Влияние температуры на теплообмен. Влияние ветра на теплообмен
Обновлено: 22.04.2024
На интенсивность теплоотдачи (при данном температурном напоре) влияют:
- природа возникновения движения;
- скорость и степень турбулентности набегающего потока;
- режим течения в пограничном слое;
- температура и физические свойства теплоносителя;
- форма, размеры и шероховатость поверхности обтекаемого тела и т.д.
Природа возникновения движения. Движение теплоносителя может быть вынужденным или свободным. Вынужденное движение возникает за счет внешних для данного процесса причин (движение летательного аппарата относительно воздуха; течение, обусловленное разностью давлений, создаваемой насосом, эжектором или компрессором, и др.). Свободным называется движение, возникающее за счет неоднородного распределения массовых сил в объеме теплоносителя вследствие разности плотностей холодных и горячих его частиц. Свободное движение называют также свободной конвекцией.
Степень турбулентности набегающего потока. Поток может быть турбулентным и до начала обтекания рассматриваемой поверхности, например, из-за наличия атмосферной турбулентности.
Степень турбулентности набегающего потока влияет на характер развития и структуру пограничного слоя (условия перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и уровень турбулентности в турбулентном пограничном слое).
Физические свойства теплоносителя. Интенсивность конвективного теплообмена зависит от теплопроводности, теплоемкости, вязкости и плотности теплоносителя.
Влияние коэффициента теплопроводности l на интенсивность конвективного теплообмена связано прежде всего с ламинарной частью пограничного слоя, и особенно его пристенными слоями, где скорость потока близка к нулю и теплота передаётся в основном за счёт теплопроводности.
Влияние теплоёмкости с (для газов - cp) связано с тем, что при одинаковых условиях течения теплоноситель с большей теплоёмкостью переносит большее количество теплоты.
Вязкость теплоносителя оказывает влияние на толщину пограничного слоя и на интенсивность турбулентного перемешивания в нём. При прочих равных условиях увеличение вязкости приводит к образованию более толстого пограничного слоя и ухудшению перемешивания в нём. Вязкость газов и жидкостей характеризуют коэффициентом динамической вязкости m, Па×с и коэффициентом кинематической вязкостиn, м 2 /с, которые связаны соотношением , где r, кг/м 3 - плотность теплоносителя.
Коэффициент динамической вязкости зависит главным образом от природы теплоносителя и его температуры. У жидкостей значение m с увеличением температуры уменьшается, так как уменьшаются силы межмолекулярного взаимодействия, обусловливающие их вязкость. У газов, вязкость которых обусловлена беспорядочным тепловым движением молекул, коэффициент m с увеличением температуры возрастает. При умеренных давлениях его влиянием на коэффициент динамической вязкости можно пренебречь.
Коэффициент кинематический вязкости n также определяется природой теплоносителя. Вместе с тем при данном значении m его величина изменяется обратно пропорционально изменению плотности, которая у газов увеличивается с ростом давления и снижением температуры.
Влияние плотности теплоносителя r на конвективный теплообмен проявляется через изменения массового расхода теплоносителя и коэффициента кинематической вязкости. Например, уменьшение плотности воздуха с увеличением высоты полёта ведёт к росту кинематической вязкости n и, как следствие, к увеличению толщины пограничного слоя, что наряду со снижением расхода теплоносителя приводит к снижению интенсивности теплоотдачи.
Форма, размеры и шероховатость поверхности обтекаемого тела оказывают влияние на формирование пограничного слоя. Так, удобообтекаемые тела имеют более протяжённые участки пограничного слоя с ламинарным режимом течения, что снижает интенсивность теплообмена. Влияние шероховатости становится заметным только в турбулентном пограничном слое и при условии, что высота бугорков шероховатости превышает толщину вязкого подслоя.
ФОРМУЛА НЬЮТОНА
И. Ньютон установил, что плотность теплового потока между теплоносителем и омываемой им стенкой подчиняется соотношению
где - температура соответственно теплоносителя и поверхности стенки. Разность называется температурным напором, а коэффициент a, Вт/(м 2 ×К) - коэффициентом теплоотдачи.Как видно, коэффициент теплоотдачи численно равен плотности теплового потока при температурном напоре в 1 К.
