Marek / Nitsche Praxis der Wärmeübertragung

1. Auflage 2007
ISBN: 978-3-446-41478-5
Verlag: Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)

E-Book, Deutsch, 374 Seiten

Praxis der Wärmeübertragung: Grundlagen - Anwendungen - Übungsaufgaben

Dieses vorlesungsbegleitende Übungsbuch führt zielgerichtet durch die Grundlagen der Wärmeübertragung und erklärt diese sehr ausführlich anhand zahlreicher Anwendungen und Beispiele aus der Praxis. Eine zum Haupttext parallele Spalte präsentiert fortlaufend Erklärungen, Grafiken und Bilder, um die Themen anschaulich zu erläutern und mathematische Hürden zu überwinden. Zahlreiche Aufgaben zum Selbststudium dienen als Lernzielkontrolle und sind zur Prüfungsvorbereitung geeignet.

Inhalt:

- Grundlagen der Wärmeübertragung
- Massen- und Energiebilanzen
- Stationäre Wärmeleitung
- Rippen und Nadeln
- Instationäre Wärmeleitung
- Konvektion
- Wärmeübertrager
- Wärmestrahlung
- Aufgaben aus verschiedenen Themengebieten

Zusätzliche EDV-Programme in MS-Excel® für Parameterstudien und zur Vertiefung der Themen sind auf einer separaten Homepage der Fachhochschule Deggendorf verfügbar.

Autoren/Hrsg.

