Естественная конвекция примеры. Конвекция – определение и примеры явления. Отличия конвекции от теплопроводности

В основе явления конвекции лежит процесс расширения более холодного вещества при его контакте с горячими массами.

При этом нагреваемый элемент теряет свою плотность. Его масса снижается при сопоставлении с окружающими его холодными условиями.

Особо точно явление конвекции характеризует движение тепловых потоков в процессе нагревания воды.

Яркие образцы

Движения нагретого воздуха в середине комнаты с отопительной техникой. Здесь движение тёплых потоков направлено к потолку, а холодных – к полу. И при работающей отопительной системе вверху помещения воздух гораздо теплее, чем в его низу.
Здесь стоит обратиться к закону Архимеда. Здесь тела расширяются под влиянием теплового излучения. Согласно данному закону, развитие температуры ведёт к развитию объёмов жидкости. Условие: в ёмкости находится жидкость, которая нагревается с нижней стороны. В итоге он поднимается всё выше. А влага, имеющая большую плотность, движется ниже. И при нагреве верхней части жидкости с большей и меньшей плотностью не сдвинутся. Тогда и конвекции не получится.

Возникновение определения

В 1834 году англичанин Вильям Прут первым предложил понятие «конвекция». Этим термином он охарактеризовал движение тепловых образований в нагретых, перемещающихся жидкостях.

Начальные теоретические анализы конвекции датированы 1916 годом. Экспериментальные изучения проходили с жидкостями, залитыми в ёмкости. Они подогревались снизу. Было выяснено, импульсы в них движутся от диффузии к конвекции при условии критических температур. Эти крайние показатели позже были наименованы «числами Роэля».

Благодаря данным экспериментам учёные смогли объяснить движения тепловых масс под силами Архимеда.

Разновидности

Их всего две – естественная и принудительная.

Указанный выше пример воздушных потоков в отапливаемом помещении – лучшая характеристика естественного вида конвекции.

Принудительная конвекция обычно получается при механических действиях в жидкости. Например, при перемешиваниях ложкой или использовании насоса.

Конвекция не образуется, когда нагреваются твёрдые тела. Причина – мощная взаимная тяга при вибрациях их твёрдых элементов. В итоге нагреваются тела твёрдой структуры. Получается излучение.

Теплопроводность появляется вместо обозначенных явлений в подобных телах и ведёт к посылу тепловой энергии.

Есть и третий вид конвекции – капиллярный. Он формируется при температурных скачках, когда жидкость проходит по трубам. И при сопоставлении этого вида конвекции с первыми двумя при естественных условиях разница получается незначительной.

Но при работе в космосе капиллярный вид становится ключевым фактором. Впрочем, как излучение и проводимость тепла. И даже мизерные конвективные колебания при невесомости крайне осложняют осуществление определённых инженерных замыслов.

Примеры в слоях земли

Конвективные процессы имеют тесную связь с природным формированием газоподобных элементов в слоях земной коры. Её образуют концентрические слои.

В центре устроена огромная жидкая субстанция. У неё крайне высокая плотность. В ней содержится железо, никель и прочие металлы. Это горячее ядро. Его окружение представлено литосферой и полужидким образованием.

Верхний слой данной сферы – это земная кора. Литосферу образуют отдельные платформы. Осуществляется их беспрепятственное перемещение по плоскости жидкого образования.

И когда разные участки этого образования и горные породы, отличающиеся по составу, нагреваются неравномерно, появляются конвективные потоки. Под их влиянием природным методом преобразуются ложи океанов и перемещаются несущие материки.

Сравнение с теплопроводностью

Теплопроводность характеризует потенциал физических тел к посылу тепла. Он получается через перемещения атомов и молекул.

Металлы превосходно проводят тепло, ведь их молекулы постоянно контактируют друг с другом. А газоподобные летучие элементы тепло проводят крайне плохо.

В основе принципов конвекции находится перенос тепла благодаря перемещению массы молекул элементов. А теплопроводность базируется на энергетическом взаимодействии между компонентами физического тела. Оба процесса происходят только при наличии частиц элемента.

Прочие образцы

Самый распространённый образец – это работа рядового бытового холодильника. В его холодильном отделении имеются трубы. По ним циркулирует охлаждённый газ – фреон. Из-за этого температуры в верхних слоях воздуха снижается. Холодные воздушные формирования замещаются более тёплыми и движутся вниз. Благодаря таким операциям охлаждаются продукты.

