подгорание нижней корочки или сыроватость блюда на поверхности. А вот с помощью принудительной конвекции можно добиться следующих результатов:

• Качественного запекания даже самых толстых кусков мяса и рыбы;
• Равномерной хрустящей корочки со всех сторон;
• Высушивания лишнего сока, выделяемого блюдом;
• Быстрого размораживания продуктов;
• Экономии электроэнергии или газа;
• Использования меньшего количества масла при готовке;
• Возможности использования нескольких противней одновременно;
• Качественной стерилизации емкостей.

Какие типы конвекции существуют

Сухая конвекция

Такой тип чаще всего обеспечивается вентилятором простой конструкции, задачей которого является прогонять потоки воздуха по внутренней полости духового шкафа. Некоторые производители устанавливают вокруг вентилятора еще и дополнительный контур нагрева, благодаря чему эффективность режима конвекции увеличивается. Существуют модели с мощным вентилятором, обеспечивающим стремительный поток накаленного воздуха. Такой эффект особенно важен, если вы желаете получить быстро подсохшую корочку, не дающую соку вытекать из блюда.

Духовой шкаф электрический SAMSUNG NV68R1310BB/WT

Влажная конвекция

Ее еще называют паровой, так как она насыщает паром воздух в духовом шкафу. Ценители здорового образа жизни особенно оценят этот режим конвекции. Пища готовится на пару, сохраняя свои полезные свойства. В таком режиме сложно пережарить или пересушить блюдо. Духовка оснащена специальным отверстием (либо на дверце, либо на задней стенке духовки), куда заливается вода. Когда вы включаете прибор, вода поступает в отсек, именуемый генератором пара, а затем в духовку. Пар может подаваться в разных направлениях – по всему объему духового шкафа, по направлению к емкости с блюдом или на само блюдо. Также вы самостоятельно можете управлять временем подачи парового потока. Этот режим подходит как для приготовления блюд из рыбы, мяса, теста и овощей, так и для таких процессов, как стерилизация банок и детских бутылочек.

Конвекция с грилем

Такой режим подходит для приготовления не только мяса, но и пирогов. Выпечка приобретает желаемый объем вследствие равномерного распределения потока нагретого воздуха. Некоторые модели комбинируют конвекцию с усиленным грилем для приготовления большего количества пищи или придания блюду румянца.

Таким образом, можно сделать вывод, что конвекция – очень полезный помощник на кухне для любой хозяйки. Блюда станут готовиться быстрее и качественнее, а такие процессы, как стерилизация и разморозка продуктов, не займут много времени и сил.

Принудительная конвекция — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рис. 1. Конвекция — это механизм теплопередачи, при котором тепло перемещается из одного места в другое посредством потоков жидкости. Принудительная конвекция просто использует этот механизм полезным способом для эффективного обогрева или охлаждения дома, например, с помощью вентилятора. ^[1]

Принудительная конвекция — это особый тип теплопередачи, при котором жидкости вынуждены двигаться для увеличения теплопередачи. ^[2] Это нагнетание может осуществляться с помощью потолочного вентилятора, насоса, всасывающего устройства или другого устройства.

Многие знакомы с утверждением, что «тепло поднимается вверх». Это упрощение идеи о том, что горячие жидкости почти всегда менее плотны, чем та же самая жидкость в холодном состоянии, но есть исключения (исключения см. В слоях атмосферы и термохалинной циркуляции). Эта разница в плотности приводит к тому, что более горячий материал естественным образом оказывается поверх более холодного из-за более высокой плавучести более горячего материала. ^[3]

Естественная конвекция может создать заметную разницу температур в доме. Часто это становятся местами, где в одних частях дома теплее, а в других прохладнее. Принудительная конвекция создает более равномерную и, следовательно, комфортную температуру во всем доме. Это уменьшает холодных точек в доме, уменьшая необходимость включать термостат на более высокую температуру или надевать свитера.

