הבנה טבעית לעומת כוח ב-Hy Transfer

העברת חום היא מושג בסיסי בתרמודינמיקה והנדסה תרמית, משחק תפקיד מכריע באינספור יישומים על פני דיסציפלינות הנדסיות, מטאוריולוגיה, מדעי הסביבה, וחיי היומיום. החל מהעיצוב של מערכות חימום יעילות קירור להבנת תופעות אטמוספיריות, העקרונות של העברת חום שולטים כיצד אנרגיה תרמית נעה ממקום אחד למשנהו. בין המנגנונים השונים של העברת חום, הדבקה בולטת כחשוב במיוחד במערכות נוזליות, שבו המהנדסים של גזים ופעולות אנרגיה תרמית, במיוחד, בין קבוצות אנרגיה, לבין ניתוח אנרגיה מוצקות, במיוחד, לבין שיטות עבודה, לבין שיטות פעולה, במיוחד, לבין שיטות פעולה, הוא אמצעי פעולה, בין מנגנונים חיוניים, לבין שיטות קירור, במיוחד, לבין שיטות ניתוח אנרגיה מוצקות, לבין שיטות ניתוח, במיוחד, בין מנגנונים חיוניים, לבין שיטות קירור, לבין שיטות ניתוח אנרגיה, לבין שיטות ניתוח אנרגיה מוצקות, בין מנגנונים חיוניים, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות קירור, במיוחד, במיוחד, לבין שיטות פעולה, במיוחד, בין מנגנונים חיוניים, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות פעולה, בין מנגנונים חיוניים, לבין שיטות קירור, בין מנגנונים חיוניים, לבין שיטות קירור, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות פעולה, במיוחד, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות פעולה, לבין שיטות ניתוח אנרגיה מוצק

מה זה Convection?

הדבקה היא תהליך של העברת חום באמצעות נוזלים, הכוללים גם נוזלים וגזים, בשל התנועה הפיזית של הנוזל עצמו.בניגוד להתנהלות, אשר מעביר חום באמצעות מגע מולקולרי ישיר בתוך אמצעי תחבורה, או קרינה, אשר מעבירה אנרגיה דרך גלים אלקטרומגנטיים, זיהום מסתמכ על התנועה הגדולה של חלקיקים נוזליים לשאת אנרגיה תרמית ממקום אחד למשנהו.

העברה חום בין נוזל מוצק והזיז נקראת convection.היעילות של העברת חום convective תלויה בגורמים רבים, כולל התכונות של נוזל, מהירות התנועה הנוזלית, הבדל הטמפרטורה בין הנוזל לבין פני השטח, ואת הגיאומטריה של המערכת. convection מסווג לשני סוגים עיקריים המבוססים על המנגנון שמניע תנועה נוזלית: זיהום טבעי וזיהום כפוי לכל סוג יש תכונות מתמטיות ומהנדסים ברורים כדי להבין טיפולים מתמטיים.

הבנה של הדבקה טבעית

הדבקה טבעית, הידוע גם כזיהום חופשי, מתרחשת כאשר תנועה נוזלי נגרמת על ידי כוחות חיקויים הנובעים מהבדלים בצפיפות עקב וריאציות טמפרטורה בתוך נוזל.זיהום טבעי יכול להיות מוגדר כתנועה של נוזל שנגרם על ידי נטייה של מכשירים חמים ולכן פחות צפוף כדי לעלות, קר, חומר צפוף יותר כדי להטביע תחת השפעת הכבידה, וכתוצאה מכך תוצאות העברה של חום זה לא דורש תהליך מכני.

המנגנון הפיזי מאחורי ההדבקה הטבעית הוא פשוט אך אלגנטי.כאשר נוזל מחומם, המולקולות שלו לצבור אנרגיה קינטית לנוע רחוק יותר, גורם לנוזל להתרחב ולהיות פחות צפוף. בתחום הכבידה, זה פחות צפוף, חם יותר חווה כוח חישב שגורם לו לעלות. דביק, נוזל קריר יותר עם צפיפות גבוהה יותר כדי להחליף את הנוזל החמה.

קונפדרציה טבעית דורשת הבדל טמפרטורה כדי ליצור וריאציות צפיפות, שדה כבידה לכוחות מבולדים, ומדיום נוזלי שיכול לנוע בחופשיות.ללא כל אחד משלושת האלמנטים החיוניים האלה, הברחת טבעית אינה יכולה להתרחש.ההבדל הטמפרטורה מספק את הכוח המניע על ידי יצירת ⁇ צפיפות, הכבידה מספקת את כוח הכיוון שמפריד אלמנטים קלים ונוזליים יותר, ואת הנוזל חייב להיות חופשי לנוע ללא מגבלות מופרזות.

הפיזיקה של התקוממות טבעית

הכוח והמאפיינים של הדבקה טבעית נשלטים על ידי מספר מספרים ללא ממד שמשתמשים במהנדסים כדי לחזות ולנתח התנהגות של העברת חום.החשוב ביותר של אלה הוא מספר ריילי, הקובע אם רצף טבעי יהיה משמעותי במצב מסוים.מספר ריילי קובע כוח הדבקה ומצביע על האם העברת חום מתרחשת בעיקר באמצעות התנהגות או הדבקה.

מספר ריילי מוגדר כתוצר מספר הגרזןוף ומספר Prandtl, Ra=Gre Pr. The Grashof מספר מייצג את היחס של כוחות היסוס לכוחות מול כוחות הנטווס בנוזל, בעוד המספר Prandtl מייצג את היחס של דיפוכיות מומנטום לגוון תרמי.

העברת חום יעילה בזיהום טבעי

מקדם העברת החום הוא פרמטר קריטי כי מעדות את יעילות העברת חום convective. theחום transfer coefficient יש יחידות SI ב וואט למטר מרובע לkelvin (W /(m2K) זה coefficient מייצג את היחסיות קבועה בין גלי החום לבין הבדל הטמפרטורה המניעה את העברת החום.

נוזלים יש יותר חום העברה coefficients (50-1000 W / m2K) בהשוואה גזים (2-25 W / m2K) בשל צפיפות גבוהה יותר ונכסים תרמיים שלהם. הבדל משמעותי זה מסביר מדוע מערכות קירור מבוססות מים הן בדרך כלל יותר יעילות מאשר מערכות מבוסס אוויר עבור אותו הבדל טמפרטורה ואת שטח פני השטח. צפיפות גבוהה יותר ו מוליכות תרמית של נוזלים מאפשרים להם לספוג ולהעביר אנרגיה תרמית יותר לנפח מאשר גזים.

