freakpp031

II

4. Pomiar współczynnika przejmowania ciepła w warunkach konwekcji swobodnej

4.1. Rodzaje konwekcji

Ze zjawiskiem konwekcji, jako sposobem wymiany ciepła, mamy do czynienia w cieczach i gazach. Cechą charakterystyczną tego zjawiska jest to, że przepływ ciepła odbywa się poprzez mieszanie się cząstek płynu. Można rozróżnić trzy rodzaje konwekcji: swobodną, mieszaną i wymuszoną. Konwekcja wymuszona występuje, gdy przepływ płynu jest realizowany w sposób sztuczny, np. za pomocą pomp, wentylatorów. Z konwekcją swobodną (naturalną) mamy do czynienia, gdy ruch cząstek płynu jest spowodowany różnicą gęstości między nagrzanymi a zimnymi cząstkami. Występuje ona zawsze razem z konwekcją wymuszoną, jej wpływ jednak na intensywność wymiany ciepła przeważnie jest bardzo mały i może być pomijany. Istnieją jednak przypadki, gdy wpływ zarówno konwekcji swobodnej, jak i wymuszonej na intensywność wymiany ciepła, jest porównywalny. Taki przypadek nosi nazwę konwekcji mieszanej.

4.2. Siła wyporu

Jeżeli w nieograniczonej przestrzeni, którą wypełnia nieruchomy płyn o temperaturze T₀ i gęstości p₀, znajdują się w objętości elementarnej dV cieplejsze cząsteczki tego płynu o temperaturze T oraz gęstości p, to na płyn, zawarty w jednostkowej objętości (1 m³), w warunkach grawitacyjnych (g), działa jednostkowa siła ciężaru pg (N/m³) oraz, na podstawie prawa Archimedesa, przeciwnie skierowana siła p₀g Jak przedstawiono na rys. 4.1.

Wypadkowa jednostkowa siła wyporu działająca na element płynu o objętości dV wynosi:

^W = g(p₀-P)    (4-1)

Ponieważ gęstość płynu jest funkcją zarówno temperatury, jak i ciśnienia, więc dla płynów rzeczywistych zostało wprowadzone pojęcie współczynnika rozszerzalności cieplnej, charakteryzującego względną zmianę objętości pod wpływem zmiany temperatury przy stałym ciśnieniu: