IV. Wärmetransport Flashcards
Nennen Sie die 3 Mechanismen des Wärmetransports und geben sie Beispiele.
- Wärmeleitung→ Q·lambda (durch Stöße der Teilchen, Teilchen selbst aber am Platz, Transport auf molek Ebene) Bsp: Erwärmen von einem Metallstück
- Wärmestrahlung (Temperaturstrahlung)→ Q·S Wärme wird durch Strahlung (EM Wellen) wie zB Licht oder IR übertragen, auch im Vakuum möglich Bsp: Sonne
- konvektiver Wärmetransport→ Q·K (Wärme wird durch die Bewegung der Materie übertragen, Wärme wandert MIT der Materie) Bsp: Golfstrom
Wie sieht der Temperaturverlauf in einer ebenen Wand bzw. in einem dickwandigen Rohr aus?
Bei ebenen Wand → die Wärmeüergangskoeffizient ändert sich linear.
Bei dickwandigem Rohr → die Wärmeausdehnungskoeffizient ändert sich nicht linear.
Wie lauten die Formeln für die übertragene Wärmemenge und den Wärmedurchgangskoeffizient für eine ebene Wand bzw. ein dickwandiges Rohr?
Ebene Wand:
- Q· = -λ · A · ΔT/Δx = -λ · A · ΔT/Δs; mit s: Wanddicke
- 1/kw = 1/αi + s/λ + 1/αa → Peclet-Gleichung
dickwandiges Rohr:
- Q· = -λ · A · ΔT/(ra · ln (ra/ri)); mit A = 2 · ra · π · l
- 1/kw = ra ( 1/(αi·ri) + ln (ra/ri)/λ + 1/(αa·ra) )
Für welche Anwendungen ist Gegenstrom bzw. Gleichstrom günstiger?
Gegenstrom
—Anwendungen mit kleinem ΔT
—Austrittstemperatur des aufzuheißenden Mediums solll höher als Austrittstemperatur des Heizmediums sein
—Überträgt bei gleichen Bedingungen mehr Wärme
Gleichstrom
—einfache günstige Bauweise
—kurzes Abschrecken eines Mediums
—hohes ΔT am Anfang
Wie sieht der Temperaturverlauf bei Gegenstrom bzw. Gleichstrom aus?
Was ist der Wärmeleitkoeffizient, der Wärmeübergangskoeffizient und der Wärmedurchgangskoeffizient; welche Dimensionen haben diese Größen?
- Wärmeleitkoeffizient : Fähigkeit, wie gut das Material thermische Energie leiten kann. λ [W / (m · k)]
- Wärmeübergangskoeffizient : Faktor, wie gut Wärme von Körper an umgebendes Fluid abgegeben werden kann. α [W / (m2 · k)]
- Wärmedurchgangskoeffizient : Maß für Wärmedurchgang. k [W / (m2 · k)]
Welche dimensionslosen Kennzahlen beschreiben den Wärmetransport bei erzwungener bzw. bei freier Konvektion?
Erzwungene Konvektion: Nu = f (Re, Pr)
Re = (ρ · d · u) / η = Trägheitskraft / Zähigkeitskraft
Nu = (α · d) / λ = Wärmeübergangsstrom / Wärmleitstrom
Freie Konvektion: Nu = f (Gr, Pr)
Pr = v / a; mit a = λ / (ρ · cp)
⇒ Pr = (v · ρ · cp) / λ = innere Reibung / Wärmeleitstrom
Gr = (d3 · ρ2 · ß · ΔT · g) / η2
β = 1 / V · dV / dT : Thermische Ausdehnung
Welche charakteristische Länge tritt beim Wärmeübergang im konzentrischen Ringspalt auf?
dH : hydraulischer Durchmesser
dH = 4 · A/U = 4 · durchströmte Fläche / besetzte Umfang = 4 · π · (ra2 - ri2) / (2 · π · (ra + ri)) = 2 · (ra - ri)
Wie ändert sich die Nu-Zahl mit der Strömungsgeschwindigkeit?
Nu = f (Re, Pr) = c · ReM · Prn mit Re = (ρ · d · u) / η
u ↑ Re ↑ → Nu ↑
Welche Länge d wird bei der Definition der Nu-Zahl verwendet?
