Wärmeübertragung im Maschinenbau, Teil II, Konvektion

Letzte Woche haben wir die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung besprochen. Ein Beispiel zeigt, wie Wärme durch einen festen Metallblock von heiß nach kalt floss. Diese Woche werden wir uns auf eine andere Methode der Wärmeübertragung konzentrieren, die als Konvektion bekannt ist.

Konvektion tritt auf, wenn Wärme zwischen einer Oberfläche und einer sich bewegenden Flüssigkeit übertragen wird. Wie bei der Wärmeleitung möchte die Wärme immer von einer höheren zu einer niedrigeren Temperatur fließen. Es gibt zwei Arten der Konvektionswärmeübertragung: natürliche und erzwungene.

Ein Beispiel für natürliche Konvektion wäre heiße Luft, die an einem sonnigen Sommertag von einer asphaltierten Straße aufsteigt. Die kühle Luft in Bodennähe sammelt die Wärme des sonnengebrannten Asphalts. Wenn sich Luft erwärmt, nimmt ihre Dichte ab und sie wird leichter. Die wärmere, leichtere Luft verlässt die Straße und mehr kühle Luft tritt ein, um ihren Platz einzunehmen. Dadurch entsteht ein kontinuierlicher natürlicher Luftstrom, der dem Asphalt Wärme entzieht. Tatsächlich können Sie diesen Luftstrom als Wellen in der Luft direkt über der Straße sehen. Es erzeugt einen Mirage-Effekt und sieht fast wie Wasser auf der Straße aus, besonders an sehr heißen Tagen.

Bei der natürlichen Konvektion geht es um die Übertragung von Wärme zwischen einer Oberfläche und einer Flüssigkeit, die sich auf dieser Oberfläche bewegt. Um die Wärmeübertragung zu berechnen, müssen wir nur die Oberfläche und den Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit berücksichtigen. Es ist keine Materialdicke zu berücksichtigen, wie wir im Beispiel der leitenden Wärmeübertragung letzte Woche gesehen haben, als sich Wärme durch ein festes Objekt bewegte. Also anstatt mit einem zu arbeiten leitend Wärmeübergangskoeffizient müssen wir mit a arbeiten konvektiv Der Wärmeübergangskoeffizient und unser technisches Referenzhandbuch führen uns zum richtigen Konvektionskoeffizienten für die Berechnung des Wärmeflusses.

Das heißt, wir können den natürlichen konvektiven Wärmefluss wie folgt berechnen:

Wärmefluss = (Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient) x

(Der Bereich, durch den die Wärme fließt) x

(Der Temperaturunterschied)

Kommen wir jetzt zum Asphalt zurück, um zu sehen, wie das alles funktioniert. Angenommen, Sie haben einen Parkplatz und möchten wissen, wie viel Wärme Sie an einem heißen, sonnigen Sommertag ohne Wind in die Atmosphäre pumpen. Wir müssen zuerst die Fläche des Grundstücks bestimmen und messen sie auf 100 mal 100 Meter. Das sind 100 x 100 oder 10.000 Quadratfuß Asphalt, von dem wir sprechen. Jetzt messen wir die Oberflächentemperatur des Asphalts und stellen fest, dass sie 65 ° C beträgt, aber die Lufttemperatur in Bodennähe, entfernt von einer Asphaltquelle, beträgt 30 ° C. Okay, was ist also Wärmeübertragung?

Lesen Sie zunächst Ihr freundliches technisches Referenzhandbuch. Es zeigt Ihnen, dass der Konvektionswärmeübergangskoeffizient 15 Watt / Meter beträgt2K für stille Luft auf einer horizontalen Fläche. Das “K” stellt die in Grad “Kelvin” gemessene Temperatur dar, und dies wird einfach durch Addition von 273,15 zu jeder in Grad Celsius oder ° C gemessenen Temperatur berechnet.

Damit alle unsere Einheiten übereinstimmen, um die Berechnung durchführen zu können, hat der Asphalt eine Temperatur von 65 ° C + 273,15 = 338,15 K. Die kalte Luft würde eine Temperatur von 30 ° C + 273,15 = 303,15 K haben. Unsere Gleichung lautet:

Wärmefluss = (15 W / m2K) x (10.000 m2) x (338,15 K – 303,15 K)

= 5.250.000 Watt

Wir haben berechnet, dass die Luft in der Atmosphäre Wärmeenergie mit einer Rate von mehr als 5 Millionen Watt vom Parkplatzbelag aufnimmt. Dies erklärt, warum es in Städten immer heißer zu sein scheint als auf dem Land. Das Vorhandensein von dunklem Asphaltbelag und dunklen Dachmaterialien absorbiert die Wärme der Sonne ebenso wie jede dunkle Oberfläche, und dieser Wärmestau wird dann durch den Prozess der natürlichen Konvektion an die umgebende Atmosphäre abgegeben.

Die andere Art der Konvektion, die erzwungene Art, ist, wie der Name schon sagt. Es erfordert ein motorisiertes Gerät, um die Flüssigkeit zu bewegen, dh es hängt nicht von einer natürlichen Energiequelle wie der Sonne ab. Ein Beispiel für erzwungene Konvektion findet sich in einem Haartrockner, der mit einem kleinen Ventilator Luft über ein elektrisches Heizelement bewegt. Ein weiteres Beispiel für erzwungene Konvektion ist die Wasserpumpe Ihres Autos. Diese Pumpe zirkuliert Wasser durch den Motor, nimmt dabei Wärme auf und gibt diese Wärme an die Luft ab, die durch die Kühlerlamellen strömt. Dies verhindert eine Überhitzung des Motors.

Die Berechnung der Wärmeübertragungsraten bei Problemen mit erzwungener Konvektion kann äußerst kompliziert sein und Mathematik auf höherer Ebene und fortgeschrittene Konzepte der Fluiddynamik umfassen. Einige Probleme sind so komplex, dass sie nur mit Hilfe speziell geschriebener Computerprogramme gelöst werden können. Ein Beispielproblem würde daher den Rahmen der grundlegenden Diskussionen in dieser Artikelserie sprengen.

Nächste Woche werden wir analysieren, wie die Sonne, die 93 Millionen Meilen von dem Vakuum, das wir Weltraum nennen, von der Erde entfernt ist, unseren Asphaltbelag aus so großer Entfernung erwärmen kann. Dies geschieht durch den Strahlungswärmeübertragungsprozess.

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