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5. Lebensmitteltechnologie > Grundlagen der Wärmeübertragung > Flashcards

Grundlagen der Wärmeübertragung Flashcards

1
Q

Einheiten für Druck, Dichte und spezifisches Volumen

A

Druck: Pa oder N/m^2
Dichte: kg/m^3
spezifisches Volumen m^3/kg

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2
Q

Wodurch entsteht Druck und und wodurch steigt er

A

-> Gasteilchen bewegen sich frei im gegebenen Volumen
-> stoßen zusammen => Druck entsteht
-> je höher die Temperatur, desto schneller bewegen sich die Teilchen => mehr Zusammenstöße => höherer Druck
-> je niedriger das Volumen, desto mehr Zusammenstöße => höherer Druck

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3
Q

4 Arten des Energieaustausches mit der Umgebung

A
  • isochor (Volumen konstant)
  • isobar (Druck konstant)
  • isotherm (Temperatur konstant)
  • isentrop (Entropie konstant) = adiabatisch -> kein Wärmeaustausch mit Umgebung, nur mechanische Arbeit
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4
Q

Gesetz von Boyle-Mariotte

A

Temperatur in Gleichung konstant => p*V dadurch auch konstant
-> Volumen und Druck sind umgekehrt proportional zueinander

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5
Q

Gesetz nach Gay-Lussac

A
  • Volumen in Gleichung konstant (isochor) => Druck steigt proportional zur (absoluten) Temperatur
  • Druck in Gleichung konstant (isobar) => Volumen steigt proportional zur (absoluten) Temperatur
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6
Q

Unterschied isotherme und isentrope Kompression

A

Isotherme Kompression:
Temperatur wird (z.B. durch Kühlung) konstant gehalten
Isentrope Kompression:
System ist isoliert, Wärme bleibt im System

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7
Q

Wie stehen Adiabate mit isentrop in Verbindung

A

konstante Entropie ohne eine Zu- oder Abfuhr von Wärme = Adiabate

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8
Q

Was versteht man unter der spezifischen Wärme bzw. spezifische Wärmekapazität (c)

A

darunter versteht man die zu 1kg Stoff m von gleichbleibenden Aggregatzustand zugeführte Wärmemenge (ΔQ), die die Temperatur des Stoffes um 1°C = 1K (ΔT) erhöht

-> um 1kg Wasser um 1K zu erhöhen braucht es 4.19KJ

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9
Q

Was bedeutet eine hohe bzw. niedrige Wärmekapazität (c)

A

-> je höher, desto mehr Wärme ist nötig, um eine bestimmte Temperaturänderung hervorzurufen
-> bei hoher Wärmekapazität ändern Stoffe ihre Temperatur bei Wärme- zu oder -abfuhr nicht so stark

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10
Q

Was ist die Wärmeenergie (Q)

A

Wärmeenergie, die einen bestimmten Stoff mit der Masse m zu erhitzen/abzukühlen

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11
Q

Verdampfungswärme und Kondensationswärme

A
  • zum Verdampfen einer Flüssigkeit muss sie auf Siedetemperatur sein -> dann muss Verdampfungsenergie hinzugefügt werden (Q verd.)
  • zum Kondensieren muss Kondensationswärme (Q kond.) entzogen werden
    Verdampfungswärme (Q verd.) = Kondensationswärme (Q kond.)
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12
Q

Was muss zum Schmelzen gegeben sein

A

Zum Verflüssigen eines Feststoffes muss er auf die Schmelztemperatur erwärmt werden und dann die Schmelzwärme (Q schm.) zugeführt werden

Q schm. = Q kr.

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13
Q

Was muss zum Erstarren gegeben sein

A

Um eine Flüssigkeit zum Erstarren zu bringen, muss ihr die Kristallisationswärme (Q kr.) entzogen werden

Q kr. = Q schm.

