Введение

Величина, связывающая тепловой поток и разность температур

В термодинамике коэффициент теплопередачи, или коэффициент теплоотдачи, или эффективность теплообмена, является константой пропорциональности между тепловым потоком и термодинамической движущей силой потока тепла (т.е. разностью температур, ΔT). Он используется для расчета теплопередачи, как правило, посредством конвекции или фазового перехода между жидкостью и твердым телом. Коэффициент теплопередачи имеет единицы СИ – ватт на квадратный метр на кельвин (W/m²K). Общая скорость теплопередачи для комбинированных режимов обычно выражается через общую теплопроводность или коэффициент теплопередачи, U. В этом случае скорость теплопередачи равна:

где (в единицах СИ):
: скорость теплопередачи (W)
: коэффициент теплопередачи (W/m²K)
: площадь поверхности, на которой происходит теплопередача (m²)
: температура окружающей жидкости (K)
: температура твердой поверхности (K)

Общее определение коэффициента теплопередачи:

где:
: тепловой поток (W/m²), т.е. тепловая мощность на единицу площади,
: разность температур между твердой поверхностью и окружающей жидкостью (K)

Коэффициент теплопередачи является величиной, обратной тепловой изоляции. Это используется для строительных материалов (R-значение) и для теплоизоляции одежды. Существует множество методов расчета коэффициента теплопередачи для различных режимов теплопередачи, различных жидкостей, режимов течения и в различных термогидравлических условиях. Часто его можно оценить, разделив теплопроводность жидкости, участвующей в конвекции, на характерный размер. Коэффициент теплопередачи часто рассчитывается на основе числа Нуссельта (безразмерная величина). Также существуют онлайн-калькуляторы, предназначенные специально для применения теплоносителей. Экспериментальная оценка коэффициента теплопередачи представляет собой определенные трудности, особенно при измерении малых тепловых потоков (например, ).

Корреляции конвективного теплового переноса

Хотя конвективный теплообмен может быть получен аналитически посредством размерного анализа, точного анализа пограничного слоя, приближенного интегрального анализа пограничного слоя и аналогий между переносом энергии и импульса, эти аналитические подходы могут не предложить практических решений для всех задач, когда применимые математические модели отсутствуют. Поэтому различные авторы разработали множество корреляций для оценки коэффициента конвективного теплообмена в различных случаях, включая естественную конвекцию, вынужденную конвекцию во внутреннем потоке и вынужденную конвекцию во внешнем потоке. Эти эмпирические корреляции приводятся для конкретной геометрии и условий течения. Поскольку свойства жидкости зависят от температуры, они оцениваются при температуре пленки, которая является средним арифметическим температурой поверхности и температурой окружающей среды.

Внешний поток, вертикальная плоскость

Рекомендации Черчилля и Чу предоставляют следующую корреляцию для естественной конвекции вблизи вертикальной плоскости, как для ламинарного, так и для турбулентного потока. k – теплопроводность жидкости, L – характеристический размер в направлении силы тяжести, RaL – число Рэлея, рассчитанное по этому размеру, а Pr – число Прандтля (число Рэлея можно представить как произведение числа Грашгофа и числа Прандтля). Для ламинарных потоков следующая корреляция немного точнее. Отмечено, что переход от ламинарного пограничного слоя к турбулентному происходит при превышении RaL значения около 109.

Внешний поток, вертикальные цилиндры

Для цилиндров с вертикальными осями можно использовать выражения для плоских поверхностей, если влияние кривизны несущественно. Это соответствует случаю, когда толщина пограничного слоя мала по сравнению с диаметром цилиндра. Корреляции для вертикальных плоских стенок применимы, когда, где – число Грашофа.

Внешний поток, горизонтальный цилиндр

Для цилиндров достаточной длины и при пренебрежимо малых концевых эффектах, корреляция Черчилля и Чу выглядит следующим образом: .

Внешний поток, шары

Для сфер Т. Юге предложил следующую корреляцию при Pr ≈ 1 и .