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Vergleichen Sie die thermodynamische Mitteltemperatur mit dem mittleren logarithmischen Temperaturabstand. Was sind die Gemeinsamkeiten und die Unterschiede?
• Thermodynamische Mitteltemperatur: Die thermodynamische Mitteltemperatur wird verwendet, um den Energieübertrag zwischen zwei Temperaturen zu berechnen und berücksichtigt dabei die nichtlineare Natur des Prozesses.
• Mittlerer Logarithmischer Temperaturabstand: Diese Methode beschreibt den Temperaturunterschied über einen Wärmetauscher.
• Gemeinsamkeit: Beide Methoden nutzen Temperaturdifferenzen zur Bestimmung des Energieflusses.
• Unterschied: Der mittlere logarithmische Temperaturabstand wird hauptsächlich bei der Wärmeübertragung angewendet, während die thermodynamische Mitteltemperatur auf den Energieumwandlungsprozess fokussiert ist.
Was wird unter Wärmekapazitätsstrom verstanden? Nimmt dieser grundsätzlich mit zunehmender Wärmekapazität zu? Welchen Wert nimmt er bei Phasenwechsel ein? Erklären Sie.
• Der Wärmekapazitätsstrom ist das Produkt aus Massefluss und spezifischer Wärmekapazität eines Fluids.
• Mit zunehmender Wärmekapazität oder Massenstrom steigt der Wärmekapazitätsstrom an.
• Bei einem Phasenwechsel wird der Wärmekapazitätsstrom aufgrund des latenten Wärmeübergangs nahezu unendlich groß, da die Temperatur konstant bleibt, aber weiterhin Wärme übertragen wird.
Warum ist das Konzept des Wärmekapazitätsstroms trotz seiner guten Verständlichkeit für viele technische Anwendungen, z.B. in der Lebensmittelindustrie, nicht uneingeschränkt einsetzbar?
• Das Konzept des Wärmekapazitätsstroms setzt homogene und konstante Eigenschaften des Fluids voraus.
• In der Lebensmittelindustrie können Fluide komplexe Zusammensetzungen haben, die sich je nach Temperatur ändern.
• Deshalb ist es schwierig, den Wärmekapazitätsstrom zu berechnen, wenn sich die Eigenschaften des Fluids während der Verarbeitung ändern.
Was passiert, wenn bei einem Verdampfer einer Wärmepumpe der zugeführte Wärmequellenmassenstrom bei gleichbleibender Temperatur erhöht wird?
• Eine Erhöhung des Massenstroms führt dazu, dass mehr Wärme in den Verdampfer übertragen wird.
• Dies führt zu einem höheren Verdampfungsdruck und einer höheren Verdichterleistung.
• Die Verdampfungstemperatur steigt, was die Leistungszahl der Wärmepumpe verbessert.
Welchen Einfluss hat es auf die wesentlichen Parameter des Wärmeübertragers, wenn eine Wärmepumpe zu viel Kältemittel enthält und sich dieses im Verdampfer ansammelt?
• Ein Überschuss an Kältemittel im Verdampfer kann dazu führen, dass die Überhitzung reduziert wird.
• Dies verringert die Effizienz des Verdichters, da das Kältemittel in flüssiger Form in den Verdichter gelangen könnte.
• Es erhöht auch den Druckverlust im Verdampfer, was die Leistungsfähigkeit des Systems einschränkt.
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.
• Obwohl beide Kondensatoren die gleiche Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Austritt aufweisen, können ihre Wärmeströme abweichen, wenn:
- Der Massenstrom durch die Kondensatoren unterschiedlich ist.
- Unterschiedliche Verschmutzungsgrade (Fouling) vorliegen.
- Die Strömungsbedingungen im Inneren unterschiedlich sind (Turbulenz oder Laminarströmung).
• Diese Faktoren beeinflussen den Wärmeaustauschkoeffizienten und führen zu unterschiedlichen Wärmeströmen.
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.
• Die Erhöhung der Verdichterfrequenz erhöht den Volumenstrom und damit die Massenstromrate.
• Dies kann dazu führen, dass die Überhitzung im Verdampfer sinkt, da der Verdampfer nicht genug Zeit hat, das gesamte Kältemittel zu verdampfen.
• Eine zu hohe Verdichterfrequenz kann den Verdampfer ineffizient machen, da flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangen könnte.
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.
• Der Pinch-Point beschreibt den Punkt, an dem der Temperaturunterschied zwischen dem heißen Medium (Thermo-Öl) und dem erzeugten Dampf minimal wird.
• An diesem Punkt ist der Wärmeübertrag besonders ineffizient, da ein geringer Temperaturabstand eine größere Wärmetauscherfläche erfordern würde.
• Ein zu kleiner Pinch-Point kann dazu führen, dass die erforderliche Fläche und die Kosten des Wärmetauschers exponentiell ansteigen.
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.
• Um eine hohe Systemeffizienz bei einer kleinen Grädigkeit zu erreichen, kann man:
- Die Kondensationsfläche vergrößern, um den Wärmeabfluss effizienter zu gestalten.
