Grundlagen der Wärmeübertragung Flashcards
Einheiten für Druck, Dichte und spezifisches Volumen
Druck: Pa oder N/m^2
Dichte: kg/m^3
spezifisches Volumen m^3/kg
Wodurch entsteht Druck und und wodurch steigt er
-> 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
4 Arten des Energieaustausches mit der Umgebung
- isochor (Volumen konstant)
- isobar (Druck konstant)
- isotherm (Temperatur konstant)
- isentrop (Entropie konstant) = adiabatisch -> kein Wärmeaustausch mit Umgebung, nur mechanische Arbeit
Gesetz von Boyle-Mariotte
Temperatur in Gleichung konstant => p*V dadurch auch konstant
-> Volumen und Druck sind umgekehrt proportional zueinander
Gesetz nach Gay-Lussac
- Volumen in Gleichung konstant (isochor) => Druck steigt proportional zur (absoluten) Temperatur
- Druck in Gleichung konstant (isobar) => Volumen steigt proportional zur (absoluten) Temperatur
Unterschied isotherme und isentrope Kompression
Isotherme Kompression:
Temperatur wird (z.B. durch Kühlung) konstant gehalten
Isentrope Kompression:
System ist isoliert, Wärme bleibt im System
Wie stehen Adiabate mit isentrop in Verbindung
konstante Entropie ohne eine Zu- oder Abfuhr von Wärme = Adiabate
Was versteht man unter der spezifischen Wärme bzw. spezifische Wärmekapazität (c)
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
Was bedeutet eine hohe bzw. niedrige Wärmekapazität (c)
-> 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
Was ist die Wärmeenergie (Q)
Wärmeenergie, die einen bestimmten Stoff mit der Masse m zu erhitzen/abzukühlen
Verdampfungswärme und Kondensationswärme
- 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.)
Was muss zum Schmelzen gegeben sein
Zum Verflüssigen eines Feststoffes muss er auf die Schmelztemperatur erwärmt werden und dann die Schmelzwärme (Q schm.) zugeführt werden
Q schm. = Q kr.
Was muss zum Erstarren gegeben sein
Um eine Flüssigkeit zum Erstarren zu bringen, muss ihr die Kristallisationswärme (Q kr.) entzogen werden
Q kr. = Q schm.
Aus welchen 5 Komponenten besteht die Gesamtwärmemenge (Q ges)
- Wärme zum Erwärmen des Feststoffes
- Schmelzwärme
- Wärme zum Erwärmen der Flüssigkeit
- Verdampfungswärme
- Wärme zum Erwärmen des Dampfes
Was ist Wärmeübertragung
Was sind die Voraussetzungen für Wärmeübertragung
Austauschvorgang, bei dem ein Wärmestrom von einem Materiebezirk höherer Temperatur zu einem Materiebezirk niedriger Temperatur fließt
Voraussetzungen:
- Temperaturgefälle
- Austauschfläche
Aufgaben der Wärmeübertragung
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
Arten (3) der Wärmeübertragung
+ Übertragungsarten gleichzeitig
Übertragungsarten:
- Wärmeleitung
- Konvektion
- Wärmestrahlung
Übertragungsarten gleichzeitig:
- Wärmeübergang
- Wärmedurchgang
Was ist Wärmeleitung
Wärmeübertragung zwischen zwei sich berührenden Stoffen / Molekülen
-> Wärmeleitung ist die Wärmefortpflanzung innerhalb eines Stoffes durch Molekülstoße
Was ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ und wie sieht es bei Metallen aus
Wärmeleitfähigkeitskoeffizient oder die
Wärmeleitzahl
λ [W/K m] ist eine Stoffkonstante
-> Wärmeleitfähigkeit der Metalle ist ihrer elektrischen Leitfähigkeit annähernd proportional
-> Gase sind schlechte Wärmeleiter
3 Faktoren, die die Schnelligkeit der Wärmeleitung beeinflussen
- je höher die Temperaturdifferenz, desto schneller die Wärmeleitung
- je größer die Oberfläche, desto schneller die Wärmeleitung
- je dicker die Wand, desto langsamer die Wärmeleitung
Was ist Konvektion, wodurch entsteht freie Konvektion und wodurch wird erzwungene Konvektion erzeugt
-> 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
Was ist Wärmestrahlung, wo kann sie auftreten, wo spielt sie eine größere Rolle und inwiefern unterscheidet sie sich von der Lichtstrahlung
-> 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
Was gilt allgemein für die Wärmestrahlung
● 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
Was bedeutet Wärmeübergang und was ist der Energieträger
-> 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
Was ist der Wärmeübergangskoeffizient α
-> welche Dimension
Der Wärmestrom beim Übergang ist proportional dem Wärmeübergangskoeffizienten
α [W/m2 K]
-> als dimensionslose Kennzahl berechnet
Wovon ist der Wärmeübergangskoeffizient α abhängig
- 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
Wann kommt es zur Kondensation
Wandtemperatur < Sättigungstemperatur des Dampfes
-> auch wenn: Dampftemperatur > Sättigungstemperatur
Wann entsteht ein Wärmedurchgang bzw. was ist es
-> 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
Was sind Wärmetauscher
+ wichtigsten 3 Wärmeaustauscher in Lebensmittelindustrie
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
Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch mit ortsgleicher Temperaturdifferenz
ortsgleiche Temperaturdifferenz herrscht über die gesamte Austauschfläche, nur in folgenden Fällen:
- Verdampfen
- Kondensieren
Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch im Gleichstrom
Wärmeabgabe vom wärmeabgebenden auf wärmeaufnehmendes Fluid während Durchströmen
-> Einlauf: Temperaturdifferenz am größten
-> Auslauf: Temperaturdifferenz am geringsten
Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch im Gegenstrom
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
Führung von Stoffströmen
-> Wärmeaustausch im Kreuzstrom
Wärmeabgebendes und wärmeaufnehmendes Fluid fließen senkrecht zueinander
-> alleiniger Kreuzstrom eher selten
=> Kombination von Kreuzstrom und Gegenstrom im Rohrbündelaustauscher
Wie funktioniert der Plattenwärmetauscher
+ Anwendungsbeispiel
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
Indirekte vs. Direkte Wärmeübertragung
Indirekte Wärmeübertragung:
-> Heizmedium über Rohr bzw. Mantel an Lebensmittel dran
Direkte Wärmeübertragung:
-> Heizmedium wird direkt in Lebensmittel gegeben
Was bedeutet es, dass das Kondensieren und Kristallisieren ein exothermer Vorgang ist
Beim Kondensieren und Kristallisieren muss Wärme bzw. Energie entzogen werden, nicht hinzugegeben
