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2014 | Buch

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Wärmeübertragung

Physikalische Grundlagen - Illustrierende Beispiele - Übungsaufgaben mit Musterlösungen

verfasst von: Heinz Herwig, Andreas Moschallski

Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Dieses Lehrbuch vermittelt das grundsätzliche Verständnis für die physikalischen Vorgänge im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung. Zusätzlich zur ausführlichen Behandlung der verschiedenen Wärmeübertragungssituationen werden illustrierende Beispiele gegeben, die oftmals unerwartete Effekte beschreiben. Anhand von Übungsaufgaben mit ausführlichen Musterlösungen kann der Stoff vertieft werden. Sorgfältig ausgewählte Arbeitsblätter erleichtern die Anwendung des Stoffes. Für die dritte Auflage wurde die Anzahl der illustrierenden Beispiele auf 20 erhöht.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einführende Beispiele

Zusammenfassung

Im Folgenden soll anhand einiger ausgesuchter Beispiele aus dem Alltag und aus technischen Anwendungen die Bedeutung der Wärmeübertragung in sehr unterschiedlichen Situationen erläutert werden. Solange allerdings noch nicht einmal definiert ist, was „Wärme“ überhaupt ist und wann und auf welcheWeise sie „übertragen“ werden kann, muss sich diese Erläuterung darauf beschränken, die Situationen zu beschreiben und die Aufmerksamkeit auf interessante Teilaspekte zu lenken. Eine Erklärung dieser Phänomene erfordert die Kenntnis der physikalischen Zusammenhänge, die Inhalt des vorliegenden Lehrbuches sind.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

2. Begriffs- und Zielbestimmung

Zusammenfassung

Die grundlegenden Begriffe „Wärme“ bzw. „Wärmeübertragung“ sollen zunächst definiert und eingeordnet werden, bevor zum Schluss dieses Kapitels erläutert wird, was die Aufgaben und Ziele des Fachgebietes „Wärmeübertragung“ sind.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

3. Dimensionsanalytische Überlegungen

Zusammenfassung

Um weitgehend allgemeingültige Lösungen wärmetechnischer Probleme angeben zu können, ist es unerlässlich, die Probleme möglichst von Anfang an in dimensionsloser Darstellung zu formulieren. In diesem Kapitel soll beschrieben werden, wie dabei methodisch vorzugehen ist.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

4. Allgemeine Betrachtungen zum Wärmeübergang an Systemgrenzen

Zusammenfassung

Bevor die einzelnen zum Teil sehr verschiedenen Situationen der Wärmeübertragung bzw. des Wärmeüberganges an Systemgrenzen im Detail behandelt werden, sollen diese kurz bzgl. ihrer charakteristischen Besonderheiten beschrieben werden. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel grundsätzlich vorhandene Gemeinsamkeiten der verschiedenen Situationen der Wärmeübertragung diskutiert.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

5. Wärmeleitung

Zusammenfassung

Wärmeleitung liegt (als alleiniger Mechanismus) in einem ruhenden Stoff vor, wenn dort Temperaturunterschiede vorhanden sind. Sie stellt einen grundlegenden Transportmechanismus dar, der in fast allen wärmetechnischen Problemen zumindest als Teilaspekt auftritt und deshalb hier als erstes ausführlich behandelt werden soll. Die Erfahrung zeigt, dass dabei ein Wärmestrom in Richtung abnehmender Temperatur auftritt. Mit Hilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik lässt sich zeigen, dass dies eine Folge der bisher unwiderlegten generellen Aussage ist, dass Entropie nicht vernichtet werden kann.

Die Bilanzen unter Berücksichtigung der thermodynamischen Hauptsätze (→Gleichgewichts-Thermodynamik) gestatten allerdings keine Aussage darüber, wie groß ein Wärmestrom ist, wenn ein bestimmtes Temperaturgefälle vorliegt. Dazu bedarf es einer Ergänzung der thermodynamischen Energiebilanz, die in diesem Kapitel als sog. konstitutive Gleichung eingeführt wird.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

6. Konvektiver Wärmeübergang

Zusammenfassung

In vielen wärmetechnischen Problemen treten Strömungen gasförmiger oder flüssiger Fluide auf. Diese Strömungen beeinflussen den Wärmeübergang erheblich, in bestimmten Fällen gibt es auch eine Rückwirkung des Wärmeüberganges auf die Strömung. Diese einseitige bzw. gegenseitige Beeinflussung von Strömungs- und Temperaturfeldern ist bei sehr vielen Wärmeübergangsproblemen von fundamentaler Bedeutung und soll deshalb hier ausführlich behandelt werden.

Bevor auf konkrete Situationen des konvektiven Wärmeüberganges bei der Durchströmung von Kanälen und der Umströmung von Körpern mit laminaren oder turbulenten Strömungen bei erzwungener oder natürlicher Konvektion genauer eingegangen wird, soll die allen gemeinsame Wirkung von Strömungen auf den leitungsbasierten Energietransport über eineWand (die gleichzeitig Systemgrenze ist) qualitativ beschrieben werden. Dabei wird in diesem Kapitel unterstellt, dass es sich jeweils um einphasige Strömungen, also reine Gas- oder Flüssigkeitsströmungen handelt.

