Der Wärmeübergangskoeffizient wird definiert, indem die Wandwärmestromdichte durch eine Temperaturdifferenz geteilt wird. Die Temperaturdifferenz im Nenner wird gewählt, nicht gemessen — und ändert sich die Wahl, ändert sich h, während die Physik dieselbe bleibt.
Drei verbreitete Wahlmöglichkeiten
Freistromtemperatur. Natürlich in der Außenströmung: die Temperatur der ungestörten Strömung weit vom Körper entfernt.
Mischungstemperatur (Bulk). Richtig für die Innenströmung: die massengemittelte Temperatur in diesem Querschnitt. Die Standardwahl für Rohre und Kanäle, und sie ändert sich entlang der Achse.
Temperatur der Nachbarzelle. Was Löser manchmal als Vorgabe verwenden. Sie hängt vom Netz ab: Ändert man die Zellgröße, ändert sich h. In dieser Form ist sie für einen Werkstoff- oder Entwurfsvergleich nicht verwendbar.
Warum das zählt
Steht in einem Bericht „h = 45 W/m²K", ohne den Bezug zu nennen, lässt sich diese Zahl nicht gegen eine andere Studie halten. Bei derselben Aufgabe können die drei Definitionen Werte liefern, die sich um einen Faktor unterscheiden — besonders im Einlaufbereich und nach der Ablösung.
Örtlich oder gemittelt
Das ist die zweite Quelle der Mehrdeutigkeit. Ein über die Fläche gemitteltes h verbirgt den Hotspot. Unter einem Prallstrahl ist das örtliche h in der Mitte ein Mehrfaches des Mittelwerts. Lautet das Abnahmekriterium auf den Hotspot, rückt die Arbeit mit einem gemittelten h das Ergebnis auf die unsichere Seite, nicht auf die sichere.
Die praktische Folge
Das Fluid zu lösen, statt h als Eingabe vorzugeben, beseitigt genau diese Mehrdeutigkeit. Siehe die Notiz zur konjugierten Wärmeübertragung.
Geht h in einen Bericht, gehören drei Dinge dazu: die Definition der Bezugstemperatur, ob der Wert örtlich oder gemittelt ist, und über welche Fläche gemittelt wurde.
Referenzen
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
- Churchill, S. W. & Chu, H. H. S. (1975). Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 18(11), 1323–1329. DOI: 10.1016/0017-9310(75)90243-4