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Über dieses Buch

Dieses Buch vermittelt wie kein anderes die Grundlagen der Wärmeübertragung. Es versetzt den Leser in die Lage, Wärmeübertrager auszulegen sowie Wärmeübertragungsaufgaben aller Art zu analysieren und praktische Lösungen dafür zu finden. Auf ausgedehnte theoretische Herleitungen wird verzichtet, stattdessen werden die wesentlichen Zusammenhänge anhand zahlreicher Beispiele aus dem Ingenieuralltag verdeutlicht.

Nach der Einführung in die grundlegenden Begriffe wird der Leser Schritt für Schritt mit den wichtigsten Wärmeübertragungsformen vertraut gemacht. Behandelt werden stationäre und instationäre Wärmeleitung, freie und erzwungene Konvektion, berippte Oberflächen, Kondensation und Verdampfung, Wärmestrahlung sowie die Berechnung von Wärmeübertragern. Ein deutsch-englisches Glossar ergänzt den Stoff. Für die 7. Auflage wurden die Kapitel 3 und 8 überarbeitet und mit neuen Beispielen ergänzt. Anpassungen und Korrekturen aufgrund von Hinweisen der Nutzer des Buches ergänzen die Überarbeitung.

Die Zielgruppen

Ein Buch für Studierende an Universitäten und Fachhochschulen sowie für Ingenieure in der Praxis. Das Buch eignet sich auch als Begleitbuch zum VDI-Wärmeatlas.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung und Definitionen

Zusammenfassung
Die Wärmeübertragung ist ein Teilgebiet der Wärmelehre. Sie beschreibt die Gesetzmäßigkeiten, nach denen der Transport von Wärme zwischen Systemen unterschiedlicher Temperatur erfolgt. In der Thermodynamik werden Wärmeströme und Wärme, die von einem System zum anderen zu- oder abgeführt werden, als gegebene Prozessgrößen angenommen. Dabei bleibt unberücksichtigt, wie die Wärme übertragen wird und auf Grund welcher Gesetzmäßigkeiten die Quantität der transferierten Wärme entsteht. Die Wärmeübertragung behandelt die Mechanismen, die die Größe des Wärmestromes bzw. der übertragenen Wärme bei den vorhandenen Temperaturdifferenzen und sonstigen physikalischen Bedingungen bestimmen.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

2. Wärmeleitung in ruhenden Stoffen

Zusammenfassung
Die Wärmeleitung ist ein Wärmetransportmechanismus, der in festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen auftritt. Träger des Energietransports sind dabei je nach Medium Atome, Moleküle, Elektronen oder Phononen. Letztere sind Energiequanten elastischer Wellen, die in Nichtmetallen und – neben Elektronen – auch in Metallen für den Transport thermischer Energie sorgen.
Ist in einem Stoff ein Temperaturgradient vorhanden, tritt Wärmeleitung auf.
Dieses Kapitel behandelt nur die Wärmeleitung in ruhenden Stoffen. Zur Unterscheidung wird sie bei bewegten Fluiden Konvektion genannt und in den Kap. 3 und 4 besprochen. Bei technischen Problemen kommt Wärmeleitung in ruhenden Fluiden relativ selten vor, weil im Fluid durch die Temperaturdifferenz Dichteunterschiede verursacht werden und dadurch eine Strömung entsteht.
Erfolgt der Wärmetransport unter ständiger Aufrechterhaltung eines konstanten Wärmestromes, sind, zeitlich gesehen, die Temperaturen an jedem Ort jeweils konstant. In diesem Fall spricht man von stationärer Wärmeleitung. Erwärmt sich ein Körper oder kühlt er ab, da sich der Wärmestrom zeitlich ändert, verändern sich mit der Zeit die lokalen Temperaturen. Hierbei handelt es sich um instationäre Wärmeleitung.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

3. Erzwungene Konvektion

Zusammenfassung
Bei erzwungener Konvektion wird der Wärmeübergang durch die Temperaturunterschiede und die Strömung, die durch eine äußere Druckdifferenz aufrechterhalten wird, bestimmt. Die Druckdifferenz kann z. B. durch eine Pumpe oder einen Höhenunterschied erzeugt werden. Erzwungene Konvektion ist die in der Technik am häufigsten vorkommende Wärmeübergangsart. In Wärmeübertragern wird zwischen zwei Fluiden, die durch eine Wand getrennt sind, Wärme übertragen. Unsere Aufgabe wird sein, die Wärmeübergangszahlen in Abhängigkeit von den Strömungsbedingungen, den Temperaturen und der Geometrie des Wärmeübertragers zu bestimmen.
Betrachtet man ein Fluid mit der Temperatur ϑ F , das in einem Rohr, dessen Wandtemperatur ϑ W ist, entlangströmt, ist die Wärmestromdichte an einem beliebigen Ort gemäß der Definition in Abschn. 1.1.2 gegeben als:
$$ \dot{q}=\alpha \cdot ({{\vartheta }_{F}}-{{\vartheta }_{W}}) $$
(3.1)
Bei dieser Definition wird das Fluid mit einer konstanten Temperatur im gesamten Raum angenommen. Die Erfahrung zeigt, dass im Fluid in Wandnähe ein Temperaturprofil, analog dem Geschwindigkeitsprofil, entsteht.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

4. Freie Konvektion

Zusammenfassung
Im Gegensatz zur erzwungenen Konvektion entsteht die Strömung bei der freien Konvektion nicht durch eine Druckdifferenz, sondern durch Temperaturunterschiede im Fluid. Kommt ein ruhendes Fluid mit einer Oberfläche (Wand) unterschiedlicher Temperatur in Kontakt, entstehen im Fluid Temperaturdifferenzen, die Dichteunterschiede verursachen. Fluidschichten mit kleinerer Dichte steigen auf, solche mit größerer Dichte sinken ab. Die Temperatur- und Strömungsgrenzschicht der Strömung werden durch die Temperaturdifferenz selbst erzeugt.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