На тыльной стороне холодильника устроена решётка. Она способствует отхождению тёплого воздуха, который сформировался в холодильном компрессоре при сжатии газа. Решётка охлаждается. И этот процесс также базируется на конвективных принципах.

Поэтому специалисты советуют не заполнять пространство за холодильником. Только при свободной зоне там охлаждение получается без проблем.

Хорошо проявляется конвекция при движении ветра. Когда он нагревается над жаркими материками и охлаждается в более холодных зонах, воздушные потоки выталкивают друг друга. Они движутся. Идёт перемещение и влаги, и энергии.

Конвективные принципы заложены в действии планеров и способности птиц к парению. Когда у земной поверхности воздушные образования с меньшей плотность и большей температурой нагреваются неравномерно, образуются восходящие потоки. Они благоприятны для парения.

Чтобы справиться с огромными дистанциями без серьёзных трат энергии и усилий, птицы стараются отыскать такие потоки.

Отличные образцы конвекции — это появления дыма в дымоходных трубах и кратеров вулканов. Дым поднимается. И основой этого действия служит особые параметры дыма (повышенная температура и пониженная плотность) при аналогии с внешними условиями. Когда дым остывает, он плавно внедряется в нижние атмосферные слои. И поэтому трубы для выброса опасных веществ на предприятиях создают очень высокими.

Духовой шкаф

Сегодня всё чаще конвективные основы закладываются в работу нынешнего бытового оборудования, например, в духовые шкафы.

И в них уже можно одновременно готовить различные блюда. Причём готовка происходит при разных температурных показателях и на обособленных уровнях. И здесь вкус и запах совершенно не смещаются.

В стандартном модели воздух нагревается за счёт одной горелки. В итоге тепло расходится неравномерно.

А в духовой модификации с конвекцией горячие воздушные потоки движутся целенаправленно. Этому способствует специальный вентилятор. В результате блюда в таком шкафу эффективнее пропекаются и после приготовления отличаются хорошей сочностью. К тому же подобные шкафы стремительнее нагреваются, и пища в них готовится быстрее.

Микроволновка

Микроволновки, функционирующие по конвективным принципам, осуществляют следующие операции с пищей:

Разогревание.
Разморозка.
Выпекание.
Запекание.

В этой печи можно создавать различные булочки, пирожки и прочую выпечку. Превосходно такие модели подходят и для запекания рыбы или мяса. Их стандартная работа связана только с нагревом или разморозкой продуктов. А комбинированный режим добавляет ещё две указанные функции.

Такие печи отличаются серьёзными габаритами и ценами, также «кушают» много электричества. В них работает специальный дополнительный вентилятор и компонент, подогревающий воздух. Оба они устроены на задней панели печи или в её верхней стороне.

Гриль

Сегодня в продажах становится всё больше микроволновок с грилем и конвекцией. Они дают хозяевам больше кулинарных возможностей, чем обычные СВЧ-печи.

Пища готовится быстро, получается объёмной, очень вкусной и с золотистой корочкой.

Для этих же целей гриль с конвекцией устраивается и в духовых шкафах. Она обеспечивает запекание в усиленном скоростном режиме.

Видео об эксперименте с конвекцией смотрите далее:

Если приблизить руку к включенной электролампе или поместить ладонь над горячей плитой, можно почувствовать движение теплых потоков воздуха. Тот же эффект можно наблюдать при колебании листа бумаги, помещенного над открытым пламенем. Оба эффекта объясняются конвекцией.

Что представляет собой?

В основе явления конвекции лежит расширение более холодного вещества при соприкосновении с горячими массами. В таких обстоятельствах нагреваемое вещество теряет плотность и становится легче по сравнению с окружающим его холодным пространством. Наиболее точно данная характеристика явления соответствует перемещению тепловых потоков при нагревании воды.

Движение молекул в противоположных направлениях под воздействием нагревания - это именно то, на чем основывается конвекция. Излучение, теплопроводность выступают схожими процессами, однако касаются прежде всего передачи в твердых телах.

Яркие примеры конвекции - перемещение теплого воздуха в середине помещения с отопительными приборами, когда нагретые потоки движутся под потолок, а холодный воздух опускается к самой поверхности пола. Именно поэтому при включенном отоплении вверху комнаты воздух заметно теплее по сравнению с нижней частью помещения.

