Erklärung der 8 Arten von Wärmeübergangskoeffizienten, deren physikalische Bedeutung und Formeln zur Berechnung, einschließlich konduktiver, konvektiver und strahlungsbedingter Wärmeübergänge.
8 Arten von Wärmeübergangskoeffizienten und ihre Berechnung
Der Wärmeübergangskoeffizient ist eine wichtige Größe in der Thermodynamik und Wärmetechnik. Er beschreibt, wie effizient Wärme zwischen einem festen Material und einer Flüssigkeit oder einem Gas übertragen wird. Hier sind acht verschiedene Arten von Wärmeübergangskoeffizienten und ihre Berechnungsweisen.
1. Konduktiver Wärmeübergangskoeffizient
Der konduktive Wärmeübergangskoeffizient bezieht sich auf die Wärmeleitung durch ein festes Material. Er wird durch das Fourier’sche Gesetz beschrieben:
q = -k * (dT/dx)
Hier ist q die Wärmestromdichte, k die Wärmeleitfähigkeit und dT/dx der Temperaturgradient.
2. Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient
Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient beschreibt die Wärmeübertragung durch ein Fluid (Flüssigkeit oder Gas). Er wird oft mit Hilfe der Newton’schen Abkühlungsgesetz berechnet:
q = h * A * (T_s - T_f)
Hier ist q die Wärmestromdichte, h der konvektive Wärmeübergangskoeffizient, A die Fläche, T_s die Temperatur der Oberfläche und T_f die Temperatur des Fluids.
3. Strahlungswärmeübergangskoeffizient
Der strahlungswärmeübergangskoeffizient beschreibt die Wärmeübertragung durch elektromagnetische Strahlung. Er wird mit dem Stefan-Boltzmann-Gesetz berechnet:
q = ε * σ * A * (T_s^4 - T_surr^4)
Hier ist q die Wärmestromdichte, ε der Emissionsgrad, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante, A die Fläche, T_s die Temperatur der Oberfläche und T_surr die Temperatur der Umgebung.
4. Effektiver Wärmeübergangskoeffizient
Der effektive Wärmeübergangskoeffizient kombiniert die Einflüsse von Konduktion, Konvektion und Strahlung. Er wird in der Praxis zur Vereinfachung komplexer Berechnungen verwendet:
q = h_eff * A * ΔT
Hier ist q die Wärmestromdichte, h_eff der effektive Wärmeübergangskoeffizient, A die Fläche und ΔT der Temperaturunterschied.
5. Phasenwechsel-Wärmeübergangskoeffizient
Der Phasenwechsel-Wärmeübergangskoeffizient tritt auf, wenn ein Material seinen Aggregatzustand ändert, z. B. beim Verdampfen oder Kondensieren. Ein bekanntes Beispiel ist die Berechnung des Wärmeübergangs bei der Kondensation:
q = h_cond * A * ΔT
Hier ist q die Wärmestromdichte, h_cond der Wärmeübergangskoeffizient bei der Kondensation, A die Fläche und ΔT der Temperaturunterschied.
6. Adiabadischer Wärmeübergangskoeffizient
Der adiabadische Wärmeübergangskoeffizient wird verwendet, wenn keine Wärme mit der Umgebung ausgetauscht wird (adiabatische Bedingungen). Er ist theoretisch und entspricht der Wärmeleitfähigkeit in einer polierten Oberfläche mit einem äquivalenten Strömungswiderstand.
7. Effektiver Wärmeübergangskoeffizient in porösen Medien
In porösen Medien, wie Schaumstoffen oder Erde, wird der effektive Wärmeübergangskoeffizient unter Berücksichtigung von Porosität und der Leitfähigkeit der festen und flüssigen Phase bestimmt. Er kann berechnet werden durch
k_eff = ε * k_fluid + (1 - ε) * k_solid
Hier ist k_eff der effektive Wärmeübergangskoeffizient, ε die Porosität, k_fluid die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit und k_solid die Wärmeleitfähigkeit des festen Materials.
8. Nußelt-Zahl
Die Nußelt-Zahl (Nu) ist ein dimensionsloser Wärmeübergangskoeffizient und definiert das Verhältnis von konvektivem zu rein leitendem Wärmetransport. Für eine parallele Plattenströmung berechnet sich Nu:
Nu = \frac{h * L}{k}
Hier ist Nu die Nußelt-Zahl, h der Wärmeübergangskoeffizient, L die charakteristische Länge und k die Wärmeleitfähigkeit des Fluids.
Diese acht Arten des Wärmeübergangskoeffizienten helfen Ingenieuren und Physikern, komplexe Wärmetransferprobleme zu lösen und effizientere Systeme zu entwerfen.