- Den Massenstrom der Kühlflüssigkeit erhöhen, um die Wärme besser abzuführen.
- Die Umgebungskühlung durch alternative Kühlsysteme wie Verdunstungskühlung verbessern.
Warum hat ein Gegenstromwärmeübertrager prinzipbedingt einen größeren Übertragungswärmestrom als ein Gleichstromwärmeübertrager? Erklären Sie des Weiteren, warum die Gegenstromführung einen geringeren Entropieproduktionsstrom verursacht.
• Ein Gegenstromwärmeübertrager nutzt die Temperaturdifferenz über die gesamte Länge des Wärmetauschers effizienter aus, da die kalten und heißen Ströme gegenläufig sind.
• Dadurch wird ein größerer Temperaturgradient und damit ein höherer Wärmestrom erreicht.
• Der Entropieproduktionsstrom ist geringer, weil die Temperaturdifferenz an jedem Punkt des Gegenstrom-Wärmetauschers kleiner ist, was weniger irreversiblen Entropiefluss erzeugt.
Was ist im Zusammenhang mit Wärmeübertragerberechnung die „NTU-Methode“? Erklären Sie in einem Satz.
• Die NTU-Methode (Number of Transfer Units) ermöglicht die Berechnung des Wärmeaustauschvermögens eines Wärmeübertragers ohne direkte Kenntnis des Temperaturverlaufs, indem die Effizienz des Wärmetransfers über dimensionslose Kennzahlen bestimmt wird.
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.
• Ein Verstoß gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann auftreten, wenn Wärme ohne äußere Arbeit von einem kälteren auf ein wärmeres Fluid übertragen wird.
• Dies kann z. B. durch fehlerhafte Modellannahmen oder falsche Berechnungen geschehen, wenn etwa die Temperaturdifferenz zwischen den Fluiden nicht korrekt berücksichtigt wird.
Der logarithmische Temperaturabstand eines Heizkörpers lässt sich bei gleichbleibender Raumlufttemperatur sowohl durch Änderung der Ventilstellung, als auch durch Änderung der Vorlauftemperatur um beispielsweise 20% steigern. Stellen Sie für beide Fälle die Temperaturverläufe graphisch dar. Diskutieren Sie den Einfluss auf den Temperaturänderungsgrad.
• Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur um 20% führt zu einer stärkeren Temperaturdifferenz zwischen dem Heizkörper und der Raumluft, was den logarithmischen Temperaturabstand erhöht.
• Eine Reduzierung der Ventilstellung bewirkt, dass der Durchfluss des Heizwassers reduziert wird, was ebenfalls die Temperaturdifferenz und den Temperaturabstand beeinflusst.
Erklären Sie, warum in realen Wärmepumpensystemen die eintretenden und austretenden Massenströme jeweils von Verdampfer und Kondensator nicht zwangsläufig zu jedem Zeitpunkt gleich sein müssen. Welchen Einfluss hat ein solches Verhalten auf das Wärmeübertragungsverhalten dieser Bauteile?
• Die Massenströme können variieren, da unterschiedliche Phasenübergänge (z. B. Verdampfen und Kondensieren) im Verdampfer und Kondensator auftreten.
• Wenn die Massenströme ungleich sind, kann es zu ineffizienter Wärmeübertragung kommen, da die Wärmeübertrager entweder unter- oder überdimensioniert sind.
Warum werden zur Berechnung der transienten Wärmeübertragung Randbedingungen benötigt?
• Randbedingungen sind notwendig, um die physikalischen Verhältnisse an den Grenzen eines Systems zu definieren.
• Ohne diese Randbedingungen wäre es unmöglich, genaue Berechnungen für den Wärmefluss innerhalb des Systems durchzuführen.
Beschreiben Sie die bekanntesten drei Randbedingungen der transienten Wärmeübertragung mit eigenen Worten. Wie unterscheiden sich die Randbedingungen von den Anfangsbedingungen?
• Dirichlet-Randbedingung: Eine feste Temperatur wird am Rand des Systems festgelegt.
• Neumann-Randbedingung: Der Wärmefluss über den Rand des Systems wird festgelegt.
• Robin-Randbedingung: Eine Kombination aus Wärmefluss und Temperatur wird festgelegt.
• Der Unterschied zu Anfangsbedingungen besteht darin, dass Anfangsbedingungen den Zustand des Systems zu Beginn des Prozesses beschreiben, während Randbedingungen das Verhalten an den Systemgrenzen beschreiben.
Wie würden Sie den Zusammenhang von Wirkrichtung der Wärmeübertragung und Isothermen der instationären Wärmeübertragung beschreiben?
• Die Wirkrichtung der Wärmeübertragung erfolgt immer von Bereichen höherer zu niedrigerer Temperatur.
• Isothermen stellen Linien gleicher Temperatur dar und werden durch die instationäre Wärmeübertragung deformiert, da sich die Temperaturverteilung innerhalb des Systems mit der Zeit ändert.
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