Marek, Rudi

Nitsche, Klaus

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort;8
2;Inhaltsverzeichnis;9
3;Formelzeichen und Abkürzungen;13
4;1 Grundlagen der Wärmeübertragung;18
4.1;1.1 Praktische Bedeutung;18
4.2;1.2 Wärme und Wärmestrom;19
4.3;1.3 Temperatur und Temperaturfelder;20
4.4;1.4 Wärmetransportmechanismen;21
4.4.1;1.4.1 Arten des Wärmetransports;22
4.4.2;1.4.2 Wärmeleitung;22
4.4.3;1.4.3 Konvektion;23
4.4.4;1.4.4 Wärmestrahlung;24
4.5;1.5 Fourier’sche Wärmeleitungsgleichung;25
4.5.1;1.5.1 Mehrdimensionale instationäre Wärmeleitung mit inneren Wärmequellen;25
4.5.2;1.5.2 Koordinatenunabhängige Schreibweise;26
4.5.3;1.5.3 Eindimensionale instationäre Wärmeleitung;26
4.5.4;1.5.4 Stationäre Wärmeleitung mit Wärmequellen;26
4.5.5;1.5.5 Stationäre Wärmeleitung ohne Wärmequellen;26
4.6;1.6 Anfangsund Randbedingungen;27
4.6.1;1.6.1 Anfangsbedingungen;27
4.6.2;1.6.2 Randbedingungen;27
4.6.3;1.6.3 Koppelbedingungen;28
4.7;1.7 Elektrische Analogie;28
4.7.1;1.7.1 Thermische Widerstände und Leitwerte;29
4.7.2;1.7.2 Spezifische thermische Widerstände und Leitwerte;29
4.7.3;1.7.3 Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmedurchgangswiderstand;30
4.7.4;1.7.4 Reihenschaltung thermischer Widerstände;30
4.7.5;1.7.5 Parallelschaltung thermischer Widerstände;31
4.7.6;1.7.6 Thermischer Kontaktwiderstand;31
4.8;1.8 Beispiele;32
4.9;1.9 Aufgaben zum Selbststudium;48
5;2 Massen- und Energiebilanzen;52
5.1;2.1 Grundlagen;52
5.1.1;2.1.1 System;52
5.1.2;2.1.2 Kontinuitätsgleichung;52
5.1.3;2.1.3 Erster Hauptsatz der Thermodynamik;53
5.1.4;2.1.4 Hinweise zur Aufstellung von Energiebilanzen;60
5.1.5;2.1.5 Innere Energie und Enthalpie;62
5.2;2.2 Beispiele;64
5.3;2.3 Aufgaben zum Selbststudium;97
6;3 Stationäre Wärmeleitung;102
6.1;3.1 Grundlagen;102
6.1.1;3.1.1 PécletGleichungen für mehrschichtige Bauteile;102
6.1.2;3.1.2 Mehrschichtige ebene Platte;102
6.1.3;3.1.3 Zylinderschalen;102
6.1.4;3.1.4 Kugelschalen;103
6.1.5;3.1.5 Oberflächenund Schichttemperaturen;104
6.1.6;3.1.6 Stationäre eindimensionale Wärmeleitung mit inneren Wärmequellen;104
6.1.7;3.1.7 Ebene Platte mit Wärmequellen;104
6.1.8;3.1.8 Vollzylinder und Zylinderschale mit Wärmequellen;104
6.1.9;3.1.9 Vollkugel und Kugelschale mit Wärmequellen;105
6.1.10;3.1.10 Stationäre zweidimensionale Wärmeleitung ohne innere Wärmequellen;105
6.2;3.2 Beispiele;109
6.3;3.3 Aufgaben zum Selbststudium;120
7;4 Rippen und Nadeln;123
7.1;4.1 Grundlagen;123
7.1.1;4.1.1 Kenngrößen von Rippen;123
7.1.2;4.1.2 Universelle Rippendifferenzialgleichung;124
7.1.3;4.1.3 Rechteckrippen;124
7.1.4;4.1.4 Zylindrische Nadeln;125
7.1.5;4.1.5 Kreisringrippen;125
7.1.6;4.1.6 Weitere Formen von Rippen und Nadeln;125
7.1.7;4.1.7 Optimale Rippen;127
7.2;4.2 Beispiele;128
7.3;4.3 Aufgaben zum Selbststudium;139
8;5 Instationäre Wärmeleitung;141
8.1;5.1 Grundlagen;141
8.1.1;5.1.1 Dimensionslose Kennzahlen;141
8.1.2;5.1.2 Dimensionslose Grundgleichung;142
8.1.3;5.1.3 Dimensionslose Anfangsund Randbedingungen;143
8.1.4;5.1.4 Modelle der instationären Wärmeleitung;144
8.1.5;5.1.5 Ideal gerührter Behälter;146
8.1.6;5.1.6 Halbunendlicher Körper;147
8.1.7;5.1.7 Exakte Lösung für Platte, Zylinder und Kugel;150
8.1.8;5.1.8 Näherungslösung für große Zeiten;152
8.1.9;5.1.9 Kurzzeitnäherung des erweiterten ideal gerührten Behälters;154
8.1.10;5.1.10 Produktansatz bei mehrdimensionaler Wärmeleitung;158
8.2;5.2 Beispiele;161
8.3;5.3 Aufgaben zum Selbststudium;184
9;6 Konvektion;188
9.1;6.1 Grundlagen;188
9.1.1;6.1.1 Arten von Konvektion;188
9.1.2;6.1.2 Ähnlichkeitstheorie und dimensionslose Kennzahlen;189
9.1.3;6.1.3 Längs angeströmte ebene Platte;190
9.1.4;6.1.5 Quer angeströmte Profile;191
9.1.5;6.1.6 Umströmte Kugel;191
9.1.6;6.1.7 Einlaufproblematik bei der Rohrund Kanalströmung;191
9.1.7;6.1.8 Vollständig ausgebildete Laminarströmung;192
