Konvektiven Wärmestrom nach Newton berechnen

Dieser Rechner ermittelt mit dem Newtonschen Abkühlungsgesetz den konvektiven Wärmestrom zwischen einer Oberfläche und dem umgebenden Fluid. Geben Sie den Wärmeübergangskoeffizienten, die angeströmte Oberfläche, die Oberflächentemperatur und die Temperatur des ungestörten Fluids ein. Das Ergebnis enthält den vorzeichenbehafteten Wärmestrom in Watt, seinen Betrag, die Temperaturdifferenz und die vorhergesagte Flussrichtung. Das Werkzeug eignet sich für schnelle Abschätzungen mit Luft, Wasser, Gasen und anderen Fluiden, wenn ein passender Wärmeübergangskoeffizient bereits bekannt ist.

Wenden Sie das Abkühlungsgesetz mit eindeutiger Vorzeichenregel an

Das Newtonsche Abkühlungsgesetz für Konvektion lautet q = h · A · (Ts - T∞). Dabei bezeichnet q den konvektiven Wärmestrom, h den Film- oder Wärmeübergangskoeffizienten, A die vom Fluid berührte Oberfläche, Ts die Oberflächentemperatur und T∞ die Temperatur des ungestörten Fluids außerhalb der wandnahen Schicht. Der Rechner wertet ein positives Ergebnis als Wärmefluss von der Oberfläche zum Fluid.

Ein negatives Ergebnis bedeutet, dass das Fluid wärmer ist und Wärme zur Oberfläche fließt. Sind beide Temperaturen gleich, liefert das Modell keinen Nettotransport. Geben Sie h in W/(m²·K), die Fläche in m² und beide Temperaturen auf derselben Skala ein.

Temperaturdifferenzen in Grad Celsius und Kelvin sind zahlenmäßig gleich, sodass beide Skalen bei einheitlicher Verwendung funktionieren. Der Betrag ist nützlich, wenn nur die thermische Last zählt; das Vorzeichen erhält zusätzlich die Richtung. Die Gleichung schätzt die fühlbare Konvektion zu einem bestimmten Zeitpunkt.

Wie sich die Temperatur im Zeitverlauf ändert, lässt sich damit allein nicht bestimmen.

Wählen Sie einen Wärmeübergangskoeffizienten für den konkreten Fall

Die Rechnung ist einfach, doch der Wärmeübergangskoeffizient bestimmt häufig die Güte der Abschätzung. Er fasst den Einfluss von Fluideigenschaften, Strömungsgeschwindigkeit, Geometrie, Oberflächenausrichtung sowie freier oder erzwungener Konvektion zusammen. Ein Wert für ruhende Luft darf nicht für schnell strömendes Wasser übernommen werden; ebenso bildet eine Korrelation für die Innenströmung im Rohr eine außen angeströmte Platte möglicherweise nicht ab.

Bestimmen Sie h aus einer validierten Korrelation, einem Versuch, einer Simulation, einer Gerätespezifikation oder einer anerkannten Fachquelle für die zutreffenden Bereiche der Reynolds-, Prandtl- und Nusselt-Zahl. Verwenden Sie die tatsächlich dem Fluid ausgesetzte Fläche, nicht die gesamte Bauteiloberfläche, wenn Teile gedämmt, abgedeckt oder mit einem anderen Festkörper verbunden sind. Der Rechner verlangt nichtnegative Werte für h und A, da negative Werte in dieser Formulierung keine physikalischen Größen darstellen.

Null ist zulässig und ergibt keinen Wärmetransport. Wenn h entlang der Oberfläche stark variiert, teilen Sie die Geometrie in Zonen und addieren Sie deren vorzeichenbehaftete Wärmeströme, statt einen ungeeigneten Mittelwert einzusetzen.

Verstehen Sie das Ergebnis als Abschätzung eines Modells

Die Ausgabe ist ein Wärmestrom in Watt, also Joule pro Sekunde, und keine Energiemenge. Multiplizieren oder integrieren Sie ihn nur dann über die Zeit, wenn Temperaturen und Koeffizient während des Intervalls bekannt sind. Die Berechnung setzt eine gleichmäßige Oberflächentemperatur, eine repräsentative Fluidtemperatur, einen geeigneten mittleren Koeffizienten und stationäres Verhalten am betrachteten Betriebspunkt voraus.

Strahlung, Wärmeleitung durch die Wand, Phasenwechsel, Verschmutzung, Kontaktwiderstand, Wärmeerzeugung und instationäre Wärmespeicherung werden nicht automatisch berücksichtigt. In einer vollständigen Wärmebilanz kann Konvektion nur einer von mehreren Anteilen sein. Prüfen Sie zuerst das Vorzeichen und vergleichen Sie anschließend den Betrag mit anderen Gewinnen und Verlusten.

Große Ergebnisse erfordern eine Einheitenkontrolle: Eine Fläche in Quadratmillimetern statt Quadratmetern oder ein Koeffizient in unvereinbaren angloamerikanischen Einheiten kann die Antwort drastisch verschieben. Für einen belastbaren Entwurf prüfen Sie Werkstoffgrenzen, Randbedingungen, Korrelationen, Unsicherheiten und Sicherheitsbeiwerte nach der geltenden Norm.