Konveksiyon

Konveksiyon (veya taşınım), katı yüzey ile akışkan arasında gerçekleşen ısı transferinin bir çeşididir. Akışkan içindeki akımlar vasıtası ile ısı transfer edilir. Akışkan, içindeki veya akışkanla sınır yüzey arasındaki sıcaklık farklarından ve bu farkın yoğunluk üzerinde oluşturduğu etkiden doğabilmektedir. Yoğunluk değişimlerinin diğer kaynakları, değişken tuzluluk oranı veya dış kaynaklı zorlayıcı kuvvet uygulaması gibi sebepler de olabilir.

Konveksiyon ile ısı aktarımı, ısı aktarımının üç mekanizmasından biridir. Diğerleri iletim (kondüksiyon) ve yayınımdır. Konveksiyonunun oluştuğu yerler, atmosfer, okyanuslar ve gezegenle ilgili örtüdür.

Doğal ve zorlanmış konveksiyon

Bir tank içindeki akışkanın taşınım çizelgesi

Doğal konveksiyon, akışkan içinde varolan sıcaklık farkları sebebi ile akışkanın hareket etmesi ile ortaya çıkan konveksiyondur. Örneğin ısınan sıcak havanın radyatör yüzeyinden yukarı doğru yükselmesi.

Doğal konveksiyonun temel dayanak noktası, ısınan akışkanın daha yukarı (yüzeye) çıkmaya yatkın hâle gelmesi, yani yükselmesi ve daha soğuk akışkanın aşağı (dibe) hareket etmesidir. Kütleçekimi veya santrifüj gibi ivme alanları içinde çeşitli sıcaklıklarda sıcaklık değişimleri yüzünden gaz veya sıvı genişleme veya kısılmaya uğradığında doğal konveksiyon oluşur. Kütleçekimi olmadığında yükselme faktörü olmayacağından doğal taşınım olmaz.

Zorlanmış konveksiyon ise akışkan hareketi dıştan gelen bir etki ile (bir pompa veya fan gibi) olduğunda oluşur. Örneğin fanlı ısıtıcılar, fan soğuk havayı ısıtma elemanına üfler ve hava ısınırsa yine benzer şekilde bir insan yemeğini soğutmak için üflediğinde, zorlanmış konveksiyon kullanmış olur.

Bir yüzeyde oluşan konveksiyon

Zorlanmış ya da doğal konveksiyon olsun, her ikisinde de mühendislik yaklaşımı genelde sıcak ısı kaynağı olan yüzeyden akışkan ortama olan ısı transfer oranı ile ilgilenmektir.

Bir yüzey üzerinden geçen akışkanın bölgesel konveksiyonel ısı akısı şu şekilde ifade edilir:

$q''=h(T_{s}-T_{\infty })$

Burada:

• $q''$ - bölgesel ısı akısı
• $h$ - bölgesel konveksiyon katsayısı
• $T_{s}$ - yüzey sıcaklığı
• $T_{\infty }$ - çevre sıcaklığı

Toplam ısı transferi, $q$ yüzey alan üzerinden $q''$'nun integralinin alınması ile hesaplanır.

$q=\int _{A}q''\,dA$

Bu ifade, daha sonra ortalama konveksiyon katsayısının, ${\overline {h}}$, tanımlanmasında kullanılır.

$q={\overline {h}}(T_{s}-T_{\infty })$