מקדם העברת החום מחושב לעתים קרובות ממספר Nusselt (מספר חסר מימד) עבור זיהום טבעי או חופשי, מספר Nusselt הוא בדרך כלל ביטוי כתפקוד של מספר ריילי ומספר Prandtl. מערכת יחסים זו מאפשרת למהנדסים לחזות משככי חום לגיאמטימות שונות ותנאי תפעול באמצעות קורלציות אמפיריות נגזרות.

דוגמאות לזיהום טבעי

הדבקה טבעית באה לידי ביטוי במצבים יומיומיים רבים ויישומים הנדסיים:

(ב) ,0) מים בסיר על תנור: אנדרל 1 (בשורה התחתונה של הצנצנת מתחממת למעלה, מים ליד תחתית הופכים חמים יותר ומעולים, בעוד מים קרים מן העליון יורדים כדי לתפוס את מקומו, יצירת דפוס מחזורי.
(FLT:0) זרימת האוויר בחדר מחומם על ידי קורנטור:03FLT ( 1 התחממות אוויר) עולה מן הרדיור, מתפשט לאורך התקרה, קריר כמו שהוא מעביר חום לסביבה, ורד לאורך הקירות כדי לחזור לרדיור.
(FLT:0) דפוסים ומחזור אטמוספירי: FIRLT:1 גדול בקנה מידה טבעי מניע תבניות רוח, זרמי האוקיינוס ומערכות מזג האוויר כמו חימום סולארי יוצר הבדלים בטמפרטורות באטמוספירה והאוקיינוסים.
(FLT:0Cooling of e-cs:FLT:1 טבעי convection מספק הפעלה שקטה ויעילות אנרגיה בקירור אלקטרוני, הדורשים כוח חיצוני לתנועה נוזלית תוך הסרת חום ביעילות.
(FLT:0) שוקעים במערכות קירור פסיביות: ⁇ 1) , משטחים פינוד של צורות שונות (טביעות חום) משמשים בקירור מיקרואלקטרוניקה.העיצוב של כיור חום אלה חייב לאזן את פני השטח עם ספוי כדי לייעל את הנפיחות הטבעית.
(FLT:0Building ventilation: FLT:1 Stack effect in highבניינים משתמשים בקונפדרציה טבעית כדי להניע את זרימת האוויר ללא סיוע מכני.

יתרונות ומגבלות של התקוממות טבעית

קונפדרציה טבעית מציעה מספר יתרונות שהופכים אותה אטרקטיבית עבור יישומים מסוימים.זה דורש לא מקור כוח חיצוני, פועל בשקט ללא חלקים נעים, ומספק אמינות טבועה מכיוון שאין רכיבים מכניים להיכשל.מאפיינים אלה הופכים אידיאליים לזיהום טבעי עבור מערכות קירור פסיביות, עיצוב בניין יעיל אנרגיה, יישומים שבהם רעש וצריכת חשמל הם דאגות.

עם זאת, לזיהום טבעי יש גם מגבלות.שיעורי העברת החום נמוכים יותר בהשוואה לזיהום כפוי כי מהירויות נוזל הן צנועות יחסית.יעילות של הדבקה טבעית תלויה במידה רבה באוריינטציה וגיאומטריה, שכן כוחות החיווניות דורשים היערכות נאותה עם הכבידה.בנוסף, הדבקה טבעית יכולה להיות בלתי צפויה בגיאומטריה מורכבת או כאשר מקורות חום מרובים אינטראקציה.

הבנה של Convection

הדבקה כפויה כוללת את התנועה של נוזל המושרה על ידי כוח חיצוני, כגון מעריץ, משאבה, מפוצץ, או דחיסה. כוח הדבקה: זרימה נגרמת על ידי מקור חיצוני כגון משאבה, דחוס, אוהדים, וכו 'בניגוד הדבקה טבעית, אשר מסתמכת על הבדלים צפיפות וכוחות חיבוק, הדבקה כפויה משתמשת באמצעים מכניים כדי ליצור תנועה נוזלית, המאפשר הרבה יותר שליטה על פני חום ודפוסי זרימה.

שיטה זו משפרת את קצב העברת החום על ידי הגדלת מהירות הנוזלים ושיבוש שכבת הגבול התרמית הצורות על פני השטח של העברת חום.על ידי העברת נוזל באופן פעיל על פני משטחים מחוממים או קרירים, הדבקה כפויה יכולה להשיג חסכוניים של העברת חום כי הם פקודות של גודל גבוה יותר מאלה שניתן עם זיהום טבעי לבד.זה הופך את הכפפה המועדפת על הבחירה עבור יישומים הדורשים שיעורי העברה בחום גבוה או שליטה מדויקת.

הפיזיקה של ההפיכה כפויה

הניתוח של הדבקה כפויה מבוסס במידה רבה על מספר ריינולדס, אשר מאפיין את משטר זרימתם.מספר ריינולדס: Re = ⁇ UL / μ ⁇ (התחילה) מדד של האיזון בין הכוחות הפנימיים וכוחות ה-Botcous. מספר ריינולדס קובע אם הזרם הוא laminar (smoth ו-orderly) או מופרך (otic ו-chatic), אשר משפיע באופן עמוק על מאפיינים עמוקים.

ה- convectiveחום transfer coefficient for laminar זרימה נמוכה יחסית בהשוואה ל- convectiveחום transfer coefficient for turbulent Flow.זה בשל זרימה סוערת שיש שכבת סרט נוזלי מכווץ על פני פני השטח של העברת החום. in turbulent זרימה, תערובת כאוטי מביא מגע טרי, קריר יותר לתוך פני השטח של חום ביעילות רבה יותר, עלייה דרמטית של חום.

עבור הדבקה כפויה, מספר Nusselt הוא בדרך כלל פונקציה של מספר ריינולדס ומספר Prandtl. יחסים אלה מהווה את הבסיס לתומים אמפיריים רבים כי מהנדסים משתמשים כדי לחזות את התקני העברת חום עבור גיאוגרפיות שונות ותנאי זרימה.מספר Prandtl מייצג את היחס של חד-משמעיות מומנטום בנוזל, המשפיע על האופן שבו המהירות והשכבות התרמית לפתח זה את זה לזה.

