Wärmeübertragung

Unter Wärmeübertragung wird der Transport thermischer Energie verstanden, der durch Temperaturdifferenzen induziert wird. Beim Energietransport überschreitet die Wärme die Grenzen des thermodynamischen Systems unter der Voraussetzung, daß diese wärmedurchlässig sind- Die grundlegende Aussage für die Wärmeübertragung liefert der 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Nach diesem erfolgt der Wärmefluß ohne Arbeitsaufwand nur von einem höheren zu einem niedrigeren Temperaturniveau. Damit liegt die Richtung des Wärmetransportes fest. Die wirksame Temperaturdifferenz wird als Triebkraft bezeichnet. Die Wärmeübertragung ist für den Ingenieur von großer Bedeutung. Seine Aufgabe ist es, zu sichern, daß der wissenschaftlich-technische Fortschritt als Hauptfaktor der Intensivierung in unserer Wirtschaft so geleitet, geplant und produktivwirksam gemacht wird, daß die Ziele der Leistungs- und Effektivitätsentwicklung erreicht und überboten werden. Die Energieerzeugungs- und -Übertragungsanlagen spielen dabei in der chemischen Industrie eine beträchtliche Rolle. Von den Gesetzmäßigkeiten her betrachtet ist es gleichgültig, ob es sich bei den Übertragungsproblemen um die Steigerung der zu übertragenden Wärme oder in der Isoliertechnik um deren Unterbindung handelt. Es lassen sich drei Mechanismen des Wärmetransports unterscheiden, die auf verschiedene physikalische Erscheinungen zurückzuführen sind. Sie treten entweder einzeln oder nebeneinander auf, bei technischen Prozessen dominiert im allgemeinen die eine oder die andere Übertragungsart. Man unterscheidet zwischen

Wärmeleitung: Der Mechanismus des Wärmetransportes bei der Wärmeleitung beruht auf der unmittelbaren Energieübertragung zwischen den schwingenden Molekeln eines Körpers durch Berührung, wobei die Moleküle ihre Lage zueinander nicht verändern (Impulsaustausch). Die Übertragung ist vom Aggregatzustand des Stoffes abhängig. In Metallen wird die Energie hauptsächlich durch Elektronendiffusion, bei Gasen fast ausschließlich durch Moleküldiffusion übertragen. Die Wärmeleitung in flüssigen und gasförmigen Körpern ist jedoch nur dort von Bedeutung, wo sich die Stoffe vollkommen in Ruhe befinden, z. B. an den Phasengrenzflächen fest/flüssig und fest/gasförmig. Konvektiver Wärmetransport (Wärmekonvektion): Der Transport der thermischen Energie durch Konvektion erfolgt durch makroskopische Teilchenbewegung in flüssigen und gasförmigen Medien, wobei die Intensität des Wärmetransportes von der Art der Strömung bestimmt wird. Man unterscheidet zwischen erzwungener und freier Konvektion je nachdem, ob die Strömung durch äußere Kräfte (Pumpen oder Rühren) bewirkt wird oder sich infolge innerer Kräfte (Auftriebswirkung) ausbildet. Weiterhin ergeben sich erhebliche Unterschiede in den Bereichen der laminaren und der turbulenten Strömung. Wärmestrahlung: Der Transportmechanisrnus der thermischen Energie bei der Wärmestrahlung erfolgt in Form elektromagnetischer Wellen, die sich auch ohne Trägermedien im Raum ausbreiten. Nicht nur feste, sondern auch gasförmige Körper und die meisten Flüssigkeiten können thermische Energie emittieren und umgekehrt diese Strahlung durch Absorption aufnehmen. Der Wärmetransport durch Strahlung ist also durch zwei Energieumwandlungen gekennzeichnet. Der Strahlungsanteil wird um so bedeutender, je höher die Oberflächentemperatur des Strahlers ist.

In der Praxis kann die emittierte Wärmestrahlung der Flüssigkeiten im allgemeinen vernachlässigt werden, da die erreichbaren Temperaturdifferenzen relativ gering sind; dagegen ist die Emission heißer Gase neben der energiereicher Feststoffe durchaus wesentlich und technisch bedeutsam. Wichtig für den Ingenieur ist die Tatsache, daß ein Energietransport durch Strahlung auch im Vakuum erfolgt. Für technische Berechnungen des Wärmetransportes ist der Wärmeübergang (konvektiver Wärmetransport) von einem fluiden Medium an eine feste Wand bzw. von einem Gas an eine Flüssigkeitsoberfläche und umgekehrt von besonderem Interesse. Bei der Berechnung von "Wärmeübertragern, bei denen zwei durch eine Wand getrennte fluide Medien mit unterschiedlichen Temperaturen aneinander vorbeiströmen, sind demnach zwei Wärmeübergänge und ein Wärmeleitvorgang zu erfassen. Diese häufig in der Praxis vorkommende Art der Wärmeübertragung wird als Wärmedurchgang bezeichnet.

Wärmeleitung

Der Wärmetransport erfolgt in Feststoffen ausschließlich durch Wärmeleitung. In Flüssigkeiten und Gasen tritt ebenfalls die Wärmeleitung auf, sie ist jedoch nur dort von technischer Bedeutung, wo sich der Stoff vollkommen in Ruhe befindet, so erhöht beispielsweise die eingeschlossene Luft in den Hohlräumen poröser Baustoffe die Wärmedämmung. Im anderen Fall wird die Wärmeleitung in Fluiden durch die Konvektion überlagert. Es wird grundsätzlich unterschieden zwischen stationären Wärmeleitvorgängen mit zeitlich konstantem Temperaturfeld und nichtstationären Wärmeleitvorgängen mit zeitlich veränderlichem Temperaturfeld (Als Temperaturfeld wird die Gesamtheit der Temperaturwerte und ihre räumliche Verteilung im betrachteten Körper bezeichnet). Stationäre Wärmeleitung liegt also dann vor, wenn die Triebkraft des Wärmetransportes - das Temperaturgefälle - zeitlich und örtlich unverändert bleibt. Instationäre Wärmeleitvorgänge ergeben sich demnach beim Aufheizen und Abkühlen von Feststoffen sowie bei periodisch auftretenden Temperaturänderungen.

Stationäre Wärmeleitung

Um den durch das zeitlich konstante Temperaturfeld ausgelösten Wärmestrom quantitativ zu erfassen, wird das bereits im Jahre 1822 von Fourier auf Grund von Versuchen formulierte Grundgesetz der Wärmeleitung eingeführt. Das Fownersche Gesetz sagt aus, daß der Wärmestrom Q proportional der in Richtung des stärksten Temperaturabfalles liegenden Fläche A, dem Temperaturgradienten dT/dx und dem Stoffwert A ist. Der in der Gleichung enthaltene Proportionalitätsfaktor A wird als Wärmeleitfähigkeitskoeffizient bezeichnet. Er stellt eine charakteristische physikalische Stoffgröße dar. Die Wärmeleitfähigkeit der Stoffe ist temperaturabhängig, und bei den Gasen liegt zusätzlich noch eine Druckabhängigkeit vor. Metalle haben große Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, während die kleinsten Werte bei den Gasen auftreten. Bei festen Körpern spielt für die Größe der Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten die Porosität und der Feuchtigkeitsgehalt eine entscheidende Rolle.

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