Naturlig konvektion



Al den viden, som mennesket har opsamlet gennem århundreder om Naturlig konvektion, er nu tilgængelig på internettet, og vi har samlet og arrangeret den for dig på den mest tilgængelige måde. Vi ønsker, at du hurtigt og effektivt kan få adgang til alt det om Naturlig konvektion, som du ønsker at vide, at din oplevelse er behagelig, og at du føler, at du virkelig har fundet de oplysninger om Naturlig konvektion, som du søgte.

For at nå vores mål har vi gjort en indsats for ikke kun at få de mest opdaterede, forståelige og sandfærdige oplysninger om Naturlig konvektion, men vi har også sørget for, at sidens design, læsbarhed, indlæsningshastighed og brugervenlighed er så behagelige som muligt, så du kan fokusere på det væsentlige, nemlig at kende alle de data og oplysninger, der er tilgængelige om Naturlig konvektion, uden at skulle bekymre dig om andet, det har vi allerede taget hånd om for dig. Vi håber, at vi har nået vores mål, og at du har fundet de oplysninger, du ønskede om Naturlig konvektion. Så vi byder dig velkommen og opfordrer dig til at fortsætte med at nyde oplevelsen af at bruge scientiada.comZ.

Naturlig konvektion er en type strømning, bevægelse af en væske såsom vand eller en gas såsom luft, hvor væskebevægelsen ikke genereres af nogen ekstern kilde (som en pumpe, ventilator, sugeindretning osv.), Men af nogle dele af væsken er tungere end andre dele. I de fleste tilfælde fører dette til naturlig cirkulation , en væskes evne til at cirkulere kontinuerligt med tyngdekraften og mulige ændringer i varmeenergi. Drivkraften for naturlig konvektion er tyngdekraften. For eksempel hvis der er et lag koldt tæt oven på varmere mindre tæt luft, trækker tyngdekraften stærkere på det tættere lag ovenpå, så det falder, mens den varmere mindre tætte luft stiger for at tage plads. Dette skaber cirkulerende flow: konvektion. Da det er afhængig af tyngdekraften, er der ingen konvektion i frit fald ( inertiale ) miljøer, såsom den, der kredser om den internationale rumstation. Naturlig konvektion kan forekomme, når der er varme og kolde områder af enten luft eller vand, fordi både vand og luft bliver mindre tætte, når de opvarmes. Men for eksempel forekommer det i verdenshavene på grund af, at saltvand er tungere end ferskvand, så et lag saltvand oven på et lag friskere vand vil også forårsage konvektion.

Naturlig konvektion har tiltrukket sig stor opmærksomhed fra forskere på grund af dets tilstedeværelse både i natur- og tekniske applikationer. I naturen er konvektionsceller dannet af luft, der hæver sig over sollysopvarmet land eller vand, et vigtigt træk ved alle vejrsystemer. Konvektion ses også i den stigende varme luft fra ild , pladetektonik , havstrømme ( termohalincirkulation ) og dannelse af havvind (hvor opadgående konvektion også modificeres af Coriolis-kræfter ). I tekniske applikationer visualiseres konvektion almindeligvis i dannelsen af mikrostrukturer under afkøling af smeltede metaller, og væske strømmer omkring indhyllede varmeaflednings finner og solbassiner. En meget almindelig industriel anvendelse af naturlig konvektion er fri luftkøling uden hjælp fra ventilatorer: dette kan ske i små skalaer (computerchips) til storskala procesudstyr.

Principper

Forskellen i densitet i væsken er den vigtigste drivmekanisme. Hvis tæthedsforskellene skyldes varme, kaldes denne kraft som "termisk hoved" eller "termisk drivhoved." Et væskesystem designet til naturlig cirkulation vil have en varmekilde og en køleplade . Hver af disse er i kontakt med noget af væsken i systemet, men ikke alt det. Varmekilden er placeret lavere end kølelegemet.

De fleste materialer, der er flydende ved almindelige temperaturer, udvides, når de opvarmes og bliver mindre tætte . Tilsvarende bliver de tættere, når de afkøles. Ved varmekilden i et system med naturlig cirkulation bliver den opvarmede væske lettere end væsken, der omgiver den, og stiger således. Ved kølelegemet bliver den nærliggende væske tættere, når den køler ned og trækkes ned af tyngdekraften. Tilsammen skaber disse effekter en strøm af væske fra varmekilden til kølelegemet og tilbage igen.