פיתוח שכבתי כבד ב-Powerd Convection

הבנת שכבות הגבול היא חיונית לניתוח זיהום כפוי.כאשר נוזל זורם מעל פני השטח, שכבת גבול מהירות מתפתחת שבו המהירות הנוזלית נעה מאפס על פני השטח (בשל מצב ללא-עין) למהירויות חופשיות-זרם הרחק מן פני השטח. בדומה, שכבת גבול תרמי מתפתח שבו המעברים מן פני השטח לטמפרטורה חופשית.

עבור נוזלי מספר נמוך של Prandtl, כלומר מתכות נוזליות, גלי חום הרבה יותר מהר מאשר זרימת תנופה ואת שכבת הגבול המהירות הוא הכלולים לחלוטין בתוך שכבת הגבול התרמית. מצד שני, עבור נוזלי מספר גבוה של Prandtl, כלומר שמנים, חום diffuses הרבה יותר איטי מאשר המומנטום ואת שכבת הגבול התרמית הוא הכלול בתוך שכבת הגבול המהיר.

דוגמאות ל-Powerd Convection

הדבקה כפויה היא בכל מקום במערכות טכנולוגיות והנדסתות מודרניות:

(FLT:0) מאפשר להזיז אוויר בחדר: 1 אוהדי צ'ילינג, אוהדי שולחן ומערכות אוורור להשתמש בקונפדרציה כפויה כדי לשפר את הנוחות ואת איכות האוויר על ידי העברת אוויר באופן פעיל לאורך כל החלל.
(FLT:0) מים משואבים דרך מחליף חום: אנדרל 1 (Ralpher): מחליפי חום תעשייתיים, רדיורים לרכב ומערכות HVAC מסתמכים על משאבות כדי להפיץ קרירות באמצעות ציוד העברת חום.
מערכות מיזוג אוויר:0 (FLT:1) מערכות אלה מכווצות אוויר קריר לתוך חלל באמצעות מעריצים, מתן ירידה מהירה וניתנת לשליטה בטמפרטורה באמצעות הדבקה בכפייה.
(FLT:0)Computer קירור מערכות: FLT:1rea מעריצים מכים אוויר על כיור חום המחובר למעבדים וכרטיסי גרפיקה, הסרת חום שנוצר על ידי רכיבים אלקטרוניים.
(FLT:0) מנוע קירור: FLT:1 משאבות מים זורמים קרירים דרך בלוק המנוע ורדיוטור, בעוד האוהדים משפרים את זרימת האוויר דרך סנפירי הרדיו.
תהליכי הייבוש התעשייתיים: FLT:1 , אוויר חם מפוצץ חומרים רטובים כדי להאיץ את הסרת לחות באמצעות חום רבודה מוגברת ועברה המונית.
עיבוד מזון:0 (איור 1: 1) תנורי אוויר מאולץ, מצמרנים, ומקפיאים משתמשים באוהדים כדי לשלוט בטמפרטורה במהירות ובמדים.
(FLT:0) יישומים של חלל: FLT:1 מטוסים וחללית משתמשים בקונפדרציה כפויה לניהול תרמי של avionics, מנועים, ובקרה סביבתית של תא.

יתרונות ומגבלות של התקוממות כפויה

הדבקה כפויה מציעה יתרונות משמעותיים מבחינת ביצועי העברת חום.זה מספק הרבה יותר גבוה חום חסכוני מאשר זיהום טבעי, מאפשר שליטה מדויקת של קירור או שיעורי חימום, והוא פחות תלוי אוריינטציה וגיאומטריה.היכולת להתאים מהירות המעריצים או קצב זרימה מספק גמישות התאמת יכולת העברת חום כדי לשנות עומסים תרמיים.

עם זאת, הדבקה כפויה גם יש חסרונות.זה דורש כוח חיצוני לפעול מעריצים או משאבות, הגדלת צריכת האנרגיה ועלויות התפעוליות. רכיבים מכניים מציגים רעש, דורשים תחזוקה, ויכול להיכשל, להפחית את האמינות המערכתית.המורכבות הנוספת של משאבות, אוהדים, ניכוי, ולשלוט בעלויות הראשוניות ומורכבות המערכת.

הבדלים מרכזיים בין טבעי וחסידות

בעוד שקונפדרציה טבעית ומכווצת הן מנגנונים חיוניים להעברת חום במערכות נוזל, הן שונות במספר היבטים בסיסיים המשפיעים על היישום והביצועים שלהן:

כוח המניעה:0 (Danger Force:FLT:1) הדבקה טבעית מסתמכת על כוחות של buoyancy שמקורם בהבדלים בצפיפות הנגרמים על ידי ⁇ טמפרטורה, בעוד שזיהום כפוי משתמש באמצעים מכניים חיצוניים כגון מעריצים, משאבות או מכופים כדי להעביר את הנוזל.זה הבדל בסיסי משפיע על עיצוב מערכת, דרישות אנרגיה, ומאפיינים תפעוליים.
שיעור העברת חום גבוה משמעותית בהשוואה לזיהום טבעי: היכולת לשלוט במהירות הנוזלית בקונפדרציה כפויה מאפשרת למהנדסים להשיג משככי חום שיכולים להיות גבוהים פי 10 עד 100 בהשוואה לזיהום טבעי.
(FLT:0) שכפול:0) ,Applications: FLT:1 ,התחמשות טבעיות ניתן לראות לעתים קרובות במערכות חימום וקירור פסיביות, עיצוב בנייה יעילה באנרגיה, ויישומים שבהם פשטות ואמינות משמשים במערכות חימום וקירור פעיל, תהליכים תעשייתיים, ויישומים הדורשים שיעורי העברה בחום גבוהים או בקרת טמפרטורה מדויקת.
דרישות תפוצה טבעית:0 (FLT:1) דרישות זיהום טבעי דורשות לא קלט חשמל חיצוני, מה שהופך אותו לא יעיל באנרגיה.
(FLT:0) רעש וגאווה: FLT:1 טבעי הדבקה פועל בשקט ללא חלקים נעים, בעוד מערכות הדבקה כפויה לייצר רעש ורטט ממעריצים, משאבות וזרימה נוזלית.
(FLT:0) אמינות ותחזוקה: מערכות הדבקה טבעית 1RE לא יכולות להיות חלקים נעים להיכשל או לשמר, המציעות אמינות גבוהה יותר.
(FLT:0)Control ו- Flexibility:FLT:1 , convection מספק שליטה מדויקת על שיעורי העברת חום על ידי התאמת מהירות נוזל, בעוד שזיהום טבעי קשה יותר לשלוט ותלוי בהבדלים טמפרטורה וגיאומטריה מערכתית.
(FLT:0) רגישות רגישות: FLT:1, קונוטציה טבעית רגישה מאוד לנטייה יחסית לכובד משקל, שכן כוחות בריבוי מניעים את הזרם.

