Monday, February 11, 2019

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Konvektive Wärmeübertragung - Wikipedia


Simulation der thermischen Konvektion. Rote Farbtöne kennzeichnen heiße Bereiche, während Regionen mit blauen Farbtönen kalt sind. Eine heiße, weniger dichte untere Grenzschicht schickt Rauchfahnen aus heißem Material nach oben und ebenso bewegt sich kaltes Material von oben nach unten. Diese Darstellung stammt von einem Modell der Konvektion im Erdmantel.

Konvektiver Wärmeübergang oft einfach als Konvektion bezeichnet, ist die Wärmeübertragung von einem Ort zu einem anderen durch die Bewegung von Flüssigkeiten. Konvektion ist in der Regel die vorherrschende Form der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen. Die konvektive Wärmeübertragung wird zwar häufig als eine bestimmte Methode der Wärmeübertragung diskutiert, umfasst jedoch die kombinierten Prozesse unbekannter Leitfähigkeit (Wärmediffusion) und Advektion (Wärmeübertragung durch Volumenstrom).




Überblick [ edit ]


Die Konvektion kann durch Bewegung eines Fluids mit anderen Mitteln als Auftriebskräften (beispielsweise einer Wasserpumpe in einem Automobilmotor) "erzwungen" werden. Die thermische Ausdehnung von Flüssigkeiten kann auch die Konvektion erzwingen. In anderen Fällen sind die natürlichen Auftriebskräfte allein für die Bewegung der Flüssigkeit verantwortlich, wenn die Flüssigkeit erhitzt wird. Dieser Vorgang wird als "natürliche Konvektion" bezeichnet. Ein Beispiel ist der Schornsteinzug oder um ein Feuer herum. In der natürlichen Konvektion führt eine Temperaturerhöhung zu einer Verringerung der Dichte, die wiederum zu einer Fluidbewegung aufgrund von Drücken und Kräften führt, wenn Fluide unterschiedlicher Dichte von der Schwerkraft (oder einer Kraft) beeinflusst werden. Wenn zum Beispiel Wasser auf einem Herd erhitzt wird, steigt heißes Wasser vom Boden der Pfanne, wodurch die kältere, dichtere Flüssigkeit verdrängt wird. Nach dem Erhitzen führt das Mischen und die Leitung dieser natürlichen Konvektion schließlich zu einer nahezu homogenen Dichte und sogar zu einer gleichmäßigen Temperatur. Ohne das Vorhandensein der Schwerkraft (oder Bedingungen, die zu einer g-Kraft jeglicher Art führen) tritt keine natürliche Konvektion auf, und es arbeiten nur Zwangskonvektionsmodi.

Der Konvektionswärmeübertragungsmodus umfasst einen Mechanismus. Zusätzlich zur Energieübertragung aufgrund spezifischer molekularer Bewegung (Diffusion) wird Energie durch Volumenbewegung oder makroskopische Bewegung der Flüssigkeit übertragen. Diese Bewegung ist mit der Tatsache verbunden, dass sich zu jeder Zeit eine große Anzahl von Molekülen kollektiv oder als Aggregate bewegt. Eine solche Bewegung trägt in Gegenwart eines Temperaturgradienten zur Wärmeübertragung bei. Da die Moleküle im Aggregat ihre zufällige Bewegung beibehalten, ist die gesamte Wärmeübertragung dann auf die Überlagerung des Energietransports durch zufällige Bewegung der Moleküle und auf die Volumenbewegung der Flüssigkeit zurückzuführen. In diesem kumulativen Transport wird der Begriff Konvektion gebräuchlich verwendet, und in Bezug auf den Transport aufgrund der Bewegung der Flüssigkeitsmenge wird der Begriff Advection verwendet. [1]



Dieses Farbschlierenbild zeigt die Wärmekonvektion von einer menschlichen Hand (in Silhouette-Form) an umgebender noch Austausch.

