În termodinamică și transmiterea căldurii coeficientul de transfer termicPopa, 1986, p. 286 este constanta de proporționalitate dintre fluxul de căldură și diferența de temperatură, . Este utilizat pentru a calcula căldura transmisă între componentele unui sistem, de exemplu prin convecție între un fluid și un solid. Coeficientul de transfer termic are ca unitate de măsură în SI wați pe metru pătrat și kelvin (W/m2K).
Fluxul global de transfer de căldură, pentru modurile combinate, este exprimat prin coeficientul global de transfer termic, .Popa, 1986, p. 477
La atingerea unei stări staționare a sistemului, fluxul termic este:
unde: este fluxul termic [W]; este coeficientul de transfer termic [W/m2K]; este aria suprafeței prin care are loc transmiterea căldurii [m2]; este temperatura fluidului [K]; este temperatura suprafeței solide [K].
Definiția generală a coeficientului de transfer termic este:
unde: este fluxul termic unitar [W/m2], este diferența de temperatură între fluid și suprafața solidă [K].
Coeficientul de transfer termic este inversul coeficientului de rezistență termică,Popa, 1986, p. 473 care pentru materialele de construcții este cunoscut drept coeficientul de izolare termică.
Există numeroase metode pentru calcularea coeficientului de transfer termic în diferite moduri de transfer termic, diferite fluide, diferite regimuri de curgere și în diferite condiții termice și hidraulice. Adesea, acesta poate fi estimat prin raportul dintre conductivitatea termică a fluidului și o scală de lungime. Coeficientul de transfer termic este adesea calculat din numărul Nusselt. Există și aplicații disponibile online pentru transferul termic în fluide. Evaluarea experimentală a coeficientului de transfer termic prezintă unele dificultăți, în special atunci când trebuie măsurate fluxuri mici (de exemplu ).
Descriere O metodă simplă pentru determinarea unui coeficient global de transfer termic, utilă pentru a calcula transmiterea căldurii între elemente simple, cum ar fi pereții clădirilor sau ale schimbătoarelor de căldură, este prezentată mai jos. Această metodă ia în considerare în principal conducția și convecția. Efectele radiației pot fi estimate similar, dar introduc o dependență neliniară de temperatură. Metoda este următoarea:
unde: este coeficientul global de transfer termic [W/(m2K]; este aria suprafeței prin care are loc transmiterea căldurii [m2] ( și fiind ariile suprafețelor de contact pe fiecare parte spălată de fluide); este coeficientul de transfer termic pe o parte respectiv pe cealaltă a peretelui [W/m2K]; este grosimea peretelui [m]. este conductivitatea termică a peretelui [W/mK];
Dacă ariile suprafețelor pe cele două părți ale peretelui sunt apropiate (practic egale), ecuația poate fi scrisă cu un coeficient de transfer termic pe unitatea de suprafață
respectiv
Pentru țevi care transportă un fluid, adesea valoarea se ia ca diferența dintre cele două raze ale țevii, cea exterioară și cea interioară; similar cu grosimea peretelui la un transfer printr-o placă plană sau pe alte suprafețe plane obișnuite, cum ar fi peretele unei clădiri, respectiv atunci când diferența de suprafață dintre fiecare parte a peretelui prin care se face transferul se apropie de zero.
La pereții clădirilor, formula de mai sus poate fi utilizată pentru a obține valoarea utilizată în mod obișnuit pentru calcularea căldurii transmise între componentele clădirii. Arhitecții și inginerii numesc valorile rezultate valoarea rezistenței termice (izolației).
