Energia cieplna przekazywana pomiędzy powierzchnią a poruszającym się płynem o różnych temperaturach – znana jest jako konwekcja.
W rzeczywistości jest to połączenie dyfuzji i ruchu objętościowego cząsteczek. W pobliżu powierzchni prędkość płynu jest mała i dominuje dyfuzja. W odległości od powierzchni ruch objętościowy zwiększa swój wpływ i dominuje.
Konwekcyjne przenoszenie ciepła może być
- konwekcją wymuszoną lub wspomaganą
- konwekcją naturalną lub swobodną
- konwekcyjna wymiana ciepła
Konwekcja wymuszona lub wspomagana
Konwekcja wymuszona występuje, gdy przepływ płynu jest wywołany przez siłę zewnętrzną, taką jak pompa, wentylator lub mieszadło.
Naturalna lub swobodna konwekcja
Naturalna konwekcja jest spowodowana siłami wyporu wynikającymi z różnic gęstości spowodowanych zmianami temperatury płynu. Przy ogrzewaniu zmiana gęstości w warstwie granicznej spowoduje unoszenie się płynu i zastąpienie go chłodniejszym płynem, który również będzie się ogrzewał i unosił. To zjawisko nazywane jest konwekcją swobodną lub naturalną.
Procesy wrzenia lub skraplania są również określane jako konwekcyjne procesy wymiany ciepła.
- Wymiana ciepła na jednostkę powierzchni przez konwekcję została po raz pierwszy opisana przez Newtona, a związek ten znany jest jako prawo chłodzenia Newtona.
Równanie konwekcji może być wyrażone jako:
q = hc A dT (1)
gdzie
q = ciepło przekazane w jednostce czasu (W, Btu/hr)
A = powierzchnia wymiany ciepła na powierzchni (m2, ft2)
hc = współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła procesu (W/(m2oC, Btu/(ft2 h oF))
dT = różnica temperatur pomiędzy powierzchnią a płynem objętościowym (oC, F)
Współczynniki wymiany ciepła – jednostki
- 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)
-
Całkowite współczynniki wymiany ciepła
Współczynniki konwekcyjnej wymiany ciepła
Współczynniki konwekcyjnej wymiany ciepła – hc – zależą od rodzaju medium, czy jest to gaz czy ciecz, oraz od właściwości przepływu, takich jak prędkość, lepkość i inne właściwości zależne od przepływu i temperatury.
Typowe współczynniki konwekcyjnej wymiany ciepła dla niektórych typowych zastosowań przepływu płynów:
- Konwekcja swobodna – powietrze, gazy i suche pary: 0.5 – 1000 (W/(m2K))
- Konwekcja swobodna – woda i ciecze: 50 – 3000 (W/(m2K))
- Konwekcja wymuszona – powietrze, gazy i pary suche: 10 – 1000 (W/(m2K))
- Konwekcja wymuszona – woda i ciecze: 50 – 10000 (W/(m2K))
- Konwekcja wymuszona – metale ciekłe: 5000 – 40000 (W/(m2K))
- Wrząca woda : 3.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Kondensująca się para wodna: 5.000 – 100.000 (W/(m2K))
- Współczynniki wymiany ciepła wymiennika ciepła
Współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła dla powietrza
Współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła dla przepływu powietrza może być przybliżony do
hc = 10.45 – v + 10 v1/2 (2)
gdzie
hc = współczynnik przenikania ciepła (kCal/m2h°C)
v = prędkość względna pomiędzy powierzchnią obiektu a powietrzem (m/s)
Ponieważ
1 kcal/m2h°C = 1.16 W/m2°C
– (2) może być zmodyfikowane do
hcW = 12.12 – 1.16 v + 11.6 v1/2 (2b)
gdzie
hcW = współczynnik przenikania ciepła (W/m2°C)
Uwaga! – jest to równanie empiryczne i może być stosowane dla prędkości od 2 do 20 m/s.
- Konwekcyjny przepływ powietrza z jednego źródła ciepła
Przykład – Konwekcyjna wymiana ciepła
Płyn przepływa przez płaską powierzchnię o wymiarach 1 m na 1 m. Temperatura powierzchni wynosi 50oC, temperatura płynu 20oC, a współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła 2000 W/m2oC. Konwekcyjne przenoszenie ciepła pomiędzy gorętszą powierzchnią a zimniejszym powietrzem można obliczyć jako