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14
Q

Aus welchen 5 Komponenten besteht die Gesamtwärmemenge (Q ges)

A
  • Wärme zum Erwärmen des Feststoffes
  • Schmelzwärme
  • Wärme zum Erwärmen der Flüssigkeit
  • Verdampfungswärme
  • Wärme zum Erwärmen des Dampfes
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15
Q

Was ist Wärmeübertragung
Was sind die Voraussetzungen für Wärmeübertragung

A

Austauschvorgang, bei dem ein Wärmestrom von einem Materiebezirk höherer Temperatur zu einem Materiebezirk niedriger Temperatur fließt

Voraussetzungen:
- Temperaturgefälle
- Austauschfläche

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16
Q

Aufgaben der Wärmeübertragung

A

Kühlen und Erhitzen:
- Keimabtötung durch Erhitzen
- Verlangsamung des Verderbs durch Kühlen oder Gefrieren
Änderung des Aggregatzustandes:
- Schmelzen, Kristallisieren, Verdampfen
Trennung von Stoffgemischen:
- Volumenreduzierung
- Trocknung von Lebensmitteln
- Abtrennen von Lösungsmitteln
- aw-Wert-Absenkung

17
Q

Arten (3) der Wärmeübertragung
+ Übertragungsarten gleichzeitig

A

Übertragungsarten:
- Wärmeleitung
- Konvektion
- Wärmestrahlung
Übertragungsarten gleichzeitig:
- Wärmeübergang
- Wärmedurchgang

18
Q

Was ist Wärmeleitung

A

Wärmeübertragung zwischen zwei sich berührenden Stoffen / Molekülen
-> Wärmeleitung ist die Wärmefortpflanzung innerhalb eines Stoffes durch Molekülstoße

19
Q

Was ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ und wie sieht es bei Metallen aus

A

Wärmeleitfähigkeitskoeffizient oder die
Wärmeleitzahl
λ [W/K m] ist eine Stoffkonstante
-> Wärmeleitfähigkeit der Metalle ist ihrer elektrischen Leitfähigkeit annähernd proportional
-> Gase sind schlechte Wärmeleiter

20
Q

3 Faktoren, die die Schnelligkeit der Wärmeleitung beeinflussen

A
  • je höher die Temperaturdifferenz, desto schneller die Wärmeleitung
  • je größer die Oberfläche, desto schneller die Wärmeleitung
  • je dicker die Wand, desto langsamer die Wärmeleitung
21
Q

Was ist Konvektion, wodurch entsteht freie Konvektion und wodurch wird erzwungene Konvektion erzeugt

A

-> Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden oder Gasen durch Strömungen
-> Konvektion: Transport von Bezirken oder Schichten fluider Medien zur Wärmeübertragungsfläche

Freie Konvektion: entsteht durch Strömungsvorgänge, die allein durch Dichteunterschiede in einem Temperaturfeld hervorgerufen werden

Erzwungene Konvektion: wird durch eine von außen aufgezwungene Fluidströmung erzeugt

22
Q

Was ist Wärmestrahlung, wo kann sie auftreten, wo spielt sie eine größere Rolle und inwiefern unterscheidet sie sich von der Lichtstrahlung

A

-> Wärmeübertragung zwischen zwei sich nicht berührenden Stoffen
-> kann zwischen 2 Körpern auftreten, die sich nicht berühren und keinen Kontakt über Mittlerstoff besitzen
->Wärmestrahlung ist im Bereich höherer Temperaturen nennenswert an der gesamten Wärmeübertragung beteiligt
-> unterscheidet sich von Lichtstrahlung nur durch im Infrarotbereich liegende Wellenlänge

23
Q

Was gilt allgemein für die Wärmestrahlung

A

● Dunkle Körper absorbieren besser als helle Körper
● Dunkle Körper emittieren aber auch besser als helle Körper
● Das Absorptionsvermögen eines Körpers ist genau gleich groß wie sein Emissionsvermögen

24
Q

Was bedeutet Wärmeübergang und was ist der Energieträger

A

-> Wärmeübertragung zwischen einem Fluid und einer Wand durch Konvektion und Wärmeleitung
-> Energieträger ist ein flüssiger oder gasförmiger Massenstrom, der an einer ruhenden festen Oberfläche vorbeistreicht und Energie austauscht

25
Q

Was ist der Wärmeübergangskoeffizient α
-> welche Dimension

A

Der Wärmestrom beim Übergang ist proportional dem Wärmeübergangskoeffizienten
α [W/m2 K]
-> als dimensionslose Kennzahl berechnet

