Współczynnik konwekcji cieplnej

Prawo stygnięcia Newtona stwierdza, że natężenie przekazywania ciepła opuszczającego powierzchnię o temperaturze Ts do otaczającego płynu o temperaturze Tf dane jest wzorem:

Qkonw. = h A (Ts - Tf)

gdzie jednostką współczynnika przekazywania ciepła h jest W/m2.K lub BTU/s.cal2.F. Współczynnik h nie jest właściwością termodynamiczną. Jest to uproszczona korelacja stanu płynu i warunków przepływu, dlatego często jest zwany właściwością przepływu.

Konwekcja wiąże się z koncepcją warstwy granicznej, będącą cienką warstwą przejścia pomiędzy powierzchnią, która w założeniu przylega do nieruchomych cząsteczek, a przepływem płynu w otoczeniu. Jest to zilustrowane na następnym rysunku, przedstawiającym przepływ nad płaską płytą.

Gdzie u(x,y) jest prędkością w kierunku x. Strefa do zewnętrznej krawędzi warstwy płynu, definiowana jako 99% prędkości swobodnego strumienia jest zwana grubością warstwy granicznej płynu d(x).

Podobny szkic można sporządzić dla przechodzenia temperatury od temperatury powierzchni do temperatury otoczenia. Schematyczną zmienność temperatury ukazuje poniższy rysunek. Należy zauważyć, że grubość termicznej warstwy granicznej niekoniecznie jest taka sama jak płynu. Właściwości płynu, które składają się na liczbę Prandtla rządzą względną wielkością obydwu typów warstw granicznych. Liczba Prandtla (Pr) równa 1 oznaczałaby takie same zachowania dla obydwu warstw granicznych.

Przyjmuje się, że rzeczywisty mechanizm przekazywania ciepła przez warstwę graniczną jest przewodzeniem w kierunku y, przez nieruchomy płyn obok ściany, równym natężeniu konwekcji z warstwy granicznej do płynu. Można to zapisać w następujący sposób:

h A (Ts - Tf) = - k A (dT/dy)s

Współczynnik konwekcji dla danej sytuacji można zatem oszacować pierząc natężenie przekazywania ciepła i różnicę temperatur lub mierząc gradient temperatury w sąsiedztwie powierzchni i różnicę temperatur.

Mierzenie gradientu temperatury w poprzek warstwy granicznej wymaga wysokiej precyzji i zwykle dokonywane jest w laboratorium badawczym. Wiele podręczników zawiera tabele wartości współczynników przekazywania ciepła przez konwekcję dla różnych konfiguracji.

Poniższa tabela przedstawia niektóre typowe wartości współczynnika przekazywania ciepła przez konwekcję.