Was ist die Nusselt-Zahl?

Eine Nusselt-Zahl ist das Produkt eines Verhältnisvergleichs für die Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeiten, bei dem die Konvektionswärmeübertragung durch die Wärmeleitfähigkeit des ruhenden Materials dividiert wird. Es ist eine Zahl ohne Einheit, die im Wesentlichen eine Vergleichsrate dafür liefert, wie schnell Wärme zwischen Materialien übertragen wird, bei denen eine Konvektion stattfindet, oder einem Gas- oder Flüssigkeitsstrom, verglichen mit der grundlegenden Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, bei der nur eine geringe innere Bewegung der Materie vorliegt auftritt. Obwohl die Nusselt-Zahl häufig zur Messung der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten verwendet wird, kann sie auch verwendet werden, um die Konvektions- und Leitungswärmeübertragungsraten zwischen Feststoffen anhand des Gasstroms zu vergleichen. Die Grundlage für den Vergleich der Wärmeübertragung in Materialien wurde von Ernst Wilhelm Nusselt, einem deutschen Maschinenbauingenieur, der zu Beginn des 20. Jahrhunderts in Dresden lehrte, geschaffen. Aufgrund seiner Pionierarbeit in der Strömungsmechanik wurde die Nusselt-Nummer nach ihm benannt.

Eine typische Konvektions-Nusselt-Zahlengleichung ist Nu = hL / λ. Nu steht für die Nusseltzahl, h ist der Wärmedurchgangskoeffizient, der in Watt pro Quadratmeter mal der Temperatur Kelvin (W / m ² K) gemessen werden kann. L ist die Länge der Grenzschicht in Metern eines Materials, auf das Wärme übertragen wird, und Lambda (λ) ist die ermittelte Wärmeleitfähigkeit des Materials in Watt pro Meter Kelvin oder W / mK. Die Messung der Nusseltschen Wärmezahl ist nur eine Messung über Oberflächengrenzen hinweg und steht in direktem Zusammenhang mit dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung, aus dem die Zahl auch abgeleitet werden kann.

Wenn die Nusselt-Korrelation nahe an einem Wert von eins liegt, deutet dies auf eine Art von Wärmeübertragungsfluss hin, die als laminare Strömung oder Schwallströmung bezeichnet wird, was darauf hinweist, dass nur eine sehr geringe Flüssigkeitsbewegung stattfindet und ein leitender Wärmeverlust wichtig ist. Wenn die Durchflussraten zunehmen, werden sie als turbulent beschrieben und können häufig zu Nusselt-Zahlenwerten führen, die von 100 bis zu 1.000 reichen. Jeder Wert für eine Nusselt-Zahl zwischen 100 und 1000 zeigt an, dass die vorherrschende Form der Wärmeübertragung durch Konvektion erfolgt und die Wärmeleitung nur eine untergeordnete Rolle spielt. Solche Zahlen sind wichtige Werte, die in verschiedenen Aspekten der Technik bekannt sein müssen, in denen die Wärmeübertragung entweder ein wünschenswertes oder ein unerwünschtes Merkmal sein kann. Eine Zylinderübertragungsrate mit hoher Nusselt-Zahl wird als turbulent und als effizientes Verfahren zur Wärmeübertragung angesehen, z. B. bei der Fluidströmung durch Rohrleitungen, bei der wenig Wärmeenergie im Material durch Leitung an die Außenumgebung verloren geht.