גורמים המשפיעים על העברת חום

גורמים רבים משפיעים על יעילות המיזוג הטבעי והמאולץ, והבנת הגורמים הללו חיונית לתכנון מערכות תרמיות יעילות:

נכסים פגומים

התכונות הפיזיות של הנוזל ממלאות תפקיד מכריע בקביעת מאפייני העברת חום.

(FLT:0)Viscosity:FLT:1 , נוזלי סטיות גבוהים יותר מתנגדים לזרום חזק יותר, צמצום מהירויות נוזל בקונפדרציה טבעית ולהגדיל את דרישות הכוח בזיהום כפוי.
(FLT:0) התנהגותיות תרמית: פלואידים עם מוליכות תרמית גבוהה יותר להעביר חום ביעילות רבה יותר דרך הנוזל עצמו, שיפור העברת חום כוללת כוללת.
(ב) הכחשה:0) הכחשה משפיעה על כוחות החבוי בקונפדרציה טבעית וקובעת את קצב זרימת ההמונים למחזור זרימה בנפח נתון בקונפדרציה כפויה.
(FLT:0) קיבולת חום:0 (FLT:1ureids עם יכולת חום ספציפית יותר יכול לספוג יותר אנרגיה תרמית לכל מסה יחידה לשינוי טמפרטורה נתון, מה שהופך אותם יעילים יותר העברת חום.
(FLT:0) הרחבת ה-Cefficient:FLT:1 הנכס הזה קובע כמה צפיפות הנוזל משתנה עם טמפרטורה, המשפיע ישירות על כוח של כוחות החייאה בקונפדרציה טבעית.

שטח שטח וגיאומטריה

הגיאומטריה של פני השטח של העברת חום משפיעה באופן משמעותי על ביצועי ההדבקה.אזורי פני השטח גדולים יותר להקל על החלפת חום טובה יותר על ידי מתן יותר אזור מגע בין הנוזל לבין פני השטח.עם זאת, היחסים אינם תמיד ליניאריים, כמו עלייה שטח פני השטח באמצעות פינים או משטחים מורחבים יכולים גם להגדיל את ההתנגדות זרימה להשפיע על דפוסי זרימה נוזלי.

אוריינטציה חיצונית חשובה במיוחד עבור משטחים טבעיים. Vertical פני השטח, משטחים אופקיים העומדים בפני מעלה, משטחים אופקיים מול מטה כל להציג מאפיינים שונים של זיהום טבעי עקב דרכים שונות כוחות חיקויים אינטראקציה עם הגיאומטריה פני השטח. Vertical פני השטח, משטח מעוקל, פני השטח Horizontal, Cyylinder כל אחד דורש מתאםים שונים לחיזוי של חום coefficients.

עבור הדבקה כפויה, הגיאומטריה משפיעה על דפוסי זרימה, ירידה בלחץ, ועברת חום.זרימים פנימיים באמצעות צינורות וערוצים מתנהגים אחרת מאשר זרמים חיצוניים על פני צלחות, גלילים, או תחומים.הטר הידראולי, מגוחות פני השטח, וזרם את אורך הנתיב כל השפעה על ביצועי העברת חום.

ההבדל בטמפרטורות

הבדל טמפרטורה גדול יותר בין הנוזל לבין הסביבה שמסביב או פני השטח של העברת חום משפר את הצטברות.בזיהום טבעי, הבדלים גדולים בטמפרטורה ליצור תנודות צפיפות חזקה יותר וכוחות החייאה, נהיגה יותר נוזל נוזל נוזל מאומצת.בזיהום כפוי, הבדל הטמפרטורה משפיע ישירות על קצב העברת החום על פי חוק קירור של ניוטון, אם כי זה לא משפיע על החום העברה יעילה (נכסים קבועים נוזל).

המונחים: Velocity

בקונפדרציה כפויה, מהירויות גבוהות יותר מגבירות את המקדם של העברת החום על ידי צמצום עובי שכבת הגבול התרמית ושיפור ערבוב.היחסים בין מהירות וחום נתפסים על ידי מספר ריינולדס וקשרים קשורים. עם זאת, מהירות מוגברת גם מגבירה את הלחץ ירידה ואת דרישות כוח המשאבה, הדורש אופטימיזציה לאיזון ביצועים של העברת חום נגד צריכת אנרגיה.

בקונפדרציה טבעית, מהירות הנוזל אינה משתנה עצמאי אלא תוצאה של כוחות החיווניות, אשר תלויים בהבדלים טמפרטורה, תכונות נוזלים וגיאומטריה.המהירות האופיינית בקונסטלציה טבעית היא בדרך כלל הרבה יותר נמוכה מאשר במערכות קונפדרציה בכפייה.

משטר זרימה

משטר הזרימה – בין אם למין, מעבר או מטריד – משפיע באופן בולט על העברת חום. מספר גדול יותר של Nusselt מתאים לזיהום יעיל יותר, עם זרימה סוערת בדרך כלל בטווח של 100-1000. זרימת טורבולנט מספקת הרבה יותר יעילות העברת חום מאשר זרימת laminar עקב שילוב משופר ושכבות גבול דק, אבל זה גם מגביר את הלחץ וזרימת ההתנגדות.

מעורבות: כאשר טבעי וכוחו של קובנסיסט

במצבים מעשיים רבים, הן טבעי והן כפוי להתרחש בו זמנית, מצב המכונה convection מעורב או שילוב של זרימת קיסוס מעורב, או שילוב של זרמי קונדוקציה כפויה וחינם, מתעורר בתהליכים תחבורה רבים בהתקני הנדסה בטבע.זה קורה כאשר כוחות החייאה הם משמעותיים בהשוואה לכוחות אינרטיים המוטלים באמצעים חיצוניים.

