Konvekcija

Izvor: Wikipedia
Opis Grafikon topline
Izvor [1]
Datum 14. listopad 2009.
Autor Frank P. Incropera
Objašnjenje Ovaj grafikon prikazuje toplinsku konvekciju. Crvena boja i boje bliže crvenoj pokazuju toplije dijelove, a plava boja pokazuje hladne dijelove. Ovaj graf je iz modela što prikazuje zemljin omotač.

Konvekcija je usmjereno gibanje odnosno strujanje fluida (kapljevina i plinova), topliji fluid se giba prema hladnijem i predaje toplinu okolini. Konvekcija je jedan od glavnih načina prijenosa topline. U fluidima se promjena topline odvija kroz difuziju i koherentno gibanje zraka. Difuzija je nasumično Brownovo gibanje pojedinačnih čestica u fluidu, dok je koherentno gibanje zraka prijenos topline u kojem se fluid ili toplina prenosi u većim strujama.

Konvekcijski prijenos topline[uredi - уреди]

Opći izraz riječi konvekcija često izostavlja riječ toplina, ali ipak se misli na konvekciju topline: to je slučaj u kojem je interes da se toplina odvede i rasprši. Postoje dvije glavne vrste konvekcije:

  1. Toplina se prenosi pasivno, gibanjem fluida koje bi se dogodilo i bez procesa grijanja. Ovaj slučaj konvekcije se najčešće naziva prisilna konvekcija.
  2. Toplina sama izaziva kretanje fluida (putem širenja i sile uzgona), dok se u isto vrijeme izaziva prijenos topline ovakvim skupnim gibanjem fluida. Ovaj proces se naziva prirodna konvekcija.

Oba tipa, prisilna konvekcija i prirodna konvekcija, mogu se odvijati zajedno. U tom slučaju nazivaju se mješovita konvekcija. Konvekcijski prijenos topline je mehanizam prijenosa topline koji nastaje zbog masovnog kretanja fluida. To može biti prikazano sa vodljivim prijenosom topline koje je prijenos energije vibracijama na molekularnoj razini kroz fluide i čvrsta tijela, i prijenos energije elektromagnetskim valovima. Pošto je konvekcija ovisna o masovnom gibanju, može se javljati samo u tekućinama, plinovima i višefaznim smjesama.

Prirodna konvekcija[uredi - уреди]

Prirodna je konvekcija posljedica razlike u temperaturi između dva mjesta u fluidu. Brzina strujanja je relativno mala. Kada se toplina prenosi opticajem fluida koji protječe zbog uzgona, kojem je uzrok zagrijavanja medija i promjena gustoće uslijed zagrijavanja, tada takav proces nazivamo prirodna konvekcija. Najpoznatiji primjeri su kotlovi za toplu vodu. Takvi kotlovi najčešće imaju dovod hladne vode koju moraju zagrijati odozdo, i zagrijavanjem vode na željenu temperaturu ona se kreće prema gornjoj stjenci kotla.

Tok topline kod prirodne konvekcije definiran je kao:

H_{prirodno}=hA\Delta T,\ h=h(\Delta T,\varphi),\ [h]=\mathrm\frac{W}{m^2K}

gdje je h koeficijent prijenosa topline koji ovisi o temperaturi, brzini strujanja fluida, agregatnom stanju, specifičnom toplinskom kapacitetu, tlaku,...

Prisilna konvekcija[uredi - уреди]

Prisilna konvekcija je vrsta prijenosa topline u kojem se gibanje medija generira nekim vanjskim sredstvom (npr. pumpe, lopatice turbina, kompresori itd.). S prisilnom konvekcijom se najčešće susreću inženjeri koji projektiraju ili analiziraju izmjenjivače topline, cijevni protok i još neke slične uređaje ili procese. Međutim, u bilo kojoj situaciji gdje imamo prisilnu konvekciju u malim mjerama, pojavi se i prirodna konvekcija. Količina prirodne konvekcije u nekim slučajevima nije velika pa ju možemo zanemariti, a u drugim slučajevima ju ne zanemarujemo nego se takav proces naziva mješovita konvekcija.

Tok topline kod prisilne konvekcije definiran je kao:

H_{prisilno}=hA\Delta T,\ h\neq h(\Delta T)

Kada analiziramo mješovitu konvekciju parametar zvan Arhimedov broj parametrizira relativnu snagu prirodne i prisilne konvekcije. Arhimedov broj je omjer Grashof-ovog broja i kvadrata Reynolds-ovog broja, koji predstavlja omjer uzgona sile i silu inercije.

 Ar= \frac{Gr}{Re^2}

Kada prirodna konvekcija nije značajan čimbenik, matematička analiza prisilne konvekcije obično daje točan rezultat. Za prisilnu konvekciju značajni parametar je Peclet-ov broj. Taj broj je omjer koherentnog gibanja struje i difuzije (kretanje od višeg prema nižem tlaku) topline.

 Pe=\frac{U L}{\alpha }

Plamen i konvekcija[uredi - уреди]

U bestežinskom stanju ne može doći do sile uzgona pa ni do prirodne konvekcije. Pod tim uvjetima plamen ne može gorjeti jer se uguši u vlastitim plinovima. Međutim, plamen se može održati s bilo kojim oblikom prisilne konvekcije gdje se plinovi dobiveni izgaranjem odvode i hlade, a njihovo mjesto zauzima kisik koji zauzima mjesta niskog tlaka i podržava gorenje.