Angenommen man hat z.B. ein Prozessbedingt 300°C warmes Werkzeug mit der Oberfläche von 0,5 m² in einer Umgebungstemperatur von 30°C. Dieses braucht z.B. um auf Betriebtemperatur zu bleiben 5KWh.
Könnte man, wenn man das Werkzeug außen isoliert und die Oberfächentemperatur dadurch z.B. um 30°C verringert, Energie einsparen, bzw. was der Inhalt dieser Frage sein soll, dieses errechnen?
Berücksichtigen sollte man nur die Strahlungswärme.
Moin,
Angenommen man hat z.B. ein Prozessbedingt 300°C warmes
Werkzeug mit der Oberfläche von 0,5 m² in einer
Umgebungstemperatur von 30°C. Dieses braucht z.B. um auf
Betriebtemperatur zu bleiben 5KWh.
Die abgegebene Strahlungsleistung eines (schwarzen) Körpers ist gegeben durch P = A σ[T4(Werkzeug) - T4(Umgebung)]
mit der Fläche A, der Boltzmankonstanten σ und der absoluten Temperatur T (in Kelvin).
Mit Deinen Werten komme ich bei einer Umgebungstemperatur von 30°C auf eine Strahlungsleistung von ca. 2750W und bei einer um 30°C verringerten Oberflächentemperatur Deines Werkzeugs auf 2200W.
Könnte man, wenn man das Werkzeug außen isoliert und die
Oberfächentemperatur dadurch z.B. um 30°C verringert, Energie
einsparen, bzw. was der Inhalt dieser Frage sein soll, dieses
errechnen?
Ja, Du würdest mehr als 500W sparen.
Obige Rechnung berücksichtigt - wie gewünscht - nicht die Konvektion. Auch wenn insgesamt die Verlustleistung durch Konvektion in der gleichen Größenordnung liegt (s.u.), so liegt der Gewinn an eingesparter Leistung dort für eine um 30°C verringerte Oberflächentemperatur weniger drastisch aus (~ΔT) gegenüber ~Δ(T4) bei der Strahlungsleistung.
Berücksichtigen sollte man nur die Strahlungswärme.
Dieses wird der größte Fehler in der Abschätzung sein. Da Deine 5kW Heizleistung irgendwo auch hingehen müssen, aber nur etwa 2,8kW in Form von Strahlung abgegeben werden, gehen die restlichen 2,2kW in Form von warmer Luft weg (Konvektion).
Gruß,
Ingo
Danke Ingo,
aber ein Teil der hineingesteckten Energie (Wärme) wird seitlich an der Befestigung des Werkzeuges durch Wärmeleitung an die Maschinenonstruktion abgegeben. Und ich denke das die Luftströmung im Bereich des Werkzeuges Bauartbedingt keine oder nur geringe Konvektion zulässt. Oder ist in jedem Fall ein ziemlich gleicher Teil von Strahlungswärme zu Strömungswärme und Wärmeleitung anzunehmen? Bei gleicher Oberfläche zur Luft und zur anliegenden Maschinenkonstruktion.
Etwas von der Gesamtenergie nehmen die gepressten Teile auch mit.
Salut,
aber ein Teil der hineingesteckten Energie (Wärme) wird
seitlich an der Befestigung des Werkzeuges durch Wärmeleitung
an die Maschinenonstruktion abgegeben.
Das wird sicher so sein und die Größe des Effekts häng sicher von der Größe der Anbindung und der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der verwendeten Materialien ab. Am Wert für die Wärmestrahlung ändert das glücklicherweise nichts.
Und ich denke das die
Luftströmung im Bereich des Werkzeuges Bauartbedingt keine
oder nur geringe Konvektion zulässt.
Sollte man nie unterschätzen. Je nach Temperaturgradient kann das die effizienteste Art des Energietransports sein.
Oder ist in jedem Fall
ein ziemlich gleicher Teil von Strahlungswärme zu
Strömungswärme und Wärmeleitung anzunehmen? Bei gleicher
Oberfläche zur Luft und zur anliegenden Maschinenkonstruktion.
Wie meinen? Eine allgemeine Aussage ist bei so allgemeinen Angaben nicht möglich.
Etwas von der Gesamtenergie nehmen die gepressten Teile auch
mit.
Das fällt dann auch größtenteils unter Wärmeleitung. In der Annahme, dass es sich um eine Metallpresse handelt, könnte das recht effizient sein.
Gruß,
Ingo
Hallo,
du solltest gleich mit möglichst genauen Angaben zur Konstruktion
und zum Prozess herkommen. Andernfalls kann die Abschätzung der
Wärmemengen nicht sehr genau sein.
Angenommen man hat z.B. ein Prozessbedingt 300°C warmes
Werkzeug mit der Oberfläche von 0,5 m² in einer
Umgebungstemperatur von 30°C. Dieses braucht z.B. um auf
Betriebtemperatur zu bleiben 5KWh.
Gemeint sind wohl 5kW, oder?
Ist das die Nennleistung der Heizung, oder tatsächlich die
mittlere aufgenommene Leistung.
Falls es nur die Nennleistung ist und eine Temperaturregelung
die Heizung nach Bedarf ein/ausschaltet, wäre die Angabe als
mittlere Leistungsaufnahme wohl eher falsch.
