Конвекционное тепло



Конвекция – это перемещение тепла за счет перемещения конкретных макроскопических объемов жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается передачей тепла посредством теплопроводности.

Под конвективным теплообменом понимают процесс распространения тепла в жидкости (или газе) от поверхности твердого тела или к поверхности его одновременно конвекцией и теплопроводностью. Такой случай распространения тепла называют также теплоотдачей соприкосновением или просто теплоотдачей.

Перенос тепла конвекцией тем интенсивнее, чем более турбулентно движется вся масса жидкости и чем энергичней осуществляется перемешивание ее частиц. Т. о. Конвекция связана с механическим переносом тепла и сильно зависит от гидродинамических условий течения жидкости.

По природе возникновение различают два вида характера движение жидкости:

1. Свободное движение жидкости (т. е. естественная конвекция) – возникает вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости и определяется физическими свойствами жидкости, ее объемом и разностями температур нагретых и холодных частиц.


2. Вынужденное (принудительное) движение жидкости (принудительная конвекция) возникает под действием какого-либо постороннего возбудителя, например насоса, вентилятора. Оно определяется физическими свойствами жидкости, ее скоростью, формой и размерами канала, в котором осуществляется движение.

В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Процессы теплоотдачи неразрывно связаны с условиями движения жидкости. Как известно, имеются два основных режима течения: ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйчатый характер. При турбулентном – движение неупорядоченное, вихревое. Для процессов теплоотдачи режим движения рабочей жидкости имеет очень большое значение, так как им определяется механизм переноса тепла.

 

Механизм передачи тепла конвекцией

(конвективный теплообмен)

Рассмотрим процесс передачи тепла конвекцией и теплопроводностью от поверхности твердого тела к омывающему ее потоку жидкости (или газа) либо, наоборот, от потока к твердому телу, например стенке теплообменного аппарата.

В ядре потока перенос тепла осуществляется одновременно теплопроводностью и конвекцией. Механизм переноса тепла в ядре потока при турбулентном движении среды характеризуется интенсивным перемешиванием за счет турбулентных пульсаций, которое приводит к выравниванию температур в ядре до некоторого среднего значения tср (tср1 или tср2).


ответственно перенос тепла в ядре определяется, прежде всего характером движения теплоносителя, но зависит также от его тепловых свойств. По мере приближения к стенке интенсивность теплоотдачи падает. Это объясняется тем, что вблизи стенки образуется тепловой пограничный слой, подобный гидродинамическому пограничному слою. Т. о. по мере приближения к стенке все большее значение приобретает теплопроводность, а в непосредственной близости от стенки (в весьма тонком ламинарном тепловом подслое) перенос тепла осуществляется только теплопроводностью.

Тепловым пограничным подслоем считается пристенный слой, в котором влияние турбулентных пульсаций на перенос тепла становится пренебрежимо малым.

Следует отличать, что интенсивность т/отдачи определяется, в основном, термическим сопротивлением пристенного подслоя, которое по сравнению с термическим сопротивлением ядра оказывается определяющим.

При турбулентном движении жидкости теплообмен происходит значительно интенсивнее, чем при ламинарном. С повышением турбулентности потока перемешивание усиливается, что приводит к уменьшению толщины пограничного слоя и увеличению количества передаваемого тепла.

Одной из практических задач в технике является развитие турбулентности при движении теплоносителей.

Цель развития турбулентности в теплообменной аппаратуре – снижение толщины теплового пограничного подслоя, в этом случае процесс лимитируется только конвекцией.

Количество тепла, переносимого молекулярной теплопроводностью определяется по закону Фурье:


Конвекционное тепло (1)

t – температура на границе

Тепло, переносимое конвекцией определяют по закону Ньютона или закону теплоотдачи:

Конвекционное тепло (2)

 

Количество тепла, передаваемое поверхностью F, имеющей температуру tст окружающей среде с температурой tср прямопропорционально поверхности теплообмена и разности температур м/у tст и tср окружающей среды.

 

За счет турбулентных пульсаций идет выравнивание температур и можно приравнять Конвекционное тепло .

Приравняв (1) и (2) уравнение получим:

Конвекционное тепло , но Конвекционное тепло величина трудноопределимая.

