Wärmeübertragung: Physikalische Grundlagen - Illustrierende Beispiele - Übungsaufgaben mit Musterlösungen

Dieses Lehrbuch vermittelt das grundsätzliche Verständnis für die physikalischen Vorgänge im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung. Zusätzlich zur ausführlichen Behandlung der verschiedenen Wärmeübertragungssituationen werden illustrierende Beispiele gegeben, die oftmals unerwartete Effekte beschreiben. Anhand von Übungsaufgaben mit ausführlichen Musterlösungen kann der Stoff vertieft werden. Sorgfältig ausgewählte Arbeitsblätter erleichtern die Anwendung des Stoffes. Für die dritte Auflage wurde die Anzahl der illustrierenden Beispiele auf 20 erhöht. Vorwort 5 Vorwort zur 2. Auflage 6 Vorwort zur 3. Auflage 6 Danksagung 6 Formale Besonderheiten in diesem Buch 7 Inhaltsverzeichnis 8 Verzeichnis der illustrierenden Beispiele 12 Formelzeichen 13 1 Einführende Beispiele 17 1.1 Zwei Beispiele aus dem Alltag 17 1.2 Zwei Beispiele aus technischen Anwendungen 18 2 Begriffs- und Zielbestimmung 19 2.1 Was ist „Wärme“? 19 2.2 Was ist „Wärmeübertragung“? 20 2.3 Was ist eine „gute Wärmeübertragung“? 20 2.4 Was soll das Fachgebiet „Wärmeübertragung“ leisten können? 22 3 Dimensionsanalytische Überlegungen 24 3.1 Vorüberlegungen 24 3.2 Das Π-Theorem 24 3.3 Anwendung des Π-Theorems auf Probleme der Wärmeübertragung 26 3.4 Kennzahlen versus empirische Koeffizienten 28 3.5 Untersuchungen im Modellmaßstab 28 4 Allgemeine Betrachtungen zum Wärmeübergang an Systemgrenzen 30 4.1 Kurz-Charakterisierung verschiedener Wärmeübertragungssituationen 30 4.2 Leitungsbasierter Energietransport über eine Systemgrenze 30 4.3 Thermische Randbedingungen, konjugierte Probleme 32 4.4 Entropieproduktion bei der Wärmeübertragung 33 4.5 Der Grenzfall reversibler Wärmeübertragung 35 5 Wärmeleitung 36 5.1 Energiebilanz 36 5.2 Fourier-Ansatz als konstitutive Gleichung 38 5.3 Stationäre, eindimensionale Wärmeleitung 40 5.4 Wärmedurchgang 43 5.5 Instationäre Wärmeleitung, Einfluss der Biot-Zahl 44 5.6 Instationäre Wärmeleitung in einer halbunendlichen ebenen Wand 47 5.7 Übungsaufgaben zur Wärmeleitung 62 5.7.1 Übungsaufgaben und Ergebnisse 62 5.7.2 Lösungswege 66 6 Konvektiver Wärmeübergang 77 6.1 Die Physik des konvektiven Wärmeüberganges 77 6.1.1 Konvektiver Wärmeübergang für λ* → ∞ 80 6.1.2 Konvektiver Wärmeübergang bei homogenen Geschwindigkeitsprofilen 81 6.1.3 Konvektiver Wärmeübergang bei turbulenten Strömungen 83 6.1.4 Wärmeübergang bei natürlicher Konvektion entlang von Wänden 85 6.1.5 Systematik bei konvektiven Wärmeübergängen 87 6.2 Grundgleichungen zur Beschreibung des konvektiven Wärmeüberganges 88 6.2.1 Grundgleichungen für konstante Stoffwerte 89 6.2.2 Bezugszustand für konstante Stoffwerte 91 6.2.3 Berücksichtigung variabler Stoffwerte 92 6.3 Erzwungene Konvektion, laminare Strömung 93 6.3.1 Wärmeübergang bei Körperumströmungen, laminar 93 6.3.2 Wärmeübergang bei Durchströmungen, laminar 99 6.4 Erzwungene Konvektion, turbulente Strömung 103 6.4.1 Wärmeübergang bei Körperumströmungen, turbulent 104 6.4.2 Wärmeübergang bei Durchströmungen, turbulent 108 6.5 Natürliche Konvektion bei Körperumströmungen, laminar 111 6.6 Komplexe, technisch bedeutende konvektive Wärmeübergangs-Situationen 113 6.6.1 Wärmeübergang am querangeströmten Kreiszylinder 114 6.6.2 Wärmeübergang an querangeströmten Kreiszylinder-Bündeln 115 6.6.3 Wärmeübergang bei