Was ist ein Wärmeübergangskoeffizient?
Der Wärmeübertragungskoeffizient definiert die Leichtigkeit, mit der Wärme von einem Material zu einem anderen, üblicherweise von einem Feststoff zu einem Fluid oder Gas oder von einem Fluid oder Gas zu einem Feststoff, übertragen wird. Wärme kann auch von einem Fluid zu einem Gas oder umgekehrt übertragen werden, wie dies bei kühler Luft über einem warmen See der Fall ist. Bei Materialien mit direktem Kontakt fließt die Wärme immer von heiß nach kalt.
Wärmedurchgangskoeffizienten werden immer berücksichtigt, wenn Geräte entworfen werden, die speziell zur Wärmeübertragung - oder nicht zur Wärmeübertragung - bestimmt sind. Kochtöpfe, Kühlrippen an einem Motorradmotor, das Aufblasen eines Löffels zu heißer Suppe oder das Erwärmen der kalten Hände durch eine Person sind Beispiele für die Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten. Der größte einzelne Beitrag zu besseren Wärmedurchgangskoeffizienten unter Berücksichtigung der Materialbeschränkungen ist die schnelle Bewegung der Fluidphase der Komponenten. Das Blasen von Luft durch einen Kühler, das Induzieren einer turbulenten Strömung in einem Wärmetauscher oder das rasche Bewegen von Luft in einem Konvektionsofen bewirken viel höhere Wärmeübergangskoeffizienten als unter normalen Bedingungen. Dies liegt daran, dass der heißen Oberfläche in kürzerer Zeit mehr Moleküle zur Absorption von Wärme zugeführt werden.
Andererseits wird bei der Suche nach einer hochwirksamen Isolierung auch der Wärmedurchgangskoeffizient jeder Grenzfläche berücksichtigt. Die Isolierung ist wichtig für Kühl- und Gefrierschränke, Picknickkühler, Winterkleidung und energieeffiziente Häuser. Tote Lufträume, Hohlräume im Schaum und Materialien mit geringer Leitfähigkeit tragen zur Isolierung bei.
Quantitativ ist der Wärmedurchgangskoeffizient eine Funktion der beiden in Kontakt stehenden Materialien; die Temperatur von jedem, die die treibende Kraft bestimmt; und Faktoren, die die Wärmeübertragung verbessern oder beeinträchtigen, wie Konvektion oder Oberflächenverschmutzung. Die Gleichungen bestimmen die Wärmemenge, die pro Flächeneinheit, pro Grad Temperaturdifferenz zwischen den beiden benachbarten Materialien und pro Zeitraum übertragen wird. Berechnungen zur Dimensionierung von Industrieanlagen wie Heizungen und Wärmetauschern lösen normalerweise die pro Stunde übertragene Wärme auf, da die Produktionskapazität der Anlage normalerweise stündlich ermittelt wird.
Ein Gesamtwärmeübergangskoeffizient, wie er häufig in Wärmetauschergleichungen verwendet wird, müsste eine Reihe von Faktoren berücksichtigen. In diesem Beispiel müssten der gesättigte Dampf bei einer bestimmten Temperatur, die Grenzfläche zwischen Dampf und Rohr, die Leitfähigkeit durch die Rohrwand, die Grenzfläche zur Flüssigkeit in den Rohren, wie z. B. Öl, und die Temperatur des einströmenden Öls berücksichtigt werden. Informationen aus diesen Faktoren können dazu beitragen, festzustellen, wie groß ein Wärmetauscher sein muss und welche Design- und Materialstrategie am besten funktioniert.