Konveksiyon

Newton'un soğuma kanunu, T_s sıcaklığındaki bir yüzeyden T_f sıcaklığında olan çevredeki bir sıvıya doğru ısı aktarım hızının şu denklemle açıklandığını ifade eder:

Q_konveksiyon = h A (T_s - T_f)

Burada, ısı aktarımı katsayısı h'nin birimi W/m².K veya Btu/s.in².F'dir. h katsayısı bir termodinamik özellik değildir. Sıvı haline ve akış koşullarına yönelik basitleştirilmiş bir korelasyondur ve dolayısıyla, genellikle akış özelliği olarak adlandırılmaktadır.

Konveksiyon, durağan moleküllere bitişik olduğu varsayılan bir yüzey ile çevredeki sıvı akışı arasındaki ince bir geçiş katmanı olan bir sınır katmanı kavramına bağlanmıştır. Bu, düz bir levhanın üzerindeki akışı gösteren aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.

Burada u(x,y), x yönündeki hızdır. Serbest akış hızının %99'u olarak tanımlanan, sıvı katmanının dış kenarına kadar olan bölgeye, sıvı sınır katmanı kalınlığı δ(x) denir.

Yüzey sıcaklığından çevre sıcaklığına doğru sıcaklık geçişiyle ilgili benzer bir çizim oluşturulabilir. Aşağıdaki şekilde sıcaklık değişimi gösterilmektedir. Termal sınır katmanı kalınlığının, sıvı sınır katmanı kalınlığı ile her zaman aynı olmadığını unutmayın. Prandtl Numarası'nı belirleyen sıvı özellikleri, iki tip sınır katmanının göreli genliğini düzenler. 1 Prandtl Numarası (Pr), her iki sınır katmanı için de aynı davranışın olduğu anlamına gelir.

Sınır katmanındaki gerçek ısı aktarımı mekanizmasının, y yönünde durağan sıvıdan duvara doğru kondüksiyon olduğu ve sınır katmanından sıvıya konveksiyon hızına eşit olduğu kabul edilir. Bu şu şekilde ifade edilebilir:

h A (T_s - T_f) = - k A (dT/dy)_s

Dolayısıyla, belirli bir durumdaki konveksiyon katsayısı, ısı aktarım hızı ve sıcaklık farkı ölçülerek ya da yüzeye bitişik sıcaklık gradyanı ve sıcaklık farkı ölçülerek değerlendirilebilir.

Sınır katmanındaki bir sıcaklık gradyanının ölçülmesi yüksek hassasiyet gerektirir ve genellikle araştırma laboratuvarlarında yapılabilir. Birçok kılavuzda, farklı konfigürasyonlara yönelik konveksiyonla ısı aktarımı katsayılarının değerleri tablolar halinde verilmektedir.

Aşağıdaki tabloda, konveksiyonla ısı aktarımı katsayısına ilişkin bazı tipik değerler gösterilmektedir:

Prandtl numarası, hız ve termal sınır katmanlarının kalınlıklarını ilişkilendiren bir parametredir ve şu şekilde ifade edilir:

burada ν kinematik viskozitedir; α termal yayınırlıktır; ρ akışkan yoğunluğudur; κ akışkan termal iletkenliğidir ve c_p, sabit basınçtaki akışkan ısı kapasitesidir.

Bir akışkanın kinematik viskozitesi ν, moleküler hareket nedeniyle momentumun akışkan boyunca hangi hızda yayılacağı hakkında bilgi verir. Termal yayınırlık α, akışkan içinde ısı yayılımı hakkında bilgi verir. Dolayısıyla, bu iki miktarın oranı akışkan içindeki momentum ve ısı yayılımının göreli genliklerini ifade eder.