Поскольку интенсивность теплоотдачи неодинакова по всей поверхности обтекаемого тела, в практических расчётах различают местный aх (на расстоянии х от начала обтекаемой поверхности) и средний aср (по всей обтекаемой поверхности) коэффициенты теплоотдачи. Согласно формуле Ньютона местный коэффициент теплоотдачи на элементе площади dF равен ,
где dQ - тепловой поток через элемент площади dF, а DТ - температурный напор на рассматриваемом участке.
Формула Ньютона не учитывает в явном виде всех факторов, влияющих на интенсивность процесса. Это влияние учитывает коэффициент теплоотдачи a, который зависит от тех же факторов, что и интенсивность конвективного теплообмена, т.е. от характера движения теплоносителя, его физических свойств, размера l и формы поверхности обтекаемого тела и т.д.: a = f (с, l, m, r, cp, l…).
Влияние температуры на теплообмен. Влияние ветра на теплообмен
Терморегуляция на ветре и без ветра. Теплопродукция на ветре
При сравнении показателей теплообразования при ветре и при безветрии можно отметить, что при ветре и при температуре до 20° они значительно больше, чем при безветрии; при температуре от 20 до 26° приближаются одни к другим; при температуре от 26 до 30° приблизительно одинаковы при ветре и при безветрии; при 30—35° они несколько снижаются и затем снова повышаются.
При известных сочетаниях влажности и температуры-воздуха действие ветра на рецепторный аппарат может быть весьма энергичным и вызвать общее возбуждение, причем такое возбуждение может быть также и при благоприятном сочетании влажности и температуры воздуха, если скорость ветра переходит оптимальные границы. Наблюдения Соколова «и других показывают, что и слабые раздражении, вызываемые умеренным ветром, при длительном действии могут производить такой же сильный эффект.
Действие ветра необходимо в виду при организации соревнований по любым видам спорта. Бодрящее тонизирующее действие свойственно ветрам умеренно теплым. Продолжительный, равномерный умеренный ветер после первоначального освежающего и приятного возбуждения постепенно вызывает даже у крепких людей чувство утомления и расслаблении. Сильный ветер, кроме своего механического и термического действии, вызванным им шумом оказывает неблагоприятное влияние и на психику.
Чем выше температура воздуха, тем неблагоприятнее действует ветер на организм человека.
Влияние ветра на терморегуляцию выражается в показателях, данных в приведенной выше таблице. Из нее видно, что при более низкой температуре влияние ветра на потерю тепла организмом более заметно. Например, когда температура воздуха становится равной 18°, разница температуры до и после влияния ветра на кожу составляет 7,4°, т. е. температура кожи понизилась на 7,4°. При температуре воздуха 34° эта разница равняется всего 0,6°, иначе говоря, температура кожи снизилась только на 0,1°.
Следует отметить, что действие ветра на организм усиливается не пропорционально скорости его движения, а значительно медленнее, например ветер со скоростью 16 м/сек влияет на организм не вдвое сильнее по сравнению с ветром со скоростью 8 м/сек, а значительно слабее.
Практические наблюдения, подтвержденные научными данными, показали, что человек чувствует, себя хорошо при определенных сочетаниях ветра, температуры воздуха и его влажности. Невозможно, конечно, определить точные показатели соотношений между этими метеорологическими факторами, которые могли бы полностью удовлетворить всех занимающихся спортом или физической работой. Место рождения (юг, север), привычка к температурным раздражителям, общая тренированность, одежда, состояние кожи, развитие жировой клетчатки и другие обстоятельства не дают возможности установить точные показатели наиболее благоприятного влияния метеорологических факторов на каждого индивидуума.
Анализируя предлагаемые различными авторами показатели, определяющие наиболее благоприятные условия для работы в закрытых помещениях, и основываясь на собственных наблюдениях, мы можем указать, что оптимальной температурой помещения для спортивных занятий следует считать: минимум 12—15° и максимум 20—25° при относительной влажности в 40—60%. Эти показатели, особенно относительная влажность, могут подвергаться незначительным изменениям.
Для некоторых видов спорта, требующих большого мышечного напряжения, температура помещения может быть снижена до 12-13°. При такой температуре возможно выполнять различные упражнения, устраивать соревнования по поднятию штанги, заниматься боксом. Для борьбы, гимнастических выступлений, фехтования и спортивных игр необходима температура не ниже 16—18°.