Es wird unterstellt, dass strömungsmechanische Grundkenntnisse vorhanden sind. Beispielsweise sollte der Unterschied zwischen laminaren und turbulenten Strömungen bekannt sein und ebenso die Tatsache, dass diese Strömungsformen jeweils bei Reynolds-Zahlen unter- bzw. oberhalb problemspezifischer kritischer Reynolds-Zahlen auftreten. Auf spezielle Strömungsphänomene und deren Auswirkungen auf denWärmeübergang wird in diesem Buch aber zumindest qualitativ eingegangen.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

7. Zweiphasen-Wärmeübergang

Zusammenfassung

Anders als im vorigen Kapitel wird jetzt kein einphasiges Fluid unterstellt, sondern untersucht, wie der Wechsel des Fluides zwischen der Gas- und der Flüssigkeitsphase zur Physik des Wärmeüberganges beiträgt. Wegen der großen technischen Bedeutung sollen die dabei auftretenden Phänomene ausführlich erläutert werden.

Bei einem Zweiphasen-Wärmeübergang können große Wandwärmestromdichten auftreten, weil große Energiemengen in unmittelbarer Nähe der Wand absorbiert oder freigesetzt werden. Aus diesem Grund müssen diese Energiemengen weder durch Leitung noch konvektiv von der Wand weggeführt bzw. der Wand zugeführt werden. Es ist üblich, auch diese Form des Wärmeüberganges durch einen Wärmeübergangskoeffizienten α^∗ bzw. eine Nußelt-Zahl Nu zu bewerten. Dies ist allerdings nicht ganz unproblematisch, da eine „treibende Temperaturdifferenz“ nicht mehr unmittelbar charakterisiert, wie stark der Mechanismus ist, der die an der Wand übertragene Energie aufnimmt bzw. abgibt. Dieser Mechanismus ist bei Phasenwechselvorgängen prinzipiell nicht mehr mit Temperaturänderungen verbunden und wird deshalb auch als Mechanismus einer latenten, d. h. verborgenen Energiespeicherung bezeichnet.

Die Beibehaltung von α^∗ bzw. Nu auch zur Bewertung dieser Vorgänge führt zu Zahlenwerten, die um mehrere Größenordnungen über denen liegen, die bei rein sensibler Wärmespeicherung auftreten. „Sensibel“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Energie als innere Energie gespeichert wird und je nach Größe derWärmekapazität des Fluides zu mehr oder weniger starken Temperaturänderungen sowohl bei reiner Wärmeleitung als auch bei konvektivem Wärmeübergang führt.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

8. Wärmeübergang durch Strahlung

Zusammenfassung

Der physikalische Mechanismus eines strahlungsbasierten Wärmeüberganges unterscheidet sich grundsätzlich von den bisher behandelten leitungsbasierten Wärmeübergängen. Die leitungsbasierten Wärmeübergänge erfolgen aus molekularer Sicht stets mit Hilfe von Wechselwirkungen benachbarter Moleküle bzw. durch freie Elektronen. Es liegt stets eine Wärmeleitung über die Systemgrenze (Ort des Wärmeüberganges) vor, es muss „lediglich“ danach unterschieden werden, wie die per Leitung übertragene Energie „abtransportiert“ wird. Im Gegensatz dazu erfolgt der Wärmeübergang durch Strahlung auf elektromagnetischem Weg. Strahlungsbasierte Wärmeübergänge sind die Folge von „Fernwirkungen“ zwischen Molekülen mit elektromagnetischen Feldern als Übertragungswegen.

Diese Form der Wärmeübertragung ist keineswegs auf wenige besondere Situationen beschränkt, sondern in fast allen Wärmeübertragungsproblemen als Teilaspekt vorhanden. Um entscheiden zu können, ob die Effekte der Wärmestrahlung in einem bestimmten Problem eine wesentliche Rolle spielen oder nicht, müssen die Vorgänge gut verstanden sein. Die Grundlage dazu soll in diesem Kapitel gelegt werden.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

9. Wärmetechnische Apparate

Zusammenfassung

In diesem Kapitel sollen die Grundprinzipien der Prozessgestaltung in wärmetechnischen Apparaten erläutert werden, in denen auf vielfältige Weise die bisher behandelten Mechanismen der Wärmeübertragung auftreten. Für die Details der technischen Umsetzung sowie für Einzelheiten der Berechnung und Auslegung solcher Apparate wird jeweils auf die umfangreiche Spezialliteratur verwiesen.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

10. Messung von Temperaturen und Wärmeströmen

Abstract

Im Fachgebiet derWärmeübertragung werden die beiden folgenden zentralen Fragen behandelt:

• Welche Wärmeströme treten als Folge eines bestimmten Temperaturfeldes bzw. zwischen zwei Körpern unterschiedlicher Temperatur auf?

• Welche Temperaturfelder bzw. Oberflächentemperaturen stellen sich als Folge bestimmter Wärmeströme ein?

Damit kommt aus experimenteller Sicht der Messung von Temperaturen und Wärmeströmen eine entscheidende Bedeutung zu. Wie sich zeigen wird, werden Wärmestrommessungen ihrerseits wiederum auf Temperaturmessungen zurückgeführt, so dass die letztlich entscheidende Messgröße bei der experimentellen Behandlung von Wärmeübertragungsproblemen die Temperatur ist. Deren messtechnische Bestimmung wird deshalb zunächst ausführlich behandelt, bevor kurz auf Wärmestrommessungen eingegangen wird.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

11. Schlussbetrachtung

Zusammenfassung

Leserinnen und Leser, die systematisch und ohne Kapitel zu überschlagen bis hierhin vorgedrungen sind, sollten einiges über die verschiedenen Situationen derWärmeübertragung erfahren haben. Sie dürften jetzt in der Lage sein, die zu Anfang des Buches vorgestellten Wärmeübertragungsphänomene aus dem Alltag zu verstehen sowie einige darüber hinausgehende Fragen zu beantworten.

Heinz Herwig, Andreas Moschallski

Backmatter

Titel: Wärmeübertragung
verfasst von: Heinz Herwig
Andreas Moschallski
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-06208-8
Print ISBN: 978-3-658-06207-1
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-06208-8

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