Konvektionskoeffizient

Der Konvektionskoeffizient h beschreibt die Wärmezustransportrate durch Konvektion zwischen einer festen Oberfläche und dem benachbarten Fluid. Er gibt an, wie viel Wärme pro Zeit, Fläche und Temperaturdifferenz übertragen wird: Q = h A (T_s - T_f). Die Einheit ist W/(m²K).

Der Koeffizient hängt stark von der Strömung ab. Natürliche Konvektion entsteht durch Dichteunterschiede im Fluid, erzwungene Konvektion durch äußere Strömung (Ventilator, Pumpe). Internen Wärmeübergang beschreibt die Konvektion innerhalb von Hohlräumen, extern die Konvektion an Oberflächen. Konvektionswerte variieren je nach Geometrie, Orientierung und Oberflächenbeschaffenheit.

Zu den Einflussfaktoren gehören Material- und Fluid-Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit k, Viskosität μ, Dichte ρ, Wärmekapazität c_p), Strömungsgeschwindigkeit, Turbulenz, Geometrie und Oberflächenrauheit, die Temperaturdifferenz sowie Strahlung. Der Wert lässt sich oft nur durch empirische oder numerische Korrelationsgleichungen abschätzen.

Die Bestimmung erfolgt typischerweise über Nu-Korrelationsformen. Nu = hL/k, wobei L eine charakteristische Länge ist. Für turbulente, erzwungene Strömung in Rohren ist z. B. Dittus–Boelter bekannt: Nu = 0,023 Re^0,8 Pr^n, mit n ≈ 0,4 (Heizen) oder ≈ 0,3 (Kühlen). Es existieren weitere Korrelationen für natürliche Konvektion und andere Geometrien.

Anwendungen umfassen Wärmetransfer in Wärmetauschern, Kühlung von Elektronik und Maschinen, Gebäudetechnik sowie chemische Reaktoren. Typische Werte reichen stark je nach Fluid und Strömung: Luft natürlicher Konvektion ca. 5–25 W/m²K; Luft erzwungene Konvektion ca. 25–250 W/m²K; Flüssigkeiten oft 100–1000+ W/m²K, je nach Turbulenz. Hinweis: Strahlung kann den effektiven h beeinflussen; er ist kein konstanter Materialwert, sondern betriebspunktabhängig.