温度の異なる表面と移動する流体の間で移動する熱エネルギーを対流といいます。
実際には、拡散と分子のバルク運動の組み合わせです。
実際には、表面近くでは流体の速度が低く、拡散が支配的ですが、表面から離れたところではバルク運動の影響が大きくなり、支配的になります。
Convective heat transferには、
- 強制または補助対流
- 自然または自由対流
- があります。
- Conductive Heat Transfer
Forced or Assisted Convection
Forced Convectionは、流体の流れが外力によって誘発されるときに起こります。
強制対流は、ポンプやファン、ミキサーなどの外力によって流体の流れが引き起こされたときに起こります。
自然対流
自然対流は、流体の温度変化によって生じる密度差に起因する浮力によって起こります。 加熱されると、境界層の密度変化によって流体が上昇し、より冷たい流体に置き換えられ、同じく加熱されて上昇します。
- 対流による単位表面あたりの熱伝達は、ニュートンによって初めて記述され、その関係は「ニュートンの冷却の法則」として知られています。
対流の方程式は次のように表すことができます。
q = hc A dT (1)
ここで
q = 単位時間当たりに移動する熱量（W, Btu/hr）
A = 表面の伝熱面積（m2、ft2）
hc = プロセスの対流熱伝達率（W/（m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = 表面とバルク流体の間の温度差 (oC, F)
熱伝達係数 – 単位
- 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/(m2 K) = 0.205 Btu/(ft2 h oF)
-
全体の熱伝達係数
対流熱伝達係数
対流熱伝達係数（hc）は、媒体の種類、気体か液体か、また速度、粘性、その他の流れや温度に依存する特性などの流れの特性に依存します。
一般的な流体の流れに対する対流熱伝達係数の例：
- 自由対流 – 空気、気体、乾燥蒸気 ： 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- 自由対流-水および液体：50 – 3000 (W/(m2K))
- 強制対流-空気、ガスおよび乾燥したベーパー。 10 – 1000 (W/(m2K))
- 強制対流-水および液体：50 – 10000 (W/(m2K))
- 強制対流-液体金属。 5000 – 40000 (W/(m2K))
- 沸騰した水：3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- 凝縮した水蒸気。 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- 熱交換器の熱伝達係数
空気の対流熱伝達係数
空気の流れの対流熱伝達係数は、次のように近似できます
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
ここで、
hc = 熱伝達率(kCal/m2h°C)
v = 物体表面と空気の間の相対速度(m/s)
1kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– (2)は次のように修正できます
hcW = 12.12 – 1.16 v + 11.6 v1/2 (2b)
hcW = 熱伝達率(W/m2°C)
注意! –
- 単一の熱源からの対流空気流
Example – Convective Heat Transfer
1m×1mの平面上を流体が流れています。 表面温度は50oC、流体温度は20oCで、対流熱伝達率は2000W/m2oCです。 高温の表面と低温の空気の間の対流熱伝達は次のように計算できます。