Эксплуатация

Рисунок 1. Теплый пол ^[4] является частью системы HVAC, которая создает принудительную конвекцию в доме.

Создать принудительную конвекцию так же просто, как включить вентилятор. Воздух нагревается в топке и прогоняется по птичнику нагнетателем , представляющим собой вентилятор внутри вентиляционной системы. Этот вентилятор выпускает определенное количество воздуха, и этот выходной поток воздуха распределяется между всеми выходными решетками (также называемыми вентиляционными отверстиями обогревателя) в доме. ^[5] После прохождения через вентиляционные отверстия вентиляторами теплый обработанный воздух выбрасывается через вентиляционные отверстия в полу или потолке в комнаты дома. Затем с помощью естественной конвекции этот воздух проходит через комнату, нагревая ее, поднимаясь наверх за счет естественной конвекции и медленно падая на пол по мере охлаждения. Система нагрева воздуха и его проталкивания по всему дому, чтобы нагреть его, снова запускается. ^[6]

То, как очищенный воздух попадает к выходным вентиляционным отверстиям, имеет значение, поскольку конструкция воздуховода может создавать сопротивление воздушному потоку в коленях, перегородках или местах, где изменяется размер воздуховода. Это изменение, в свою очередь, влияет на то, насколько хорошо эта система с принудительной подачей воздуха может обогревать дом, поскольку все они используют выходной поток воздуха из одного источника — печи. Поэтому важно правильно спланировать воздуховод. ^[5] Как правило, лучший способ движения воздуха по воздуховоду — это прямой воздуховод круглой формы с гладкой внутренней стенкой, поскольку изгибы и углы препятствуют потоку воздуха. Везде, где это возможно, следует соблюдать это правило, чтобы воздух, вытесняемый печью, правильно нагревал дом. Кроме того, если выходные вентиляционные отверстия не закрыты мебелью или не установлены за шторами, гарантируется, что теплый воздух, выходящий из топки, сможет циркулировать по всему помещению.

Существует распространенное заблуждение, что чем больше воздуха выходит из вентилятора или чем больше вентилятор «выталкивает» воздух, тем сильнее будет эффект принудительной конвекции из-за большого количества нагретого или охлажденного воздуха, выталкиваемого из вентилятора. Однако это не совсем так. Частично то, как воздух проходит через дом или другое здание, связано с давлением и температурой, которые существуют в помещении до того, как через него будет проталкиваться больше воздуха. Например, если в комнате есть холодная зона, и цель состоит в том, чтобы равномерно нагреть комнату, изменение давления в области между холодной и теплой зонами, известной как переходная «теплая» зона, влияет на то, насколько хорошо вентилятор сможет работать. для перемещения теплого воздуха в холодную зону. Если перепад давления в этой теплой области выше, скорость потока воздуха в холодную часть помещения будет меньше, и вентилятору будет труднее проталкивать теплый воздух в эту часть. Это явление известно как перепад давления над радиатором , и его можно легко обобщить, сказав, что вентилятору труднее проталкивать теплый или холодный воздух через область между двумя областями с разными температурами, которая также имеет большую разницу давлений на его граница. * = ч(T_s — T_{\infty})[/math] 92})[/math] пропорциональна разнице между начальной температурой материала ([math]T_s[/math]) и конечной температурой материала ([math]T_{\infty}[/math]) через константу пропорциональности [math]h[/math]. Скорость теплопередачи также сильно зависит от шероховатости и формы нагреваемого материала. Закон Ньютона о нагреве и охлаждении меняется в зависимости от того, является ли конвекция принудительной. Для естественного охлаждения значение [math]h[/math] равно определенному числу. Однако, форсируя конвекцию и перегоняя нагретый или охлажденный воздух из одного места в другое, можно измените эту константу пропорциональности и нагрейте или охладите объект быстрее.

Более математический взгляд на принудительную конвекцию см. на странице Университета Саймона Фрейзера.