Prallstrahlen 116 6.7 Bewertungskriterien für konvektive Wärmeübergänge 118 6.7.1 Ökonomische Analyse konvektiver Wärmeübertragung 119 6.7.2 Exergetische Analyse konvektiver Wärmeübertragung 122 6.8 Schlussbemerkung zum konvektiven Wärmeübergang 123 6.9 Übungsaufgaben zur konvektiven Wärmeübertragung 131 6.9.1 Übungsaufgaben und Ergebnisse 132 6.9.2 Lösungswege 136 7 Zweiphasen-Wärmeübergang 149 7.1 Die Physik des Zweiphasen-Wärmeüberganges 149 7.2 Dimensionsanalyse und Systematik bei Zweiphasen-Wärmeübergängen 152 7.3 Kondensation 154 7.3.1 Filmkondensation 154 7.3.2 Tropfenkondensation 157 7.3.3 Strömungskondensation 159 7.4 Sieden 160 7.4.1 Behältersieden 160 7.4.2 Strömungssieden 166 7.5 Übungsaufgaben zum Zweiphasen-Wärmeübergang 174 7.5.1 Übungsaufgaben und Ergebnisse 174 7.5.2 Lösungswege 176 8 Wärmeübergang durch Strahlung 180 8.1 Die Physik elektromagnetischer Energieübertragung (Wärmestrahlung) 180 8.2 Globalbilanzen 182 8.2.1 Generelles Vorgehen 183 8.3 Ideales Strahlungsverhalten / Schwarze Körper 184 8.3.1 Das Emissionsverhalten Schwarzer Körper 184 8.3.2 Das Absorptionsverhalten Schwarzer Körper 188 8.3.3 Die Realisierung Schwarzer Körper / Hohlraumstrahlung 189 8.4 Reales Strahlungsverhalten / Reale Körper 190 8.4.1 Das Emissionsverhalten realer Körper im Vergleich zum Schwarzen Körper 191 8.4.2 Das Absorptionsverhalten realer Körper im Vergleich zum Schwarzen Körper 193 8.4.3 Das Reflexionsverhalten realer Körper 195 8.4.4 Das Transmissionsverhalten realer Körper 195 8.5 Strahlungsaustausch zwischen Körpern 196 8.5.1 Sichtfaktoren für zwei Flächen im Strahlungsaustausch 197 8.5.2 Strahlungsaustausch zwischen zwei Schwarzen Körpern 200 8.5.3 Strahlungsaustausch zwischen Grauen Lambert-Strahlern 200 8.6 Gasstrahlung 202 8.6.1 Die optische Dicke von Gasschichten 203 8.6.2 Absorption und Emission von Gasräumen 203 8.7 Besonderheiten bei der Solarstrahlung 204 8.7.1 Extraterrestrische Solarstrahlung 205 8.7.2 Terrestrische Solarstrahlung 206 8.8 Übungsaufgaben zum Wärmeübergang durch Strahlung 212 8.8.1 Übungsaufgaben und Ergebnisse 213 8.8.2 Lösungswege 218 9 Wärmetechnische Apparate 228 9.1 Wärmeübertrager 228 9.1.1 Bauformen 228 9.1.2 Globalanalyse 229 9.1.3 Verschmutzungen (Fouling) 230 9.2 Kondensatoren 231 9.3 Verdampfer 233 9.4 Wärmespeicher 234 9.4.1 Auswahl- und Auslegungskriterien 236 9.4.2 Bauformen und Speichermedien 237 10 Messung von Temperaturen und Wärmeströmen 244 10.1 Temperaturmessungen 244 10.1.1 Berührungsbehaftete Messmethoden 244 10.1.2 Berührungsfreie Messmethoden 247 10.1.3 Temperaturmessungen an Körperoberflächen 248 10.2 Wärmestrommessungen 249 10.2.1 Messprinzipien 249 11 Schlussbetrachtung 253 11.1 Die zwei Beispiele aus dem Alltag 253 11.2 Zehn mal „Warum ...?“ 254 11.2.1 Fragen 254 11.2.2 Antworten 255 A Arbeitsblätter 259 Arbeitsblatt 5.1: Wärmeleitung in einer mehrschichtigen, ebenen Wand (Kap. 5.3) 260 Arbeitsblatt 5.2: Wärmeleitung in einer mehrschichtigen Hohlzylinderund Hohlkugelwand (Kap. 5.3) 261 Arbeitsblatt 5.3: Wärmeleitung in einer parallelschichtigen, ebenen Wand (Kap. 5.3) 262 Arbeitsblatt 5.4: Wärmeleitung in einer parallelschichtigen Hohlzylinder- und Hohlkugelwand (Kap. 5.3) 263 Arbeitsblatt 5.5: Wärmeleitung in einer ebenen Wand mit linear temperaturabhängiger Wärmeleitfähigkeit (Kap. 5.3) 264 Arbeitsblatt 5.6: Wärmedurchgang in einer mehrschichtigen, ebenen Wand (Kap. 