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E-Book

Praxis der Wärmeübertragung

AutorKlaus Nitsche, Rudi Marek
VerlagFachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
Erscheinungsjahr2007
Seitenanzahl373 Seiten
ISBN9783446414785
FormatPDF
KopierschutzWasserzeichen/DRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis29,90 EUR

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.

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Leseprobe

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.

Inhaltsverzeichnis
Vorwort8
Inhaltsverzeichnis9
Formelzeichen und Abkürzungen13
1 Grundlagen der Wärmeübertragung18
1.1 Praktische Bedeutung18
1.2 Wärme und Wärmestrom19
1.3 Temperatur und Temperaturfelder20
1.4 Wärmetransportmechanismen21
1.4.1 Arten des Wärmetransports22
1.4.2 Wärmeleitung22
1.4.3 Konvektion23
1.4.4 Wärmestrahlung24
1.5 Fourier’sche Wärmeleitungsgleichung25
1.5.1 Mehrdimensionale instationäre Wärmeleitung mit inneren Wärmequellen25
1.5.2 Koordinatenunabhängige Schreibweise26
1.5.3 Eindimensionale instationäre Wärmeleitung26
1.5.4 Stationäre Wärmeleitung mit Wärmequellen26
1.5.5 Stationäre Wärmeleitung ohne Wärmequellen26
1.6 Anfangsund Randbedingungen27
1.6.1 Anfangsbedingungen27
1.6.2 Randbedingungen27
1.6.3 Koppelbedingungen28
1.7 Elektrische Analogie28
1.7.1 Thermische Widerstände und Leitwerte29
1.7.2 Spezifische thermische Widerstände und Leitwerte29
1.7.3 Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmedurchgangswiderstand30
1.7.4 Reihenschaltung thermischer Widerstände30
1.7.5 Parallelschaltung thermischer Widerstände31
1.7.6 Thermischer Kontaktwiderstand31
1.8 Beispiele32
1.9 Aufgaben zum Selbststudium48
2 Massen- und Energiebilanzen52
2.1 Grundlagen52
2.1.1 System52
2.1.2 Kontinuitätsgleichung52
2.1.3 Erster Hauptsatz der Thermodynamik53
2.1.4 Hinweise zur Aufstellung von Energiebilanzen60
2.1.5 Innere Energie und Enthalpie62
2.2 Beispiele64
2.3 Aufgaben zum Selbststudium97
3 Stationäre Wärmeleitung102
3.1 Grundlagen102
3.1.1 PécletGleichungen für mehrschichtige Bauteile102
3.1.2 Mehrschichtige ebene Platte102
3.1.3 Zylinderschalen102
3.1.4 Kugelschalen103
3.1.5 Oberflächenund Schichttemperaturen104
3.1.6 Stationäre eindimensionale Wärmeleitung mit inneren Wärmequellen104
3.1.7 Ebene Platte mit Wärmequellen104
3.1.8 Vollzylinder und Zylinderschale mit Wärmequellen104
3.1.9 Vollkugel und Kugelschale mit Wärmequellen105
3.1.10 Stationäre zweidimensionale Wärmeleitung ohne innere Wärmequellen105
3.2 Beispiele109
3.3 Aufgaben zum Selbststudium120
4 Rippen und Nadeln123
4.1 Grundlagen123
4.1.1 Kenngrößen von Rippen123
4.1.2 Universelle Rippendifferenzialgleichung124
4.1.3 Rechteckrippen124
4.1.4 Zylindrische Nadeln125
4.1.5 Kreisringrippen125
4.1.6 Weitere Formen von Rippen und Nadeln125
4.1.7 Optimale Rippen127
4.2 Beispiele128
4.3 Aufgaben zum Selbststudium139
5 Instationäre Wärmeleitung141
5.1 Grundlagen141
5.1.1 Dimensionslose Kennzahlen141
5.1.2 Dimensionslose Grundgleichung142
5.1.3 Dimensionslose Anfangsund Randbedingungen143
5.1.4 Modelle der instationären Wärmeleitung144
5.1.5 Ideal gerührter Behälter146
5.1.6 Halbunendlicher Körper147
5.1.7 Exakte Lösung für Platte, Zylinder und Kugel150
5.1.8 Näherungslösung für große Zeiten152
5.1.9 Kurzzeitnäherung des erweiterten ideal gerührten Behälters154
5.1.10 Produktansatz bei mehrdimensionaler Wärmeleitung158
5.2 Beispiele161
5.3 Aufgaben zum Selbststudium184
6 Konvektion188
