Konveksiyon Nedir, Ne Demek? Taşınım, Newton Soğuma Yasası ve Pencerede Konveksiyon
Konveksiyon (taşınım), ısının bir akışkanın, yani sıvı ya da gazın, kendi hareketiyle bir yerden başka bir yere taşınmasıdır: sıcak yüzeye değen hava ısınır, hafifler, yükselir ve ısıyı beraberinde götürür. Kelime beş anlamda kullanılır: fizikte ve yapı fiziğinde ısı aktarımının üç yolundan biri; günlük dilde "taşınım" kelimesinin "taşınma işi" anlamı; mühendislikte momentum, ısı ve kütle aktarımını birlikte inceleyen "taşınım olayları"; meteorolojide sıcak havanın yükselmesiyle oluşan bulut ve sağanaklar; mutfakta sıcak havayı fanla dolaştıran konveksiyon fırını. Bu sayfa ilk anlamı pencere, cam, duvar ve çatı üzerinden derinlemesine anlatır; öteki anlamlar kısa bölümlerde yer alır. Üç ısı yolunun (iletim, taşınım, ışınım) birlikte karşılaştırması ısının yayılma yolları sayfasındadır.
Konveksiyon ne demek? Anlamları ve kaynakları
Konveksiyon Fransızca convection kelimesinden gelir. Türk Dil Kurumu Güncel Türkçe Sözlük konveksiyonu kimya ve fizik alanında "ısı yayımı" maddesine yönlendirir ve bu maddeyi "hareket eden nesnelerle belli nicelikte ısının taşınması olayı" diye tanımlar. Aynı maddede eş anlamlı olarak "iletim" de geçer; ısı transferi dilinde ise iletim (kondüksiyon) maddenin yer değiştirmediği ayrı bir mekanizmadır, taşınımla karıştırılmaz. Türkçe karşılık "taşınım"ın TDK'da iki anlamı vardır.
| Anlam | Alan | Kaynak |
|---|---|---|
| Konveksiyon: ısı yayımı; hareket eden nesnelerle belli nicelikte ısının taşınması olayı | Kimya, fizik (isim) | TDK |
| Taşınım: katı yüzey ile akışkan arasında gerçekleşen bir tür ısı transferi | Fizik | TDK |
| Taşınım: taşınma işi | Genel (isim) | TDK |
| Konvektör (ısıyayar): bir akışkanda ısıyı her tarafa eşit olarak yaymaya yarayan alet | Fizik, ısıtma | TDK |
| Taşınım olayları: momentum, ısı ve kütle aktarımının birlikte incelenmesi | Mühendislik (kimya, malzeme) | Marmara Üniversitesi ders kataloğu |
| Atmosferde ısı ve nemin düşey yönde taşınması; konvektif bulut ve sağanak | Meteoroloji | ABD Ulusal Hava Durumu Servisi sözlüğü |
| Isıtıcı elemanın yanındaki fanla sıcak havayı dolaştıran fırın | Mutfak | Fırın üreticilerinin kullanım kılavuzları |
Konveksiyon nedir? Taşınımla ısı nasıl aktarılır
Bir akışkan ısındığında genişler ve yoğunluğu azalır. Hafifleyen kısım yukarı çıkar, yerine daha soğuk ve yoğun akışkan gelir; oluşan döngüye konveksiyon akımı denir. Taşınım yalnız akışkanlarda olur: katının içinde ısı iletimle yürür, ama katı yüzeyi ile ona değen hava arasındaki alışveriş taşınımdır. TDK'nın fizik tanımı da bunu vurgular. Isının neden sıcaktan soğuğa aktığı ısı ve sıcaklık arasındaki fark sayfasında anlatılır.
Yüzeyin hemen önünde hızı neredeyse sıfır olan ince bir hava katmanı, yani sınır tabaka bulunur. Isı bu katmandan iletimle geçer, ötesinde akışla taşınır. Akış hızlandıkça sınır tabaka incelir ve aktarım artar; rüzgârlı havada daha çok üşümenin nedeni budur.