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.
Температура. Различные авторы называют различную величину температуры, которую следует поддерживать в помещении. По температурным показателям Хлопина, Эрисмана и др. эта величина в среднем равняется 15—20°.
Частые и резкие колебания температуры неблагоприятны для здоровья человека, так как они нарушают способность человека приспосабливаться к окружающей среде, нарушают нормальный тепловой баланс организма.
При повышении температуры воздуха повышается и температура кожи. Величина этого повышения при увеличении температуры воздуха постепенно уменьшается.
Влияние температуры воздуха на организм непосредственно зависит от сочетания этой температуры с относительной влажностью и движением воздуха.
Ветер. Атмосферный воздух редко бывает совершенно спокойным. Скорость ветра принято измерять числом метров в секунду или в баллах шкалы Бофорта.
Ветер вызывает на открытых частях тела раздражения рецепторов, как бы массирует кожу своими толчкообразными импульсами, создавая в ней колебания температуры и игру сосудов. Помимо изменений в теплоотдаче и образования ряда компенсаторных реакций, ветер оказывает влияние на циркуляцию крови, кровяное давление, на аппарат дыхания, на психику. Однообразно дующий ветер быстрее утомляет. Тяжело действует при передвижении человека встречный ветер. Он затрудняет не только движение, но и дыхание, заставляя напрягать всю вспомогательную мускулатуру,
Ветер действует довольно сильно па человеческое тело прежде всего своей силой и скоростью. При отсутствии ветра воздух оказывает сопротивление человеческому телу только при быстром передвижении самого человека.
Сопротивление воздуха, оказываемое человеку при ветре, прямопропорционально квадрату скорости ветра и той поверхности тела, на которую он воздействует. Зная величину поверхности тела среднего человека (приблизительно 0,76 кв. м), подвергающегося действию ветра, и скорость ветра, каждый спортсмен может вычислить сопротивление, оказываемое ветром человеческому телу.
При сильном урагане со скоростью в 40 м давление воздуха на человеческое тело достигает 95 кг, и взрослый человек при этом может быть поднят на воздух (Соколов).
Приведенная нами таблица наглядно показывает, что давление воздуха на человеческое тело даже при легком ветре в 2—3,5 м в секунду достигает 0,25—0,6 кг, а при крепком ветре в 8—10,5 м доходит до 4,6 кг.
Ветер рефлекторно усиливает процессы теплообразования, повышая обмен веществ. Теплообразование увеличивается по мере понижения температуры и увеличения скорости ветра.
При наличии высокой температуры и высокой влажности ветер является главным фактором, способствующим теплорегуляции организма. Отмечено, что понижение температуры кожи начинается даже при самом незначительном движении воздуха, равном 0,03 м/сек.
Теплопродукция при ходьбе. Температура окружающей среды и тела
Выдыхаемый воздух насыщен водяными парами на 95—98%. Сухой вдыхаемый воздух способствует и большей отдаче тепла испарением с легких. Легкие ежесуточно испаряют 300—400 мл воды, что соответствует 175—230 б. кал. В таких случаях в состоянии покоя испаряется более 100 мг пота в час, что позволяет отдать более 60 б. кал.
Отдачу тепла у человека замедляет подкожный жир. Толстый слой жира препятствует выделению тепла.
Ходьба способствует увеличению теплопроизводства почти в два раза, а при беге или интенсивной работе теплопроизводство увеличивается в 4—5 раз и температура тела может повыситься на несколько десятых градуса. При продолжительной интенсивной спортивной работе при температуре внешней среды выше 25° температура тела способна повыситься на 1—1,5° и вызвать расстройство функции многих органов, а при повышении температуры тела свыше 39° — и тепловой удар.
Если на долю мышц падает 65—75% теплообразования, то при интенсивной работе или при спортивном перенапряжении оно доходит до 90 %.
Процессы теплоотдачи, теплопроведения и теплоизлучения находятся в прямой зависимости от разности температуры кожи и окружающей среды. Температура же зависит от притока к ней крови. Повышенная температура окружающего воздуха расширяет артериолы и капилляры кожи. Количество протекающей через нее крови увеличивается, температура кожи повышается, она краснеет, одновременно с этим возрастает теплоиспускание и теплопроведение.
Увеличение протекающей через кожу крови происходит за счет депонированной крови, поступающей в общее русло из печени, селезенки, из капилляров самой кожи. При охлаждении тела наступает незначительное повышение обмена веществ, а при резком охлаждении тела обмен веществ значительно увеличивается, что вызывается усиленной мышечной деятельностью.
Сужение просвета сосудов во время охлаждения тела считается явлением положительным, но только до известного предела. Когда нет притока тепла и питания, доставляемого кровью охлажденным тканям, нарушается нормальная работа клеточек организма. При длительных спазмах сосудов - стойкие и необратимые изменения в клетках и образуется гангрена.
Клетки и ткани, особенно у здорового человека, проявляют большую стойкость и противодействуют отрицательному воздействию низких температур. Организм использует свои защитные реакции в форме реактивной гиперемии.
Мы указали выше, что при охлаждении первоначально наступает сужение сосудов. Это сужение, имеющее характер спазм, продолжается в зависимости от холодового раздражения от 10 до 15 мин. и сменяется рефлекторной, пульсирующей, волнообразно протекающей гиперемией. Просвет сосудов то расширяется, то сужается, и чем сильнее холодовое раздражение, тем оживленнее работа вазомоторов, тем больше пульсирующих волн пробегает по сосудам, тем значительнее приток крови к охлажденной поверхности кожи.
Польза и вред инфракрасного обогревателя (326310)
Среди электрических обогревателей, которые мы используем в быту, наиболее популярными сейчас становятся инфракрасные нагреватели. Они очень широко рекламируются в Интернете и в газетах. Говорят, что они намного эффективнее масляных радиаторов и тепловентиляторов. Меньше потребляют энергии, не сжигают кислород и т.д. Главное – они совершенно не вредные, никакого отрицательного воздействия на организм человека не оказывают. Далее
Почему горячая вода замерзает быстрее, чем холодная? (214630)
Это действительно так, хотя звучит невероятно, т.к в процессе замерзания предварительно нагретая вода должна пройти температуру холодной воды. Парадокс известен в мире, как «Эффект Мпембы». Далее
Вредно ли разогревать пищу в микроволновке? (200734)
Одна моя знакомая отказывается есть пищу, которую кто-то разогрел в микроволновой печи. Всему виной - страшилки в Интернете. Далее
Контролируйте температуру приготовления мяса! (183313)
При приготовлении сырого мяса, особенно, домашней птицы, рыбы и яиц необходимо помнить, что только нагревание до надлежащей температуры убивают вредные бактерии. Далее
451 градус по Фаренгейту, температура возгорания бумаги? (179411)
451 градус по Фаренгейту. Это название знаменитой книги Рэя Брэдбери. На языке оригинала звучит так: ‘Fahrenheit 451: The Temperature at which Book Paper Catches Fire, and Burns’. Действительно ли при этой температуре начинают гореть книги? Далее
Основные разделы
Если прибавить к морозу ветер…
На сколько холоднее на морозе если дует ветер?
Все люди знают, что мороз кажется значительно сильнее, если он сопровождается сильным ветром. Это, как говорится, «качественное» наблюдение интересно бы было подкрепить «количественными» данными, для того, чтобы, собираясь на работу и слушая прогноз гидрометцентра о температуре и ветре, точно знать на сколько нам будет холодно на улице. Помню в детстве у нас отменяли занятия в начальных классах школы, если температура падала ниже -25 °С. Справедливо ли это? Вот если, например, температура -20 °С, а ветер 10 м/с, не холоднее ли получится по сравнению с безветрием при -25 С?
Подсчитать влияние ветра не так просто. Как сообщает американская метеорологическая служба погоды NWS (National Weather Service) учеными несколько лет назад была выведена формула для расчета охлаждения ветром. На сайте NWS приведен довольно сложный расчетный полином и даже on-line калькулятор, позволяющий получить «реальную температуру», введя скорость ветра и температуру воздуха.
Условия получения решения на калькуляторе:
- скорость ветра измерялась на средней высоте лица человека (160 см.)
