Was ist die Wärmeleitfähigkeit? Wie lautet die Gleichung, um mit ihr einen Wärmestrom zu errechnen?
Die Wärmeleitfähigkeit (λ) ist eine Materialeigenschaft, die angibt, wie gut ein Material Wärme leitet. Sie beschreibt die Fähigkeit eines Materials, thermische Energie durch Wärmeleitung zu übertragen. Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit leiten Wärme effizient, während solche mit geringer Wärmeleitfähigkeit Wärme schlechter übertragen.
Wärmestrom fließt immer von hoher zu niedriger Temp
Der thermische Widerstand eines Körpers errechnet sich aus einem Bruch seiner senkrecht zum Wärmestrom stehenden Fläche, seiner Dicke und seiner Leitfähigkeit. Leiten Sie her, welche dieser auf dem Bruchstrich und welcher unter dem Bruchstrich stehen müssen. Formulieren Sie für alle Größen Sätze wie: Je größer die Fläche desto…. der Widerstand.
Der Wärmeleitwiderstand bzw. thermische Widerstand eines Körpers errechnet sich aus folgender Formel:
Je dicker der Körper ist, desto größer wird der thermische Widerstand. Ein dickeres Material erschwert die Wärmeübertragung.
Je größer die Fläche ist, desto kleiner wird der thermische Widerstand. Eine größere Fläche ermöglicht eine effizientere Wärmeübertragung.
Je größer Wärmeleitfähigkeit ist, desto kleiner wird der thermische Widerstand. Materialien mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit isolieren besser und haben einen höheren Widerstand gegen die Wärmeübertragung.
Beschreiben Sie die Analogie der Leitung eines Wärmestroms und eines elektrischen Stroms (der Temperaturunterschied in Kelvin wird analog zum Spannungspotenzial in Volt betrachtet).
Die Analogie zwischen der Leitung eines Wärmestroms und eines elektrischen Stroms wird oft als "thermoelektrische Analogie" bezeichnet. Diese Analogie ermöglicht es, Konzepte und Gesetzmäßigkeiten aus der Elektrotechnik auf thermische Phänomene zu übertragen.
Der Temperaturunterschied in Kelvin wird analog zum Spannungspotenzial in Volt betrachtet.
Der thermische Widerstand im Kontext des Wärmestroms ist analog zum elektrischen Widerstand. Beide repräsentieren den Widerstand gegen die jeweilige Form der Energieübertragung.
Es werden vier Mechanismen der Wärmeübertragung unterschieden, wobei zwei dieser Mechanismen in jeweils zwei Untergruppen unterteilt werden. Nennen Sie die Mechanismen und beschreiben Sie die jeweiligen Charakteristika.
1) Wärmeleitung
Wärmeleitung kann vereinfacht als Übergabe von Energie durch Impulsübertragung von einem Molekül zum anderen beschrieben werden.
2) Konvektion
a. Freie Konvektion
Die Strömung (Konvektionsströmungen) erfolgt aufgrund von Dichteunterschieden im Fluid, die durch Temperaturunterschiede verursacht werden.
b. Erzwungene Konvektion
Die Strömung wird durch äußere Kräfte wie Pumpen oder Ventilatoren erzwungen.
3) Phasenübergang
Bei der Phasenänderung erfolgt die Wärmeübertragung durch Änderungen des Aggregatzustands eines Materials. Dies umfasst das Schmelzen (Übergang von fest zu flüssig) und Verdampfen (Übergang von flüssig zu gasförmig).
a. Verdampfung (Sieden)
Wärmeübertragung beim Übergang zwischen flüssig zu gasförmig.
b. Kondensation
Wärmeübertragung beim Übergang zwischen gasförmig zu flüssig
4) Strahlung
Bei der Wärmestrahlung erfolgt die Übertragung von Wärmeenergie durch elektromagnetische Wellen. Diese kann im Vakuum stattfinden und benötigt daher kein Medium. Die emittierte Energie ist proportional zur Fläche des Körpers und zur vierten Potenz seiner Temperatur in Kelvin.
Erklären Sie den Unterschied zwischen freier und erzwungener Konvektion.
Die freie Konvektion entsteht auf natürliche Weise. Hier kommt es aufgrund des Temperaturunterschiedes in einem Fluid, zu einem Dichteunterschied, wodurch es zu Konvektionsströmungen kommt.
Bei der erzwungenen Konvektion wird mittels einer äußeren Kraft (z. B. Pumpe) eine Strömung verursacht.
Beschreiben Sie den Wärmedurchgang durch eine ebene Wand mit Wärmeübertragung und Wärmeleitung (einschließlich einer Skizze zur Darstellung des Temperaturverlaufs in der Wand).
Die Wärmeübertragung erfolgt mittels Konvektion. Das bedeutet, dass die thermische Energie, mittels Konvektion, aus dem Fluid an die Oberfläche des Materials übertragen wird. Die Temperatur sinkt stark, je näher man der Oberfläche kommt.
In dem Material kommt es dann zur Energieübertragung mittels Wärmeleitung. Bei der Wärmeleitung kommt es zu einem stetigen Temperaturabfall. Es kann jedoch sein, dass die Wand aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist und somit auch unterschiedlich stark abfällt.
Je größer der Wärmeleitwert (Lambda) ist, desto kleiner wird der Wärmeleitwiderstand. Das bedeutet auch gleichzeitig, dass die thermische Energie besser durch das jeweilige Material geleitet wird (schlechter isoliert). Somit fällt auch die Temperatur dementsprechend langsamer, da weitaus mehr thermische Energie hindurch gelangen kann.
Stellen Sie den Wärmedurchgang durch eine gedämmte Wand als elektrisches Ersatzschaltbild dar. Versehen Sie die Indizes der Widerstände mit den entsprechenden griechischen Buchstaben und tragen Sie die Symbole der Temperaturen sowie den Wärmestrom mit Fließrichtung ein.
Erläutern sie, wann die Übertragung von Energie durch Strahlung eines thermischen Strahlers als Wärme bezeichnet wird und wann dies per strikter Definition nicht erlaubt ist.
Die Strahlung eines thermischen Strahlers wird per Definition lediglich als Wärme bezeichnet, wenn es zu einem Energiestrom über eine Systemgrenze aufgrund eines Temperaturgefälles kommt. Sollte die elektromagnetische Strahlung auf ein System treffen, das eine höhere bzw. gleiche Temperatur besitzt, kommt es zu keinem Wärmestrom, da Wärme immer nur von einer höheren Temperatur zu einer niedrigeren Temperatur stattfinden kann.
Erklären Sie das Phänomen der thermischen Strahlung und in diesem Zusammenhang, warum bei der Strahlung vom Strahlungsaustausch, im Gegensatz dazu aber bei der Wärmeleitung nicht von Austausch, sondern lediglich von Übertragung gesprochen wird.
Beim Strahlungsaustausch zwischen zwei Körpern spielen beide Objekte die Rolle eines Strahlers und Absorbers. Jeder Körper strahlt elektromagnetische Wellen aus, und jeder Körper absorbiert auch diese von seiner Umgebung. Der Nettoaustausch von Wärmeenergie zwischen den Körpern hängt von den Temperaturen der Körper und ihren jeweiligen Emissions- und Absorptionsfähigkeiten ab.
Im Gegensatz dazu kommt es bei der Wärmeleitung nicht zu einem Austausch, sondern lediglich zu einer Energieübertragung. Dies ist der Fall, da Wärme immer nur aufgrund eines Temperaturgefälles stattfindet. Sollten beiden Systeme die gleiche Temperatur besitzen, so kommt es zu keiner Übertragung und somit auch zu keinem Austausch.
Erläutern Sie, wie die Wellenlänge und die Frequenz der elektromagnetischen Strahlen eines thermischen Strahlers von dessen Temperatur abhängen.
Je höher die Temperatur ist, desto höher ist auch die Strahlungsleistung (auch bei niedrigeren Frequenzen)
Das Wien’sche Gesetz besagt allerdings, dass Strahler bei einer geringeren Temperatur tendenziell auch mit einer geringeren Frequenz strahlen.
Nach dem Planckschen Strahlungsgesetz nimmt die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlen eines thermischen Strahlers mit steigender Temperatur ab. Dies bedeutet, dass höhere Temperaturen zu kürzeren Wellenlängen führen.
Was ist der U-Wert? Erklären Sie, warum er in der thermischen Gebäuderechnung so wichtig ist.
Der U-Wert ist eine Bezeichnung für den Wärmedurchgangskoeffizienten. Bei der thermischen Gebäuderechnung spielt dieser eine große Rolle. Mit dem U-Wert kann man berechnen, wie groß der Wärmestrom aus einem Raum an die Umgebung ist und somit den notwendigen zugeführten Wärmestrom berechnen, um den Raum auf die gewünschte Temperatur zu beheizen.
Warum wird in manchen Anwendungen Wärmedurchgangskoeffizient und Wärmeübertragungsflächen nicht gesondert, sondern nur als Produkt genannt? Wie wird dieses Produkt bezeichnet?
Das Produkt aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) und der Wärmeübertragungsfläche wird als Wärmeübertragungsvermögen (oder auch Wärmeleistungsvermögen oder Wärmedurchlässigkeit) bezeichnet und hat die Einheit [W/K].
Für manche Anwendungen ist es unerheblich, ob die Wärmeübertragungsleistung der Größe der wirksamen Fläche, oder dem Wärmedurchgangskoeffizienten zugeschrieben wird. Des Weiteren können sich die Wärmeeintritts- und Wärmeaustrittsflächen erheblich unterscheiden.
Wie unterscheiden sich die Gleichstromwärmeübertrager und Gegenstromwärmeübertrager bezüglich der maximal erreichbaren Temperaturen der Austrittsströmungen?