Закон Архимеда и тепловое расширение физических тел

Чтобы понять, что представляет собой естественная конвекция, достаточно рассмотреть процесс на примере действия закона Архимеда и явления расширения тел под воздействием теплового излучения. Так, согласно закону, повышение температуры обязательно приводит к увеличению объемов жидкости. Нагреваемая снизу жидкость в емкостях поднимается выше, а влага большей плотности, соответственно, перемещается ниже. В случае нагрева сверху более и менее плотные жидкости останутся на своих местах, в таком случае явления не произойдет.

Возникновение понятия

Впервые термин «конвекция» был предложен английским ученым Вильямом Прутом еще в 1834 году. Использовался он для описания перемещения тепловых масс в нагретых, движущихся жидкостях.

Первые теоретические исследования явления конвекции стартовали лишь в 1916 году. В ходе экспериментов было установлено, что переход от диффузии к конвекции в подогреваемых снизу жидкостях возникает при достижении некоторых критических температурных значений. Позже это значение получило определение «число Роэля». Оно было так названо в честь исследователя, занимавшегося его изучением. Результаты опытов позволили дать объяснение перемещению тепловых потоков под влиянием сил Архимеда.

Виды конвекции

Существует несколько видов описываемого нами явления - естественная и вынужденная конвекция. Пример перемещения потоков горячего и холодного воздуха в середине помещения как нельзя лучше характеризует процесс естественной конвекции. Что касается вынужденной, то ее можно наблюдать при перемешивании жидкости ложкой, насосом или мешалкой.

Конвекция невозможна при нагревании твердых тел. Всему виной достаточно сильное взаимное притяжение при колебании их твердых частиц. В результате нагрева тел твердой структуры не возникают конвекция, излучение. Теплопроводность заменяет указанные явления в таких телах и способствует передаче тепловой энергии.

Отдельным видом выступает так называемая капиллярная конвекция. Происходит процесс при перепадах температуры во время движения жидкости по трубам. В естественных условиях значение такой конвекции наряду с естественной и вынужденной крайне несущественно. Однако в космической технике капиллярная конвекция, излучение и теплопроводность материалов становятся весьма значимыми факторами. Даже самые слабые конвективные движения в условиях невесомости приводят к затруднению реализации некоторых технических задач.

Конвекция в слоях земной коры

Процессы конвекции неразрывно связаны с естественным образованием газообразных веществ в толще Рассматривать можно как сферу, состоящую из нескольких концентрических слоев. В самом центре располагается массивное горячее ядро, которое представляет собой жидкую массу высокой плотности с содержанием железа, никеля, а также прочих металлов.

Окружающими слоями для выступают литосфера и полужидкая мантия. Верхний слой земного шара представляет собой непосредственно земную кору. Литосфера сформирована из отдельных плит, которые находятся в свободном движении, перемещаясь по поверхности жидкой мантии. В ходе неравномерного нагревания различных участков мантии и горных пород, которые отличаются разным составом и плотностью, происходит образование конвективных потоков. Именно под воздействием таких потоков возникает естественное преобразование ложа океанов и перемещение несущих континентов.

Отличия конвекции от теплопроводности

Под теплопроводностью следует понимать способность физических тел к передаче тепла посредством движения атомных и молекулярных соединений. Металлы выступают отличными проводниками тепла, так как их молекулы находятся в неразрывном контакте друг с другом. Напротив, газообразные и летучие вещества выступают плохими проводниками тепла.

Как происходит конвекция? Физика процесса основывается на переносе тепла за счет свободного движения массы молекул веществ. В свою очередь, теплопроводность заключается исключительно в передаче энергии между составляющими частицами физического тела. Однако и тот, и другой процесс невозможен без наличия частиц вещества.

Примеры явления

Наиболее простым и доступным для понимания примером конвекции может послужить процесс работы обыкновенного холодильника. Циркуляция охлажденного газа фреона по трубам холодильной камеры приводит к снижению температуры верхних пластов воздуха. Соответственно, замещаясь более теплыми потоками, холодные опускаются вниз, охлаждая, таким образом, продукты.

Расположенная на тыльной панели холодильника решетка играет роль элемента, способствующего отводу теплого воздуха, образованного в компрессоре агрегата во время сжатия газа. Охлаждение решетки также основывается на конвективных механизмах. Именно по этой причине не рекомендуется загромождать пространство позади холодильника. Ведь только в таком случае охлаждение может происходить без затруднений.