זרמים אלה מאופיינים על ידי פרמטר ה-buoyancy, שבו Re הוא מספר ריינולדס, גרגר הוא מספר גרשון ו- n (ו-gt; 0) הוא קבוע תלוי בתצורה של זרימה ותנאי חימום פני השטח.החשיבות היחסית של זיהום טבעי מול הכפפה נקבעת על ידי היחס של מספר Grashof למספר ריינולדס (Gr/Re2).

כאשר גר / Re2 הוא הרבה פחות מ 1, הדבקה כפויה שולטת ואפקטים של זיהום טבעי ניתן להתעלם. כאשר גר / RE2 הוא הרבה יותר גדול מ 1, קונדוקציה טבעית שולטת. כאשר גר / Re2 הוא על סדר של 1, שני המנגנונים חשובים ויש לשקול יחד.במקרים מסוימים, זיהום טבעי ונאלץ יכול לעבוד יחד כדי לשפר את העברת החום, בעוד בתצורה אחרת הם עלולים להתנגד לביצועים אחרים, הפחתת ביצועים.

קונפדרציה מעורבת חשובה במיוחד ביישומים כגון קירור אלקטרוני עם מהירויות מעריצים נמוכות, מערכות אוורור בנייה, אספנים סולאריים, וחילופי חום הפועלים בקצב זרימה נמוך.

ניתוח מתמטי ושחיתות

מהנדסים מסתמכים על קורלציות מתמטיות כדי לחזות את התקני העברת חום מזהמים למטרות תכנון וניתוח.התאם הללו מובעות בדרך כלל במונחים של מספרים חסרי ממד שלוכדים את הפיזיקה החיונית של תהליך העברת החום.

מספרים ללא ממדיים בקונספציה

מספר מספרים ללא ממד הם בסיסיים לניתוח הדבקה:

מספר (Nusselt Number (Nu): FLT:1 המספר של Nusselt הוא היחס של העברת חום כוללת (convection + התנהגות) להעברת חום מאומצת מעבר לגבול. מספר Nusselt מייצג את הגדלת העברת החום דרך שכבת נוזל בשל הדבקה יחסית להתנהלות על פני אותה שכבה נוזלית.
מספר (Re): [13] מייצג את היחס של כוחות לא מורשים לכוחות ה-cous, הקובע את משטר הזרימה בחלוקת כפויה.
(ב) [13] מספר מספר (Pr): ⁇ FLT:1) מייצג את היחס של חד-משמעית תנופה לגוון תרמי, המשפיע על עובי היחסי של מהירות ושכבות גבול תרמיות.
מספר (Gr): [13] מספר הגרזןוף (Gr): מספר 1 (Gershof) הוא כמות המתארת את היחס בין כוחות מבולדים ומולקווס הפועלים על נוזל.זה ממלא תפקיד בקונפדרציה טבעית אנלוגית למספר ריינולדס בקונפדרציה כפויה.
(ב) מספר רבי תהילים (Ra): "FLT:1" (המוצר של מספרי גרשון ופונדטלי), המשמש לאפיין כוח טיהור טבעי.

צורות שחיתות טיפוסיות

עבור סחר טבעי, קורלציות בדרך כלל לקחת את הטופס Nu = C × Ran, שבו C ו n הם קבועים תלויים גיאומטריה ותנאי זרימה. תואמים שונים קיימים עבור צלחות אנכיות, צלחות אופקיות, גלילים, תחומים, חללים סגורים.

עבור קונפדרציה כפויה, הקורלציה בדרך כלל לקחת את הטופס Nu = C × Rem × Prn, שבו הקבועים תלויים בגיאומטריה, משטר זרימה, תנאי גבול. אמפירי עבור המספר הממוצע של Nusselt עבור הדבקה כפויה על צלחת שטוחה וחריצים מעגליים ולא מעגליים בזרימה פותחו באמצעות מחקר ניסיוני נרחב.

עבור זרם laminar מפותח במלואו צינורות מעגליים, המספר המשולב של laminar Nusselt תחת גלי חום קבוע פלוקס הוא קבוע 4.36, עצמאי של מספרי Re or Prandtl (Pr) עם זאת, נמצא כי המספר המשולב מפותח לחלוטין של מספרי laminar כפויה-laminar לא היה קבוע ב 4.36, אבל היה פונקציה של מספר ריינולדס עבור מספרים גבוהים יותר מ 1000 זה מדגיש את החשיבות של תופעות זיהום אפילו לא מבוטלת של מצבים מעורבים.

תוצאות חיפוש עבור Life

הבנה של הדבקה היא חיונית בתחומים רבים, ויישומים שלה משתרעים מפריטים ביתיים רגילים לתהליכים תעשייתיים מתקדמים ותופעות טבעיות.כאן הם כמה יישומים מפורטים על פני תחומים שונים:

עיצוב ו-HVAC Systems

אדריכלים ומהנדסים רואים את השילוב הטבעי והמאולץ בעת תכנון חימום, אוורור, ואת מיזוג אוויר (HVAC) מערכות מיזוג טבעי מניע ערימה של מחסנים מבנים, שבו אוויר חם עולה ויציאה דרך פתחים גבוהים בעוד אוויר קריר נכנס דרך פתחים נמוכים.זה אסטרטגיה אוורור פסיבית זו יכולה להפחית באופן משמעותי את צריכת האנרגיה באקלים המתאים.

מערכות הדבקה מאוישות, כולל פרוות, מצבי אוויר ומעריצים, שליטה באופן פעיל באיכות האוויר ונוחות תרמיות.עיצוב של טיהור, מלוטשות, ויחידות טיפול אוויר חייבות לקחת בחשבון עבור העברת חום מקבילה כדי להבטיח הפעלה יעילה וחלוקה טמפרטורה אחידה. מערכות חימום רדנט משלבות קרינה עם עומס טבעי לספק חימום נוח עם תנועה אווירית מינימלית.

