Wärmeenergie, die zwischen einer Oberfläche und einem sich bewegenden Fluid mit unterschiedlichen Temperaturen übertragen wird, bezeichnet man als Konvektion.
In Wirklichkeit handelt es sich um eine Kombination aus Diffusion und Bulk-Bewegung von Molekülen. In der Nähe der Oberfläche ist die Geschwindigkeit des Fluids gering, und die Diffusion dominiert. In der Entfernung von der Oberfläche nimmt der Einfluss der Bulkbewegung zu und dominiert.
Konvektive Wärmeübertragung kann
- erzwungene oder unterstützte Konvektion
- natürliche oder freie Konvektion
- Konduktive Wärmeübertragung
Erzwungene oder unterstützte Konvektion
Erzwungene Konvektion tritt auf, wenn eine Flüssigkeitsströmung durch eine äußere Kraft induziert wird, wie z. B. durch eine Pumpe, einen Ventilator oder einen Mischer.
Natürliche oder freie Konvektion
Natürliche Konvektion wird durch Auftriebskräfte aufgrund von Dichteunterschieden verursacht, die durch Temperaturschwankungen im Fluid entstehen. Bei Erwärmung bewirkt die Dichteänderung in der Grenzschicht, dass das Fluid aufsteigt und durch kühleres Fluid ersetzt wird, das sich ebenfalls erwärmt und aufsteigt. Dieses sich fortsetzende Phänomen wird als freie oder natürliche Konvektion bezeichnet.
Siede- oder Kondensationsprozesse werden auch als konvektive Wärmeübertragungsprozesse bezeichnet.
- Der Wärmeübergang pro Flächeneinheit durch Konvektion wurde erstmals von Newton beschrieben und die Beziehung ist als Newtonsches Kühlungsgesetz bekannt.
Die Gleichung für Konvektion kann wie folgt ausgedrückt werden:
q = hc A dT (1)
wobei
q = übertragene Wärme pro Zeiteinheit (W, Btu/hr)
A = Wärmeübertragungsfläche der Oberfläche (m2, ft2)
hc = konvektiver Wärmeübergangskoeffizient des Prozesses (W/(m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und der Hauptflüssigkeit (oC, F)
Wärmeübergangskoeffizienten – Einheiten
- 1 W/(m2K) = 0.85984 kcal/(h m2 oC) = 0,1761 Btu/(ft2 h oF)
- 1 Btu/(ft2 h oF) = 5,678 W/(m2 K) = 4,882 kcal/(h m2 oC)
- 1 kcal/(h m2 oC) = 1,163 W/(m2K) = 0.205 Btu/(ft2 h oF)
-
Gesamtwärmeübergangskoeffizienten
Konvektive Wärmeübergangskoeffizienten
Konvektive Wärmeübergangskoeffizienten – hc – sind abhängig von der Art des Mediums, ob es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handelt, und von den Strömungseigenschaften wie Geschwindigkeit, Viskosität und anderen strömungs- und temperaturabhängigen Eigenschaften.
Typische konvektive Wärmeübergangskoeffizienten für einige gängige Fluidströmungsanwendungen:
- Freie Konvektion – Luft, Gase und trockene Dämpfe : 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- Freie Konvektion – Wasser und Flüssigkeiten: 50 – 3000 (W/(m2K))
- Erzwungene Konvektion – Luft, Gase und trockene Dämpfe: 10 – 1000 (W/(m2K))
- Zwangskonvektion – Wasser und Flüssigkeiten: 50 – 10000 (W/(m2K))
- Zwangskonvektion – flüssige Metalle: 5000 – 40000 (W/(m2K))
- Kochendes Wasser: 3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Kondensierender Wasserdampf: 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Wärmetauscher-Wärmeübergangskoeffizienten
Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient für Luft
Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient für Luftströmung kann näherungsweise
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
wobei
hc = Wärmeübergangskoeffizient (kCal/m2h°C)
v = relative Geschwindigkeit zwischen Objektoberfläche und Luft (m/s)
Da
1 kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– (2) kann modifiziert werden zu
hcW = 12,12 – 1,16 v + 11,6 v1/2 (2b)
wobei
hcW = Wärmeübergangskoeffizient (W/m2°C)
Hinweis! – Dies ist eine empirische Gleichung und kann für Geschwindigkeiten von 2 bis 20 m/s verwendet werden.
- Konvektive Luftströmung von einer einzelnen Wärmequelle
Beispiel – Konvektive Wärmeübertragung
Ein Fluid strömt über eine ebene Fläche von 1 m mal 1 m. Die Oberflächentemperatur beträgt 50oC, die Fluidtemperatur 20oC und der konvektive Wärmeübergangskoeffizient beträgt 2000 W/m2oC. Der konvektive Wärmeübergang zwischen der heißeren Oberfläche und der kälteren Luft kann wie folgt berechnet werden