Bei dem Gleichstromwärmeübertrager strömen die beiden Fluide in die gleiche Richtung. Zu Beginn liegt die Temperatur der beiden Fluide weit auseinander. Mit zunehmendem Weg durch den Wärmeübertrager nähern sich die beiden Temperaturen immer weiter an. Allerdings können die Temperaturen niemals gleich werden. Dafür müsste die Übertragungsfläche unendlich groß werden.
Bei Gegenstromwärmeübertragern strömen die beiden Fluide in entgegengesetzte Richtungen. Das führt zu einer wesentlich besseren Wärmeübertragung, da die Temperaturdifferenz über dem gesamten Weg des Wärmeübertragers ähnlich hoch ist. Dadurch kommt es zu höheren Temperaturen des aufzuheizenden Fluids.
Tragen Sie die Temperaturverläufe eines Gegenstromwärmeübertragers über die Übertragungsfläche auf und schraffieren Sie in diesem Diagramm die Fläche des Temperaturabstands als treibender Potenzialunterschied der Wärmeübertragung.
Nennen Sie Größenordnung des Wärmeübergangskoeffizienten für Luft, Wasser und beim Phasenübergang.
Wärmeübergangskoeffizient α:
Luft in geschlossenen Räumen α= 8
Luft an Wandaußenseite beim Sturm α=116
Wasser in Kesseln und Behältern α = 580 – 2300
Siedendes Wasser in Rohren α = 4700 - 7000
Welche Möglichkeiten hat der Konstrukteur eines Wärmeübertragers zur Steigerung des Wärmedurchgangs von einem kondensierenden Arbeitsstoff zur Umgebungsluft?
Vergößern der Fläche.Lamellen
Beschreiben Sie die Durchströmung der Medien eines Plattenwärmeübertragers.
Ein Plattenwärmeübertrager ist ein Gerät, das dazu dient, Wärme zwischen zwei Fluiden zu übertragen, ohne dass diese miteinander in direkten Kontakt treten. Die Medien (Fluide) durchströmen separate Kanäle, die durch Platten oder Lamellen getrennt sind. Hier ist eine Beschreibung der Durchströmung der Medien in einem Plattenwärmeübertrager:
1. Allgemeine Struktur:
· Ein Plattenwärmeübertrager besteht aus einer Anordnung von Platten oder Lamellen, die parallel zueinander angeordnet sind. Diese Platten bilden abwechselnd Kanäle für die beiden zu tauschenden Medien.
2. Einlass der Medien:
· Die beiden zu tauschenden Medien, oft als heißes und kaltes Medium bezeichnet, werden am Einlass des Plattenwärmeübertragers zugeführt. Jedes Medium fließt durch seine eigenen Kanäle.
3. Parallelfluss oder Gegenstrom:
· Je nach Anwendung und Design kann der Plattenwärmeübertrager für einen Parallelfluss oder Gegenstrom ausgelegt sein. Bei einem Parallelfluss durchströmen beide Medien die Platten in derselben Richtung, während bei einem Gegenstrom die Medien entgegengesetzt zueinander fließen.
4. Durchströmung der Platten:
· Die Medien durchströmen die Platten abwechselnd, wobei sich die Platten als Barriere zwischen den Kanälen der beiden Medien befinden. Die Wärmeübertragung erfolgt durch die Platten hindurch.
5. Wärmeübertragung:
· Während die Medien durch die Platten fließen, findet die Wärmeübertragung statt. Die Wärme wird von einem Medium auf das andere übertragen, ohne dass eine direkte Vermischung der Medien stattfindet.
6. Austritt der Medien:
· Nach der Wärmeübertragung verlassen die Medien den Plattenwärmeübertrager durch separate Auslässe. Die Temperatur des kälteren Mediums hat sich erhöht, während die Temperatur des wärmeren Mediums gesunken ist.
Warum ist ein Plattenwärmeübertrager in der Regel bei gleicher Leistung kompakter als ein Rohrbündelwärmeübertrager?
Plattenwärmeübertrager haben eine größere Oberfläche pro Volumeneinheit im Vergleich zu Rohrbündelwärmeübertragern. Die Platten sind flach und bieten eine effektive Oberfläche für die Wärmeübertragung, was zu einem kompakteren Design führt.
Die Strömungsdynamik in einem Plattenwärmeübertrager ist effizienter und turbulenter als in einem Rohrbündelwärmeübertrager. Die Strömung zwischen den Platten wird besser geleitet, was zu einer verbesserten Wärmeübertragungseffizienz führt.
Aufgrund des direkten Kontakts zwischen den Medien auf den Platten ist der Wärmewiderstand in einem Plattenwärmeübertrager in der Regel niedriger als bei einem Rohrbündelwärmeübertrager. Dies ermöglicht eine bessere Wärmeübertragung bei gleicher Leistung.
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