תכנון בניין יעיל באנרגיה משלב יותר ויותר אסטרטגיות קירור והתחממות פסיביים הממינוף של חזיתות דו-לשוניות, כיפות סולאריות ומערכות ventilation לילה להשתמש זרימה מונעת על ידי buoyancy כדי להפחית עומסי קירור מכניים.הבנת המשחק בין זיהום טבעי וכריח כפוי חיוני עבור אופטימיזציה של מערכות היברידיות אלה.

הנדסה אווירית

מהנדסים מנתחים את הצטברות לניהול תרמי של מטוסים וחללית, שבו וריאציות טמפרטורה קיצוניות ואפשרויות קירור מוגבלות מציגות אתגרים ייחודיים.מנועי מטוסים מייצרים כמויות עצומות של חום שיש לפרק באמצעות כריתת כפייה כפויה באמצעות אוויר או קירור נוזלי.

בחלליות, היעדר כוח הכבידה מבטלת את הקונפדרציה הטבעית, הדורשת הדבקה בכפייה או מנגנוני העברת חום אחרים לשליטה תרמית. אולמות בקרה סביבתיים של בקתה משתמשים במחזור אוויר מאולץ כדי לשמור על תנאים נוחים עבור אנשי הצוות.משטחים חיצוניים של חלליות חווים וריאציות טמפרטורה קיצוניות בין אזורים מוארים וצלחים, הדורשים מערכות ניהול תרמיות מתוחכמות.

חימום אווירודינמי במהלך טיסה מהירה יוצרת העברת חום אינטנסיבית על פני השטח של הרכב.הבנת התפתחות שכבת גבול ואספקת חום משולבת היא קריטית לתכנון מערכות הגנה תרמיות עבור כלי רכב וכלי רכב במהלך החזרה אטמוספירית.

מדע הסביבה ומטאורולוגיה

המטאורולוגים חוקרים תבניות של חיזוי שינויי מזג אוויר ולהבין דינמיקות אקלים.זיהום אטמוספירי מניע את התפתחות סופת הרעמים, שבו אוויר חם ולח עולה במהירות, ויוצר עננים של cumulonimbus ומזג אוויר חמור.

זרמי האוקיינוס מונעים על ידי שילוב של זיהום כפוי (זרמים מונעים על ידי רוח) וזיהום טבעי (מחזור יתרמוליין) זרם המפרץ וזרםי האוקיינוס העיקריים אחרים להעביר כמויות עצומות של אנרגיה תרמית, המשפיעות עמוקות על האקלים האזורי.הבנת התהליכים האלו היא חיונית למודלי אקלים וחיזוי ההשפעות של שינוי האקלים.

איים חום עירוניים מראים את החשיבות של הדבקה בסביבות בנויות.ערים לייצר חום מלכודות, יצירת הבדלים טמפרטורה המניעים דפוסים של זיהום מקומי להשפיע על איכות האוויר, צריכת האנרגיה, ונוחות האדם.

אלקטרוניקה Cooling

מכשירים אלקטרוניים מודרניים מייצרים חום משמעותי בחללים קומפקטיים, הדורשים ניהול תרמי יעיל כדי למנוע חימום יתר ולהבטיח ניתוח אמין. זיהום טבעי משמש עיצובים ללא מנוס עבור מכשירים בעלי כוח נמוך, מתן פעולה שקטה ואמינות גבוהה.

קירור כוח באמצעות מעריצים הוא נפוץ במחשבים, שרתים, ואלקטרוניקה בעוצמה גבוהה.עיצוב של כיור חום, מיקום המעריצים ונתיבי זרימת האוויר חייב להיות מותאם כדי למקסם את הסרת החום תוך צמצום רעש וצריכת חשמל.מערכות קירור נוזליות להשתמש בזיהום מאולץ עם מים או קירור אחרים כדי להשיג אפילו גבוה יותר שיעורי העברת חום עבור יישומים קיצוניים.

תהליכים תעשייתיים

קונורציה ממלאת תפקיד מכריע בתהליכים תעשייתיים רבים.חילופי חום בצמחים כימיים, זיכוכים ומתקנים של ייצור חשמל להסתמך על הדבקה כפויה להעביר חום בין זרמי תהליכים. Shell-and-tube, מחליפי חום צלחת ומגדלי קירור כולם תלויים בהעברה חום מאומצת עבור פעולתם.

תהליכי ייבוש בעיבוד מזון, ייצור נייר ותעשיות טקסטיל משתמשים בזיהום כפוי כדי להסיר לחות ביעילות. Furnaces תנורים לטיפול בחום מתכות, ריפוי ציפויים, ומוצרים אפייה להסתמך על העברת חום מבוקר כדי להשיג חימום אחיד.

מגדלי קירור משתמשים בשילוב של קונפדרציה כפויה וטבעית כדי לדחות חום פסולת מתחנות כוח ומתקני תעשייה.עיצוב המערכות הללו חייב לאזן את ביצועי העברת החום, צריכת המים, דרישות האנרגיה.

יישומי רכב

מערכות ניהול תרמיות של הרכב משתמשות הן טבעיות והן כפויות הדבקה נרחבות.מנועי קירור מערכות מקררות דרך בלוק המנוע באמצעות משאבת מים (זיהום כפוי) וחותחותמת חום לאטמוספירה דרך הרדיור, שבו מעריצים משפרים את זרימת האוויר (זיהום כפוי) שהושלם על ידי אוויר ram במהירויות מהירות.

מערכות חימום ומיזוג אוויר משתמשים במיזוג כפוי כדי לשלוט בנוחות הנוסעים.רכבי חשמל מתמודדים עם אתגרים ניהול תרמיים נוספים, הדורשים מערכות קירור סוללות, אלקטרוניקה חשמל ומנועים חשמליים תוך כדי למקסם את יעילות האנרגיה לשימור טווח הנהיגה.

מערכות אנרגיה מתחדשת

אספנים תרמיים סולאריים משתמשים בקונפדרציה טבעית כדי להפיץ נוזל עבודה במערכות thermosiphon, לספק מים חמים ללא משאבות. מערכות זיהום כפוי עם משאבות להציע שליטה טובה יותר וביצועים עבור מתקנים גדולים יותר. לוחות פוטובולטיים ליהנות קירור קונפוקטי כדי לשמור על טמפרטורות הפעלה אופטימליות למקסם את יעילות חשמלית.