9.1.8;6.1.9 Thermischer Einlauf bei laminarer Strömung;192
9.1.9;6.1.10 Hydrodynamischer und thermischer Einlauf bei laminarer Strömung;193
9.1.10;6.1.11 Vollständig ausgebildete turbulente Rohrströmung;193
9.1.11;6.1.12 Ausgebildete Rohrströmung im Übergangsbereich;194
9.1.12;6.1.13 Nichtkreisförmige Querschnitte;194
9.1.13;6.1.14 Fluidtemperaturänderung in Strömungsrichtung;194
9.1.14;6.1.15 Freie Konvektion;195
9.1.15;6.1.16 Vertikale ebene Platte;196
9.1.16;6.1.17 Vertikaler Zylinder;196
9.1.17;6.1.18 Geneigte ebene Platte;196
9.1.18;6.1.19 Horizontale ebene Platten;197
9.1.19;6.1.20 Horizontaler Zylinder;197
9.1.20;6.1.21 Kugel;197
9.1.21;6.1.22 Freie Konvektion in geschlossenen Fluidschichten;198
9.1.22;6.1.23 Horizontale ebene Schichten;198
9.1.23;6.1.24 Geneigte ebene Schichten;199
9.1.24;6.1.25 Vertikale ebene Schichten;199
9.1.25;6.1.26 Freie Konvektion in offenen Fluidschichten;200
9.1.26;6.1.27 Senkrechte Kanäle;200
9.1.27;6.1.28 Geneigte Kanäle;201
9.1.28;6.1.29 Parallele vertikale Platten;202
9.1.29;6.1.30 Mischkonvektion an umströmten Körpern;202
9.2;6.2 Beispiele;204
9.3;6.3 Aufgaben zum Selbststudium;217
10;7 Wärmeübertrager;219
10.1;7.1 Grundlagen;219
10.1.1;7.1.1 Begriffe und Nomenklatur;219
10.1.2;7.1.2 Bauformen von Wärmeübertragern;220
10.1.3;7.1.3 Einseitig konstante Fluidtemperatur;220
10.1.4;7.1.4 Dimensionslose Kennzahlen;221
10.1.5;7.1.5 WärmeübertragerHauptgleichung;222
10.1.6;7.1.6 GleichstromWärmeübertrager;222
10.1.7;7.1.7 GegenstromWärmeübertrager;223
10.1.8;7.1.8 KreuzstromWärmeübertrager;224
10.1.9;7.1.9 Wärmewirkungsgrade von Wärmeübertragern;225
10.1.10;7.1.10 Korrekturfaktor;226
10.1.11;7.1.11 Wärmeübertrager mit Phasenübergang;226
10.1.12;7.1.12 Ablagerungen (Fouling);226
10.2;7.2 Beispiele;227
10.3;7.3 Aufgaben zum Selbststudium;239
11;8 Wärmestrahlung;241
11.1;8.1 Grundlagen;241
11.1.1;8.1.1 Wellenlängenbereiche der Strahlung;241
11.1.2;8.1.2 Modell des schwarzen Körpers;242
11.1.3;8.1.3 Strahlungsfunktion des schwarzen Körpers;243
11.1.4;8.1.4 Strahlungsintensität und emittierte Strahlung;244
11.1.5;8.1.5 Auftreffende Strahlung;245
11.1.6;8.1.6 Helligkeit;245
11.1.7;8.1.7 Spektrale Kenngrößen;246
11.1.8;8.1.8 Emissionsgrad;247
11.1.9;8.1.9 Absorption, Reflexion und Transmission;248
11.1.10;8.1.10 Graue und selektive Strahler;249
11.1.11;8.1.11 Kirchhoff’sches Gesetz;251
11.1.12;8.1.12 Helligkeit grauer opaker Oberflächen;252
11.1.13;8.1.13 Oberflächenwiderstand für Strahlung;252
11.1.14;8.1.14 Raumwiderstand zwischen zwei strahlenden Oberflächen;253
11.1.15;8.1.15 Helligkeitsverfahren für Wärmestrahlungsprobleme;254
11.1.16;8.1.16 Wärmestrahlung zwischen zwei Oberflächen;255
11.1.17;8.1.17 Wärmestrahlung zwischen drei Oberflächen;256
11.1.18;8.1.18 Wärmeübergangskoeffizient für Strahlung;257
11.1.19;8.1.19 Strahlungsaustauschkoeffizient;258
11.1.20;8.1.20 Einstrahlzahlen;258
11.1.21;8.1.21 Einstrahlzahlen zwischen zwei Flächen;258
11.1.22;8.1.22 Einstrahlzahlen einer Fläche zu sich selbst;260
11.1.23;8.1.23 EinstrahlzahlenAlgebra;260
11.1.24;8.1.24 Methode der gekreuzten Fäden;262
11.1.25;8.1.25 Einstrahlzahlen einfacher Konfigurationen;262
11.1.26;8.1.26 Strahlungsschutzschirme;266
11.2;8.2 Beispiele;269
11.3;8.3 Aufgaben zum Selbststudium;286
12;9 Aufgaben aus verschiedenen Themengebieten;289
13;10 Anhang;303
13.1;10.1 Gauß’sche Fehlerfunktion;303
13.2;10.2 BesselFunktionen;304
13.3;10.2.1 BesselFunktionen 1. Art;304
13.4;10.2.2 Modifizierte BesselFunktionen 1. und 2. Art;304
13.5;10.2.3 Zahlentafeln der BesselFunktionen;306
13.6;10.3 Näherungslösung der eindimensionalen instationären Wärmeleitung;310
13.7;10.4 Stoffwerte;315
13.8;10.5 Lösungen der Aufgaben;317
14;Literatur;362
15;Index;364
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Leseproben