5.4) 265 Arbeitsblatt 5.7: Wärmedurchgang in einer mehrschichtigen Hohlzylinder- und Hohlkugelwand (Kap. 5.4) 266 Arbeitsblatt 5.8: Instationäre eindimensionale Wärmeleitung in einem Körper (Kap. 5.5) 267 Arbeitsblatt 5.9: Instationäre, eindimensionale Wärmeleitung in einer halbunendlichen Wand (Kap. 5.6) 268 Arbeitsblatt 6.1: Laminare Plattenströmung (Kap. 6.3.1) 269 Arbeitsblatt 6.2: Turbulente Plattenströmung (Kap. 6.4.1) 270 Arbeitsblatt 6.3: Laminare Rohr-/Kanaleinlaufströmung (Kap. 6.3.2) 271 Arbeitsblatt 6.4: Laminare ausgebildete Rohrströmung (Kap. 6.3.2) 272 Arbeitsblatt 6.5: Turbulente Rohr-/Kanaleinlaufströmung (Kap. 6.4.2) 273 Arbeitsblatt 6.6: Turbulente ausgebildete Rohr-/Kanalströmung (Kap. 6.4.2) 274 Arbeitsblatt 6.7: Wärmeübergang bei natürlicher Konvektion an einer senkrechten Wand (Kap. 6.5) 275 Arbeitsblatt 6.8: Wärmeübergang bei natürlicher Konvektion im Staupunktbereich eines ebenen Körpers (Kap. 6.5) 276 Arbeitsblatt 6.9: Querangeströmter Kreiszylinder (Kap. 6.6.1) 277 Arbeitsblatt 6.10: Rotationssymmetrischer Prallstrahl (Kap. 6.6.3) 278 Arbeitsblatt 6.11: Prallstrahl aus einer Schlitzdüse (Kap. 6.6.3) 279 Arbeitsblatt 7.1: Laminare Filmkondensation (Kap. 7.3.1) 280 Arbeitsblatt 7.2: Laminares Filmsieden (Kap. 7.4.1) 281 Arbeitsblatt 8.1: Strahlungsaustausch zwischen zwei Schwarzen Körpern (Kap. 8.5.2) 282 Arbeitsblatt 8.2: Strahlungsaustausch zwischen zwei Grauen Körpern (Kap. 8.5.3) 283 B Stoffwerte 284 C Standard-Werke zur Wärmeübertragung 286 D Fachbegriffe Deutsch ↔ Englisch 287 Index 289 Dieses Lehrbuch vermittelt das grundsätzliche Verständnis für die physikalischen Vorgänge im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung. Zusätzlich zur ausführlichen Behandlung der verschiedenen Wärmeübertragungssituationen werden illustrierende Beispiele gegeben, die oftmals unerwartete Effekte beschreiben. Anhand von Übungsaufgaben mit ausführlichen Musterlösungen kann der Stoff vertieft werden. Sorgfältig ausgewählte Arbeitsblätter erleichtern die Anwendung des Stoffes. Für die dritte Auflage wurde die Anzahl der illustrierenden Beispiele auf 20 erhöht. Der Inhalt Einführende Beispiele aus dem Alltag und aus technischen Anwendungen - Begriffs- und Zielbestimmungen - Physik des Wärmeüberganges - Wärmeleitung - Konvektiver Wärmeübergang - Zweiphasen-Wärmeübergang - Wärmestrahlung - Wärmetechnische Apparate - Messmethoden - Umfangreiche Arbeitsblätter - Übungsaufgaben mit Musterlösungen Die Zielgruppen - Studierende des Maschinenbaus, der Verfahrenstechnik oder der Physik an Technischen Universitäten und Fachhochschulen - Ingenieure und Techniker sowie interessierte Laien Die Autoren Dr.-Ing. Heinz Herwig ist Professor an der TU Hamburg-Harburg und leitet das Institut für Thermofluiddynamik. Dr.-Ing. Andreas Moschallski ist Oberingenieur am gleichen Institut Front Matter....Pages I-XVIII Einführende Beispiele....Pages 1-2 Begriffs- und Zielbestimmung....Pages 3-7 Dimensionsanalytische Überlegungen....Pages 9-14 Allgemeine Betrachtungen zum Wärmeübergang an Systemgrenzen....Pages 15-20 Wärmeleitung....Pages 21-61 Konvektiver Wärmeübergang....Pages 63-134 Zweiphasen-Wärmeübergang....Pages 135-165 Wärmeübergang durch Strahlung....Pages 167-214 Wärmetechnische Apparate....Pages 215-230 Messung von Temperaturen und Wärmeströmen....Pages 231-239 Schlussbetrachtung....Pages 241-246 Back Matter....Pages 247-280