lämmönsiirtoprosessit

Lämmönsiirtoprosessit kuvaavat lämpöenergian siirtymää kappaleiden tai tilojen välillä lämpötilavaihtelujen seurauksena. Päämuodot ovat johtuminen, konvektio ja säteily. Joissakin tapauksissa huomioidaan myös latentti lämpö faasimuutoksen yhteydessä. Näiden ilmiöiden ymmärtäminen on keskeistä rakennusten, koneiden ja energiajärjestelmien suunnittelussa.

Johtuminen tapahtuu aineen sisällä tai sen läpi lämpötilaeron aiheuttaman lämpövirran tiheyden kautta. Fourierin laki q'' = -k ∇T kuvaa tilannetta, jossa k on aineen lämpöjohtavuus. Tämä määrittää, kuinka nopeasti lämpö siirtyy materiaalin sisällä ja sen poikki. Käytännössä johtuminen muodostaa osan kokonaislämmönsiirrosta, ja sitä rajoittavat liitos- ja kosketusvastukset sekä rakenteen geometria.

Konvektio syntyy, kun lämpö siirtyy nesteessä tai kaasussa liikkuvan massan mukana. Newtonin virtauslaki määrittelee lämpövirran Q = h A (T_s - T∞), jossa h on konvektiolämpövastuskerroin. Konvektio on luonnollista tai pakotettua ja sen tehokkuuteen vaikuttavat nesteen tai kaasun ominaisuudet sekä virtausnopeus.

Säteily on lämpöenergian siirtymistä elektromagneettisena säteilynä, jopa tyhjiössä. Stefan–Boltzmannin laki kuvaa tehoa: q = ε σ (T_s^4 - T_sur^4). Emissiviteetti ε määrittää pinnan säteilevyyden, ja säteilyyn liittyy usein ympäristön lämpötilojen huomiointi.

Yhtenäisessä mallinnuksessa käsitellään sekä staattisia että ajallisesti muuttuvia ilmiöitä. Lämpötilan kehitys riippuu lämpöjohtuvuudesta, tiheydestä ja lämpökapasiteetista. Transient-konduktiota mallinnetaan esimerkiksi yhtälöllä ∂T/∂t = α ∇^2 T, missä α = κ/(ρ c_p). Ratkaisuja voidaan tehdä analyyttisesti yksinkertaisille geometrioille tai numeerisesti (FDM, FEM).

Sovelluksia ovat rakennusten eristys ja ilmanvaihto, teollisuuden lämmönvaihtimet sekä elektroniikkalaitteiden jäähdytys, energian talteenotto ja prosessiteollisuus.