1 Grundlagen der Wärmeübertragung (S. 15-16)

1.1 Praktische Bedeutung

"Die Temperaturunterschiede streben dem Ausgleich zu." [11]

Dies ist nicht nur eine wissenschaftliche Erkenntnis, sondern beschreibt auch bekannte „thermische" Alltagserfahrungen, z. B.:

– Die Abkühlung einer heißen Kartoffel lässt sich durch kräftiges Anpusten beschleunigen.
– Beim Öffnen eines Fensters strömt im Winter kalte Außenluft ein und warme Raumluft aus.
– Jeder Automotor benötigt eine Warmlaufphase, bis er seine Betriebstemperatur erreicht.
– In klaren Nächten kann auch bei Temperaturen über 0 C Bodenfrost auftreten.
– Eine Kirche mit dicken Steinmauern bietet im Sommer bei hohen Außentemperaturen ein angenehmes Raumklima.

Auch wenn uns diese Vorgänge selbstverständlich und vertraut erscheinen, handelt es sich dabei doch um teilweise komplexe Vorgänge der Wärmeübertragung. Zur erfolgreichen Analyse, Berechnung und Optimierung von Wärmetransportvorgängen sowie zur Entwicklung neuer Verfahren und Technologien sind solide und umfassende Kenntnisse der Wärmeübertragung unerlässlich.

Die Wärmeübertragung ist keineswegs auf die klassischen Bereiche der Technik, wie

– Energietechnik (z. B. Kraftwerke, Turbinen, Fernwärmesysteme)
– Fahrzeugtechnik (z. B. Motorkühlung, Fahrzeugklimatisierung)
– Luft- und Raumfahrttechnik (z. B. Hitzeschilde für Wiedereintritt)
– Gebäudetechnik (z. B. Solarkollektoren, Heizkörper),

beschränkt, sondern gewinnt zunehmend auch in angrenzenden Fachgebieten an Bedeutung:

– Elektrotechnik (z. B. energiesparende Kühlund Gefriergeräte)
– Informationstechnologie (z. B. HochleistungsCPUs)
– Produktionstechnik (z. B. Wärmebehandlung von Werkstoffen)
– Messtechnik (z. B. Temperatursensoren, Wärmebildkameras)
– Mechatronik und Nanotechnologie (z. B. Nanoröhren, Nanobots)
– Umwelttechnik (z. B. regenerative Energien, Brennstoffzellen)
– Recycling und Entsorgungstechnik (z. B. thermische Trennverfahren)
– Bio- und Medizintechnik (z. B. Biosensoren, Thermografie zur Lokalisation von Entzündungen, Hyperthermie)
– Lebensmitteltechnologie (z. B. Kühlung von Lebensmitteln, Pasteurisierung, Transportbehälter)
– Meteorologie und Klimatologie (z. B. Treibhauseffekt, globale Erderwärmung)

Eine enge Beziehung der Wärmeübertragung besteht auch zur Stoffübertragung, die hier aber nicht behandelt wird.

Es wird davon ausgegangen, dass der (die) Leser(in) im Wesentlichen mit den Grundlagen der Wärmeübertragung vertraut ist. Die umfangreiche Literatur [1]–[22] bedient sich teilweise unterschiedlicher Bezeichnungen und Symbole, wobei sich das vorliegende Buch auf die gängige Nomenklatur stützt und diese bei Bedarf sinnvoll ergänzt.