Relații de calcul pentru transferul convectiv al căldurii Deși transferul de căldură prin convecție poate fi calculat analitic prin analiză dimensională, analiză exactă a stratului limită, analiză integrală aproximativă a stratului limită și analogii între transferul de energie și impuls, aceste abordări analitice pot să nu ofere soluții practice la toate problemele atunci când nu există modele matematice aplicabile. Ca urmare, au fost elaborate numeroase relații de diverși autori pentru a estima coeficientul de transfer de căldură prin convecție în diverse cazuri, cum ar fi convecția liberă și convecția forțată pentru curgeri în interiorul țevilor, respectiv în exteriorul lor. Aceste relații empirice sunt valabile pentru geometria și condițiile lor de curgere. Deoarece proprietățile fluidului depind de temperatură, acestea sunt evaluate la temperatura stratului limită, , care este media dintre temperatura la nivelul suprafeței și temperatura generală a fluidului,
Curgere exterioară, perete vertical Churchill și Chu propun următoarea relație pentru convecția liberă adiacentă unui plan vertical, atât pentru curgerea laminară, cât și pentru cea turbulentă. este conductivitatea termică a fluidului, este lungimea caracteristică în direcția forțalor arhimedice (în câmp gravitațional pe verticală), este numărul Rayleigh pentru iar este numărul Prandtl (numărul Rayleigh poate fi scris ca produs al numerelor Grashof și Prandtl).
Pentru curgerile laminare, următoarea relație este ceva mai precisă. Se observă că o tranziție de la o limită laminară la una turbulentă are loc atunci când
Curgere exterioară, cilindru vertical Pentru cilindrii cu axele verticale se pot utiliza expresiile pentru suprafețe plane, cu condiția ca efectul de curbură să nu fie prea semnificativ. Acesta este cazul în care grosimea stratului limită este mică în raport cu diametrul cilindrului, . Pentru fluide cu relațiile pentru pereții plani verticali pot fi utilizate atunci când:
unde este numărul Grashof, și în fluide cu când:
În aceste cazuri eroarea nu depășește 5,5 %.
Curgere exterioară, placă orizontală W. H. McAdams a sugerat următoarele relații pentru plăcile orizontale, unde flotabilitatea indusă va fi diferită dacă suprafața caldă este orientată în sus sau în jos.
Pentru curgere laminară și suprafața caldă orientată în sus, sau suprafața rece orientată în jos:
iar pentru curgere turbulentă:
Pentru curgere laminară și suprafața caldă orientată în jos, sau suprafața rece orientată în sus:
Lungimea caracteristică este raportul dintre aria suprafeței plăcii și perimetru. Dacă suprafața este înclinată la un unghi față de verticală, atunci relațiile lui Churchill și Chu pentru o placă verticală pot fi utilizate pentru până la 60°; dacă stratul limită este laminar, la calcului constanta gravitațională se înlocuiește cu .
Curgere exterioară, cilindru orizontal Pentru cilindri de lungime suficientă și efecte de capăt neglijabile, Churchill și Chu dau următoarea relație pentru .
Curgere exterioară, sferă Pentru sfere, T. Yuge dă următoarea relație pentru și :
Incintă dreptunghiulară verticală Pentru fluxul de căldură între două plăci verticale opuse ale unor incinte dreptunghiulare, Catton recomandă următoarele două relații pentru rapoarte de aspect mici. Relațiile sunt valabile pentru orice valoare a numărului Prandtl.
Pentru :
unde este înălțimea intrerioară a incintei, iar este distanța orizontală dintre cele două sprafețe cu temperaturi diferite.
Pentru :
Pentru incinte verticale cu rapoarte de aspect mai mari, se pot utiliza următoarele două relații.
Pentru :
Pentru :
Pentru toate cele patru relații, proprietățile fluidului sunt evaluate la temperatura medie – spre deosebire de temperatura stratului limită – unde și sunt temperaturile suprafețelor verticale și
Convecție forțată
Curgere interioară laminară Sieder și Tate dau următoarea relație pentru a explica efectele de intrare la o curgere laminară în țevi, unde este diametrul intern, este viscozitatea fluidului la temperatura medie globală, este viscozitatea fluidului la temperatura suprafeței peretelui țevii.