Eksempler

Systemer af naturlig cirkulation omfatter tornadoer og andre vejrsystemer , havstrømme og husholdningsbrug ventilation . Nogle solvandvarmere bruger naturlig cirkulation.

Den Golfstrømmen cirkulerer som følge af fordampning af vand. I denne proces øges vandet i saltholdighed og densitet. I det nordlige Atlanterhav bliver vandet så tæt, at det begynder at synke ned.

I en atomreaktor kan naturlig cirkulation være et designkriterium. Det opnås ved at reducere turbulens og friktion i væskestrømmen (dvs. minimere hovedtab ) og ved at tilvejebringe en måde at fjerne eventuelle inaktive pumper fra væskestien. Reaktoren (som varmekilde) skal også være fysisk lavere end dampgeneratorerne eller turbinerne (kølelegemet). På denne måde vil naturlig cirkulation sikre, at væsken fortsætter med at strømme, så længe reaktoren er varmere end kølelegemet, selv når der ikke kan tilføres strøm til pumperne.

Bemærkelsesværdige eksempler er S5G og S8G United States Naval reaktorer , som blev designet til at fungere ved en betydelig del af fuld effekt under naturlig cirkulation, hvilket dæmper disse fremdrivningsanlæg. Den S6G reaktor ikke opereres på strøm under naturlig cirkulation, men kan bruge det til at opretholde nødsituation afkøling mens lukket ned.

Af naturen af naturlig cirkulation bevæger væsker sig typisk ikke meget hurtigt, men dette er ikke nødvendigvis dårligt, da høje strømningshastigheder ikke er essentielle for sikker og effektiv reaktordrift. I atomreaktorer i moderne design er strømforsyning næsten umulig. Alle kernereaktorer, selv dem, der er designet til primært at bruge naturlig cirkulation som den vigtigste metode til væskecirkulation, har pumper, der kan cirkulere væsken, i tilfælde af at naturlig cirkulation ikke er tilstrækkelig.

Parametre

Begynder

Udbruddet af naturlig konvektion bestemmes af Rayleigh-nummeret ( Ra ). Dette dimensionsløse tal er givet af

hvor

  • er forskellen i tæthed mellem de to pakker materiale, der blandes
  • er den lokale tyngdeacceleration
  • er den karakteristiske længdeskala for konvektion: fx dybden på den kogende gryde
  • er diffusiviteten af den egenskab, der forårsager konvektionen, og
  • er den dynamiske viskositet .

Naturlig konvektion vil være mere sandsynlig og / eller hurtigere med en større variation i tæthed mellem de to væsker, en større acceleration på grund af tyngdekraften, der driver konvektionen, og / eller en større afstand gennem det konvektionsmedium. Konvektion vil være mindre sandsynlig og / eller mindre hurtig med hurtigere diffusion (derved diffundere væk gradienten, der forårsager konvektion) og / eller en mere tyktflydende (klæbrig) væske.

Til termisk konvektion på grund af opvarmning nedenfra, som beskrevet i kogepanden ovenfor, er ligningen modificeret til termisk ekspansion og termisk diffusivitet. Tæthedsvariationer på grund af termisk ekspansion er givet ved:

hvor

  • er referencetætheden, typisk valgt for at være den gennemsnitlige densitet af mediet,
  • er koefficienten for termisk ekspansion , og
  • er temperaturforskellen på tværs af mediet.

Den generelle diffusivitet, er omlagt til en termisk diffusivitet , .

Indsættelse af disse udskiftninger giver et Rayleigh-nummer, der kan bruges til at forudsige termisk konvektion.

Turbulens

Tendensen for et bestemt naturligt konvektivt system til turbulens er afhængig af Grashof-tallet (Gr).

I meget klæbrige, tyktflydende væsker (stor ) er væskebevægelse begrænset, og naturlig konvektion vil være ikke-turbulent.

Efter behandlingen af det foregående underafsnit er den typiske væskehastighed i størrelsesordenen op til en numerisk faktor afhængigt af systemets geometri. Derfor kan Grashof-nummer betragtes som Reynolds-nummer med hastigheden af den naturlige konvektion, der erstatter hastigheden i Reynolds- tallets formel. Imidlertid forstås det i praksis, når man henviser til Reynolds-nummeret, at man overvejer tvungen konvektion, og hastigheden tages som hastigheden dikteret af eksterne begrænsninger (se nedenfor).

