Vergleichen Sie die thermodynamische Mitteltemperatur mit dem mittleren logarithmischen Temperaturabstand? Was sind die Gemeinsamkeiten und die Unterschied?
Die thermodynamische Mitteltemperatur ist der einfache Durchschnitt der Temperaturen an zwei Punkten. Sie wird oft verwendet, um die Temperatur zwischen zwei Zuständen zu schätzen. Sie kann aber auch verwendet werden, um den Exergieanteil eines Wärmestroms zu ermitteln
Der mittlere logarithmische Temperaturabstand wird besonders in Situationen verwendet, in denen die Temperatur über eine Strecke hinweg nicht konstant ist, wie etwa in einem Wärmetauscher, bei dem der Temperaturabfall entlang der Flussrichtung groß ist.
Was wird unter Wärmekapizitätsstrom verstanden? Nimmt dieser grundsätzlich mit zunehmender Wärmekapazität zu? Welchen Wert nimmt er bei Phasenwechsel ein? Erklären Sie
Der Wärmekapazitätsstrom ist das Produkt von dem Massenstrom, der spezifischen Wärmekapazität und der Temperaturdifferenz. Er gibt an wie viel Wärme von einem Fluidstrom bei einer bestimmten Temperaturdifferenz abgegeben werden kann.
Je größer der Wärmekapazitätsstrom ist, desto langsamer nimmt die Temperatur des Fluids mit der Zeit ab. Das heißt, dass Fluid kann mehr thermische Energie in Form von Exergie abgeben.
Beim Phasenwechsel ist der Wärmekapazitätsstrom unendlich hoch, da es ohne seine Temperatur zu ändern, thermische Energie abgeben kann.
Warum ist das Konzept des Wärmekapazitätsstroms trotz seiner guten Verständlichkeit für viele technische Anwendungen
beispielsweise in der Lebensmittelindustrie nicht uneingeschränkt einsetzbar.
Der Wärmekapazitätsstrom erfasst nicht den Phasenwechsel bei dem es zu keiner Temperaturänderung kommt. (Einfrieren oder Auftauen von Lebensmitteln)
Außerdem:
Temperaturabhängige Wärmekapazitäten
Heterogene Zusammensetzung von Lebensmitteln mit verschiedenen Wärmekapazitäten
Was passiert, wenn bei einem Verdampfer einer Wärmepumpe der zugeführte Wärmequellenmassenstrom bei gleichbleibender Temperatur erhöht wird?
Das würde bedeuten, dass die Endtemperatur des Wärmequellenmassenstroms am Ende höher ist.
Zunahme der Grädigkeit -> Abstand am Pinch Point nimmt zu
Zunahme des Wärmestroms aufgrund einer höheren mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz
Welchen Einfluss hat es auf die wesentlichen Parameter des Wärmeübertragers, wenn eine Wärmepumpe zu viel Kältemittel
enthält und sich dieses im Verdampfer ansammelt.
Die Übertragungsfläche des Wärmeübertrager (Verdampfer) könnte geringer werden, womit auch der Wärmestrom abnehmen würde.
Verringerter Massenstrom des Kältemittels welches zirkuliert -> Leistung wird beeinträchtigt
Zwei baugleiche Kondensatoren, betrieben mit den gleichen Medien, haben jeweils die gleiche Fluidtemperaturen am Eintritt und am Austritt. Warum können Ihre Wärmeströme erheblich voneinander abweichen? Analysieren Sie ausführlich.
Wenn man die Massenströme der beiden Fluide so anpasst, dass am Anfang und am Ende zwar die gleiche Temperatur vorliegt, ist der Wärmestrom jedoch komplett unterschiedlich
bspw. könnte es bei einem Fluid zu einem Phasenwechsel kommen oder die Wärmekapazitäten sind unterschiedlich
Ein Verdampfer einer Wärmepumpe wird seit längerer Zeit unter gleichbleibenden Bedingungen betrieben. Nun wird durch Steigerung der Verdichterfrequenz der Volumenstrom am Verdampferaustritt erhöht. Diskutieren Sie, welche Konsequenzen dies auf die wesentlichen Parameter des Verdampfers hat
Durch die Erhöhung des Massenstromes muss gleichzeitig auch eine erhöhte Menge an thermischer Energie bereitgestellt werden, um diesen erhöhten Massenstrom auf die gleiche Temperatur zu erhöhen. Somit muss auch der zugeführte Wärmestrom erhöht werden.
Tragen Sie die Temperaturverläufe eines mit Thermo-Öl betriebenen Dampferzeugers über die Enthalpiedifferenz bzw. übertragene Wärme in einem Diagramm auf. Kennzeichnen Sie den Pinch-Point und erklären Sie, warum der Temperaturabstand an dieser Stelle nicht beliebig klein angenommen werden kann.
Bei der Wärmeübertragung ist es immer wichtig, dass stets eine Temperaturdifferenz vorhanden ist. Andernfalls kommt es nicht zu einem Wärmestrom. Sollte der Pinch-Point sehr klein werden, muss die Übertragungsfläche sehr groß werden, um weiterhin einen signifikanten Wärmestrom zu gewährleisten.
Eine thermodynamische Simulation auf Basis der vom Kunden geforderten Systemeffizienz resultiert in einer erforderlichen
sehr kleinen Grädigkeit für die Rückkühlung „gegen Umgebung“ mittels Kondensator. Diskutieren Sie, welche Möglichkeiten es
gibt, dem zu begegnen.
Bspw. Vergrösserung der Wärmeübertragungsfläche
Formulieren Sie mit Ihren eigenen Worten in anschaulicher Weise, warum ein Wärmeübertrager im Gegenstrom betriebenen prinzipbedingt einen größeren Übertragungswärmestrom zur Folge hat, als ein Gleichstromwärmeübertrager. Erklären Sie des Weiteren, warum erstgenannte Betriebsführung prinzipbedingt einen geringeren Entropieproduktionsstrom zur Folge hat.
Bei einem Gegenstrom-Wärmeübertrager ist die Temperaturdifferenz der beiden Fluide über die gesamte Fläche weniger schwankend. Das führt zu einer effizienten Übertragung. Selbst am Ausgang des WÜT haben die beiden Fluide eine signifikante Temperaturdifferenz, die eine gute Wärmeübertragung zur Folge hat.
Bei einem Gleichstrom-WÜT ist anfangs die Temperaturdifferenz extrem hoch und flacht dann zum Ende des WÜT hin ab. Am Ende ist die Differenz der Temperatur nicht ausreichend groß, um einen hohen Wärmestrom zu gewährleisten.
Was ist im Zusammenhang mit Wärmeübertragerberechnung die „NTU-Methode“? Erklären Sie in einem Satz.
Die NTU-Methode bietet eine allgemeingültige, dimensionslose Beschreibung eines Wärmeübertragers und erlaubt eine effiziente Analyse des Wärmeübertragungsverhaltens, unabhängig von spezifischen Eintritts- und Austrittstemperaturen.
Es kann sein, dass die Temperatur des Wärmeabgebenden Fluids auf beiden Seiten eines Wärmeübertrager-Modells größer ist, als die des Wärmeaufnehmenden Fluids und dieses Modell dennoch gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstößt. Erklären Sie
Das könnte dann am Pinch-Point liegen. Es kann passieren, dass in der Modellierung der Pinch-Point nämlich negativ ist. Das würde bedeuten, dass die Temperatur des Wärmeaufnehmenden Fluids kurzzeitig oberhalb der Temperatur des Wärmeabgebenden Fluids liegt. Dies ist gemäß des 2. HS der Thermodynamik nicht möglich.
Warum werden zur Berechnung der transienten Wärmeübertragung Randbedingungen benötigt?
Transienter Wärmeübertragungsvorgängen basieren auf der Temperaturverteilung in der betrachteten Materie. Die Temperaturverläufe lassen sich durch Isotherme darstellen. Wärmeübertragung erfolgt grundsätzlich senkrecht zu den isothermen. Ein wesentlicher Teil des Modells sind die Randbedingungen, mit denen klar die Art der Interaktion an den Systemgrenzen beschrieben wird. Zur Simulation müssen zudem Anfangsbedingungen gesetzt werden.
Beschreiben Sie die bekanntesten drei Randbedingungen der transienten Wärmeübertragung mit eigenen Worten. Wie unterscheiden sich die Randbedingungen von den Anfangsbedingungen?
Dirichlet Randbedingung
—> Bei dieser Randbedingung ist die Temperatur an der Oberfläche oder Grenze des Systems zu jedem Zeitpunkt bekannt und wird als konstant oder als Funktion der Zeit gegeben (z.B. fix 100 °C)
Neumann-Randbedingung
—> Hier wird der Wärmefluss oder die Wärmeübertragungsrate an der Grenze des Systems festgelegt. Diese Randbedingung beschreibt, wie viel Wärme pro Zeiteinheit durch die Oberfläche strömt
Robin-Randbedingung
—> Eine Kombination aus Temperatur und Wärmefluss. Diese Randbedingung tritt oft bei der Konvektion an einer Oberfläche auf, wo der Wärmefluss sowohl von der Oberflächentemperatur als auch von den Umgebungsbedingungen abhängt.
Wie würden Sie den Zusammenhang von Wirkrichtung der Wärmeübertragung und Isothermen der instationären Wärmeübertragung beschreiben?
Die Wirkrichtung der Wärmeübertragung bei isothermen verläuft grundsätzlich senkrecht zu diesen.
Die Wirkrichtung der Wärmeübertragung und die Bewegung der Isothermen sind direkt miteinander verknüpft: Wärme fließt immer in die kälteren Bereiche, und die Isothermen verschieben sich mit der Zeit in diese Richtung, bis die Temperatur im gesamten System schließlich stationär wird und keine weiteren Änderungen stattfinden. Während des Übergangsprozesses spiegeln die Isothermen die Veränderung der Temperaturverteilung im System wider, die durch die instationäre Wärmeübertragung verursacht wird.
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