Wärmeübergangskoeffizienten

Wärmeübergänge bezeichnen die Übertragung thermischer Energie zwischen Systemen oder Bauteilen infolge von Temperaturunterschieden. Die Wärmeübertragung erfolgt grundlegend durch drei Mechanismen: Leitung, Konvektion und Strahlung. In vielen Anwendungen wirken diese Mechanismen gleichzeitig, sodass der Gesamtwärmefluss als Summe ihrer Beiträge beschrieben wird.

Durch Leitung (Konduktion) wandert Wärme im festen oder flüssigen Medium über Molekül- oder Elektronenkontakte. Das örtliche Wärmeflussgesetz ist das Fourier-Gesetz: q'' = −k ∇T, wobei k die thermische Leitfähigkeit des Materials ist. Hohe k-Werte bedeuten eine effiziente Wärmeleitung; in Metallen tragen zusätzlich freie Elektronen signifikant bei.

Konvektion ist der Wärmetransport durch bewegte Fluide. Sie kann naturläufig auftreten, wenn Temperaturunterschiede Strömung erzeugen, oder erzwungen, etwa durch Ventilatoren oder Pumpen. Der mittlere Wärmeübertragungskoeffizient h charakterisiert den Oberflächenfluss q'' = h (T_s − T∞). Die Größe von h hängt von den Eigenschaften des Fluids, der Strömung und der Oberflächenbeschaffenheit ab.

Strahlung transportiert Wärme elektromagnetisch und benötigt kein Medium. Sie folgt der Stefan-Boltzmann-Gesetzgebung: q'' = εσ (T_s^4 − T_sur^4). ε ist die Emissivität der Oberfläche, σ die Stefan-Boltzmann-Konstante. Strahlung wird besonders wichtig bei hohen Temperaturen oder im Vakuum.

In technischen Systemen lässt sich der Gesamtwärmeübergang oft über Widerstandsnetze modellieren. Begrenzungs- bzw. Grenzflächenwiderstände, der Gesamtwärmeübergangkoeffizient U und die Wärmeleitfähigkeit einzelner Schichten bestimmen den Gesamtwärmefluss. Anwendungen finden sich in der Gebäudetechnik, Elektronik-Kühlung, Wärmetauschern und der Materialforschung.