熱伝達率 熱伝達率の概要

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熱伝達率

出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』 (2017/07/15 04:17 UTC 版)

熱伝達率 Heat transfer coefficient
量記号	h
次元	M T -3 Θ -1
SI単位	W/(m2 K)

熱伝達率は、対流熱伝達、沸騰熱伝達、凝縮熱伝達など、流体と物体間の熱移動を扱うための係数である。まれに流体温度の代わりに環境温度などを用い、熱伝達率表現によって物体表面の温度上昇が小さい熱放射を近似的に扱うこともある。

一般に、熱伝達率は物体表面で一様ではなく、流れの様相により時間的にも一定ではないが、平均値として熱の移動を扱うことが多く、工学的な係数である。また、空間的には局所熱伝達率であっても、時間平均とすることがほとんどである。これは流れの時間変化に相応する速さでの物体の温度変化が問題になることが少ないためで、流体力学で乱流を扱う時間スケールと、伝熱工学での乱流の扱いには大きな隔たりがある。

定義

熱伝達率h は次で定義される：

$h={\frac {Q}{A(T_{\mathrm {w} }-T_{\mathrm {a} })}}={\frac {J}{T_{\mathrm {w} }-T_{\mathrm {a} }}}$

ここで

• Q ：熱移動量 (W)
• J ：熱流束密度 (W/m²)
• A ：伝熱面積 (m²)
• T_w ：物体表面の温度 (K)
• T_a ：流体の温度 (K)、ただしT_w > T_aとする。

である。

無次元数

ヌセルト数

ヌセルト数 Nu は無次元化された熱伝達率であり、次の式で定義される：

$Nu={\frac {hL}{k}}$

ここで、

• k ：流体の熱伝導率 (W/(m K))
• L ：代表長さ (m)

である。強制対流の場合にはヌセルト数を無次元流速のレイノルズ数と流体の運動と温度を結びつける物性値であるプラントル数で整理し、自然対流の場合には浮力と粘性力の比であるグラスホフ数とプラントル数で整理するのが一般的である。

スタントン数

ヌセルト数は熱伝導率を用いて無次元化したが、代わりに比熱あるいは熱容量を用いることもでき、これをスタントン数 St という。

$St={\frac {h}{c_{p}\,\rho \,U}}$

ここで

• c_p ：流体の比熱 (J/(kg K))
• ρ：流体の密度 (kg/m³)
• U ：流速 (m/s)

である。