Другие примеры конвекции можно заметить, наблюдая за таким природным явлением, как движение ветра. Нагреваясь над засушливыми континентами и охлаждаясь над местностью с более суровыми условиями, потоки воздуха начинают вытеснять друг друга, что приводит к их движению, а также перемещению влаги и энергии.

На конвекции завязана возможность парения птиц и планеров. Менее плотные и более теплые при неравномерном нагревании у поверхности Земли приводят к образованию восходящих потоков, что способствует процессу парения. Для преодоления максимальных расстояний без затраты сил и энергии птицам требуется умение находить подобные потоки.

Хорошие примеры конвекции - образование дыма в дымоходах и вулканических кратерах. Перемещение дыма вверх основано на его более высокой температуре и низкой плотности по сравнению с окружающей средой. При остывании дым постепенно оседает в нижние слои атмосферы. Именно по этой причине посредством которых происходит выброс в атмосферу, делают максимально высокими.

Наиболее распространенные примеры конвекции в природе и технике

Среди наиболее простых, доступных для понимания примеров, которые можно наблюдать в природе, быту и технике, следует выделить:

движение во время работы бытовых батарей отопления;
образование и движение облаков;
процесс движения ветра, муссонов и бризов;
смещение тектонических земных плит;
процессы, которые приводят к свободному газообразованию.

Приготовление пищи

Все чаще явление конвекции реализуется в современных бытовых приборах, в частности в духовых шкафах. Газовый шкаф с конвекцией позволяет готовить разные блюда одновременно на отдельных уровнях при различной температуре. При этом полностью исключается смешение вкусов и запахов.

Нагрев воздуха в традиционном духовом шкафу основывается на работе единственной горелки, что приводит к неравномерному распределению тепла. За счет целенаправленного перемещения горячих потоков воздуха при помощи специализированного вентилятора блюда в конвекционном духовом шкафу получаются более сочными, лучше пропекаются. Такие устройства быстрее нагреваются, что позволяет уменьшить время, требуемое на приготовление пищи.

Естественно, для хозяек, которые готовят в духовом шкафу всего лишь несколько раз в год, бытовой прибор с функцией конвекции нельзя назвать техникой первой необходимости. Однако для тех, кто не может жить без кулинарных экспериментов, такое устройство станет просто незаменимым на кухне.

Надеемся, представленный материал оказался полезным для вас. Всего доброго!

Слово "конвекция" в переводе с латинского языка обозначает перемещение. Что такое конвекция и как она происходит? Это своеобразный процесс передачи тепла, при котором частицы веществ перемешиваются между собой. Это действие можно наблюдать в жидкостях и газах.

Как происходит процесс конвекции

Перемещение частиц происходит из-за различия температур и плотности в отдельных местах среды при нагревании. При этом нижние слои вещества, нагреваясь, становятся легче и поднимаются вверх. Верхние частицы, остывая, становятся тяжелее и опускаются вниз. Этот процесс повторяется несколько раз. При создании определенных условий процесс превращается в структуру вихревых потоков, образуя решетку конвекционных ячеек.

Многие атмосферные процессы - это проявления естественной конвекции, например, передвижение тектонических пород, возникновение облаков, появление образований на солнце вследствие движения плазмы. При вынужденной конвекции процесс происходит под действием внешних сил.

Виды конвекций

Есть два вида конвекций - это свободная конвекция, или естественная, и вынужденная. Естественные конвекционные течения наблюдаются в результате изменения плотности в процессе теплообмена в гравитационном поле. Это циркуляция в нижних слоях земной атмосферы, течения в океанах и водоемах, возникновение устойчивых ветров (муссоны, пассаты), ураганов или циклонов. Движение теплого воздуха в нагретом помещении, тепло, исходящее от электрической лампочки. Газ фреон охлаждает воздух в холодильнике. Холодный воздух опускается вниз.

Охлаждая продукты, он постепенно нагревается и снова поднимается вверх. Перемещение слоев воздуха в холодильнике не что иное, как свободная конвекция. Поэтому для лучшей циркуляции воздуха не рекомендуется раскладывать продукты слишком плотно на полках холодильника. Для выполнения некоторых технических задач требуется, наоборот, подавить естественную конвекцию для уменьшения потерь тепла.

Вынужденная конвекция происходит при помощи приборов или посторонних сил. Это может быть перемешивание жидкости ложкой, работа насоса или вентилятора.

Применение эффекта

Что такое конвекция касаемо обогрева помещения? В основе любой системы задействован принцип передачи тепла от энергоносителя воздуху помещения. Это могут быть батареи централизованного отопления или индивидуальные отопительные приборы. Большую популярность приобрели конвекторные отопительные приборы. С помощью нагревательного элемента поступающий снизу воздух прогревается и начинает перемещаться. Далее происходит процесс смешивания остывшего и нагретого воздуха.

Конвекторные обогреватели могут быть водяными, газовыми и электрическими. Явление передачи тепла при перемещении воздуха принудительным путем часто используется в различных отраслях хозяйства. Благодаря новейшим технологиям функция конвекции широко применяется в бытовых приборах. Одними из самых распространенных кухонных приспособлений такого рода являются микроволновые печи и духовые шкафы. Эффект конвекции значительно расширяет возможности приготовления пищи. В этом случае принудительная конвекция способствует циркуляции горячих воздушных масс, образовывая вихревой поток. Это позволяет равномерно прогревать продукт со всех сторон.

Микроволновая печь

СВЧ-печи давно стали привычным атрибутом домашней бытовой техники. Микроволновая печь в основном используется для разогрева готовых продуктов, разморозки рыбы и мяса, приготовления простых блюд. Испечь пирог или зажарить курицу с румяной корочкой электромагнитные волны высокой частоты не смогут. А вот печь микроволновая с конвекцией с легкостью справится с этой задачей. С помощью встроенного вентилятора горячий воздух циркулирует по камере. Тепло равномерно действует на готовящееся блюдо со всех сторон.

Рекомендуется предварительно прогреть печь в течение 15 минут. Чтобы продукт хорошо запекся, лучше, чтобы он состоял из нескольких небольших порций. Посуду в микроволновке нужно размещать на решетке, чтобы воздух равномерно циркулировал. Посуда должна быть из специального термостойкого стекла. Чтобы вкусно готовить, нужно подобрать свой рецепт и определенную температуру именно для вашей микроволновки.

Печь с грилем

Чтобы ускорить приготовление пищи и вместе с этим не расходовать много энергии, можно использовать комбинированный режим - конвекция СВЧ и гриль. Эти две опции сделают мясо мягким и нежным внутри, а корочку хрустящей и аппетитной. Наличие конвекции поможет приготовить блюдо без масла и соли, что полезно для людей, ведущих здоровый образ жизни. Дополнительный нагревательный элемент имеет печь-гриль. Конвекция способствует образованию румяной корочки на мясе. Нагреватель, имеющийся в печи-гриль, может быть теновым или кварцевым. Теновый гриль, двигаясь и поворачиваясь, равномерно прогревает продукт. Кварцевый нагревательный элементне виден и находится в верхней части печи. Преимущества кварцевого гриляв том, что он потребляет меньше энергии, но процесс обжарки с ним происходит медленнее.

Хотя мощность теновой спирали выше, чем кварцевого гриля. Что такое конвекция в сочетании с грилем? Комбинация гриля и конвектора имитирует обжаривание на вертеле или мангале.

Духовой шкаф и конвекция

Хороший духовой шкаф - мечта каждой хозяйки. Но иногда пироги в нем подгорают, а мясо плохо прожаривается. Противень с блюдом приходится переворачивать и то переставлять выше, то опускать вниз. Что такое конвекция в духовке и как она работает? Горячий воздух внутри шкафа перемещается с помощью встроенного вентилятора. Температура становится одинаковой во всех точках духовки. В таком духовом шкафу можно сразу готовить несколько блюд на разных уровнях, используя несколько протвиней. В закрытом пространстве духовки создается принудительная конвекция с помощью вентилятора на задней стенке. С помощью такого эффекта продукты равномерно нагреваются со всех сторон. Режим дает возможность готовить большие куски мяса, печь большие пироги и маленькие нежные пирожные. Можно сделать сухарики или домашние картофельные чипсы, а также сушить травы. Духовой шкаф с конвекцией, как газовый, так и электрический, позволит готовить с радостью и удовольствием.