Opførsel

Det Grashof nummer kan formuleres til naturlig konvektion forekommer på grund af en koncentrationsgradient , undertiden betegnet termo-solutal konvektion. I dette tilfælde diffunderer en koncentration af varm væske til en kold væske, på samme måde som blæk, der hældes i en beholder med vand, diffunderer for at farve hele rummet. Derefter:

Naturlig konvektion er stærkt afhængig af den varme overflades geometri. Der findes forskellige sammenhænge for at bestemme varmeoverførselskoefficienten. En generel sammenhæng, der gælder for en række forskellige geometrier, er

Værdien af f4 (Pr) beregnes ved hjælp af følgende formel

Nu er Nusselt-tallet, og værdierne for Nu 0 og den karakteristiske længde, der bruges til at beregne Ra, er angivet nedenfor (se også Diskussion):

Geometri Karakteristisk længde Nu 0
Skråplan x (afstand langs plan) 0,68
Skrå disk 9D / 11 (D = diameter) 0,56
Lodret cylinder x (cylinderens højde) 0,68
Kegle 4x / 5 (x = afstand langs skrånende overflade) 0,54
Vandret cylinder (D = cylinderens diameter) 0,36

Advarsel : Værdierne angivet for den vandrette cylinder er forkerte ; se diskussion.

Naturlig konvektion fra en lodret plade

I dette system overføres varme fra en lodret plade til en væske, der bevæger sig parallelt med den ved naturlig konvektion. Dette vil forekomme i ethvert system, hvor tætheden af den bevægende væske varierer med positionen. Disse fænomener vil kun være af betydning, når den flydende væske minimalt påvirkes af tvungen konvektion.

Når man overvejer at væskestrømmen er et resultat af opvarmning, kan følgende korrelationer anvendes, forudsat at væsken er en ideel diatomisk, har støder op til en lodret plade ved konstant temperatur, og strømmen af væsken er fuldstændig laminær.

Nu m = 0,478 (Gr 0,25 )

Gennemsnitligt Nusselt antal = Nu m = h m L / k

hvor

  • h m = gennemsnitlig koefficient, der er anvendelig mellem pladens nederste kant og ethvert punkt i en afstand L (W / m 2. K)
  • L = højde på den lodrette overflade (m)
  • k = varmeledningsevne (W / m. K)

Grashof-nummer = Gr =

hvor

  • g = tyngdeacceleration (m / s 2 )
  • L = afstand over underkanten (m)
  • t s = væggens temperatur (K)
  • t = væsketemperatur uden for det termiske grænselag (K)
  • v = kinematisk viskositet af væsken (m² / s)
  • T = absolut temperatur (K)

Når strømmen er turbulent, skal der anvendes forskellige korrelationer, der involverer Rayleigh-nummeret (en funktion af både Grashof-nummeret og Prandtl-nummeret ).

Bemærk, at ovenstående ligning adskiller sig fra det sædvanlige udtryk for Grashof-nummer, fordi værdien er blevet erstattet af dens tilnærmelse , som kun gælder for ideelle gasser (en rimelig tilnærmelse for luft ved omgivende tryk).

Mønster dannelse

En væske under Rayleigh Bénard-konvektion : det venstre billede repræsenterer det termiske felt og det højre billede dets to-dimensionelle Fourier-transformation .

Konvektion, især Rayleigh-Bénard konvektion , hvor konvektionsvæsken er indeholdt i to stive vandrette plader, er et praktisk eksempel på et mønsterdannende system .

Når der tilføres varme ind i systemet fra en retning (normalt nedenunder), diffunderer det ( leder ) blot nedenfra opad uden at forårsage væskestrøm. Når varmestrømmen øges, over en kritisk værdi af Rayleigh-nummeret , gennemgår systemet en forgrening fra den stabile ledende tilstand til konvektionstilstanden , hvor væskens bulkbevægelse begynder. Hvis andre væskeparametre end tæthed ikke afhænger væsentligt af temperaturen, er strømningsprofilen symmetrisk, hvor det samme volumen af væske stiger som faldende. Dette er kendt som Boussinesq konvektion.