Nu = (α · d) / λ
senkrechte Platte → d = h (Höhe)
Rohr / Zylinder → d = id (Durchmesser)
Kugel → d = d
nicht kreisförmig → d = dH = A/U (hydraulische Durchmesser)
Welches sind die einzelnen Abschnitte der Verdampfung?
I. freie Konvektion (→Flüssigkeitsbewegung)
II. Blasenverdampfung (→Blasenbildung, Rührwirkung)
III. instabile Filmverdampfung (→Heizplatte isoliert mit Dampfschicht)
IV. stabile Filmverdampfung (→düner Dampffilm)
In welchem Abschnitt der Verdampfung ist der Wärmeübergangskoeffizient am größten?
Rührwirkung der aufsteigenden Blasen erhöht Wärmeübergangskoeffizient α.
Wie läuft die Kondensation ab?
Kondensation → zwei Arten
Filmkondensation:
- Gut benutzbare Oberfläche
- Es bildet sich ein dünner Film an der Kühlwand, der dann abläuft.
- Zunehmender Wärmeübergangswiderstand α mit Dicke des Films
Tröpfchenkondensation:
- schlecht benutzbare Oberfläche
- Es bilden sich einzelne Tröpfchen
- Durch den Wegfall des Widerstandes des Filmes sind die Wärmeübergangszahlen größer
Wo ist der Wärmeübergangskoeffizient der Kondensation größer, bei einem senkrecht oder bei einem waagrecht angeordneten Rohr?
senkrechter Rohr : α = 0,943
waagerechter Roht : α = 0,725
αs > αw
Welche Verhältnisse bei der Kondensation sind günstiger, Topfen- oder gleichmäßige Filmkondensation?
Tropfenkondensation > Filmkondensation
Tropfenkondensation: um ca. 10 Faktor besser, denn α erheblich größer
Filmkondensation: zunehmende Wärmeübergangskoeffizient mit Diche des Films
Wie berechnet man die erforderliche Fläche eines Wärmeaustauschers?
- u gegeben
1. Re berechnen Re = (ρ · d · u) / η = Trägheitskraft / Zähigkeitskraft
2. Nu berechnen Nu = (α · d) / λ = Wärmeübergangsstrom / Wärmeleitsstrom
3. α berechnen (Wärmeübergang) α = (Nu · λ) / d
4. k berechnen (Wärmedurchgang) 1/kw = 1/α1 + si / λ +1/α2
5. A berechnen
Q· = k · A · ΔTM
A· = Q· / (k · ΔTM) mit ΔTM = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
Wie ist die logarithmisch gemittelte Temperatur definiert?
ΔTM = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1 / ΔT2)
Auf welche Fläche bezieht man die Wärmedurchgangszahl?
kw = Q· / (A · ΔT)
Platte: A = 4 · b
Rohr: A = 2 · π · r · k
Welche Wärmeaustauschapparate gibt es?
- Rohrbündelwärmeaustauscher
- Plattenwärmetauscher
- Doppelrohrwärmeaustauscher
- Spiralwärmeaustauscher
- Rohrbündelkondensator
- Rohrbündelverdampfer
Was sagt die Grashof-Zahl aus?
Eine dimensionslose Kennzahl in der Strömungslehre, die sich zur Abschätzung von Strömungen bei thermischer Konvektion eignet.
Nennen Sie je ein Beispiel für einen Verdampfer und einen Kondensator.
Verdampfer: Dünnschichtverdampfer
Kondensator: geeigneter Rohrbündel
kRWelche Vor- und Nachteile besitzen die unterschiedlichen Wärmeaustauscher?
Rohrbündelwärmeaustauscher:
Vorteile:
→ sehr große Austauschfläche
→ hoher Wirkungsgrad
→ Kompakte Bauweise
Nachteile:
→ sehr teuer
→ Fauling
Plattenwärmeaustauscher:
Vorteile:
→ einfache Konstruktion
Nachteine:
→ geringe Austauschfläche
Doppelrohrwärmeaustauscher:
Vorteile:
→ Fauling geringer als Rohrbündelwärmeaustauscher
Nachteile:
→ kleine Austauschfläche
