Die strömungsbedingte Wärmeübertragung überträgt Wärme zwischen der Fläche eines Feststoffs und einem angrenzenden, bewegten Fluid. Die Konvektion hat zwei Elemente:
- Energieübertragung durch zufällige Molekülbewegung (Diffusion)
- Energieübertragung durch Massenbewegung oder makroskopische Bewegung des Fluids (Advektion)
Der Mechanismus der Konvektion lässt sich folgendermaßen erklären: Wenn die an die heiße Oberfläche angrenzende Fluidschicht wärmer wird, nimmt ihre Dichte ab (bei konstantem Druck verhält sich die Dichte umgekehrt proportional zur Temperatur), und sie wird fest. Eine kühlere (und schwerere) Flüssigkeit in der Nähe der Oberfläche ersetzt die warme Flüssigkeit, wodurch ein Zirkulationsmuster entsteht.
Der Grad der Wärmeübertragung zwischen einem Fluid mit der Temperatur Tf und der Fläche eines Feststoffs mit dem Flächeninhalt A und der Temperatur Ts folgt dem Newtonschen Kühlungsgesetz, das mit folgender Gleichung wiedergegeben werden kann:
QWärmeleitung = h A (Ts - Tf)
Dabei ist h der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient. Die Einheiten von h sind W/m2.K oder Btu/s.in2.F. Der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient (h) hängt von der Fluidbewegung, der Geometrie sowie den thermodynamischen und physikalischen Eigenschaften ab.
Im Allgemeinen wird zwischen zwei Mechanismen der Konvektionswärmeübertragung unterschieden:
Natürliche (freie) Konvektion
Die Bewegung des Fluids an der Fläche eines Feststoffs wird hervorgerufen durch Auftriebskräfte, die durch Änderungen in der Fluiddichte entstehen, die wiederum auf Temperaturunterschiede zwischen dem Feststoff und dem Fluid zurückzuführen sind. Wenn sich eine heiße Platte an der Luft abkühlt, erwärmen sich die Luftteilchen in der Nähe der heißen Platte, ihre Dichte wird geringer, und folglich bewegen sie sich nach oben.
Erzwungene Konvektion
Eine externe Hilfe, wie zum Beispiel ein Ventilator oder eine Pumpe, wird eingesetzt, um die Strömung an der Oberfläche des Feststoffs zu beschleunigen. Die Moleküle des Fluids bewegen sich dann mit höherer Geschwindigkeit an der Oberfläche des Feststoffs, was zu einer Erhöhung des Temperaturgradienten und somit auch zu einer Erhöhung der Wärmeübertragung führt. In dem folgenden Bild wird Luft über eine heiße Platte geblasen.