Pentru o curgere laminară complet dezvoltată (adică unde grosimea stratului limită nu mai variază), numărul Nusselt este constant și egal cu 3,66. Mills combină efectele de intrare și curgerea complet dezvoltată într-o singură ecuație:
Curgere interioară turbulentă Relația Dittus–Bölter (1930) este o relație comună și deosebit de simplă, utilă pentru multe aplicații:
Această relație este aplicabilă atunci când convecția forțată este singurul mod de transfer de căldură; adică nu există fierbere, condensare, radiație termică semnificativă etc. Se consideră că precizia acestei relații este de ±15 %.
Pentru un fluid care curge într-o țeavă rotundă dreaptă cu un număr Reynolds între 10 000 și 120 000 (în intervalul de curgere turbulentă în țeavă), când numărul Prandtl al fluidului este între 0,7 și 120, într-o poziție departe de intrarea în țeavă (mai mult de 10 diametre ale țevii; mai mult de 50 de diametre conform multor autori ) sau alte perturbări ale curgerii, iar când suprafața conductei este hidraulic netedă, coeficientul de transfer termic între fluid și suprafața țevii poate fi exprimat explicit din relația precedentă ca:
unde: este diametrul hidraulic, [m], este conductivitatea termică a fluidului liber, [W/mK] este viscozitatea dinamică, [Pa·s], este fluxul masic, [kg/m2s], este capacitatea termică masică la presiune constantă a fluidului, [J/kgK] este 0,4 la încălzire (peretele mai cald ca fluidul liber) și 0,33 la răcire (peretele mai rece ca fluidul liber). În această relație proprietățile fluidului sunt considerate la temperatura curentului liber, evitând astfel iterațiile.
Curgere exterioară În analiza transmiterii căldurii la curgerea pe lângă suprafața exterioară a unui solid situația este complicată de fenomene precum desprinderea stratului limită. Diverși autori au dat relații, diagrame și grafice pentru diferite geometrii și condiții de curgere. Pentru curgerea paralelă cu o suprafață plană, unde este distanța față de margine și este grosimea stratului limită, un număr Nusselt mediu poate fi calculat folosind analogia Colburn.
Relația Thom Există relații simple specifice fluidelor pentru coeficientul de transfer de căldură la fierbere. Relația Thom este pentru curgerea apei la fierbere (subrăcite sau saturate la presiuni de până la aproximativ 20 MPa) în condiții în care contribuția fierberii nucleate predomină față de convecția forțată. Această relație este utilă pentru estimarea aproximativă a diferenței de temperatură așteptate, fiind dat fluxul de căldură:
unde: este diferența de temperatură dintre perete, mai mare ca temperatura de saturație a apei, [K], este fluxul de căldură, [MW/m2], este presiunea apei, [MPa]. Această relație empirică este valabilă pentru unitățile date.
Coeficientul de transfer termic al peretelui țevii Rezistența la fluxul termic opusă de materialul peretelui țevii poate fi exprimată drept „coeficient de transfer termic al peretelui țevii”. Trebuie însă precizat dacă fluxul de căldură se raportează la diametrul interior sau cel exterior al țevii. Dacă fluxul de căldură se raportează la diametrul interior al țevii și dacă peretele țevii este subțire în comparație cu acest diametru, curbura peretelui are un efect neglijabil asupra transmiterii căldurii. În acest caz, peretele țevii poate fi aproximat ca un plan, ceea ce simplifică calculele. Această presupunere permite calculul coeficientului de transfer termic pentru peretele țevii ca:
unde: este conductivitatea termică a materialului peretelui, este diferența dintre diametrul exterior și cel interior (de două ori grosimea peretelui țevii).
Totuși, atunci când grosimea peretelui este semnificativă, curbura nu poate fi ignorată, coeficientul de transfer termic trebuie să țină cont de forma cilindrică. În acest caz coeficientul de transfer termic poate fi calculat mai precis folosind:
unde: este diametrul interior al țevii, [m], este diametrul exterior al țevii, [m],
De obicei conductivitatea termică a materialului tubului depinde de temperatură; adesea se utilizează conductivitatea termică medie.
Combinarea mai multor coeficienți de transfer termic