Потолочные вентиляторы

Использование потолочных вентиляторов в доме также представляет другой тип принудительной конвекции. Потолочные вентиляторы можно использовать как зимой (рис. 2), так и летом (рис. 3), но их настройки должны быть разными, чтобы выполнять поставленную задачу. В летние месяцы вентилятор обычно устанавливается на более высокую скорость. Угол наклона лопастей направляет воздух вниз через комнату. Обычно это соответствует вращению против часовой стрелки, если смотреть на вентилятор снизу. Этот нисходящий ветер способствует испарению пота обитателей дома, охлаждая их. В зимние месяцы вентилятор должен работать на меньшей скорости. Лопасти также вращаются в другом направлении, обычно по часовой стрелке, если смотреть снизу на вентилятор, который вытягивает более холодный воздух из нижних частей комнаты. Затем более холодный воздух снизу смешивается с более теплым воздухом, который поднялся вверх, и смешивает их, распределяя более теплый воздух по всему зданию.

Для дальнейшего чтения

• Нагрев
• Энергия
• Проводимость
• Конвекция
• Радиация
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ Pexels. Доступно: https://www.pexels.com/photo/fan-wind-7635/
2. ↑ ^{2.0 2.1} Норен Термал Солюшнс. (4 апреля 2015 г.). Охлаждение с принудительной конвекцией [Онлайн]. Доступно: http://www.norenproducts.com/forced-convection-cooling
3. ↑ Стивен Хольцнер. (4 апреля 2015 г.). Принудительная конвекция [Онлайн]. Доступно: http://www.dummies.com/how-to/content/transferring-heat-through-convection-natural-versu.html
4. ↑ Викисклад. (8 мая 2015 г.). Floor Register [Online]. Лицензия CC BY-SA 3.0 через Wikimedia Commons. Доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Floor_Register.jpg#/media/File:Floor_Register.jpg
5. ↑ ^{5.0 5.1} Джон Икс. (4 апреля 2015 г.). Балансировка принудительного воздушного отопления и кондиционирования воздуха [Онлайн]. Доступно: http://joneakes.com/jons-fixit-database/2191-balancing-forced-air-heating-air-conditioning-air-flow
6. ↑ Проекты кондиционирования воздуха HVAC. (4 апреля 2015 г.). Конвекция [Онлайн]. Доступно: http://www.hvacairconditioningdesign.com/convection/
7. ↑ Университет Саймона Фрейзера. (4 апреля 2015 г.). Принудительная конвекция [Онлайн]. Доступно: http://www.sfu.ca/~mbahrami/ENSC%20388/Notes/Forced%20Convection.pdf
8. ↑ ^{8.0 8.1} Создано внутри организации членом группы Energy Education

Конвекционная теплопередача – естественная и принудительная конвекция

Содержание

• Что такое конвекционная теплопередача?
• Закон охлаждения Ньютона: Расчет конвективной теплопередачи
• Типы конвективной теплопередачи
• 1. Естественная конвекция
• 2. Вынужденная конвекция
• Коэффициент конвективной теплопередачи
• Калькулятор конвективной теплопередачи

Что такое конвекционная теплопередача?

Перенос тепла из одного места в другое благодаря молекулярному движению жидкостей, таких как воздух или жидкость, известен как конвективный перенос тепла .

Когда молекулы воздуха перемещаются из одного места в другое, они переносят тепловую энергию. Например, кондиционер охлаждает помещение, охлаждая воздух внутри помещения и удаляя горячий воздух. Скорость охлаждения помещения зависит от следующих параметров.

• Скорость и температура охлаждающего воздуха
• Площадь охлаждаемого пространства
• Текущая температура в помещении.

Этот режим теплопередачи известен как  Конвекционная теплопередача . Следовательно, чем выше скорость конвективного теплообмена, тем выше будет скорость охлаждения помещения. В этой статье мы обсудим что такое конвекционная теплопередача? его виды и как рассчитать конвективный теплообмен?

Закон охлаждения Ньютона: Расчет конвективного теплообмена разница. Здесь клапан коэффициента конвективной теплопередачи зависит от типа потока.

Конвективная теплопередача (Qv) = hc A dT

, где

Qv = конвективная теплопередача в единицу времени в ваттах.

A = Площадь теплопередачи в квадратном метре.

hc= Коэффициент конвективной теплопередачи (Вт/м²·К).

dT = разница температур.

Типы конвективной теплопередачи

В зависимости от типа потока мы можем классифицировать конвективную теплопередачу на следующие типы.

1. Свободная/естественная конвекция
2. Принудительная конвекция

1. Естественная конвекция

Естественная конвекция  — это передача тепла за счет движения молекул жидкости или воздуха. Молекулярное движение происходит из-за разности плотностей, которая зависит от температуры.

Сила, возникающая из-за разницы в плотности молекул жидкости или воздуха, называется выталкивающей силой. Естественная конвекция происходит без внешних источников, таких как насос или вентилятор.

Как работает естественная конвекция?

При естественной конвекции горячая жидкость или воздух поднимается вверх, а на место горячего воздуха поступает холодный. Таким образом, этот цикл продолжается до равновесия. Направление силы тяжести влияет на естественную конвекцию, потому что молекулы должны подниматься против силы гравитации.

Механизм естественной конвекции

Например, когда холодный воздух вступает в контакт с горячим предметом. Температура воздуха у горячей поверхности повышается, а температура горячего тела понижается. Это повышение температуры воздуха приводит к уменьшению плотности воздуха.

Под действием сил гравитации холодный воздух высокой плотности опускается вниз и вытесняет горячий воздух. Этот цикл продолжается до тех пор, пока вся система не придет в равновесие.

Из вышеприведенного примера можно сделать вывод, что горячий воздух поднимается вверх, а холодный движется вниз. Одним из лучших примеров является холодильник, в котором холодильная установка находится в верхней части.

Примеры естественной конвекции теплопередачи

Естественная конвекция играет роль в естественных явлениях на Земле и в технических приложениях. Ниже приведены примеры теплопередачи с естественной конвекцией .

• Циклоны.
• Подводные течения.
• Движение облаков.
• Отопление помещений с помощью радиаторов.
• Водяное отопление.
• Охлаждение в холодильнике
• Конвективный нагрев в микроволновке.
• Охлаждение электронных блоков и устройств и т. д.

2. Принудительная конвекция

В Принудительная конвективная теплопередача r, поток жидкости или воздуха создается за счет внешней силы, такой как вентилятор или насос . Вынужденная конвекция увеличивает скорость теплопередачи по сравнению с естественной конвекцией.

Скорость теплопередачи при принудительной конвекции зависит от скорости воздуха. Чем выше скорость воздуха, тем выше будет скорость теплообмена.

Принудительная конвекция

Принудительная конвекция связана с движением жидкости, а также с кондуктивной теплопередачей. Например, кондиционер охлаждает помещение за счет принудительной конвекции. Если мы увеличим скорость вентилятора переменного тока, скорость охлаждения помещения также увеличится из-за увеличения коэффициента теплопередачи.

Примеры применения принудительной конвекции

Ниже приведены примеры теплопередачи с принудительной конвекцией.

• Течение охлаждающей жидкости в двигателе автомобиля.
• Охлаждение процессора ноутбука или ПК с помощью вентилятора.
• Теплообменники.
• Кондиционеры
• Фен
• Охлаждение электронных устройств, таких как серверы.
• Автомобильный радиатор и т. д.

Коэффициент конвективной теплопередачи

Значение Коэффициент конвективной теплопередачи t ( hc ) зависит от типа жидкости или скорости потока среды, скорости потока газа, среды и разница температур.

Коэффициент конвективной теплопередачи для воздуха

Естественная конвекция = 5–25 Вт/м² K

Вынужденная конвекция = 10–200 Вт/м² K

Формула для расчета коэффициента конвективной теплопередачи.