Die abgegebene Strahlungsleistung eines (schwarzen) Körpers
ist gegeben durch P = A
σ[T4(Werkzeug) -
T4(Umgebung) ]
mit der Fläche A, der Boltzmankonstanten σ und der
absoluten Temperatur T (in Kelvin).
Nachzulesen auch hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz
Wobei man von einem idealen schwarzen Strahler ausgeht.
Real kann man noch ca. 10%-20% abziehen kann, weil normale
Oberflächen, die nicht metallisch glänzend sind, sich zu
ca. 80-90% wie „Schwarze Strahler“ verhalten.
http://de.wikipedia.org/wiki/Emissionsgrad
http://de.wikipedia.org/wiki/Emissionsgrad#Tabellen
Falls das Werkzeug doch rel. glänzend sein sollte und im Normalfall
wenig verschmutzt, kann der Wert auch noch um einiges niedriger
liegen, was in der Praxis einer Schmiede oder ähnlich aber
sicher nicht real ist, oder?
Mit Deinen Werten komme ich bei einer Umgebungstemperatur von
30°C auf eine Strahlungsleistung von ca. 2750W und bei einer
um 30°C verringerten Oberflächentemperatur Deines Werkzeugs
auf 2200W.
Unter Berücksichtung der Emissionskoeff. etwas weniger, aber
in der Größenordnung 1700W…2000W kann es schon liegen.
Könnte man, wenn man das Werkzeug außen isoliert und die
Oberfächentemperatur dadurch z.B. um 30°C verringert, Energie
einsparen, bzw. was der Inhalt dieser Frage sein soll, dieses
errechnen?Ja, Du würdest mehr als 500W sparen.
Obige Rechnung berücksichtigt - wie gewünscht - nicht die
Konvektion. Auch wenn insgesamt die Verlustleistung durch
Konvektion in der gleichen Größenordnung liegt (s.u.), so
liegt der Gewinn an eingesparter Leistung dort für eine um
30°C verringerte Oberflächentemperatur weniger drastisch aus
(~ΔT) gegenüber ~Δ(T4) bei
der Strahlungsleistung.Berücksichtigen sollte man nur die Strahlungswärme.
Dieses wird der größte Fehler in der Abschätzung sein. Da
Deine 5kW Heizleistung irgendwo auch hingehen müssen, aber nur
etwa 2,8kW in Form von Strahlung abgegeben werden, gehen die
restlichen 2,2kW in Form von warmer Luft weg (Konvektion).aber ein Teil der hineingesteckten Energie (Wärme) wird
seitlich an der Befestigung des Werkzeuges durch Wärmeleitung
an die Maschinenonstruktion abgegeben.
Das ist womöglich eine relevante Vergrößerung der wirksamen Fläche
für Konvektion und natürlich auch etwas für Strahlungswärme.
Da aber in solchen Teilen normal ein rel. hoher Temp.-gradient
vorherrscht und die Strahlung mit der 4 Potenz zur Temp. zunimmt,
bzw. auch abnimmt, wird der Anteil an Strahlungswärme an diesen
Teilen eher weniger ins Gewicht fallen.
Da du keinerlei Aussagen zur Konstruktion machst, kann man nicht
abschätzen, wie viel da verloren geht. Bei rel. massiven Teilen
kann der Wärmefluss aber erheblich sein.
Für die ca. 0,5m² Oberfläche selbst würde ich etwa 1kW für
Konvektion annehmen. Bleiben ca. 2kW, die bisher noch nicht
sauber zu zuordnen sind.
Und ich denke das die
Luftströmung im Bereich des Werkzeuges Bauartbedingt keine
oder nur geringe Konvektion zulässt. Oder ist in jedem Fall
ein ziemlich gleicher Teil von Strahlungswärme zu
Strömungswärme und Wärmeleitung anzunehmen?
Natürlich nicht. Das hat Ingo ja schon beschrieben.
Die Strahlungswärme nimmt mit der 4 Potenz zur Temp. zu!
Die Konvektion nimmt eher linear zu (bei konstanter Strömung).
Allerdings ist die Konvektion auch stark abhängig von der
Strömunggeschwindigkeit der umgebenden Luft. Die Strömungsgeschw.
wird aber auch durch den Temperaturgradienten, sowie durch die
Konstruktion und andere Umgebungseinflüsse bestimmt.
In Realität ist bei der Konvektion also eine leicht progrssive
Zunahme zu erwarten.
Bei gleicher
Oberfläche zur Luft und zur anliegenden Maschinenkonstruktion.
Etwas von der Gesamtenergie nehmen die gepressten Teile auch mit.
Etwas? Bist du sicher, dass dieser Effekt nur klein ist?
Lässt sich am einfachsten berechnen, wenn man das Material, die
Masse, die Anzahl der Teile pro Zeiteinheit und die Temp.
beim Verlassen der Presse weiß.
Gruß Uwi
Hallo
Nächste Woche werde ich erst einmal eine Messung der gesamten Sromaufnahme machen. Die Heizung alleine geht schlecht, bzw. will ich ja am Ende wissen ob man was bzw wieviel genau spart. Werde dann auch genaue Maße des Werkzeuges und der Auflageflächen usw. posten.
Bis dahin weiter viel Spaß und danke für die bisherigen Antworten.