טורבינות רוח דורשות ניהול תרמי עבור גנרטורים ואלקטרוניקה כוח, באמצעות מערכות קירור בכפייה.מערכות אנרגיה גיאותרמית מסתמכות על אספקת חום מאוצרות כדי לחלץ חום ממאגרי תת קרקע ולהעביר אותו לציוד של ייצור חשמל או בניית מערכות חימום.

דרישות עבור Convection Systems

תכנון מערכות תרמיות מבוססות הדבקה דורש שיקול זהיר של גורמים מרובים וסחר-offs:

דרישות ביצועים

הצעד הראשון בעיצוב מערכת זיהום הוא הגדרת דרישות ביצועים, כולל קצב העברת חום, הבדלים בטמפרטורות אפשריות, תנאי הפעלה. דרישות אלה קובעות האם הדבקה טבעית היא מספיק או הפסקת אש היא הכרחית.

אנרגיה יעילה

שיקולי יעילות אנרגיה מעדיפים הדבקה טבעית כאשר היא דורשת לא כוח חיצוני.עם זאת, הדבקה כפויה עשויה להיות יעילה יותר באנרגיה, כולל אם היא מאפשרת עיצובים קומפקטיים יותר, מפחיתה את השימוש בחומר, או מאפשרת למערכת לפעול בתנאים נוחים יותר.ניתוח מחזור החיים צריך לשקול גם אנרגיה הפעלה וגם התגלמות אנרגיה בחומרים ובייצור.

ניתוח עלויות

מערכות זיהום טבעיות בדרך כלל יש עלויות ראשוניות נמוכות יותר בשל היעדר מעריצים, משאבות, ובקרות.עם זאת, הם עשויים לדרוש משטחים גדולים יותר של העברת חום או חומרים יקרים יותר כדי להשיג ביצועים הנדרשים.

אמינות ותחזוקה

מערכות הדבקה טבעיות מציעות אמינות גבוהה בשל היעדר חלקים נעים, מה שהופך אותם אטרקטיביים עבור מתקנים מרוחקים, יישומים קריטיים או מצבים שבהם תחזוקה היא קשה.מערכת הדבקה כפויה דורש תחזוקה תקופתית של מעריצים, משאבות ומסננים, והם כפופים לכשלים מכניים שיכולים להתפשר על ביצועי מערכת.

רעש וגאווה

יישומים רגישים לרעש ולרטט, כגון מגורים HVAC, ציוד רפואי ואולפנים הקלטה, עשויים לתמוך בקונפדרציה טבעית או לדרוש תכנון זהיר של מערכות הדבקה כפויות כדי למזער פליטות אקוסטיות.

חללים

הדבקה כפויה בדרך כלל משיגה שיעורי העברת חום גבוהים יותר בנפח קטן יותר, מה שהופך אותו עדיפה כאשר החלל מוגבל.זיהום טבעי דורש אזורי משטח גדולים יותר וכיוון הולם, אשר עשוי לא להיות אפשרי בעיצובים קומפקטיים.

נושאים מתקדמים בקונספציה

טכניקות לשיפור

טכניקות שונות יכולות לשפר את העברת החום הזמנית מעבר לתכנון מערכת בסיסית.שינויים על פני השטח כגון גסות, סנפירים, ומקדם זעזועים מגבירים את אזור העברת החום ושיבוש שכבת הגבול.ננופולים - ילדים המכילים חלקיקים מושעה - יכולים לשפר את התנהגות תרמית ואת קוגניציה של העברת חום, אם כי יישום מעשי עומד בפני אתגרים הקשורים ליציבות, עלויות, והורדת לחץ.

זרימת הזרמים, משטחים מבודדים, וזרמה אקוסטית יכולה לשפר את העברת החום ביישומים מסוימים.טכניקות שיפור פעיל אלה דורשות קלט אנרגיה נוסף, אך עשוי להציע יתרונות במצבים ספציפיים.

Fluid Dynamics

עיצוב מערכת תרמית מודרני יותר מסתמכ על דינמיקת נוזל חישובית (CFD) כדי לדמות העברת חום convective. CFD מאפשר למהנדסים לדמיין דפוסי זרימה, התפלגות טמפרטורה, ושיעורי העברת חום בגיאומטריה מורכבת לפני בניית אבטיפוס פיזי.עם זאת, סימולציות CFD דורשות אימות זהיר נגד נתונים ניסיוניים ובחירת נאות של מודלים של זעזועים ותנאי גבול מורכבים.

המונחים: Transient Convection

יישומים מעשיים רבים כרוכים בתנאי זמן שבהם ניתוח קונדוקטיבי transientient הוא הכרחי. Startup וסגור של מערכות תרמיות, חימום מחזורי קירור, ותגובה לעומס תרמי משתנה כל דורש הבנה של התנהגות של זיהום חולף.המסה תרמית של נוזלים ומבנים משפיעה על זמן התגובה של המערכת ויציבות.

מגמות עתידיות ודרכים מחקר

מחקר בהעברה חום convective ממשיך להתקדם, מונע על ידי יישומים וטכנולוגיות מתפתחות. Microscale ו- nanoscale חום העברה במיקרואלקטרוניקה ומכשירים מיקרו-השפעהיים מציג אתגרים בשל התמוטטות הנחות המשך ואת החשיבות הגוברת של השפעות פני השטח.שלב שינויים חומרים בשילוב עם אפשרויות איסוף עבור אחסון אנרגיה תרמית ותקנה טמפרטורה.

שינויי אקלים ויעילות אנרגיה מניעים מחקר לאסטרטגיות קירור פסיביות הממקסמות את הקונפדרציה הטבעית תוך צמצום צריכת האנרגיה.חומרים חכמים ומערכות הסתגלות שמגיבות לשינויים בתנאים עשויים לאפשר ניהול תרמי יעיל יותר.אינטגרציה של ניהול תרמי עם עיצוב מבני, כמו אופטימיזציה טופולוגית, מבטיח מערכות יעילות וקומפקטיות יותר.

טכניקות ייצור מתקדמות, כולל ייצור תוספים, מאפשרות גיאמטריה מורכבת שלא היו מסוגלים בעבר לייצר, פתיחת אפשרויות חדשות למתן העברת חום משולבת.