26
Q

Wovon ist der Wärmeübergangskoeffizient α abhängig

A
  • von den Stoffeigenschaften des Fluids /der Wand:
    ● Viskositätsänderung in Abhängigkeit von der Temperatur
    ● Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit
  • der Gestalt der Wand:
    ● Raue Wände fördern die Ausbildung dickerer Grenzschichten
  • dem Temperaturfeld:
    ● Zerstörung der Grenzschicht durch Bläschenbildung an der
    Heizfläche
  • den Strömungsverhältnissen in Wandnähe:
    ● Rippen und Rillen an Austauschflächen erhöhen die Turbulenzen
27
Q

Wann kommt es zur Kondensation

A

Wandtemperatur < Sättigungstemperatur des Dampfes
-> auch wenn: Dampftemperatur > Sättigungstemperatur

28
Q

Wann entsteht ein Wärmedurchgang bzw. was ist es

A

-> Wärmeübertragung zwischen mehreren Wärmeträgern
-> Wärmedurchgang ergibt sich, wenn mehrere Wärmeträger -Wände und Fluide- an der Wärmeübertragung beteiligt sind

besteht aus:
Wärmeübergang Fluid 1 auf Wand -> Wärmeleitung durch Wand -> Wärmeübergang von Wand auf Fluid 2

29
Q

Was sind Wärmetauscher
+ wichtigsten 3 Wärmeaustauscher in Lebensmittelindustrie

A

Apparate, die dazu dienen, Wärme von einem Fluid durch eine Trennwand hindurch auf ein anderes Fluid zu übertragen
-> Wärmedurchgangskoeffizient k soll möglichst hoch sein, um maximale Wärmeaustausch zu ermöglichen

wichtigsten Wärmeaustauscher der Wärmeindustrie:
● Plattenwärmetauscher
● Röhrenwärmetauscher
● Schabewärmetauscher

30
Q

Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch mit ortsgleicher Temperaturdifferenz

A

ortsgleiche Temperaturdifferenz herrscht über die gesamte Austauschfläche, nur in folgenden Fällen:
- Verdampfen
- Kondensieren

31
Q

Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch im Gleichstrom

A

Wärmeabgabe vom wärmeabgebenden auf wärmeaufnehmendes Fluid während Durchströmen
-> Einlauf: Temperaturdifferenz am größten
-> Auslauf: Temperaturdifferenz am geringsten

32
Q

Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch im Gegenstrom

A

Dadurch, dass wärmeabgebendes Fluid das wärmeaufnehmende Fluid umschließt -> größerer Einfluss:
- Einlauf: Das wärmeabgebende Fluid trifft beim Einlauf bereits auf erwärmtes (auslaufendes) wärmeaufnehmendes Fluid, daher hier kleinste Temperaturdifferenz
- Auslauf: Das bereits abgekühlte wärmeabgebende Fluid trifft beim Auslauf auf noch kaltes (einlaufendes) wärmeaufnehmendes Fluid, daher hier größte Temperaturdifferenz

33
Q

Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch im Kreuzstrom

A

Wärmeabgebendes und wärmeaufnehmendes Fluid fließen senkrecht zueinander
-> alleiniger Kreuzstrom eher selten
=> Kombination von Kreuzstrom und Gegenstrom im Rohrbündelaustauscher

34
Q

Wie funktioniert der Plattenwärmetauscher
+ Anwendungsbeispiel

A

Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Wärme fließen durch Rohr durch Platten durch
-> diese haben Öffnungen für beide Flüssigkeiten (Temperaturdifferenz)
-> über die Platte wird Wärme abgegeben bzw. aufgenommen
-> Wärmetauscher nach Gegenstromprinzip

  • Anwendungsbeispiel: Molkerei
    -> Milch muss kurz erhitzt werden und wird gekühlt geliefert -> wird für Gegenstrom verwendet
35
Q

Indirekte vs. Direkte Wärmeübertragung

A

Indirekte Wärmeübertragung:
-> Heizmedium über Rohr bzw. Mantel an Lebensmittel dran
Direkte Wärmeübertragung:
-> Heizmedium wird direkt in Lebensmittel gegeben

36
Q

Was bedeutet es, dass das Kondensieren und Kristallisieren ein exothermer Vorgang ist

A

Beim Kondensieren und Kristallisieren muss Wärme bzw. Energie entzogen werden, nicht hinzugegeben

5. Lebensmitteltechnologie (13 decks)

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