Конвекционное тепло коэффициент теплоотдачи, [Вт/м2·К] – показывает, какое количество тепла передается от 1 м2 поверхности стенки к жидкости при разности температур между стенкой и жидкостью в один градус.

Величина


Конвекционное тепло характеризует интенсивность переноса тепла между поверхностью тела, например твердой стенки и окружающей средой (капельной жидкостью или газом).

Процесс теплоотдачи является сложным процессом, а коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс.

Коэффициент теплоотдачи зависит от следующих факторов:

— скорости жидкости Конвекционное тепло , ее плотности Конвекционное тепло и вязкости Конвекционное тепло , т. е. переменных, определяющих режим течения жидкости;

— тепловых свойств жидкости (уд. теплоемкости Ср, теплопроводности Конвекционное тепло ), а также коэффициента объемного расширения Конвекционное тепло ;

— геометрических параметров – формы и определяющих размеров стенки (для труб – их диаметр d и длина L), а также шероховатости Конвекционное тепло стенки.

Т. о. Конвекционное тепло .

ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ

 

А. или тепловое излучение свойственно всем телам, температура которых отлична от 0 0К.

Длины волн теплового излучения лежат в инфракрасной части спектра и имеют длину 0,8 ÷ 40 мкм. И поскольку отличаются от других электромагнитных волн только длиной, то и подчиняются законам квантовой механики.

Интенсивность теплового излучения возрастает с повышением температуры тела, и при высоких температурах (примерно, при t Конвекционное тепло 600 0C) лучистый теплообмен м/у телами приобретает доминирующее значение


<== предыдущая лекция | следующая лекция ==>
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ И АППАРАТЫ | Сложная теплопередача

Источник: helpiks.org

Что такое конвекция

Конвективный обогрев задействует самые простые законы физики, согласно которым нагретый воздух становится более легким и поднимается вверх. На этом принципе построен каждый отопительный конвектор, независимо от того, от чего он питается. Как показывает практика, такая схема обладает высокой эффективностью – в жилых помещениях становится тепло, причем сравнительно быстро.

Конвекторное отопление позволяет обогревать помещения любого назначения – это могут быть жилые комнаты, детские комнаты, коридоры и фойе, кухонные помещения, ванные комнаты и туалеты, крытые балконы и лоджии. Оно греет за счет нагретого воздуха, быстро насыщая теплом отапливаемые помещения. Давайте посмотрим, как происходит процесс прогрева:


  • Обладая большой площадью рабочей поверхности, нагревательный элемент нагревает находящийся вокруг него воздух;
  • Теплые воздушные массы поднимаются вверх, покидая оборудование (или просто отправляясь вверх, если используются радиаторы отопления конвекторного типа);
  • На место ушедшего вверх воздуха поступают холодные воздушные массы.

Процесс повторяется до тех пор, пока конвекторное отопление не прогреет весь воздух в помещениях.

Нагревательные элементы могут работать от электрической сети или за счет сжигания газового топлива. Батареи отопления конвекторного типа работают за счет поступающего в них теплоносителя. Кстати, батареи лишены корпусов, в отличие от тех же электрических и газовых конвекторов. Но принцип действия у них аналогичный – прогрев осуществляется за счет нагревающегося воздуха, а тепловое излучение от них очень слабое.

Достоинства и недостатки конвекторного отопления

Давайте глянем, в чем заключаются основные преимущества конвекторного отопления, и попробуем представить все плюсы в виде списка:

  • Возможность обогрева помещений любого назначения;
  • Отсутствие воздействия на воздух (конвекторное отопление не сжигает кислород);
  • Слабое воздействие на влажность воздуха;
  • Легкость в монтаже оборудования (характерно для электрических приборов);
  • Отсутствие негативного влияния на самочувствие (этим конвектор выгодно отличается от ИК-обогревателя);
  • Большой выбор оборудования для организации обогрева.

Существуют и определенные недостатки:

  • Конвекторное отопление незначительно влияет на влажность воздуха. Впрочем, это характерно для многих отопительных приборов;
  • Некоторым людям не нравится ощущение перегретого воздуха;
  • Низкая эффективность в помещениях с высокими потолками;
  • Высокая разница температур в нижней и верхней части комнат.

