Mikä on pakotettu konvektio?

Konvektio kuvaa kulkevien nesteiden tai kaasujen lämmön vaikutusta kiinteään esineeseen. Pakotetussa konvektiossa nesteen tai kaasun virtausta tehostetaan tai luodaan keinotekoisesti. Puhaltimet ovat yleinen tapa pakottaa kaasut, kun taas pumppuja käytetään usein nesteiden kanssa. Pakotettu konvektio toimii yleensä nopeammin kuin tavallinen konvektio.
Yksinkertainen esimerkki pakotetusta konvektiosta olisi jääpalan sulaminen lämpimällä vedellä. Jääkuutio sulaa luonnollisesti vielä lämpimän veden altaassa. Luonnollinen konvektio johtaisi siihen, että jääkuution ympärillä oleva vesi muuttuisi viileämmäksi ja tehottomammaksi jääkuution sulamisessa prosessin edetessä. Jos lämmintä vettä pakotettaisiin jatkuvasti jääpalan yli, vesi ei jäähtyisi ja jääpala sulaa paljon nopeammin.

Lämmön konvektion tehokkuus määräytyy useiden tekijöiden perusteella. Yleensä mitä suurempi on lämmitettävän pinnan paljastunut alue, sitä vaikeampi on lämmittää. Siksi kaasu- tai nestevirtaa on säädettävä vastaavasti. Tämä saavutetaan usein lisäämällä keinotekoinen lähde nesteiden tai kaasun virtauksen lisäämiseksi.

Konvektiovirran nopeus on myös tärkeä. Yleensä nopeammat virrat ovat tehokkaampia. Tuulen jäähdytys on hyvä esimerkki tästä tehokkuudesta. Kovassa tuulessa seisova henkilö jäähtyy nopeammin kuin seisova ilma, koska lämmin iho altistuu suuremmalle määrälle kylmää ilmaa tietyn ajan kuluessa.

Lämpötilaero vaikuttaa myös pakotetun konvektion nopeuteen. Pinnat, jotka altistuvat konvektiovirralle ja joiden lämpötila on paljon korkeampi, kuumenevat nopeammin. Lämmön konvektio hidastuu, kun kohde lähestyy virran lämpötilaa.

Paksummat nesteet ja kaasut ovat yleensä tehokkaampia lämmönsiirrossa. Tämä on ongelmallista, koska monet paksummat kaasut ja nesteet vaativat enemmän voimaa tehokkaan nopeuden ylläpitämiseksi konvektiovirrassa. On myös huolehdittava siitä, että neste tai kaasut pysyvät liikkuvina jäähtyessään.

Vaikka pakotetun konvektion ensisijainen kohde on usein lämmitettävä tai jäähdytettävä kohde, on tärkeää muistaa, että lämpötilan siirto tapahtuu molempiin suuntiin. Kun konvektiovirta lämmittää esinettä, kohteen alempi lämpötila siirtyy virtaan. Pakotetun konvektiomenetelmän tehokkuutta arvioitaessa on tärkeää määrittää kohteen ja virran lämpötilan muutos.
Lämmönsiirtoanalyysi suoritetaan joko manuaalisesti tai ohjelmistolla. Muuttujia on monia, mutta pakollisen muuntomenetelmän tehokkuudesta on kaksi ensisijaista osoitusta. Ensimmäinen merkki on lämmitettävän pinnan lämpötilan nousu. Toinen osoitus on konvektiovirran lämpötilaero ennen ja jälkeen sen kulkemisen pinnan yli. Mitä suurempi ero, sitä hyödyllisempi konvektiomenetelmä on.