Топлопренасяне чрез конвекция
Конвекция – топлопредаване в течност или газ, при което съставящите отделните частици и отделните елементи в обема на веществото, пренасят съответстващият им запас от топлинна енергия чрез движението си. При конвективния топлообмен едновременно се извършва топло и масообмен. В зависимост от начина на предизвикването му може да бъде естествен или принуден. Фигура 1 представлява графика на конвективен топлообмен на повърхността на загрята отвесна стена и заместваща топлинна схема.
Фигура 1. Конвективен топлообмен
1 – температура на стената 2 = 0 – температура на околната среда qk – топлинен поток на конвекция
Sk – повърхността на която се осъществява топлопренасяне чрез конвекция.
Топлинен участък АB – ламинарно движение на частиците с температурен градиент dt/dx = const.
Участък BC – преход от ламинарно към турбулентно движение.
Участък CD – турбулентно движение при който dt/dx = 0 и
=f(x)=const Rk – топлинно съпротивление на конвекция.
Топлообменът чрез конвекция се описва с формулата на Нютон:
qk – топлинен поток
Fk – площ на повърхността на конвективния топлообмен
ср – температура на средата
ст – температура на стената
к – коефициент на топлопренасяне при конвекция
Сложната природа на разглеждания случай на топлопренасяне, налага описанието му със система уравнения – топлопренасяне, движение на средата, еднозначност и еднородност на средата. Аналитичното решаване на тези уравнения представлява голяма трудност, поради което проектирането на топлообмена при конкретни условия се извършва на базата на опитни резултати. С помощта на диференциални уравнения конвективният топлообмен се свежда до няколко критерия, според които се определят различни критерии за пресмятане на процеса:
При естествена конвекция:
В газове с еднаква атомност (в частност за въздуха) т.е при Pr=idem:
Числото на Прандтл за голяма част от газовете се променя малко в зависимост от промяната на температурата. При по-нататъшния разчет на конвективния топлообмен могат да се използват следните данни:
| Атомност на газа | 1 | 2 | 3 | 4 |
| Pr | 0,67 | 0,72 | 0,8 | 1 |
За турбулентен режим на движение при (GrPr)cp > 106:
В качеството си на определящ размер се посочва височината на повърхността h, а в качеството на определяща
температура при която се избират физическите свойства на средата и се изчисляват стойностите на Grcp и Prcp
се избира температурата на средата tcp на разстояние от стената.
Конвективният топлообмен зависи от геометричните параметри на конкретната среда. При топлоотдаване
на “хоризонтална тръба” в условия на свободно движение на средата се използва зависимостта:
За определящ размер се взема диаметъра на тръбата d.
Топлообменът във вътрешността на затворен обем (между пластовете на топлоизолацията)
се характеризира с циркулация на газа в средата. Процесът зависи от характера на средата, температурата,
разликата между температурите на стените и взаимното им разположение. Описанието на топлообмена на еднородна
плоска стена се дава от:
Където:
ст1 и ст2 – са температури на горещата и студена стена.
Sпр – дебелина на междината.
екв = 
k.cp – еквивалентна топлопроводност на прослойката.
k – поправъчен коефициент, отразяващ влиянието на конвекцията:
k = f(GrPR)cp
При (GrPr)cp < 103, коефициентът на конвекция eк = 1,
при което процесът на топлообмен се осъществява само с топлопроводност. При 103 < (GrPr)cp < 106 за к:
При 106 < (GrPr)cp < 1010:
Приблизително за всички стойности на GrPr > 103 може да се приеме:
Ламинарно движение на средата (Recp < 2300)
Турбулентно движение на средата (Re > 5000):