Da temperaturforskellen mellem toppen og bunden af væsken bliver højere, kan der udvikles signifikante forskelle i andre væskeparametre end densitet i væsken på grund af temperaturen. Et eksempel på en sådan parameter er viskositet , som kan begynde at variere betydeligt vandret på tværs af væskelag. Dette bryder systemets symmetri og ændrer generelt mønsteret for op- og nedadgående væske fra striber til sekskanter, som det ses til højre. Sådanne sekskanter er et eksempel på en konvektionscelle .

Da Rayleigh-antallet øges endnu længere over den værdi, hvor konvektionsceller først vises, kan systemet muligvis gennemgå andre bifurkationer, og andre mere komplekse mønstre, såsom spiraler , kan begynde at dukke op.

Vandkonvektion ved frysende temperaturer

Vand er en væske, der ikke adlyder Boussinesq-tilnærmelsen. Dette skyldes, at dens densitet varierer ikke-lineært med temperaturen, hvilket får dens termiske ekspansionskoefficient til at være inkonsekvent nær frysetemperaturer. Den densiteten af vand når et maksimum ved 4 ° C og aftager, når temperaturen afviger. Dette fænomen undersøges ved hjælp af eksperimenter og numeriske metoder. Vand er oprindeligt stillestående ved 10 ° C i et firkantet hulrum. Det opvarmes forskelligt mellem de to lodrette vægge, hvor venstre og højre væg holdes ved henholdsvis 10 ° C og 0 ° C. Tæthedsanomalien manifesterer sig i dens strømningsmønster. Når vandet afkøles ved højre væg, øges densiteten, hvilket fremskynder strømmen nedad. Efterhånden som strømningen udvikler sig, og vandet afkøles yderligere, forårsager faldet i densitet en recirkulationsstrøm i nederste højre hjørne af hulrummet.

Et andet tilfælde af dette fænomen er tilfælde af superkøling , hvor vandet afkøles til under frysepunktet, men ikke straks begynder at fryse. Under de samme betingelser som før udvikles strømmen. Derefter sænkes temperaturen på den højre væg til -10 ° C. Dette får vandet ved væggen til at blive superkølet, skabe et flow mod uret og i første omgang overmande den varme strøm. Denne sky er forårsaget af en forsinkelse i isens kimdannelse . Når is begynder at danne sig, vender strømmen tilbage til et lignende mønster som før, og størkningen formeres gradvist, indtil strømmen genudvikles.

Mantel konvektion

Konvektion i jordens kappe er drivkraften for pladetektonik . Mantelkonvektion er resultatet af en termisk gradient: den nederste kappe er varmere end den øvre kappe og er derfor mindre tæt. Dette opretter to primære typer ustabiliteter. I den første type stiger fjer fra den nedre kappe, og tilsvarende ustabile områder af litosfæren drypper tilbage i kappen. I den anden type, subduktion af oceaniske plader (som stort set udgør det øvre termiske grænselag af kappen) springer tilbage i kappen og bevæger sig nedad mod kerne-kappegrænsen . Mantelkonvektion forekommer med hastigheder på centimeter om året, og det tager størrelsesordenen hundreder af millioner af år at gennemføre en konvektionscyklus.

Neutrino-fluxmålinger fra jordens kerne (se kamLAND ) viser kilden til omkring to tredjedele af varmen i den indre kerne er det radioaktive henfald 40 K , uran og thorium. Dette har gjort det muligt for pladetektonik på Jorden at fortsætte langt længere, end den ville have gjort, hvis den simpelthen blev drevet af varme tilbage fra jordens dannelse; eller med varme produceret gravitationel potentiel energi , som følge af fysisk omlejring af tungere dele af Jordens indre mod midten af planeten (dvs. en type langvarig faldende og bundfældning).

Se også

Referencer

Opiniones de nuestros usuarios

Birgit Ovesen

Artiklen om Naturlig konvektion er omfattende og velforklaret. Jeg ville ikke fjerne eller tilføje et komma., Artiklen om Naturlig konvektion er komplet og velforklaret

Kim Bloch

Tak for dette indlæg om Naturlig konvektion

Grethe Mouritsen

Stor opdagelse denne artikel om Naturlig konvektion og hele siden. Den går direkte til favoritterne

Philip Rasmussen

Sproget ser gammelt ud, men oplysningerne er pålidelige, og generelt er alt, hvad der er skrevet om Naturlig konvektion, meget troværdigt., Jeg fandt denne artikel om Naturlig konvektion interessant