Перенос массы в результате перемещения сплошной среды (газа, жидкости) в результате наличия разницы температур или концентраций примеси

Описание

Конвекция (перемешивание) - перенос различно нагретых частей в жидкостях или газах в поле силы тяжести. Посредством конвекции совершается теплообмен путем перемещения материальных частиц. При естественной конвекции перемещение вещества происходит исключительно вследствие различия температур в различных местах среды и вызванного им различия плотностей. Свободная конвекция возникает в поле силы тяжести при неравномерном нагреве (нагреве снизу) текучих веществ.

Свободно конвективные течения возникают вследствие изменений плотности, обусловленных процессами тепло- или массообмена в поле гравитационных сил. Разность плотностей создает выталкивающую силу, под действием которой возникает течение. При охлаждении нагретого тела окружающим воздухом такое течение наблюдается в области, окружающей тело. К естественной конвекции относят также обусловленные выталкивающей силой течения при отводе теплоты в атмосферу или другую окружающую среду, циркуляцию в нагретых помещениях, в атмосфере или водоемах, течения, связанные с выталкивающей силой.

Нагретое вещество под действием Архимедовой силы перемещается относительно менее нагретого вещества в направлении, противоположном направлению силы тяжести.

Конвекция приводит к выравниванию температуры вещества.

При естественной конвекции интенсивность переноса теплоты пропорциональна разности температур D T различных частей среды, коэффициенту объемного расширения D V , напряженности силового поля g (гравитационного или сил инерции).

Естественная конвекция широко распространена в природе: в нижнем слое земной атмосферы, в океане, в недрах Земли, в звездах. Конвективные потоки приводят к возникновению таких атмосферных явлений, как ветер, ураганы, циклоны.

В условиях невесомости конвективные потоки исчезают, так как исчезает поддерживающая сила. Поэтому, например, в условиях невесомости невозможно горение (если не обеспечена искусственная тяга); продукты горения не удаляются из пламени, и оно гаснет вследствие недостатка кислорода.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -2 до -2);

Время существования (log tc от 6 до 6);

Время деградации (log td от 0 до 0);

Время оптимального проявления (log tk от 0 до 0).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта

Батареи отопления

Технической реализацией являются батареи отопления, которые за счет естественной конвекции обогревают помещение. Часто естественная конвекция используется для движения воды в трубах отопления.

В некоторых технических задачах наоборот требуется подавить естественную конвекцию для уменьшения тепловых потерь.

Так одной из задач при проектировании солнечных коллекторов является уменьшение тепловых потерь через прозрачную изоляцию. Для подавления движения в пространстве между двумя пластинам, одна из которых нагрета, указанное пространство заполняется ячеистым материалом. При отсутствии движения среды теплообмен между пластинами осуществляется только путем теплопроводности.

Для исключения теплообмена за счет конвекции могут использоваться прозрачные аэрогели (аэрогели или ксерогели - хрупкие микропористые тела, которые получаются высушиванием гелей - структурированных коллоидных систем с жидкой дисперсионной средой). Они состоят из очень мелких частиц двуокиси кремния и микропор, размеры которых меньше, чем средняя длина пробега молекул воздуха.

Применение эффекта

Изучение процессов естественной конвекции имеет большое значение в связи с проблемой сброса или отвода теплоты во многих приборах, процессах и системах. Естественная конвекция существенно влияет на предельные значения тепловых потоков, от нее зависит безопасность эксплуатации в условиях, когда обычные способы отвода теплоты непригодны и удаление выделяемой системой теплоты проводится путем естественной конвекции, что имеет большое значение во многих электронных приборах и энергетических установках.

Распространенным видом отопительных приборов являются конвекторы, в которых почти вся теплота от теплоносителя в отапливаемое помещение передается конвекцией. Наиболее распространены конвекторы из обребренных труб, по которым проходит горячая вода или пар, трубы заключены в кожухи с отверстиями внизу и наверху для прохода воздуха.

Воздухонагреватель (рис. 1) предназначен для подогрева воздуха и для дутья при работе доменной печи.

Воздухонагреватель

Рис. 1

Он представляет собой цилиндрический корпус, перекрытый куполом 4, футерованный огнеупором и снабженный термоизоляцией. Внутренний его объем разделен на две части: одна - шахта 5 для горения с горелкой для доменного газа 3, другую занимает набивка 1 .