Zwei Arten konvektiver Wärmeübertragung können unterschieden werden:


  • Freie oder natürliche Konvektion: Wenn die Bewegung des Fluids durch Auftriebskräfte verursacht wird, die sich aus den Dichteschwankungen aufgrund von Schwankungen der thermischen Temperatur im Fluid ergeben. In Abwesenheit einer internen Quelle trennen sich die Moleküle, wenn sich die Flüssigkeit in Kontakt mit einer heißen Oberfläche befindet, und zerstreuen sich, wodurch die Flüssigkeit weniger dicht wird. Infolgedessen wird die Flüssigkeit verdrängt, während die kühlere Flüssigkeit dichter wird und die Flüssigkeit sinkt. Das heißere Volumen überträgt also Wärme in Richtung des kühleren Volumens dieser Flüssigkeit. [2] Bekannte Beispiele sind der Aufwärtsstrom von Luft aufgrund eines Feuers oder eines heißen Gegenstands und die Zirkulation von Wasser in einem Topf, der von unten erhitzt wird.

  • Zwangskonvektion: Wenn ein Fluid durch eine interne Quelle wie Gebläse, Rühren und Pumpen über die Oberfläche strömen muss, entsteht ein künstlich induzierter Konvektionsstrom. [3]

In vielen Anwendungen (z. B. Wärmeverluste in der Solarzentrale) Empfänger oder Kühlung von Photovoltaik-Paneelen), natürliche und erzwungene Konvektion treten gleichzeitig auf (gemischte Konvektion). [4]

Interne und externe Strömungen können auch Konvektion klassifizieren. Ein interner Fluss tritt auf, wenn ein Fluid von einer festen Grenze eingeschlossen ist, z. B. wenn es durch ein Rohr fließt. Ein externer Fluss tritt auf, wenn sich ein Fluid unbegrenzt ausdehnt, ohne auf eine feste Oberfläche zu stoßen. Beide Arten der Konvektion, entweder natürliche oder erzwungene, können intern oder extern sein, da sie voneinander unabhängig sind. [ Zitat benötigt ] Die Bulk-Temperatur oder die durchschnittliche Fluidtemperatur ist ein bequemer Bezugspunkt für die Bewertung von Eigenschaften im Zusammenhang mit konvektiver Wärmeübertragung, insbesondere bei Anwendungen in Verbindung mit Strömungen in Rohren und Kanälen.

Je nach Glätte und Welligkeit der Festkörperoberflächen kann eine weitere Klassifizierung vorgenommen werden. Nicht alle Oberflächen sind glatt, obwohl ein Großteil der verfügbaren Informationen sich auf glatte Oberflächen bezieht. Gewellte unregelmäßige Oberflächen treten häufig in Wärmeübertragungsvorrichtungen auf, zu denen Sonnenkollektoren, regenerative Wärmetauscher und unterirdische Energiespeichersysteme gehören. Sie spielen eine wichtige Rolle bei den Wärmeübertragungsprozessen in diesen Anwendungen. Da sie aufgrund der Wellen in den Oberflächen eine zusätzliche Komplexität erzeugen, müssen sie durch elegante Vereinfachungstechniken mit mathematischen Finessen angegangen werden. Sie beeinflussen auch die Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften und verhalten sich daher anders als gerade glatte Oberflächen. [5]

Für ein visuelles Erlebnis der natürlichen Konvektion wird ein Glas mit heißem Wasser und etwas rotem Lebensmittelfarbstoff gefüllt kann mit kaltem, klarem Wasser in ein Aquarium gelegt werden. Es kann beobachtet werden, dass die Konvektionsströme der roten Flüssigkeit in verschiedenen Regionen steigen und fallen, sich dann schließlich absetzen und den Prozess veranschaulichen, wenn Wärmegradienten abgebaut werden.


Newtons Kühlungsgesetz [ edit ]



Konvektionskühlung wird manchmal lose als durch das Newtonsche Kühlungsgesetz beschrieben beschrieben. [1945935]

Das Newtonsche Gesetz besagt, dass die Wärmeverlustrate eines Körpers proportional zu den Temperaturunterschieden zwischen dem Körper und seiner Umgebung ist, während er von einer Brise beeinflusst wird . Die Proportionalitätskonstante ist der Wärmedurchgangskoeffizient. [7] Das Gesetz gilt, wenn der Koeffizient unabhängig oder relativ unabhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Objekt und Umgebung ist.

Bei der klassischen natürlichen konvektiven Wärmeübertragung ist der Wärmeübergangskoeffizient von der Temperatur abhängig. Das Newtonsche Gesetz entspricht jedoch der Realität, wenn die Temperaturänderungen relativ gering sind.


Konvektive Wärmeübertragung [ edit ]


Die grundlegende Beziehung für die Wärmeübertragung durch Konvektion ist: