Součinitel konvekce tepla

Newtonův zákon ochlazování říká, že míra převodu tepla opouštějícího povrch o teplotě Ts do okolní kapaliny o teplotě Tf je dána rovnicí:

Qkonvekce = h A (Ts - Tf)

kde součinitel převodu tepla má jednotky W/m 2 . K nebo Btu/s.in 2 .F. Součinitel h není termodynamická vlastnost. Je to zjednodušená korelace s kapalným stavem a podmínkami proudění, a proto se často nazývá vlastnost proudění.

Konvekce je spojena s koncepcí hraniční vrstvy, což je tenká vrstva přechodu mezi povrchem, o kterém se předpokládá, že sousedí s nepohyblivými molekulami, a prouděním okolní kapaliny. Tato situace je vidět na následujícím obrázku proudění nad plochou deskou.

Kde u(x,y) je rychlost ve směru x. Oblast po vnější hranici vrstvy kapaliny definovaná jako 99 % rychlosti volného proudění se nazývá tloušťka hraniční vrstvy kapaliny d(x).

Podobně by bylo možné vytvořit obrázek přechodu teploty z teploty povrchu na teplotu okolí. Na následujícím obrázku je schéma s různými teplotami. Všimněte si, že tloušťka hraniční vrstvy teploty není stejná jako tloušťka vrstvy kapaliny. Vlastnosti kapaliny tvořící Prandtlovo číslo řídí relativní velikost dvou typů hraničních vrstev. Prandtlovo číslo (Pr) o velikosti 1 by znamenalo stejné chování pro obě hraniční vrstvy.

Převod tepla hraniční vrstvou vede teplo ve směru y přes nepohyblivou kapalinu vedle stěny a je roven míře konvekce z hraniční vrstvy do kapaliny. Tento jev je možné napsat následujícím způsobem:

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

Součinitel konvekce pro danou situaci lze zjistit změřením převodu tepla a rozdílu teplot nebo změřením teplotního gradientu u povrchu a rozdílu teplot.

Měření teplotního gradientu v hraniční vrstvě vyžaduje vysokou přesnost a obvykle se provádí ve výzkumné laboratoři. Mnoho příruček obsahuje tabulky součinitelů konvekce převodu tepla pro různé konfigurace.

V následující tabulce jsou některé typické hodnoty součinitele konvekce převodu tepla: