Wärmeübertragung: Lernpaket

Formelsammlungen, die wichtigsten Lösungsschritte zu jedem Thema und 4 Übungsaufgaben, mit vollständigen Lösungen am Ende.

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1Formeln und Methoden

Wärmeleitung

Fouriersches Gesetz
Q̇ = kAΔT/L
Wärmeleitwiderstand
R = L/(kA)
Wärmeübergangswiderstand
R = 1/(hA)
Widerstände in Reihe
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U-Wert
U = 1/(ΣR·A)

Wärmeübertrager (LMTD)

Wärmeleistung
Q = U·A·ΔTlm
Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
Bilanz eines Stroms
Q = ṁcp(Tin − Tout)

2Übungsaufgaben

1.WärmeleitungMittel
Gipskarton, k = 0,17250 mmGlas, k = 0,96150 mm17 °C-11 °CTi​ = ?Q̇

Eine Wand besteht aus 250 mm Gipskarton und 150 mm Glas, mit einer Fläche von 12 m². Die Außenflächen haben 17 °C und -11 °C. Bestimme die Temperatur Ti an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten.

L1 = 250 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 17 °CT3 = -11 °C
Ti = °C
2.WärmeleitungSchwer
Expandiertes Polystyrol, k = 0,03550 mmGipskarton, k = 0,1750 mmRaum 22 °Caußen -4 °CTs​ = ?Q̇

Eine Wand aus 50 mm expandiertes Polystyrol und 50 mm Gipskarton trennt einen Raum mit 22 °C von der Außenluft mit -4 °C. Die Wärmeübergangskoeffizienten sind innen 6 W/(m²·K) und außen 20 W/(m²·K), und die Wandfläche beträgt 6 m². Bestimme die Temperatur Ts der Innenoberfläche der Wand.

L1 = 50 mm, k1 = 0,035 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²hi = 6 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -4 °C
Ts = °C
3.Wärmeübertrager (LMTD)Mittel
LängeT115 °C95 °C20 °C75 °CΔT₁ΔT₂Gleichstrom

Ein Gleichstrom-Wärmeübertrager überträgt 80 kW. Seine Wärmeübertragungsfläche beträgt 25 m². Das heiße Fluid kühlt von 115 auf 95 °C ab, das kalte Fluid erwärmt sich von 20 auf 75 °C. Bestimme den Wärmedurchgangskoeffizienten U.

Q̇ = 80 kWA = 25 m²Th: 115 → 95 °CTc: 20 → 75 °C
U = W/(m²·K)
4.Wärmeübertrager (LMTD)Schwer
LängeT140 °C??20 °CΔT₁ΔT₂Gegenstrom

In einem Gegenstrom-Wärmeübertrager haben beide Ströme denselben Wärmekapazitätsstrom, ṁ·cp = 1 kW/K. Der heiße Strom tritt mit 140 °C ein, der kalte mit 20 °C. Der Wärmeübertrager hat A = 3 m² und U = 300 W/(m²·K). Bestimme die Austrittstemperatur Th,out des heißen Stroms.

Ch = Cc = 1 kW/KTh,in = 140 °CTc,in = 20 °CA = 3 m²U = 300 W/(m²·K)
Th,out = °C

3Lösungen

1.Wärmeleitung

Antwort: Ti = −8,311 °C

Wärmewiderstand: Stationärer Wärmestrom durch hintereinanderliegende Schichten verhält sich wie Strom durch Widerstände in Reihe: Q̇ = ΔT/ΣR, mit R = L/(kA) für eine leitende Schicht und R = 1/(hA) für eine Oberfläche mit Konvektion. Der Temperaturabfall über jede Schicht ist proportional zu ihrem Widerstand.

Schichtwiderstände

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0,17·12) = 0,1225 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0,96·12) = 0,01302 K/W

Wärmestrom

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 28/0,1356 = 206,5 W

Temperatur an der Grenzfläche

Über die erste Schicht fällt die Temperatur um Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 17 − 206,5·0,1225 = −8,311 °C

Antwort

Ti = −8,311 °C
2.Wärmeleitung

Antwort: Ts = 19,77 °C

Wärmewiderstand: Stationärer Wärmestrom durch hintereinanderliegende Schichten verhält sich wie Strom durch Widerstände in Reihe: Q̇ = ΔT/ΣR, mit R = L/(kA) für eine leitende Schicht und R = 1/(hA) für eine Oberfläche mit Konvektion. Der Temperaturabfall über jede Schicht ist proportional zu ihrem Widerstand.

Widerstände in Reihe

Ri = 1/(hiA) = 1/(6·6) = 0,02778 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(0,035·6) = 0,2381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W
ΣR = 0,3232 K/W

Wärmeverlust

Q̇ = (22 − (-4))/0,3232 = 80,44 W
Ts = Troom − Q̇·Ri = 22 − 80,44·0,02778 = 19,77 °C

Antwort

Ts = 19,77 °C
3.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: U = 66,48 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Temperaturdifferenzen an den Enden

Im Gleichstrom liegen beide Eintritte am selben Ende und beide Austritte am anderen.

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 115 − 20 = 95 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 95 − 75 = 20 K

Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 20)/ln(95/20) = 48,13 K

Wärmedurchgangskoeffizient

U = Q̇/(A·ΔTlm) = 80000/(25·48,13) = 66,48 W/(m²·K)

Antwort

U = 66,48 W/(m²·K)
4.Wärmeübertrager (LMTD)

Antwort: Th,out = 83,16 °C

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Konstante Temperaturdifferenz

Der kalte Austritt liegt dem heißen Eintritt gegenüber: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), also ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂.

ΔTlm = Th,out − Tc,in

Energiebilanz gleich Wärmeübertragungsgleichung

1·(140 − Th,out) = 0,9·(Th,out − 20)
Th,out = (1·140 + 0,9·20)/(1 + 0,9) = 83,16 °C

Antwort

Th,out = 83,16 °C

Übertragene Wärme: Q̇ = 56,84 kW; der kalte Strom tritt mit 76,84 °C aus.

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