Newton'un soğuma yasası: q = h · ΔT
Taşınımla aktarılan ısı akısı yüzey ile akışkan arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır:
q = h · (Ts − T∞)
Burada q ısı akısı (W/m²), Ts yüzey sıcaklığı, T∞ akışkanın yüzeyden uzaktaki sıcaklığı, h ise taşınım ısı transfer katsayısıdır (W/m²K). h bir malzeme özelliği değildir; akışın hızına, yönüne, akışkanın türüne ve yüzeyin biçimine bağlıdır. Incropera ve arkadaşlarının ders kitabındaki tipik aralıklar şöyledir (Michigan Tech ders notu):
| Süreç | Akışkan | h (W/m²K) |
|---|---|---|
| Doğal taşınım | Gaz | 2-25 |
| Doğal taşınım | Sıvı | 50-1000 |
| Zorlanmış taşınım | Gaz | 25-250 |
| Zorlanmış taşınım | Sıvı | 100-20 000 |
| Faz değişimli (kaynama, yoğuşma) | Sıvı ve buhar | 2500-100 000 |
Doğal ve zorlanmış taşınım
Doğal (serbest) taşınımda hareketi yalnız sıcaklığın yarattığı yoğunluk farkı başlatır: kalorifer peteğinin üstünde yükselen hava, soğuk camdan aşağı süzülen hava, bacada çekiş. Zorlanmış taşınımda akışı dışarıdan bir etken sürer: fan, pompa ya da rüzgâr. Klima iç ünitesi, fanlı konvektör ve cephenin dış yüzünü yalayan rüzgâr bu gruptadır. Tablodaki aralıklar farkı gösterir: aynı gaz, fanla ya da rüzgârla hareket ettiğinde yüzeyden çok daha fazla ısı alır.
Yapıda konveksiyon: pencere, duvar ve çatı
İç ve dış yüzey ısı transfer dirençleri: Rsi ve Rse
Bir duvarın ya da pencerenin U değeri hesaplanırken katmanların direncine iki yüzey direnci eklenir. Bu dirençler yüzeyde taşınımla ışınımın birlikte oluşturduğu direnci temsil eder. ISO 6946 standardının 2007 baskısındaki Tablo 1, düz yüzeyler için şu tasarım değerlerini verir (m²K/W):
| Isı akışının yönü | Rsi (iç) | Rse (dış) |
|---|---|---|
| Yukarı (ör. tavan, çatı) | 0,10 | 0,04 |
| Yatay (duvar, pencere; ±30°) | 0,13 | 0,04 |
| Aşağı (ör. döşeme) | 0,17 | 0,04 |
Tablonun mantığı taşınımdır. Isı yukarı akarken ısınan hava serbestçe yükselir, taşınım güçlüdür, direnç küçüktür. Isı aşağı akarken sıcak hava zaten üstte durur, akım kurulamaz, direnç büyür. Dış yüzeyde rüzgâr taşınımı zorladığı için direnç her yönde düşüktür. Bu dirençlerin U değerine nasıl girdiği pencerelerde ısı iletim katsayısı hesabı ve pencere ve yalıtımda değerler sözlüğü sayfalarında anlatılır.
Isıcam boşluğunda gaz konveksiyonu ve en iyi boşluk genişliği
Durgun hava iyi bir yalıtkandır; iletken ve yalıtkan maddeler sayfasındaki gibi yalıtım malzemeleri havayı küçük gözeneklere hapsederek çalışır. Boşluk büyüdükçe ise gaz dolaşmaya başlar. ISO 6946'nın 2007 baskısındaki Tablo 2 bunu kapalı hava katmanlarında gösterir: yatay ısı akışında direnç 5 mm'de 0,11, 15 mm'de 0,17 m²K/W'dir; 25 mm'den sonra 0,18'de sabitlenir. Kalınlık artsa da taşınım arttığı için kazanç durur. Isı aşağı akarken akım kurulamadığından direnç 300 mm'de 0,23'e kadar yükselmeye devam eder.
Isıcam ünitesinde sıcak iç camın önündeki gaz yükselir, soğuk dış camın önündeki gaz iner; iki cam arasında dönen bir hücre oluşur. Dar boşlukta gaz katmanı ince olduğu için iletim fazladır, geniş boşlukta taşınım başlar. Bundesverband Flachglas için ift Rosenheim'ın EN 673'e göre hesapladığı Ug tablolarından 4-boşluk-4 yapıda, kaplama salımı εn = 0,03 olan satırlar (W/m²K):
| Boşluk (mm) | Kuru hava | %90 argon |
|---|---|---|
| 10 | 1,8 | 1,5 |
| 12 | 1,6 | 1,3 |
| 14 | 1,5 | 1,2 |
| 15-18 | 1,4 | 1,1 |
| 20 | 1,4 | 1,2 |
Argonlu ünitede en düşük değer 15-18 mm aralığındadır, 20 mm'de değer yeniden yükselir. Argonun yararı taşınımı durdurması değil, ısıyı havadan daha az iletmesidir; daha ağır bir gaz, EN 673 hesabında daha dar boşlukta dolaşmaya başlar. Ayrıntı argon gazlı cam sayfasında, kaplamanın ışınım payını nasıl kestiği low-e ısı kontrol camı sayfasındadır. Aynı ilke doğrama profillerindeki odacıklar için de geçerlidir: alüminyum pencere çerçevelerinde ısı yalıtımını iyileştirme.
Pencere önünde soğuk hava akımı (downdraft)
Kışın camın iç yüzü odadan soğuktur. Cama değen hava soğur, ağırlaşır ve cam boyunca aşağı süzülerek döşemeye yayılır. Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'nın pencere ve ısıl konfor çalışması, çok soğuk bir günde büyük, klasik çift camlı bir pencereye 1 m uzaklıkta bu akımın hızını yaklaşık 0,25 m/s olarak tahmin eder ve bunun çıplak tende üşüme hissi yaratmaya yeterli olduğunu belirtir; daha ılık havada ya da küçük camlarda hız 0,1-0,2 m/s'dir. Kalıcı çözüm camın iç yüzeyini ısıtmaktır: düşük U değerli cam ve sıcak kenar cam çıtası. Konfor üzerindeki etkisi termal konfor sayfasında, pratik kontrol listesi pencereden soğuk gelmemesi için yazısında anlatılır.
Radyatör, konvektör ve yerden konvektör
Kalorifer peteği adına rağmen ısının önemli kısmını taşınımla verir: arkadaki kanatlar havayla temas yüzeyini büyütür, ısınan hava yükselir, oda içinde dolaşım başlar. Panel radyatörlerin ısı gücü EN 442-2'ye göre 75/65/20 °C gidiş, dönüş ve oda sıcaklığında ölçülür (Purmo panel radyatör teknik kataloğu). Radyatörü pencerenin altına koymanın nedeni, yükselen sıcak havanın camdan inen soğuk akımı karşılamasıdır. LBNL çalışması cepheye yakın konvektörlerin yanındaki camdan ısı kaybını artırabileceğini de not eder. Tavana kadar camlı cephelerde döşemeye gömülü kanal konvektörler kullanılır; Kampmann kanal konvektörleri doğal taşınımlı ve fanlı türleriyle bu uygulamaya bir örnektir. Sistem karşılaştırması için yerden ısıtma mı radyatör mü, arka duvar kaybı için petek arkası yalıtım levhası sayfalarına bakılabilir.
Baca etkisi: çatı arası ve havalandırmalı cephe
Doğal taşınım bina ölçeğinde de çalışır. İçerisi dışarıdan sıcaksa hava yükselir, üst açıklıklardan çıkar, alt açıklıklardan temiz hava girer; yükseklik ve sıcaklık farkı arttıkça çekiş güçlenir. Bu baca etkisi pasif (doğal) havalandırmanın ve baca çekişinin temelidir. Havalandırmalı çatı arasında saçaktan giren hava mahyadan çıkarak nemi taşır; bu dolaşım kesildiğinde çatı katında terleme ve küf görülür. Havalandırmalı cephede kaplamanın arkasındaki boşlukta güneşle ısınan hava yükselerek boşluğu kurutur; ilke cephede su yönetimi sayfasında anlatılır. ISO 6946, düşey katmanın dışarıya açıklıkları metre başına 1500 mm² ya da üzerindeyse onu "iyi havalandırılmış" sayar; U hesabında bu boşluk ve dışındaki kaplama yok sayılır. Havalandırmalı cephe ile mantolamanın farkı cephe yalıtım yöntemleri karşılaştırmasındadır. Yalıtım levhasının arkasında istenmeden kalan hava boşluğu ise taşınımla ısı kaybettirir; bu uygulama hatası mantolamada yapılan hatalar sayfasında anlatılır.