Если же брать во внимание электрическое конвекторное отопление, то оно характеризуется еще одним недостатком – дороговизной. Но если в доме отсутствует газовая магистраль, а вы хотите, чтобы система отопления была недорогой и легкой в монтаже, то без конвекторов не обойтись.

Разновидности конвекторов

Давайте посмотрим, что нужно для того чтобы создать конвекторное отопление в своем доме. Готовая система может быть:

  • Водяной – с применением конвекторных радиаторов отопления, с трубами и котлом (электрическим, газовым, твердотопливным или жидкостным);
  • Электрической – здесь мы подразумеваем установку электрических конвекторов;
  • Газовой – в комнатах ставятся специальные газовые конвекторы, чаще всего питающиеся от баллонного газа.

Поговорим об этих конвекторах более подробно и выясним отличительные черты тех или иных систем конвекторного отопления.

Источник: remont-system.ru

Принцип работы, плюсы и минусы

Работа большей части обогревательных устройств основана на принципе конвекции. Это явление проявляется в движении нагретого воздуха вверх, холодного вниз. Конвекторное отопление и конвекторы как раз и используют этот физический закон.

В обогревателе стоит нагревательный элемент с большой площадью теплообмена. Снизу к нему подходит холодный воздух, проходя через нагреватель он прогревается и поднимается к потолку, вытесняя более холодный. Вот таким образом и происходит распределение тепла.

Плюсы отопления дома конвекторами:

  • Так как работа основана на физическом законе, движение воздуха не зависит от каких-либо факторов. Работает нагреватель — тепло разносится.
  • Бесшумная работа. Если не включать вентилятор (встраивается для более активного прогрева), шума нет вообще никакого.
  • Быстрый выход в рабочий режим: включили, прошло пару минут, и конвектор уже греет воздух.
  • Быстро нагревается и остывает, что позволяет поддерживать почти идеальный температурный фон (в моделях с термостатом).

Если сравнивать конвекторы и масляные радиаторы, то лучше — конвекторы. В случае с масляным радиатором, тепло только возле него. Может быть даже жарко, а на расстоянии метр-два уже холодно. Конвектор, за счет того, что «гоняет» воздух, распределяет тепло более равномерно. Так что если не знаете, что выбрать масляный радиатор или конвектор — берите второй. Более комфортно. И еще  — отопление конвекторами дома или квартиры более экономно. По сравнению с теми же маслеными радиаторами экономия составит 20-30%.

Безусловно, отопление дома конвекторами имеет и недостатки. С ними разберемся подробнее — чтобы не было неожиданностей.

  • Постоянно движущийся воздух носит с собой пыль и аллергены — это совсем нехорошо для аллергиков. Кроме того, это движение может приносить некоторый дискомфорт — ощущаться как сквозняк.
  • Несмотря на постоянно перемещающиеся воздушные массы, под потолком воздух теплее, чем у пола. Для людей такое распределение температур некомфортно: ногам холодно, а голове жарко.
  • Отопление дома конвекторами — медленный процесс. Скорость естественного движения воздуха невысокая. Для ускорения процесса ставят высокотемпературные нагревательные элементы. Тогда конвекция более активная, но нагретые до высоких температур элементы, могут сжигать кислород и пыль, попадающую вместе с воздухом на раскаленную поверхность. Поэтому важно, чтобы температура нагревателя была не слишком высокой.

В общем, отопление квартиры, дачи или дома конвекторами — неидеальное решение, но приемлемое. С их помощью можно обеспечить комфортное проживание зимой для любых условий и помещений, но счета за электричество будут немалые. И еще один момент — выделенная на дом или квартиру мощности должно быть на 20-30% больше, чем суммарная мощность электрических обогревателей. Иначе из-за перегрузок будет срабатывать защита.

Виды конвекторных обогревателей

Конвекторы для обогрева помещений могут быть частью водяного отопления, а могут быть отдельными отопительными приборами. Перед тем как выбрать конвектор, надо ознакомиться с их свойствами и особенностями хотя бы в общих чертах. Так выбор будет осознанным и, скорее всего, вы его сделаете правильно.

