Ein Wärmeübergangskoeffizient ist ein Konzept in der Physik und Thermodynamik, das beschreibt, wie und wie leicht Wärmeenergie von einem Material auf ein anderes übergeht. In vielen Fällen wird Wärme am leichtesten übertragen, wenn sich die betreffenden Materialien von Feststoffen zu Flüssigkeiten zu Gasen verlagern; Wärme kann auch von einer Flüssigkeit in ein Gas übergehen oder umgekehrt, wie dies bei kühler Luft über einem warmen See der Fall ist. Wärme wird bei Materialien in direktem Kontakt immer von heiß nach kalt fließen, und der Übertragungskoeffizient ist eine Möglichkeit, diese Verschiebung greifbar und mathematisch auszudrücken. Es ist ein wichtiges Konzept für Hersteller und Bauherren in vielen Branchen. Es hilft beispielsweise Ingenieuren, bessere Kochtöpfe zu entwerfen und Maschinen und Dinge wie Verbrennungsmotoren in Autos sicherer zu machen; Es wird auch verwendet, um die Isolierung in Wohnungen und Büros effizienter zu machen. Das Festlegen der Grundlagen des Koeffizienten ist normalerweise ziemlich einfach, aber die Einzelheiten der Funktionsweise und der Anwendung der Kernformel auf sich ändernde thermodynamische Szenarien können etwas kompliziert sein.
Berechnungsgrundlagen
Quantitativ ist der Koeffizient eine Funktion der beiden in Kontakt stehenden Materialien; die Temperatur von jedem, die die treibende Kraft bestimmt; und Faktoren, die die Wärmeübertragung verstärken oder beeinträchtigen, wie Konvektion bzw. Oberflächenverschmutzung. Die Standardberechnungsrubrik wird normalerweise als h = q / ∆t ausgedrückt, wobei „h“ der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient ist, „q“ die pro Flächeneinheit übertragene Wärmemenge und „∆t“ die Temperaturdifferenz zwischen den angrenzenden Flächen oder Flächen in Frage.
Es gibt auch Gleichungen zur Bestimmung der Wärmemenge, die pro Flächeneinheit, pro Grad Temperaturdifferenz zwischen den beiden angrenzenden Materialien und pro Zeitraum übertragen wird, die helfen können, die grundlegendere Formel zu beeinflussen. Berechnungen zur Dimensionierung von Industrieanlagen, wie Heizungen und Wärmetauschern, gehen normalerweise auf die pro Stunde übertragene Wärme ein, da die Produktionskapazität der Anlage normalerweise auf Stundenbasis bestimmt wird.
Gesamtkoeffizienten verstehen
Ein Gesamtwärmeübergangskoeffizient, wie er oft in Wärmetauschergleichungen verwendet wird, müsste eine Reihe von Faktoren berücksichtigen. In einem Dampfmaschinenszenario würden beispielsweise der Sattdampf bei einer bestimmten Temperatur, die Dampf-Rohr-Grenzfläche, die Leitfähigkeit durch die Rohrwand, die Grenzfläche zur Flüssigkeit in den Rohren wie Öl und die Temperatur des einströmenden Öls benötigt in Betracht gezogen werden. Informationen aus diesen Faktoren könnten dabei helfen, zu bestimmen, wie groß ein Wärmetauscher benötigt würde und welche Konstruktions- und Materialstrategie am besten funktionieren würde.
Bedeutung für die Herstellung
Diese Koeffizienten werden immer berücksichtigt, wenn Geräte entworfen werden, die speziell dazu bestimmt sind, Wärme zu übertragen – oder keine Wärme zu übertragen. Kochtöpfe, Kühlrippen an einem Motorradmotor, das Aufblasen eines Löffels zu heißer Suppe oder das Aufwärmen der kalten Hände einer anderen Person sind Beispiele für die Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten. Der größte Einzelbeitrag zu besseren Übertragungskoeffizienten ist angesichts der Materialbeschränkungen die schnelle Bewegung der flüssigen Phase der Komponenten. Das Blasen von Luft durch einen Kühler, das Induzieren einer turbulenten Strömung in einem Wärmetauscher oder sich schnell bewegende Luft in einem Konvektionsofen bewirken viel höhere Übertragungskoeffizienten als ruhende Bedingungen. Dies liegt daran, dass der heißen Oberfläche in kürzerer Zeit mehr Moleküle zur Aufnahme von Wärme präsentiert werden.
Rolle bei Isolierung und Bau allgemein
Andererseits berücksichtigt die Suche nach einer hochwirksamen Isolierung auch den berechneten Wärmeübergang jeder ihrer Grenzflächen. Isolierung ist für alle möglichen Dinge wichtig, einschließlich Kühl- und Gefrierschränken, Picknickkühlern, Winterkleidung und energieeffizienten Häusern. Tote Lufträume, Hohlräume im Schaum und Materialien mit geringer Leitfähigkeit tragen alle zur Isolierung bei.