Warmte-energie die wordt overgedragen tussen een oppervlak en een bewegende vloeistof met verschillende temperaturen – staat bekend als convectie.
In werkelijkheid is dit een combinatie van diffusie en bulkbeweging van moleculen. Dichtbij het oppervlak is de vloeistofsnelheid laag, en domineert diffusie. Op afstand van het oppervlak neemt de invloed van de bulkbeweging toe en overheerst deze.
Convectieve warmteoverdracht kan
- geforceerde of ondersteunde convectie
- natuurlijke of vrije convectie
- conductieve warmteoverdracht
geforceerde of ondersteunde convectie
geforceerde convectie treedt op wanneer een vloeistofstroom wordt geïnduceerd door een externe kracht, zoals een pomp, ventilator of menger.
Natuurlijke of Vrije Convectie
Natuurlijke convectie wordt veroorzaakt door opwaartse krachten als gevolg van dichtheidsverschillen die worden veroorzaakt door temperatuurverschillen in de vloeistof. Bij opwarming zal de dichtheidsverandering in de grenslaag de vloeistof doen stijgen en vervangen worden door koelere vloeistof die ook zal opwarmen en stijgen. Dit voortdurende verschijnsel wordt vrije of natuurlijke convectie genoemd.
Kook- of condensatieprocessen worden ook wel convectieve warmteoverdrachtsprocessen genoemd.
- De warmteoverdracht per oppervlakte-eenheid door convectie werd voor het eerst beschreven door Newton en de relatie staat bekend als de Newton’s Wet van Afkoeling.
De vergelijking voor convectie kan worden uitgedrukt als:
q = hc A dT (1)
waar
q = overgedragen warmte per tijdseenheid (W, Btu/uur)
A = warmteoverdrachtsoppervlak van het oppervlak (m2, ft2)
hc = convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt van het proces (W/(m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = temperatuurverschil tussen het oppervlak en de bulkvloeistof (oC, F)
Warmteoverdrachtscoëfficiënten – Eenheden
- 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) = 0,882 kcal/(h m2 oC)
- 1 kcal/(h m2 oC) = 1,163 W/(m2K) = 0..205 Btu/(ft2 h oF)
-
Algemene warmteoverdrachtscoëfficiënten
Convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënten
Convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënten – hc – zijn afhankelijk van het type medium, of het gas of vloeistof is, en stromingseigenschappen zoals snelheid, viscositeit en andere stromings- en temperatuurafhankelijke eigenschappen.
Typische convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënten voor enkele veel voorkomende vloeistofstromingstoepassingen:
- Vrije Convectie – lucht, gassen en droge dampen : 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- Vrije convectie – water en vloeistoffen: 50 – 3000 (W/(m2K))
- Geforceerde convectie – lucht, gassen en droge dampen: 10 – 1000 (W/(m2K))
- Forced Convection – water en vloeistoffen: 50 – 10000 (W/(m2K))
- Forced Convection – vloeibare metalen: 5000 – 40000 (W/(m2K))
- Kokend water : 3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Condenserende waterdamp: 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Warmtewisselaar Warmteoverdrachtscoëfficiënten
Convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt voor lucht
De convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt voor luchtstroming kan worden benaderd als
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
waar
hc = warmteoverdrachtscoëfficiënt (kCal/m2h°C)
v = relatieve snelheid tussen objectoppervlak en lucht (m/s)
Omdat
1 kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– (2) kan worden gewijzigd in
hcW = 12,12 – 1,16 v + 11,6 v1/2 (2b)
waar
hcW = warmteoverdrachtscoëfficiënt (W/m2°C)
Note! – dit is een empirische vergelijking en kan worden gebruikt voor snelheden van 2 tot 20 m/s.
- Convectieve luchtstroom van een enkele warmtebron
Voorbeeld – Convectieve warmteoverdracht
Een vloeistof stroomt over een vlak oppervlak van 1 m bij 1 m. De oppervlaktetemperatuur is 50oC, de vloeistoftemperatuur is 20oC en de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt is 2000 W/m2oC. De convectieve warmteoverdracht tussen het warmere oppervlak en de koudere lucht kan worden berekend als