- расчет основан на геометрической модели лица человека
- расчет использует теорию теплообмена лица и окружающей среды в ветряный и холодный день
- минимальная скорость ветра для введения в калькулятор 0,3 м/с
- расчет использует стандартное тепловое сопротивление кожи лица
- в расчет не принимается нагрев излучением солнца
Для тех, кому лень разбираться с заграничным калькулятором мы сделали небольшой расчет для наших зимних температур и ветров. Смотрите таблицу! Синим цветом показан реальный мороз.
0
-5
-10
-15
-20
2
5
10
15
И не удивительно, я думаю, что все согласятся, что если на дворе -20 °С, то прибавив ветер 10 м/с получим такой ужас, как -34 °С!
Похожие по тематике статьи на сайте:
Другие статьи раздела
Комментарии:
Александр Магунов , 25.02.2010 11:02 | НИИПМТ
Здесь дело, видимо, в разных способах определениях термина "температура". Если на улице мороз -20 С, то ртутный термометр покажет эту температуру при любой скорости ветра – от 0 (полное спокойствие воздуха) до 15 м/с. В случае мороза -30 и сильного ветра расчет с помощью калькулятора может показать температуру -45 С, однако ртуть в термометре не замерзнет, хотя температура ее замерзания -39 С. Дело в том, что вычисляемые калькулятором температуры – фиктивны, они основаны на ощущении холода человеком, а не на измерении температуры воздуха. Ветер всегда увеличивает коэффициент теплоотдачи, который стоит в законе Ньютона-Рихмана (закон связывает плотность теплового потока с разностью температур). Коэффициент теплоотдачи и скорость теплопотерь увеличиваются потому, что ветер непрерывно убирает тепловой пограничный слой, в котором происходило бы плавное изменение температуры (от температуры человека до температуры воздуха). При ветре толщина пограничного слоя очень мала, поэтому градиент температур в слое велик, а это означает высокую скорость теплопотерь. При субъективной оценке температуры по скорости теплопотерь кажется, что воздух при ветре холоднее. На самом деле – тоньше пограничный слой и выше теплопотери. Для термометра такой разницы нет. С ветром или без ветра, он покажет одну и ту же температуру воздуха. В чем, однако, проявится ветреная погода для термометра: если вынести жидкостный термометр из помещения на мороз, при ветре он остынет быстрее, чем в отсутствие ветра. Причина – опять в толщине пограничного слоя и скорости теплообмена.
Моисеева , 04.03.2010 04:03 | ВНИИМ
Совершенно верно. Температура, которую мы получаем с помощью формулы – это, так называемая «температура теплоощущения» человека. Температура кожи человека никогда не равна температуре окружающего воздуха. Но если, например рассчитать эту температуру при -20 С и при -34 С без ветра, а потом с ветром 10 м/с, то температура с ветром при -20 С будет такая же, как без ветра при -34 С. Задача определить температуру поверхности кожи не такая простая. Недаром в заметке написано, что была использована модель человеческого лица и усредненные данные по тепловому сопротивлению кожи, кроме того, вероятно, в расчет принимался средний согревающий тепловой поток к коже от кровеносной системы и теплоотвод в окружающую среду. Таким образом, интенсивность теплообмена с поверхности кожи определяется сложными граничными условиями третьего рода с вынужденной конвекцией. Из решения этой сложной теплофизической задачи и была получена формула для температуры теплоощущения. Вообще говоря, эта температура зависит также от влажности воздуха, которая влияет на теплообмен за счет испарения.
Еванжелиста , 08.04.2010 04:04 | садовод
Действие морозных ветров приносит ущерб садоводам, которые ленятся защищать теплолюбивые культуры и надеются, что мороз был небольшой. Опытные садоводы защищают растения пленками и тем самым препятствуют иссушающему действию именно ветров в зимнюю пору.
Александр , 30.01.2015 12:44
Не знаю, как там ощущения, но при -20 С и скорости 70 км/ч (20 м/с) дизельное топливо стало замерзать . После остановки через минут 15 машина опять завелась. Видимо, тоже от ощущения.
Павел , 03.01.2019 10:05
Александр, развернутый комент Магунова очень верен, а в случае с дизелем работает тот же закон с пограничным слоем, только не нужно забывать что топливо в баке подогревается обраткой, а на большой скорости обратка быстрее охлаждается.
Читайте также: