Värmeöverföring

Värmeöverföring är transport av värmeenergi som sker på grund av temperaturskillnader mellan två olika kroppar. Värmeöverföringen sker genom ledning, konvektion och strålning. Vid värmeflöde genom en plan vägg alternativt värmeflöde genom en krökt vägg sker överföringen av värme genom ledning och konvektion.
 

Värmeledning

Värmeöverföring genom ledning sker i fasta, flytande eller gasformiga medier. Det som sker vid ledning är att partiklar i ett medium som har högre temperatur och därmed större rörelseenergi överförs till närliggande partiklar med lägre temperatur och mindre rörelseenergi och på så sätt utjämnas temperaturen. 
 

Konvektion

Konvektion är det värmeutbyte som uppstår när gas eller vätska strömmar förbi en yta. Värmeutbytet sker mellan olika media. Om varm luft strömmar mot dig känns det varmt. Luften avger värme och hela tiden kommer ny varm luft som ersätter den luft som redan avgivit värme. I bastun kommer den varma luften, 90 °C, att avge värme till din hud. Värmeöverföringen genom konvektion i bastun är låg, och därför kan man vistas i bastun relativt lång tid utan att bli "överhettad". Kroppstemperaturen ökar dock sakta hela tiden.

Värmeöverföringen genom konvektion kan förbättras kraftigt genom ökad lufthastighet. Det kan du känna om du blåser på armen - då bränns det genast. Värmeöverföringen anges med ett värmeövergångstal, α, som uttalas alfa. I tabellen nedan ges några exempel på rimliga storleksordningar (verkliga värden varierar kraftigt med aktuella strömningsförhållanden). Vid konvektion brukar man tala om egenkonvektion och påtvingad konvektion. Egenkonvektion betyder att luften/vätskan strömmar av sig själv. Drivkraften är att varm luft stiger uppåt (som när varm luft stiger uppåt från ett stearinljus). Motsatsen är påtvingad konvektion när man har en fläkt eller pump för att öka strömningshastigheten.
 

 
Typ av strömning Värmeövergångstal, a Watt/(m2*°C) I förhållande till värdet för egenkonvektion i luft
Egenkonvektion luft 5 1
Egenkonvektion vatten 500 100
Vattenströmning i rör (5 m/s) 23 000 4 600
Kokning, vatten 25 000 5 000
 

Som synes är det mycket stor skillnad i värmeövergångstalen vid olika förhållanden. Om du befinner dig i en bastu där temperaturen är 90 °C och skulle råka sätta ner fingret i vatten som är 90 °C erhålls en dramatiskt ökad värmeöverföring genom konvektion, från 5 till 500 (se tabellen ovan). Resultatet blir att huden på fingret snabbt värms till närmare 90 °C, och du får en brännskada. Vid en varm ugnsvägg finns också en tydlig egenkonvektion. Du ser den om du exempelvis håller en glödande cigarett några centimeter från väggen. Röken stiger snabbt uppåt. Den varma väggen värmer luften strax utanför väggen. Varm luft är lättare än kall luft och stiger därför uppåt. 

Ämnen som matas in i värmningsugnar går först in i en ugnsdel utan brännare, den så kallade mörkzonen. Där avger de varma ugnsavgaserna, genom konvektion, värme till de inkommande kalla ämnena. Avgaserna lämnar sedan ugnen genom skorstenen. 

Då värmeöverföringen sker från en fast vägg till en vätska eller gas sker denna genom konvektion. Större delen av temperaturändringen sker i ett tunt skikt närmast väggen. Hur tunt detta skikt är beror av ett flertal faktorer till exempel vätskans/gasens egenskaper, väggens form, ytegenskaper, ytmaterial med mera. Den mängd värme som överförs från väggen till vätskan/gasen eller tvärtom är proportionell mot ytans storlek, temperaturskillnaden mellan väggen och vätskan/gasen samt värmeövergångskoefficienten.
 

Strålning

Transport av energi utan hjälp av något medium kallas för strålning. De finns en rad olika typer av strålning men samtliga beskrivs som en vågrörelse eller som en partikelström.

Värmestrålning är elektromagnetisk strålning i ett specifikt våglängdsintervall där energi överförs med ljusets hastighet. Värmestrålning alstras från alla kroppar som har en temperatur över den absoluta nollpunkten (-273,15 °C).
 

Värmeflöde genom plan vägg

Värmeflödet genom en plan vägg är en kombination av konvektion och ledning. Flödet av värme genom en plan vägg delas in i fyra delar. Vid beräkningar av värmeflöde genom en krökt vägg kan ekvationerna för plan vägg användas till viss del men viss modifiering krävs.

  • Värmeöverföring från det varma mediet till väggen på den varma sidan, konvektion
  • Värmeledning genom väggen, ledning
  • Värmeöverföring från väggen på den kalla sidan till det kalla mediet, konvektion
  • Värmeöverföring från det varma mediet till det kalla mediet:

Följande ekvation kan användas vid beräkning av värmeöverföring från mediet på den varma sidan till mediet på den kalla sidan:

 
 

Värmeövergångskoefficienten är en sammansatt koefficient som ser ut på följande sätt:

 


Värmeflöde genom krökt vägg

De formler som används vid beräkning av värmeflöde genom en krökt vägg liknar de som används vid framtagning av värmeflödet genom en plan vägg men ett antal modifieringar av ekvationerna måste göras. En krökt yta antas ofta vara en cylindrisk eller sfärisk yta och den ekvation som används i dessa situationer kan studeras nedan.

 
 

Efter vidareutveckling av denna ekvation utifrån en cylindrisk yta erhålls ekvationen nedan.

 


Ė = värmemängden [W]
L = längden på skiktet [m]
Tn - Tn+1 = temperaturskillnad mellan yttre respektive inre skiktet [K]
λn = värmekonduktivitet i skiktet [W/m,K]
rn = inre radien av skiktet [m]
rn+1 = yttre radien av skiktet [m]