הנחיות מעשיות לסטודנטים ולמהנדסים

לסטודנטים ומהנדסים העובדים עם העברת חום משולבת, כמה קווים מנחים מעשיים יכולים לשפר את הניתוח ואת העיצוב:

(FLT:0) תמיד לזהות את מנגנון העברת החום הדומיננטי: FIRLT:1) לקבוע אם הברחת טבעית, הדבקה כפויה, או הדבקה מעורבת שולטת בהתנהגות המערכת.
(FLT:0)Use מתאים תואמים: FLT:1eurs בחר אמפירי תואמים את הגיאומטריה שלך, משטר זרימה ותנאי גבול.בדוק כי תנאי התפעול שלך נופלים בטווח התקפים של הקורלציה.
(FLT:0)Consider נוזל וריאציות:FreaLT:1) תכונות פלויד להשתנות עם טמפרטורה, המשפיע על משככי חום.
(FLT:0) Account for entry Effects: FLT:1 העברת בטיחות משתנה לאורך כיוון זרימת הדם כמו שכבות גבול לפתח ערכים ממוצעים מתאימים או ערכים מקומיים במידת הצורך.
(FLT:0) תחזיות תחזיות: FLT:1rea בכל פעם שניתן, להשוות בין תחזיות אנליטיות או מספריות נגד נתונים ניסיוניים או תוצאות מפורסמות עבור תצורה דומה.
(ב) ,0) ניתוח רגישות פורפור: 1FLT להבין כיצד אי-ודאות בפרמטרים קלט משפיע על הביצועים הצפויים.
(FLT:0) להעריך את המערכת המלאה:FLT:1 ההעברה של חום הוא רק היבט אחד של עיצוב מערכת תרמי.

משאבים חינוכיים ולמידה נוספת

סטודנטים ואנשי מקצוע המבקשים להעמיק את ההבנה שלהם של העברת חום convective יש גישה משאבים רבים.קלאסיקות ספרי לימוד על העברת חום לספק כיסוי מקיף של תיאוריה ויישומים. קורסים מקוונים והרצאות וידאו להפוך נושאים מתקדמים נגישים ללומדים ברחבי העולם. [+] ארגונים מקצועיים כגון האגודה האמריקנית של מהנדסים מכניים (ASME) ואת המכון האמריקאי מהנדסים כימיים (AIChE) מציעים כנסים, פרסומים, והזדמנויות רשת ממוקדות על העברת חום.

מתקנים ניסיוניים וקורסי מעבדה מספקים ניסיון עם תופעות העברת חום מאוחדות.כלי Computational, כולל תוכנת CFD מסחרית חלופות קוד פתוח, לאפשר לתלמידים לחקור תרחישים מורכבים ולפתח מיומנויות מעשיות. מחקר בכתבי עת כגון The International Journal of Heat and Mass Transfer ו-Journal of Heat Transfer מציג התפתחויות חדשניות בתחום.

(ב) לאלו המעוניינים לחקור מחלוקות נוספות, משאבים כגון:0) הנדסת כלי הנדסת כלי הנדסת כלי טיס 1 לספק מחשבונים מעשיים ונתוני התייחסות.האגודה האמריקנית של Heating, Refrigerating ו- Air-Conditioning Engineers (ASHRAE)FLT:3 מציעה סטנדרטים וספרי יד חיוניים עבור יישומי HVAC.LTF:4.

מסקנה

הבנת ההבדלים בין זיהום טבעי וכריח חיוני לניתוח העברת חום יעיל ועיצוב מערכת תרמי על פני מגוון עצום של יישומים. זיהום טבעי, מונע על ידי כוחות חיקויים שמקורם בהבדלים בדחיסות הנגרמת מטמפרטורה, מציעה פשטות, אמינות ויעילות אנרגיה ללא צורך כוח חיצוני או חלקי תנועה.זה מוצא יישומים במערכות קירור פסיביות, מבנים יעילים אנרגיה, ומצבים שבהם שתיקה ואמינות הם בעלי יכולת נמוכה יחסית, וקצבה ליעילות החום שלה ליעילות גבוהה יחסית ליישומים.

הדבקה כפויה, המונעת באמצעים מכניים חיצוניים כגון מעריצים ומשאבות, מספקת שיעורי העברת חום גבוהים יותר ושליטה גדולה יותר על ביצועים תרמיים.זה שולט ביישומים הדורשים הסרת חום מהירה, בקרת טמפרטורה מדויקת, או עיצובים קומפקטיים.המסחר כוללים צריכת אנרגיה מוגברת, רעש, מורכבות, ודרישות תחזוקה מעורבים.

שני סוגי המיזוג משחקים תפקידים משמעותיים בהנדסה, במדעי הסביבה, וחיי היומיום.מהעיצוב של מערכות קירור אלקטרוניות ובניית HVAC כדי להבין דפוסי מזג אוויר וזרמים באוקיינוס, העברת חום קולקטיבית מעצבת את היכולות הטכנולוגיות שלנו ואת הסביבה הטבעית. המסגרת המתמטית המבוססת על מספרים ללא ממד כגון Nusselt, ריינולדס, Grashof, ומספרי ריילי מספקת מהנדסים עם כלים חזקים לחיזוי ומיזוג חום.

על ידי הבנת המושגים האלה ואת ההשלכות המעשיות שלהם, התלמידים והמחנכים יכולים להעריך טוב יותר את עקרונות התרמודינמיקה והעברה החום.מהנדסים יכולים לעצב מערכות תרמיות יעילות יותר, אמינות ויעילות יותר. חוקרים יכולים לקדם את מצב האמנות בטכנולוגיה של העברת חום.כפי יעילות אנרגיה וניהול תרמי הופך קריטי יותר בהתמודדות עם אתגרים גלובליים כגון שינויי אקלים ופיתוח בר קיימא, הבנה מעמיקה של העברת חום משולבת תישאר חיונית לחדשנות וקידמה.

התחום ממשיך להתפתח עם התקדמות בשיטות חישוביות, מדעי החומרים וטכנולוגיות הייצור.הבאת יישומים במיקרואלקטרוניקה, אנרגיה מתחדשת, וייצור מתקדם מציג אתגרים חדשים והזדמנויות ליישום עקרונות הדבקה.בין אם עיצוב של כיור חום פשוט או מערכת ניהול תרמי מורכב, ההבנה הבסיסית של זיהום טבעי וכריח מספק את הבסיס להנדסה תרמית מוצלחת.