koelingssnelheid

Koelingssnelheid is de snelheid waarmee de temperatuur van een object of systeem afneemt doordat warmte aan de omgeving wordt afgestaan. In praktische contexten wordt dit vaak uitgedrukt als de verandering in temperatuur per tijdseenheid, bijvoorbeeld in graden Celsius per seconde (°C/s) of Kelvin per seconde (K/s).

De afkoeling wordt bepaald door drie hoofdmechanismen van warmteoverdracht: geleiding, convectie en straling. De totale warmteafgifte Q̇ is afhankelijk van het temperatuurverschil tussen het object en de omgeving. Voor convectie geldt Q̇ ≈ h A (T − T∞), waardoor dT/dt = − [h A /(m c)] (T − T∞). Hierin is h de convectiecoëfficiënt, A het blootgestelde oppervlak, m de massa en c de soortelijke warmte van het materiaal.

In het lumped-capacitance-model wordt aangenomen dat de temperatuur binnen het object uniform is, zodat de afkoeling een eerste-orde proces is met tijdconstante τ = m c /(h A). De oplossing is T(t) = T∞ + (T0 − T∞) e^(-t/τ). Het Biot-nummer Bi = h Lc / k geeft aan of dit model geschikt is; Bi < 0,1 wordt meestal als wenselijk beschouwd om aan te nemen dat het object uniform afkoelt.

Factoren die de koelingssnelheid beïnvloeden zijn onder meer massa m, soortelijk warmtevermogen c, oppervlak A, warmteoverdrachtscoëfficiënt h, geometrie en isolatie, en de omgevingstemperatuur T∞. Een hogere c of massa vertraagt afkoeling, terwijl een groter oppervlak of hogere h het proces versnellen. Stralingscomponent kan vooral bij hoge temperaturen relevant zijn.

Toepassingen en metingen omvatten elektronische koelontwerpen, voedselverwerking, automotive en industriële koelsystemen. Metingen met thermokoppels of infraroodcamera’s leveren dT/dt en worden gebruikt bij simulaties en ontwerpoptimalisatie.