詳しい解説

熱伝達率（ねつでんたつりつ、熱伝達係数とも）は次式に示すニュートンの冷却法則により定義され、単位面積、単位温度、単位時間あたりの伝熱量である。記号にはhの他、αが使われることも多い。アイザック・ニュートンが1701年に発表。

Q = hA(Tw - Ta)

Q : 熱移動量, W

A : 伝熱面積, m²

h : 熱伝達率, W/(m² K)

Tw : 物体表面の温度, K

Ta : 流体の温度, 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はや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。

さまざまな場合に対する熱伝達率について実験的、あるいは理論的な式が導出されている。たとえば、温度が均一な板の強制対流の熱伝達率hは下記の式で求めることができる。

h = Nu k/L

Nu = 0.664 Re^1/2Pr^1/3 (Re < 10⁵)

Re = U L/ν

ただし、

h : 熱伝達率, W/(m² K)

k : 流体の熱伝導率, W/(m•K)

L : 板の長さ(流れ方向), m

Nu : ヌッセルト数

Pr : プラントル数

Re : レイノルズ数

U : 流速, m/s

ν : 動粘性係数, m²/s

ヌセルト数は無次元化された熱伝達率である。強制対流の場合にはヌッ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。

ニュートンの冷却法則は単に、ニュートンの法則とも呼ばれる。しかし、速度勾配にせん断力が比例するというニュートンの粘性法則もニュートンの法則と呼ばれることがあり、注意が必要である。

古い単位で、流体の種類による熱伝達率の値は次の程度にみつもる。

• 静止した空気（無風） 4 kcal/(m²・h・℃)
• 流れている空気 10～250 kcal/(m²・h・℃)
• 流れている油 50～1500 kcal/(m²・h・℃)
• 流れている水 250～5000kcal/(m²・h・℃)

1 kcal/(m²・h・℃)→1.16279W/(m²・℃)

関連項目

伝熱工学

参考文献

• 甲藤好郎　『伝熱概論』、養賢堂、1964年。
• 一色尚次、北山直方　『伝熱工学(改訂・SI併記)』　森北出版、1984年。
• 日本機械学会編　『伝熱工学資料第4版』　1986年。
• 白倉昌明、大橋秀夫　『流体力学(2)』　コロナ社、1969年。

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