Набивка состоит из металлических гофрированных и рифленых лент, намотанных на деревянный сердечник так, чтобы желобки рифления, накладываясь друг на друга под углом, образовывали узкие проходы треугольного сечения.

В режиме нагрева набивки продукты сгорания от горелки поднимаются вверх, под куполом переходят через ограждающую камеру и поступают в набивку, омывая ее сверху вниз в вертикальном направлении.

В режиме дутья холодный газ, заполняя это же пространство, забирает тепловую энергию, накопленную набивкой в режиме нагрева. Нагретый газ поступает в воздухопровод горячего дутья 2.

Литература

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 2. Термодинамика и молекулярная физика.- М.: Наука, 1990.- С.509-514.

2. Конвекция. Физический энциклопедический словарь.- М.: Изд-во сов. энциклопедия, 1962.- Т.2.- С.436.

Ключевые слова

конвекция
конвективный теплообмен
теплообмен
перенос тепла
перенос вещества
поток тепла
перенос вещества

Разделы естественных наук:

Если вытянуть руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно ощутить, как над этими предметами поднимаются струи теплого воздуха. Листик бумаги, подвешенный над горящей свечей или электрической лампочкой, под воздействием поднимающегося теплого воздуха начинает вращаться.

Подобное явление можно объяснить следующим образом. Воздух соприкасается с горячей лампой, нагревается, расширяется и обретает менее плотное состояние, в отличие от окружающего холодного воздуха. Сила Архимеда, которая действует на теплый воздух со стороны холодного воздуха снизу вверх, превосходит силу тяжести, которая действует на теплый воздух. Таким образом, теплый воздух поднимается вверх, тем самым, уступая место холодному воздуху.

Подобные явления мы можем наблюдать при нагревании жидкости снизу. Теплые слои жидкости – менее плотные, а, следовательно, более легкие – вытесняются вверх более плотными и тяжелыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, нагреваются от источника тепла и снова вытесняются менее нагретой жидкостью. Таким образом, такое движение равномерно прогревает всю воду. Это можно увидеть более наглядно, если на дно сосуда положить немного кристалликов марганцовки, которая окрашивает воду в фиолетовый цвет. В подобных опытах мы можем наблюдать еще одну разновидность теплопередачи – конвекция (латинское слово «конвекцио» – перенесение).

Следует отметить, что при процессе конвекции энергия перемещается самими струями газа или жидкости. К примеру, в комнате с отоплением, благодаря явлению конвекции поток нагретого воздуха поднимается к потолку, а холодного опускается к полу. Таким образом, воздух вверху гораздо теплее, чем возле пола.

Существует два вида конвекции: естественная (или другими словами свободная) и вынужденная. Примеры с нагревом жидкости и воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Мы можем наблюдать вынужденную конвекцию, когда перемешиваем жидкость ложкой, мешалкой, насосом.

Такие вещества как жидкости и газы необходимо нагревать снизу. Если же делать наоборот – нагревать их сверху, конвекции не будет. Теплые слои не могут физически опуститься ниже холодных, более плотных и тяжелых. Таким образом, для протекания процесса конвекции необходимо нагревать газы и жидкости снизу.

В твердых телах конвекция происходить не может. Нам уже известно, что в твердых телах, частицы колеблются около определенной точки, т.к. они удерживаются взаимным притяжением. Поэтому, при нагревании твердых тел, в них не может образовываться вещество. В твердых телах, энергия может передаваться за счет теплопроводности.

Конвекция широко распространена в природе: в нижних слоях земной атмосферы, морях, океанах, в недрах нашей планеты, на Солнце (в слоях до глубины ~20-30% радиуса Солнца от его поверхности). С помощью явления конвекции осуществляют нагрев газов, а также жидкостей в разных технических устройствах.

Простым примером конвекции может также послужить охлаждение продуктов в холодильнике. Циркулирующий по трубам холодильника газ фреон, охлаждает пласты воздуха в верхней части холодильника. Охлажденный воздух, спустившись вниз, охлаждает все продукты, а потом снова направляется вверх. Когда мы раскладываем продукты питания в холодильнике, не стоит затруднять циркуляцию воздуха в нем. Решетка, расположенная ссади холодильника, служит для отвода теплого воздуха, который образуется в компрессоре при сжатии газа. Механизм охлаждения решетки также конвективный, поэтому следует оставлять свободным пространство за холодильником, чтобы конвекция проходила без затруднений.