6.1 Grundlagen188
6.1.1 Arten von Konvektion188
6.1.2 Ähnlichkeitstheorie und dimensionslose Kennzahlen189
6.1.3 Längs angeströmte ebene Platte190
6.1.5 Quer angeströmte Profile191
6.1.6 Umströmte Kugel191
6.1.7 Einlaufproblematik bei der Rohrund Kanalströmung191
6.1.8 Vollständig ausgebildete Laminarströmung192
6.1.9 Thermischer Einlauf bei laminarer Strömung192
6.1.10 Hydrodynamischer und thermischer Einlauf bei laminarer Strömung193
6.1.11 Vollständig ausgebildete turbulente Rohrströmung193
6.1.12 Ausgebildete Rohrströmung im Übergangsbereich194
6.1.13 Nichtkreisförmige Querschnitte194
6.1.14 Fluidtemperaturänderung in Strömungsrichtung194
6.1.15 Freie Konvektion195
6.1.16 Vertikale ebene Platte196
6.1.17 Vertikaler Zylinder196
6.1.18 Geneigte ebene Platte196
6.1.19 Horizontale ebene Platten197
6.1.20 Horizontaler Zylinder197
6.1.21 Kugel197
6.1.22 Freie Konvektion in geschlossenen Fluidschichten198
6.1.23 Horizontale ebene Schichten198
6.1.24 Geneigte ebene Schichten199
6.1.25 Vertikale ebene Schichten199
6.1.26 Freie Konvektion in offenen Fluidschichten200
6.1.27 Senkrechte Kanäle200
6.1.28 Geneigte Kanäle201
6.1.29 Parallele vertikale Platten202
6.1.30 Mischkonvektion an umströmten Körpern202
6.2 Beispiele204
6.3 Aufgaben zum Selbststudium217
7 Wärmeübertrager219
7.1 Grundlagen219
7.1.1 Begriffe und Nomenklatur219
7.1.2 Bauformen von Wärmeübertragern220
7.1.3 Einseitig konstante Fluidtemperatur220
7.1.4 Dimensionslose Kennzahlen221
7.1.5 WärmeübertragerHauptgleichung222
7.1.6 GleichstromWärmeübertrager222
7.1.7 GegenstromWärmeübertrager223
7.1.8 KreuzstromWärmeübertrager224
7.1.9 Wärmewirkungsgrade von Wärmeübertragern225
7.1.10 Korrekturfaktor226
7.1.11 Wärmeübertrager mit Phasenübergang226
7.1.12 Ablagerungen (Fouling)226
7.2 Beispiele227
7.3 Aufgaben zum Selbststudium239
8 Wärmestrahlung241
8.1 Grundlagen241
8.1.1 Wellenlängenbereiche der Strahlung241
8.1.2 Modell des schwarzen Körpers242
8.1.3 Strahlungsfunktion des schwarzen Körpers243
8.1.4 Strahlungsintensität und emittierte Strahlung244
8.1.5 Auftreffende Strahlung245
8.1.6 Helligkeit245
8.1.7 Spektrale Kenngrößen246
8.1.8 Emissionsgrad247
8.1.9 Absorption, Reflexion und Transmission248
8.1.10 Graue und selektive Strahler249
8.1.11 Kirchhoff’sches Gesetz251
8.1.12 Helligkeit grauer opaker Oberflächen252
8.1.13 Oberflächenwiderstand für Strahlung252
8.1.14 Raumwiderstand zwischen zwei strahlenden Oberflächen253
8.1.15 Helligkeitsverfahren für Wärmestrahlungsprobleme254
8.1.16 Wärmestrahlung zwischen zwei Oberflächen255
8.1.17 Wärmestrahlung zwischen drei Oberflächen256
8.1.18 Wärmeübergangskoeffizient für Strahlung257
8.1.19 Strahlungsaustauschkoeffizient258
8.1.20 Einstrahlzahlen258
8.1.21 Einstrahlzahlen zwischen zwei Flächen258
8.1.22 Einstrahlzahlen einer Fläche zu sich selbst260
8.1.23 EinstrahlzahlenAlgebra260
8.1.24 Methode der gekreuzten Fäden262
8.1.25 Einstrahlzahlen einfacher Konfigurationen262
8.1.26 Strahlungsschutzschirme266
8.2 Beispiele269
8.3 Aufgaben zum Selbststudium286
9 Aufgaben aus verschiedenen Themengebieten289
10 Anhang303
10.1 Gauß’sche Fehlerfunktion303
10.2 BesselFunktionen304
10.2.1 BesselFunktionen 1. Art304
10.2.2 Modifizierte BesselFunktionen 1. und 2. Art304
10.2.3 Zahlentafeln der BesselFunktionen306
10.3 Näherungslösung der eindimensionalen instationären Wärmeleitung310
10.4 Stoffwerte315
10.5 Lösungen der Aufgaben317
Literatur362
Index364

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