การถ่ายเทความร้อน: การพาความร้อน

แนวคิดพื้นฐาน

การพาความร้อนเป็นกลไกการถ่ายเทความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวของแข็งและของไหล (ของเหลวหรือก๊าซ) ที่เคลื่อนที่อยู่ติดกัน กลไกนี้ประกอบด้วยปรากฏการณ์สองส่วน คือ การนำความร้อนผ่านชั้นขอบเขตของไหล (Boundary Layer) ที่อยู่นิ่งบางๆ ใกล้ผิว และการถ่ายเทความร้อนระดับมหภาคจากการเคลื่อนที่ของของไหล การพาความร้อนแบ่งออกเป็น การพาความร้อนแบบบังคับ (Forced Convection - ของไหลเคลื่อนที่โดยแหล่งจ่ายพลังงานภายนอก เช่น ปั๊ม หรือ พัดลม) และ การพาความร้อนแบบธรรมชาติ (Natural/Free Convection - ของไหลเคลื่อนที่จากแรงลอยตัวเนื่องจากความแตกต่างของความหนาแน่นที่เกิดจากอุณหภูมิ)

สูตรและวิธีการ

อัตราการถ่ายเทความร้อนด้วยการพาความร้อนอธิบายด้วย กฎการเย็นตัวของนิวตัน (Newton's Law of Cooling): $q = h A (T_s - T_\infty)$ โดยที่:

• $q$ = อัตราการถ่ายเทความร้อน
• $h$ = สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนแบบพา (Convective heat transfer coefficient)
• $A$ = พื้นที่ผิวที่ใช้ในการถ่ายเทความร้อน
• $T_s$ = อุณหภูมิที่พื้นผิว
• $T_\infty$ = อุณหภูมิของไหลภายนอกชั้นขอบเขต (Bulk temperature)

ค่า $h$ ไม่ใช่คุณสมบัติเฉพาะของของไหล แต่เป็นพารามิเตอร์ที่ได้จากการทดลอง ซึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของไหล (ความหนาแน่น ความหนืด การนำความร้อน ความร้อนจำเพาะ) รูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิว และลักษณะการไหลของของไหล (แบบราบเรียบ หรือ แบบปั่นป่วน)

การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม

ในการออกแบบทางความร้อน การพาความร้อนมักจะเป็นตัวต้านทานหลักที่จำกัดประสิทธิภาพของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน วิศวกรจะใช้ตัวเลขไร้มิติ (Dimensionless numbers) เช่น นัสเซลท์ ($Nu$), เรย์โนลด์ส ($Re$), และ พรันดเทิล ($Pr$) เพื่อเชื่อมโยงข้อมูลจากการทดลองและประมาณค่า $h$ สำหรับรูปทรงต่างๆ การเพิ่มประสิทธิภาพการพาความร้อนทำได้โดยการเพิ่มความเร็วของไหล (เพิ่ม $h$) หรือการเพิ่มพื้นที่ผิว ($A$) โดยใช้ครีบ (Fins) ซึ่งเป็นวิธีปฏิบัติมาตรฐานในหม้อน้ำและฮีทซิงค์ระบายความร้อนทางอิเล็กทรอนิกส์