Konvektive Wärmeübergangskoeffizienten
Wärmeübergangskoeffizienten für natürliche und erzwungene Konvektion unter typischen Bedingungen.
Übersicht
Konvektive Wärmeübertragung ist der Prozess des Wärmeaustauschs zwischen einer festen Oberfläche und einem bewegten Fluid (Flüssigkeit oder Gas). Die Rate dieser Übertragung wird durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz bestimmt und wird von den Eigenschaften des Fluids, dem Strömungsregime (laminar oder turbulent), der Oberflächengeometrie und der Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst.
Wichtige Formeln
Newtons Abkühlungsgesetz berechnet die gesamte Wärmeübertragungsrate.
Konvektiver Wärmeübertragungsrechner
Der Konvektionskoeffizient (h) wird oft durch empirische Korrelationen bestimmt, die dimensionslose Zahlen wie die Nusselt-Zahl (Nu), Reynolds-Zahl (Re) und Prandtl-Zahl (Pr) verwenden. Eine häufige Form für erzwungene Konvektion über einer ebenen Platte ist:
Wobei h = (Nu * k) / L, mit k als die Wärmeleitfähigkeit des Fluids und L als eine charakteristische Länge.
Variablen
Symbol | Variable | SI-Einheit | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| Q | Wärmeübertragungsrate | W | Gesamte übertragene Energie pro Zeiteinheit |
| h | Konvektionskoeffizient | W/(m²·K) | Proportionalitätskonstante; hängt von Strömungs- und Fluideigenschaften ab |
| A | Oberfläche | m² | Fläche der Oberfläche in Kontakt mit dem Fluid |
| ΔT | Temperaturdifferenz | K | Unterschied zwischen Oberflächen- und Bulktemperatur des Fluids |
| Nu | Nusselt-Zahl | - | Dimensionslos; Verhältnis von konvektivem zu leitendem Wärmeübergang |
| Re | Reynolds-Zahl | - | Dimensionslos; Verhältnis von Trägheits- zu viskosen Kräften |
| Pr | Prandtl-Zahl | - | Dimensionslos; Verhältnis von Impulsdiffusivität zu Temperaturleitfähigkeit |
| k | Wärmeleitfähigkeit | W/(m·K) | Eigenschaft des Fluids |
Quelle: engineeringtoolbox.com
Typische Konvektionskoeffizienten
Der Wert von h variiert enorm. Verwenden Sie diese als grobe Größenordnungsschätzungen für das erste Entwurfsdesign.
Konvektionsprozess | h (W/m²·K) | Typischer Kontext |
|---|---|---|
| Freie Konvektion, Luft | 5 - 25 | Vertikale Platte, beheizt. Minimale Lüfterwirkung. |
| Erzwungene Konvektion, Luft | 10 - 200 | Luftstrom über Oberflächen, Elektronikkühlung. |
| Erzwungene Konvektion, Öl | 60 - 1800 | Hydraulische Systeme, Motorschmierung. |
| Erzwungene Konvektion, Wasser | 300 - 6000 | Rohrströmung, Wärmetauscher. |
| Siedewasser | 3000 - 100000 | Hohe Werte aufgrund von Phasenänderung (latente Wärme). |
| Kondensierender Dampf | 5000 - 100000 | Ähnlich hohe Werte durch Freisetzung latenter Wärme. |
Quelle: engineeringtoolbox.com
Erzwungene und natürliche Konvektion
Erzwungene Konvektion tritt auf, wenn ein Fluidfluss durch eine externe Kraft verursacht wird, wie z. B. eine Pumpe, ein Lüfter oder ein Mischer. Natürliche oder freie Konvektion wird durch Auftriebskräfte verursacht, die auf Dichteunterschiede zurückzuführen sind, die durch Temperaturvariationen im Fluid entstehen. Der Wärmeübergang pro Oberflächeneinheit durch Konvektion wurde erstmals von Newton beschrieben, und die Beziehung ist als Newtonsches Abkühlungsgesetz bekannt.
Beispiel - Konvektiver Wärmeübergang
Für eine Außenwand mit einer Oberfläche von 60 m2, einem Konvektionskoeffizienten von 8 W/(m2 K) und einer Temperaturdifferenz von 12 K zwischen der Wandoberfläche und der umgebenden Luft:
Die Wärmeübergangsrate beträgt daher 5,76 kW von der wärmeren Oberfläche zur kühleren Luft. Dieselbe Beziehung gilt für Kühlregister, beheizte Platten, Prozessbehälter und Rohroberflächen, wenn ein repräsentativer Konvektionskoeffizient bekannt ist.
Einheitenkonverter
Wärmeübergang-Einheitenkonverter
Diagramm des Wärmeübergangskoeffizienten für Luftströmung
Für Luftströmung gibt die Quellseite die empirische Näherung:
wobei die relative Geschwindigkeit zwischen der Objektoberfläche und der Luft in m/s ist. Die Gleichung ist empirisch und gilt näherungsweise für Geschwindigkeiten von 2 bis 20 m/s.
Wärmeübergangskoeffizient der Luft vs. relative Geschwindigkeit
Diagramm des konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten
Das ursprüngliche Bild convective_heat_transfer_chart.png ist unten als interaktive Daten dargestellt. Da das Quellgrafik ein Bereichsdiagramm ist, wird jeder Prozess mit unteren und oberen Koeffizientengrenzen dargestellt.
Typische Konvektionskoeffizient-Bereiche
Wiederhergestellte Originalquellentabellen
Die folgenden Tabellen werden von der originalen Quellenseite wiederhergestellt, um die vollständigen Referenzdaten zu erhalten. Die zwischengespeicherte Quellenseite enthält geteilte Such-/Layouttabellen ohne ingenieurtechnische Zeilen; die substantiellen Konvektionsdaten werden in den Koeffizienten-DataTables und dem interaktiven Diagramm oben erhalten.
Originalquellen-Bilder
Die folgenden Originalquellen-Bilder werden erhalten, um den Verlust visueller Referenzmaterialien zu vermeiden. Wenn ein Bild Diagramm- oder Tabellendaten enthält, werden seine extrahierten Werte in den Seitentabellen, Rechnern oder interaktiven Diagrammen dargestellt; verbleibende Bilder werden als visuelle Quellenreferenzen beibehalten.
Ingenieurtechnische Anmerkungen
- Das newtonsche Abkühlungsgesetz ist eine Definition, kein vorhersagendes Gesetz. Der komplexe Teil jeder Analyse ist die Bestimmung des geeigneten Wertes von
h. - Das Strömungsregime ist entscheidend. Turbulente Strömung ergibt im Allgemeinen viel höhere
h-Werte als laminare Strömung. - Fluideigenschaften (Dichte, Viskosität, spezifische Wärme, Wärmeleitfähigkeit) sind temperaturabhängig. Korrelationen verwenden oft Eigenschaften, die bei der Filmtemperatur ausgewertet werden, dem Durchschnitt der Oberflächen- und Freistromtemperatur.
- Oberflächenrauheit, Orientierung und Grenzschichtentwicklung haben einen erheblichen Einfluss auf die Leistung.
- Phasenänderung (Sieden, Kondensation) erhöht die Wärmeübergangskoeffizienten drastisch und erfordert spezialisierte Korrelationen.