Wymuszony transfer ciepła z konwekcją

W tym artykule „Wymiana ciepła przez konwekcję wymuszoną” i fakty związane z przenoszeniem ciepła przez konwekcję wymuszoną zostaną omówione w skrócie. Wymuszone konwekcyjne przenoszenie ciepła wykorzystuje w pompie, wentylatorze sufitowym, urządzeniu ssącym.

Przenoszenie ciepła przez konwekcję wymuszoną to pojęcie, które klasyfikuje przenoszenie ciepła przez transport lub konwekcję wymuszoną to mechanizm, który pomaga wywołać ruch przepływającego płynu poprzez przyłożenie siły z zewnątrz. Niemal wszędzie stosuje się wymuszoną konwekcję wymiany ciepła np. turbina parowa, centralne ogrzewanie i wiele innych.

Co to jest wymuszona konwekcja ciepła?

Oprócz przewodnictwa cieplnego, konwekcja naturalna i konwekcja cieplna są klasyfikacją przenoszenia ciepła, a także pozwalają na bezproblemowe przekształcenie wystarczającej ilości energii cieplnej.

Wymuszone konwekcyjne przenoszenie ciepła to w rzeczywistości bardzo specjalna klasyfikacja wymiany ciepła. Za pomocą wymuszonego konwekcyjnego przenoszenia ciepła wydaje się, że płyn przemieszcza się z jednego obszaru do drugiego poprzez przyłożenie siły od strony zewnętrznej. W tym przypadku wielkość wymiany ciepła jest wzrostem, ponieważ innym terminem jest Wzrost ciepła.

Równanie wymiany ciepła z wymuszoną konwekcją:

Gdy analizowana jest konwekcja potencjalnie mieszana, w takim przypadku parametr fizyczny znany jako liczba Archimedesa.

W Archimedes Numer dwa warunki są związane z konwekcją wymuszoną i bez względnej siły. Poniżej podano równanie przenoszenia ciepła przez konwekcję wymuszoną,

Ar = Gr/Re²

Gdzie,

Ar = liczba Archimedesa

Gr = liczba Grashof

Re = liczba Reynoldsa

Za pomocą liczby Grashofa siła wyporu jest wyraźna, a za pomocą liczby Reynoldsa siła bezwładności jest wyraźna. Tak więc z równania przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną jasno wynika, że ​​liczba Archimedesa oznacza również stosunek liczby Grashof do kwadratu liczby Reynoldsa.

Kiedy wartość Ar < < 1 to reprezentuje równanie przejmowania ciepła przez konwekcję wymuszoną.

Innym parametrem fizycznym wyrażającym wymuszoną konwekcyjną wymianę ciepła jest liczba Pecleta. Liczba pekletów to stosunek ruchu przez prąd oznacza adwekcję, a ruch od wyższego do niższego stężenia oznacza dyfuzję.

Pe = UL/α

Gdy wartość Pe > > 1 oznacza, że ​​dyfuzję dominuje adwekcja.

Gdy wartość Pe < < 1 oznacza, że ​​dyfuzja dominuje nad adwekcją.

Współczynnik przenikania ciepła z konwekcją wymuszoną:

Poniżej omówiono równanie współczynnika przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną,

Współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną w przepływie wewnętrznym i laminarnym:-

Tate i Sieder podają koncepcję korelacji w celu uwzględnienia flory laminarnej w efekcie wejścia.

Współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną w przepływie wewnętrznym i laminarnym można wyrazić jako:

Nu_D = 1.86 (Re. Pr)^1/3 (D/L)^1/3 (μ_b/μ_w})^0.14

Gdzie,

D = Średnica wewnętrzna

μ_b = Lepkość płynu w średniej temperaturze nasypowej

μ_w= Lepkość płynu w temperaturze ścianki rury

Nu_D= Numer Nusselta

Odp =  Liczba Reynoldsa

Pr = Numer Prandtla

L = Długość rurki

Gdy przepływ laminarny jest w pełni rozwinięty, wówczas liczba Nusselta pozostaje stała i wartość liczby Nusselta wyniesie 3.66. W takim przypadku współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną we wnętrzu przepływowy i laminarny przepływ może być wyrażany jako,

Nu_D = 3.66 + (0.065 x Re x Pr x D/L)/(1 + 0.04 x (Re x Pr x D/L)^2/3

Współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną w przepływie wewnętrznym i turbulentnym:-

Gdy w okrągłej rurce płyn płynie, w takim przypadku liczba Reynoldsa pozostaje w zakresie od 10,000 12,000 do 0.7 120, a liczba Prandtla pozostaje w zakresie od XNUMX do XNUMX. Współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną w przepływ i burzliwy przepływ można zapisać jako,

hd/k = (0.023 jd/μ)^0.8 (μc_p/k)ⁿ

Gdzie,

d = średnica hydrauliczna

μ = lepkość płynu

k = Przewodność cieplna dla płynu masowego

c_p = Izobaryczna pojemność cieplna substancji płynnej

j = strumień masy

n = 0.4 dla ścianki cieplejszej niż płyn w masie i 0.33 dla ścianki chłodniejszej niż płyn w masie

Jak konwekcja wymuszona wpływa na wymianę ciepła?

Największą zaletą wymuszonej konwekcji wymiany ciepła niż konwekcji swobodnej wymiany ciepła jest możliwość zwiększenia ilości wymiany ciepła.

Za pomocą wymuszonej konwekcji wymiany ciepła, wielkość wymiany ciepła można zwiększyć za pomocą siły wywieranej przez stronę zewnętrzną. Relacje między wymuszonym konwekcyjnym przenoszeniem ciepła a przenoszeniem ciepła są wprost proporcjonalne. Wraz ze wzrostem konwekcji wymuszonej zwiększa się również wymiana ciepła źródła systemu.

Co wpływa na współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję?

Konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła zależy od kilku czynników. Są one wymienione poniżej,

• Prędkość płynu
• Gęstość płynu
• Przewodność cieplna
• Lepkość dynamiczna płynu
• Ciepło właściwe

Prędkość płynu:-

Prędkość płynu lub prędkość przepływu jest polem wektorowym. Za pomocą prędkości płynu ruch płynącego płynu można określić w postaci matematycznej. Całkowita długość prędkości płynu jest określana jako prędkość płynu. Prędkość przepływu w płynach to pole wektorowe, które określa prędkość płynów w określonym czasie i położeniu.

Wzór na prędkość płynu podano poniżej,

Q = vA

Gdzie,

Q = Przepływ objętościowy substancji płynnej

V = Prędkość substancji płynnej

A = Pole przekroju poprzecznego systemu otwartego

Gęstość płynu:-

Z prawa konwersji masy otrzymujemy jasne pojęcie o gęstości płynu. Przelicznik masowych przepływów stwierdza, że ​​nie można stworzyć ani zniszczyć masy konkretnego obiektu. Masę ciała mierzy się balansem dźwigni.

Gęstość płynu można zdefiniować jako, że obiekt zawierający masę jest stały w standardowej temperaturze i ciśnieniu.

Wzór na gęstość płynu podano poniżej,

ρ = m/v

Gdzie,

ρ = gęstość płynu

m = Masa płynu

v = Objętość płynu

Jednostką gęstości płynu w układzie SI jest kilogram na metr sześcienny

Przewodność cieplna:-

Przewodność cieplna mówi, że szybkość, z jaką ciepło przechodzi przez dany materiał, jest proporcjonalna do ujemnej wartości gradientu temperatury. Jest również proporcjonalna do obszaru, przez który przepływa ciepło, ale odwrotnie proporcjonalna do odległości między dwiema izotermicznymi płaszczyznami.

Wzór na przewodność cieplną podano poniżej,

K = Qd/AΔT

Gdzie,

K = Przewodność cieplna i jednostka

Q = ilość jednostki wymiany ciepła to dżule/sekundę lub waty

d = Odległość między dwiema płaszczyznami jednostki izotermicznej wynosi  

A = Powierzchnia jednostki powierzchni to metry kwadratowe

ΔT = jednostka różnicy temperatur to Kelvin

Lepkość dynamiczna płynu:-

Lepkość dynamiczna płynu może być wyprowadzona jako stosunek naprężenia ścinającego do odkształcenia ścinającego. Jednostką lepkości dynamicznej płynu jest Pascal. Za pomocą dynamiki możemy łatwo zrozumieć, jaki produkt jest gęsty i jak płyn może płynąć w ruchu, czyli za pomocą lepkości możemy rozpoznać zachowanie płynu.

Wzór na lepkość dynamiczną płynu podano poniżej,

η = T/γ

Gdzie,

η = lepkość dynamiczna płynu

T = naprężenie ścinające

γ= Szybkość ścinania

Ciepło właściwe:-

Ciepło właściwe może pochodzić jako; ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury jednego grama materii o jeden stopień Celsjusza. Jednostki ciepła właściwego to kalorie lub dżule na gram na stopień Celsjusza.

Ciepło właściwe jest również nazywane masową pojemnością cieplną. Na przykład ciepło właściwe wody wynosi 1 kalorię (lub 4.186 dżuli) na gram na stopień Celsjusza.

Wzór na ciepło właściwe płynu podano poniżej,

Q = mcΔ T

Gdzie,

Q = energia cieplna

m = Masa płynu

c = Ciepło właściwe

ΔT= Zmiana temperatury

Jak znaleźć konwekcyjny współczynnik przenikania ciepła dla powietrza?

Poniżej wymieniono typowe jednostki stosowane do pomiaru współczynnika konwekcyjnego przenikania ciepła dla powietrza,

1. 1 W/(m²)²K) = 0.85984 kcal/(hm²0 C) = 0.1761 Btu/(ft² godz. 0 F)
2. 1 kcal/(hm²0 C) = 1.163 W/(m²K) = 0.205 Btu/(ft² godz. 0 F)
3. Btu/godz. – stopy² -0 F = 5.678 W/(m²K) = 4.882 kcal/(hm²0 stopni

Przenoszenie ciepła przez konwekcję wymuszoną przez rurę:

Gdy w okrągłej rurce płyn przepływa, liczba Reynoldsa pozostaje w zakresie od 10,000 12,000 do 0.7 120, a liczba Prandtla pozostaje w zakresie od XNUMX do XNUMX.

Współczynnik przenikania ciepła przez konwekcję wymuszoną w przepływie wewnętrznym i turbulentnym można zapisać jako,

hd/k = 0.023 (jd/μ)^0.8 (μc_p/k)ⁿ

Gdzie,

d = średnica hydrauliczna

μ= lepkość płynu

k = Przewodność cieplna dla płynu masowego

c_p = Izobaryczna pojemność cieplna substancji płynnej

j = strumień masy

n = 0.4 dla ścianki cieplejszej niż płyn w masie i 0.33 dla ścianki chłodniejszej niż płyn w masie

Właściwości płynącego płynu są potrzebne do zastosowania w metodzie równania i można je obliczyć w temperaturze objętościowej, dzięki czemu można uniknąć iteracji.

Zastosowanie wymuszonej konwekcji wymiany ciepła:

Zastosowanie wymuszonej konwekcji wymiany ciepła jest wymienione poniżej,

1. Odprowadzanie ciepła
2. Symulacja radiatora
3. Optymalizacja termiczna
4. Badania wrażliwości na ciepło
5. Symulacja wentylatora elektrycznego
6. Chłodzenie obudowy komputera
7. Projekt systemu chłodzenia
8. Projekt systemu grzewczego
9. Jednostka centralna chłodzona wentylatorem
10. Jednostka centralna chłodzona wodą
11. Symulacja płytki drukowanej

Przykłady wymiany ciepła z wymuszoną konwekcją:

Przykłady wymiany ciepła z wymuszoną konwekcją wymieniono poniżej,

1. System klimatyzacji
2. Piec konwekcyjny
3. Pompa
4. Urządzenie ssące
5. Wentylator sufitowy
6. Balon na gorące powietrze
7. Lodówka
8. Grzejniki samochodowe

Różnica między przenoszeniem ciepła przez konwekcję swobodną i wymuszoną:

Główne punkty różnicowe między przenoszeniem ciepła przez konwekcję swobodną i wymuszoną podano poniżej,

Jak działa wymuszona konwekcja ciepła?

Przenoszenie ciepła przez konwekcję wymuszoną działa, gdy obszar substancji gazowej lub ciekłej ma do czynienia z wyższą lub niższą temperaturą w porównaniu z temperaturą wyższą niż sąsiednia i powoduje różnicę między temperaturą instalacji a temperaturą sąsiednich.

Różnica temperatur powoduje, że przestrzenie poruszają się w miarę wzrostu temperatury o mniejszej gęstości przestrzeni, a niższa temperatura bardziej gęstej przestrzeni opada.