Konveksiyon ve yoğuşma
Taşınım odadaki nemli havayı soğuk yüzeylere taşır. Yüzey sıcaklığı havanın çiy noktasının altındaysa su damlacıkları oluşur; mekanizma yoğuşma nedir sayfasındadır. Kalın perde ya da cama yapışık stor, oda havasının camın önünde dolaşmasını keser; cam daha da soğur ve buğu artar. Seçenekler stor, jaluzi ve plise perde yazısında, belirtiye göre çözümler pencerelerde terleme ve camda buğu sayfasında anlatılır.
Taşınım olayları
Kimya ve malzeme mühendisliğinde "taşınım olayları" (transport phenomena) bir ders ve bilim dalının adıdır. Momentumun (akış), enerjinin (ısı) ve kütlenin aktarımını birlikte inceler; örneğin malzeme mühendisliğindeki derste erimiş metal ve polimer akışları ile işleme sırasındaki ısı aktarımı ele alınır. Burada "taşınım" yalnız konveksiyon değil, genel olarak "aktarım" anlamında kullanılır.
Konveksiyon fırını nedir?
Konveksiyon fırını (fanlı fırın), arka duvardaki bir ısıtıcı elemanın çevresine yerleştirilmiş fanla sıcak havayı pişirme hücresinde dolaştırır. Zorlanmış taşınım, yiyeceğin çevresindeki soğuk sınır tabakayı süpürdüğü için ısı daha hızlı ve daha eşit aktarılır; birden fazla tepsi aynı anda pişirilebilir. Bu yüzden fanlı pişirmede sıcaklık genellikle fansız ayara göre yaklaşık 20 °C düşürülür; kesin değer için fırının kullanım kılavuzu esas alınır.
Meteorolojide konveksiyon
Meteorolojide konveksiyon, atmosferde ısı ve nemin düşey hareketle, özellikle kararsız havadaki yükselici ve alçalıcı akımlarla taşınmasıdır. Kümülonimbus ve kule biçimli kümülüs bulutları bunun görünür hâlidir; oraj yalnız bir konveksiyon türüdür. Bulut oluşturmayan türüne kuru konveksiyon denir.
Sık sorulan sorular
Konveksiyon ile taşınım aynı şey mi?
Evet. Taşınım, konveksiyonun Türkçe karşılığıdır. TDK "taşınım" maddesine ayrıca genel bir "taşınma işi" anlamı da verir.
Katılarda konveksiyon olur mu?
Hayır. Taşınım akışkanın yer değiştirmesini gerektirir. Katının içinde ısı iletimle yürür; katı yüzeyi ile hava arasındaki aktarım taşınımdır. Yer mantosu ilginç bir istisnadır: katı kaya jeolojik zaman ölçeğinde çok yavaş akar (sünme) ve bu akış levhaları hareket ettiren manto konveksiyonu olarak adlandırılır.
Doğal ve zorlanmış konveksiyon arasındaki fark nedir?
Doğal taşınımda akışı yalnız yoğunluk farkı başlatır; zorlanmışta fan, pompa ya da rüzgâr sürer. Gazlarda tipik h değeri doğal taşınımda 2-25, zorlanmışta 25-250 W/m²K aralığındadır.
Isıcamda boşluk ne kadar geniş olmalı?
İft tablolarına göre low-e kaplamalı, argonlu çift camda en düşük Ug 15-18 mm boşlukta elde edilir. Daha geniş boşlukta gaz dolaşımı başlar ve kazanç azalır.
Pencereden soğuk geliyor ama hava sızıntısı yok, neden?
Soğuk camın önünde aşağı inen hava akımı ve soğuk yüzeyin ışınımı, conta sağlam olsa bile üşüme hissi yaratır. İç cam yüzeyini ısıtan düşük U değerli bir cam ya da camın altına yerleştirilen bir ısıtıcı etkiyi azaltır. Seçenekler pencere ve ürünler sayfalarındadır.