Для водяного отопления

Конвекторы для водяного отопления отличаются от радиаторов намного большей теплоизлучающей поверхностью. Обычно на трубу с теплоносителем закрепляются дополнительные пластины (ребра). Эти ребра также нагреваются, а проходящий воздух отбирает это тепло. За счет этого ускоряется нагрев. Именно по большой площади теплообменника и отличают отопление дома конвекторами от радиаторного, хотя деление это в большей степени условно.

Для более привлекательного внешнего вида, конструкция из трубы с пластинами закрывается металлическим кожухом или декоративной решеткой. Не слишком привлекательное внешне устройство, но, за счет ребер и конвекции эффективно передает тепло.

По способу установки есть следующие виды водяных конвекторов для отопления дома или квартиры:

  • Встраиваемые в пол. Идеальный вариант, если вам надо обогреть панорамное окно (называют еще французское остекление), стеклянные двери, ведущие на террасу, балкон, в сад. Декоративная решетка, прикрывающая прибор находится на одном уровне с напольным покрытием, поток воздуха направлен на стекло, предупреждая его обмерзание. Недостатки — сложность монтажа. Сделать это можно только на стадии капитального ремонта. Причем придется либо делать углубление под корпус, что не всегда возможно, либо поднимать пол. Оба решения дорогостоящие.
  • Настенные. Один из видов — металлические радиаторы. В них конвекционная составляющая переноса тепла очень высока, хоть и называются они радиаторами. Более дешевый вариант по сравнению с любыми другими радиаторами, но и чаще подлежит замене (металл используется черный, а он быстро разрушается).
  • Напольные радиаторы. Эти модели могут стоять не только у стены. Такие модели конвекторов можно выбрать, если вам необходимо обогревать стеклянную стену, большое окно от пола для потолка. Их ставят и если несущая способность материала, из которого сложена стена, не выдерживает больших статических нагрузок (гипсокартонные перегородки, например). Внешне мало отличаются от настенных, кроме того, что стоят на ножках. Есть дизайнерские модели, которые могут быть даже в виде скамейки или стола.
  • Греющий плинтус. Это одна из разновидностей водяных конвекторов, которая отличается малой высотой — до 12-15 см и глубиной — около 5 см. Представляет собой медные трубы с оребрением, прикрытые специальными пластиковыми кожухами, которые очень напоминают плинтуса. Система набирается из небольших секций, соединенных между собой трубами. Монтируется в месте примыкания пола и стен по периметру помещения — как раз там где обычно располагается плинтус. Из-за внешнего вида называется «плинтусное отопление». Если вы не хотите чтобы отопление конвекторами портило дизайн, обратите внимание на плинтусные конвекторы.

В нашей стране конвекторы в водяной системе отопления увидишь нечасто. Привыкли мы больше доверять более надежным металлам: чугуну, нержавейке и т.д. Хотя при желании можно найти и медные модели, которые будут служить долго. Но тут уже останавливает цена — слишком уж высока. Да и разница в ощущениях есть — отопление дома конвекторами не для всех комфортно, так как создает ощущение сквозняка.

Электрические конвекторы

Если вкладывать много денег в систему водяного отопления нет желания или возможности, отопление дома конвекторами можно сделать на основе электрических моделей. Это самостоятельные отопительные приборы, которые могут быть как дополнительным, так и основным источником тепла. Бывают электрические конвекторы с различными способами установки:

  • Настенные:
    • устанавливаются под окно, чтобы отсекать холод, который идет от стекол, имеют традиционно вид прямоугольника, навешиваются на несколько креплений, вкрученных в стену или прикрученных к ней;
    • навешиваются на любой свободный участок стены;
    • монтируются под потолок, чаще похожи на внутренний блок кондиционера, имеют жалюзи для смены направления воздушного потока, которые управляются с пульта.
  • Напольные. Мобильные обогреватели, подвижность которых ограничивается длиной электрического шнура. Но никто не мешает перенести устройство к другой розетке.

