Co to jest współczynnik przenikania ciepła?

Współczynnik przenikania ciepła określa łatwość, z jaką ciepło przepływa z jednego materiału do drugiego, zwykle z ciała stałego do płynu lub gazu, lub z płynu lub gazu do ciała stałego. Ciepło może również przechodzić z płynu do gazu lub odwrotnie, tak jak w przypadku chłodnego powietrza nad ciepłym jeziorem. Ciepło zawsze przepływa od gorącego do zimnego w przypadku materiałów mających bezpośredni kontakt.

Współczynniki przenikania ciepła są zawsze brane pod uwagę przy projektowaniu sprzętu, który jest specjalnie przeznaczony do przekazywania ciepła - lub nie do przenoszenia ciepła. Gotowanie garnków, chłodzenie płetw na silniku motocykla, dmuchanie łyżką zbyt gorącej zupy lub podgrzewanie zimnych rąk przez jedną osobę to przykłady zwiększenia współczynnika przenikania ciepła. Największym pojedynczym czynnikiem przyczyniającym się do lepszych współczynników przenikania ciepła, biorąc pod uwagę ograniczenia materiałowe, jest szybki ruch fazy płynnej komponentów. Przedmuchiwanie powietrza przez grzejnik, indukowanie turbulentnego przepływu w wymienniku ciepła lub gwałtownie poruszające się powietrze w piecu konwekcyjnym skutkuje znacznie wyższymi współczynnikami przenikania ciepła niż warunki nieruchome. Wynika to z faktu, że więcej cząsteczek pochłaniających ciepło trafia na gorącą powierzchnię w krótszym czasie.

Z drugiej strony, poszukiwanie wysoce skutecznej izolacji uwzględnia również współczynnik przenikania ciepła każdego z interfejsów. Izolacja jest ważna w przypadku lodówek i zamrażarek, lodówek piknikowych, odzieży zimowej i domów energooszczędnych. Przestrzenie martwego powietrza, puste przestrzenie w pianie i materiały o niskim przewodnictwie pomagają zapewnić izolację.

Pod względem ilościowym współczynnik przenikania ciepła jest funkcją dwóch stykających się materiałów; temperatura każdego z nich, która określa siłę napędową; oraz czynniki, które zwiększają lub zmniejszają przenoszenie ciepła, takie jak, odpowiednio, konwekcja lub zanieczyszczenie powierzchni. Równania określają ilość ciepła, która jest przenoszona na jednostkę powierzchni, na różnicę temperatur między dwoma sąsiadującymi materiałami i na przedział czasu. Obliczenia dotyczące wielkości urządzeń przemysłowych, takich jak grzejniki i wymienniki ciepła, zwykle uwzględniają przenoszone ciepło na godzinę, ponieważ moce produkcyjne zakładu są zwykle określane co godzinę.

Ogólny współczynnik przenikania ciepła, taki jak często stosowany w równaniach wymienników ciepła, musiałby wziąć pod uwagę szereg czynników. W tym przykładzie należy wziąć pod uwagę nasyconą parę wodną w danej temperaturze, powierzchnię kontaktu pary z rurką, przewodnictwo przez ścianę rury, powierzchnię kontaktu z cieczą wewnątrz rur, takich jak olej, i temperaturę doprowadzanego oleju. Informacje z tych czynników mogą pomóc określić, jak duży byłby potrzebny wymiennik ciepła i jaka strategia projektowania i materiałów byłaby najlepsza.