5. Kondensation reiner Stoffe

Zusammenfassung
Kommt Dampf mit einer Wand, deren Temperatur kleiner als die Sättigungstemperatur des Dampfes ist, in Kontakt, kondensiert er an der Wand und schlägt sich als Flüssigkeit nieder.
Der Niederschlag kann in Form eines geschlossenen Flüssigkeitsfilms oder in Form einzelner Tröpfchen erfolgen. Man spricht daher von Film‐ oder Tropfenkondensation. Die Tropfenkondensation, die höhere Wärmeübergangszahlen liefert, lässt sich nur durch besondere Vorkehrungen (z. B. Entnetzungsmittel, spezielle Oberflächenbeschichtungen) über längere Zeit aufrechterhalten. Die Anwendung der Tropfenkondensation beschränkt sich bis heute auf Demonstrationsmodelle und Laborapparate.
Die Kondensation kann mit reinen, gesättigten, nassen oder überhitzten Dämpfen bzw. mit Gasgemischen erfolgen. Hier wird nur die Kondensation reiner Dämpfe behandelt. Bei der Filmkondensation hängt die Wärmeübergangszahl von der Geometrie, den Stoffwerten und der Differenz zwischen Wand‐ und Kondensationstemperatur ab. Bei hohen Dampfgeschwindigkeiten werden Schubspannung und Wärmeübergangszahl von der Strömung stark beeinflusst.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

6. Verdampfung

Zusammenfassung
Für die Berechnung von Apparaten, in denen Dampf erzeugt wird, benötigt man die in diesem Kapitel behandelten Grundlagen der Wärmeübertragung bei Verdampfung. Dampferzeuger kommen in Wärmepumpen, Kälteanlagen, Dampfkesseln, Destillier- und Rektifizierkolonnen vor. Verdampfung kann in ruhenden oder strömenden Fluiden auftreten.
Verdampfung tritt auf, wenn man eine Flüssigkeit auf Siedetemperatur \( \vartheta_{S} \) erhitzt und ihr dann weiter Wärme zuführt. Wird einer Flüssigkeit, die Siedetemperatur hat, ein kleiner Wärmestrom zugeführt, entsteht an der Oberfläche eine Dampfproduktion, deren Massenstrom vom zugeführten Wärmestrom bestimmt wird.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

7. Strahlung

Zusammenfassung
Wärmeübertragung durch Strahlung erfolgt durch elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz zur Wärmeleitung, bei der die Wärmeübertragung an Bewegungen von Molekülen, Atomen oder Elektronen gebunden ist, also ein Trägermedium erfordert, benötigt die Wärmeübertragung bei Strahlung keine Materie, d. h. sie kann auch im Vakuum erfolgen. Bei der Strahlung wird von einem wärmeren Körper durch elektromagnetische Wellen Wärme an einen kälteren Körper übertragen. Der Wärmetransfer durch Strahlung erfolgt entweder im Vakuum oder durch Stoffe (meistens Gase), die die elektromagnetischen Wellen durchlassen.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

8. Wärmeübertrager

Zusammenfassung
Bei der Berechnung von Wärmeübertragern sind ganz unterschiedliche Aufgaben zu behandeln:
  • Auslegung von Wärmeübertragern: Massenströme und Temperaturen der Fluide sind vorgegeben, die Abmessungen des Wärmeübertragers müssen berechnet werden.
  • Nachrechnung von Wärmeübertragern: Die Temperaturänderungen der Fluide werden in einem Wärmeübertrager bekannter Geometrie berechnet.
  • Optimierung von Wärmeübertragern und Systemen.
  • Festigkeitsrechnungen und Konstruktion von Wärmeübertragern.
In der industriellen Praxis geht die Auslegung von Wärmeübertragern Hand in Hand mit der Optimierung und Konstruktion der Apparate. Hier wird die thermische Berechnung von Wärmeübertragern beschrieben und die Optimierung anhand eines Beispiels demonstriert.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

9. Berechnung von Stoffwerten

Zusammenfassung
Bei der Berechnung der Wärmeübergangszahlen spielt die Beschaffung von Stoffwerten eine wichtige Rolle.
Wie die Beispiele zeigten, ist oft der Einfluss der Temperatur auf die Stoffwerte zu berücksichtigen und diese muss man dann für eine Iteration immer wieder neu eingeben. Durch die Verwendung von Stoffwertprogrammen kann man auf die aufwändige Suche und Interpolationen in Tabellen verzichten und die Iteration erfolgt mit den Gleichungslösern. In diesem Kapitel stellen wir Programme zur Berechnung der Stoffwerte vor, die in Mathcad 15 und Prime 3.0 verwendbar sind.
Die Stoffwerte von 114 Fluiden können mit dem Programm CoolProp bestimmt werden. Für dieses Programm wurden wesentlich vereinfachte Abrufgleichungen entwickelt. Außerdem sind die Programme mit den Polynomen, die im Buch im Anhang A2 bis A6 beschrieben sind, mit eingeschlossen.
Diese Programme sind: Mathcad 15‐Programm „WüKap09.xmcd“ und Prime‐ 3.0‐Programm „WüKap09.mcdx“.
Beide Programme zum Abrufen von Stoffwerten sind im Internet unter www.tvt.kit.edu/1706.php abladbar. Man kann sie in andere Mathcad‐Programme implementieren und so wird die Änderung der Stoffwerte automatisch berücksichtigt.
Peter von Böckh, Thomas Wetzel

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