Отопление дома конвекторами, работающими от электричества хорошо тем, что не требует серьезного монтажа. Эти устройства весят немного, большой нагрузки на стены не создают. Нужны всего два-три крюка (в зависимости от размера), на которые они навешиваются и рядом расположенная розетка. И все, можно включать и греться. Еще один плюс — выход из строя одного из элементов (кроме электропитания, конечно) не наносит вреда всем остальным. Нерабочий конвектор заменить — дело пары минут, если он у вас есть в запасе, или пары часов, если надо ехать покупать.

Ну а минусы электрических конвекторов следующие:

  • Нет электричества, нет обогрева. Без вариантов. Хоть костер в доме разводи (а лучше сделать систему аварийного электропитания, но это большие затраты).
  • Отопление дома конвекторами имеет малую тепловую инерцию. Это позволяет быстро начинать прогрев, но,  как только выключаются конвекторы, дом или квартира начинают остывать.
  • Электричество — самый дорогой из энергоносителей, и отопление конвекторами тоже не дешевое. Например, чтобы прогреть дом в 100 кв.м в Средней Полосе России, расходуется от 1000 до 1400 кВт в месяц. Точный расход зависит от среднемесячных температур и степени утепления дома, но ориентировочную стоимость подсчитать по этим данным несложно. Даже с учетом ночных тарифов (если они есть) получается немало.
  • Для отопления дома полностью электрическими конвекторами требуется большая выделенная мощность, а такая роскошь есть не у всех.

В общем, отопление дома конвекторами в местах, где перебои с электричеством явление редкое — это неплохой вариант, не требующий больших затрат на устройство и установку обогревателей. Но он затратен с точки зрения ежемесячных расходов.

Газовые конвекторные обогреватели

Если не знаете, как сделать так, чтобы отопление дома конвекторами было экономным, рассмотрите газовые конвекторы. Это небольшие приборы, которые могут работать от природного или сжиженного газа. Газ является самым дешевым топливом на сегодня, так что и отопление газовыми конвекторами — одно из самых экономных.

Устройство газовых конвекторов простое и эффективное, КПД в среднем — 85%. Газ сжигается в теплообменнике (стальной или чугунный), тепло распространяется либо за счет естественных процессов, либо за счет работы встроенного вентилятора. Продукты сгорания выводятся через трубу на улицу. По способу отвода газов, это оборудование бывает:

  • С коаксиальной трубой (труба в трубе). Называют еще парапетного типа. Монтироваться может на любой наружной стене. Для установки необходимо в стене проделать отверстие подходящего диаметра — для дымохода. По наружной трубе коаксиала в горелку/теплообменник поступает воздух, необходимый для процесса горения, по внутренней трубе выходят продукты горения.
  • Каминного типа. Этот тип газовых конвекторов устанавливаться может недалеко от дымохода. Продукты сгорания отводятся через дымоход традиционной конструкции. Воздух для горения забирается из помещения, в котором установлено оборудование, поэтому необходима приточная вентиляция.

Если вы хотите сделать отопление дома конвекторами на газе, надо определиться с типом отведения дыма. Меньше хлопот при установке парапетных моделей. Но, при работе в морозы, коаксиал часто обмерзает, так что забор воздуха и отведение газов прекращается, что приводит к останову отопления (срабатывает автоматика). Если это происходит днем — не проблема почистить трубу от наледи, но ночью выходить на улицу в мороз — не слишком приятная затея.

Еще один минус — в коаксиал при сильном ветре попадает слишком сильный поток воздуха, который может задуть пламя горелки. С этим явлением довольно успешно борются при помощи защитных решеток, но все равно, при определенном направлении, ветер, случается, гасит пламя.

С установкой газового конвектора каминного типа сложностей больше: надо установить дымоход, обеспечить приток воздуха для горения. Зато работают такие устройства стабильнее и любые морозы им не страшны. Минус — если надо сделать отопление конвекторами всего дома и в каждом помещении поставить по агрегату, придется ставить для каждого дымоход. Или продумывать систему так, чтобы многоканальный дымоход был в центре, а к нему подключались каминные конвектора. Это тоже совсем не просто, но затрат и хлопот меньше. В любом случае отопление дома конвекторами на газе намного более экономичное, чем электрическими моделями.

Источник: teplowood.ru


Leave a Comment

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.