Wärmeübergangskoeffizient Luftgeschwindigkeit

Wissenschaft Physik
#1

Hallo zusammen,

weiß jemand, ob es unabhängig von der Form des überströmten Bauteils für alle möglichen Fälle einen generellen Zusammenhang zwischen Wärmeübergangskoeffizient und Luftgeschwindigkeit gibt? Bei den Näherungsformeln, die ich gefunden habe verläuft der Wärmeübergangskoeffizient immer zwischen x*a^0,6 und x*a^0,8, wobei x einen Faktor für die Bauteilform darstellt. Anschaulich betrachtet geht es um einen Gegenstromkühler, durch den unterschiedliche Bauteile gefördert werden. Mich würde jetzt der Einfluss der Luftgeschwindigkeit im Allgemeinen interessieren.
Vlt. gibt es sogar geeignete Diagramme?

Besten Dank und viele Grüße

Hans Dampf

#2

Hallo,

weiß jemand, ob es unabhängig von der Form des überströmten
Bauteils für alle möglichen Fälle einen generellen
Zusammenhang zwischen Wärmeübergangskoeffizient und
Luftgeschwindigkeit gibt?

Naja, die Form hat ja wesentlichen Einfluss auf die
reale Strömung nahe der Oberfläche, auch wenn diese
in gewissem Abstand geichmäßig, homogen sein sollte.

Insofern ist die Form an sich sowieso egal, wen die
tasächliche Strömungsgeschw. nahe der Oberfläche
bekannt sein sollte.

Bei den Näherungsformeln, die ich
gefunden habe verläuft der Wärmeübergangskoeffizient immer
zwischen x*a^0,6 und x*a^0,8, wobei x einen Faktor für die
Bauteilform darstellt.

Das sind dann wohl Näherungen, die eben nur für bestimmte
Anordnungen gelten und die sich einstellende Konvektion
berücksichtigen, oder.

Anschaulich betrachtet geht es um einen Gegenstromkühler,
durch den unterschiedliche Bauteile gefördert werden.

??? Ein Kühler, durch den Bauteile gefördert werden?
Geht es also um das Abkühlen der Teile oder was willst
du konkret.

Mich würde jetzt der Einfluss der
Luftgeschwindigkeit im Allgemeinen interessieren.

Ich habe da ein Faustformel für den Wärmeübergang
durch Konvektion an festen Oberfläche zu Luft:

P = (5,6 + 4v) in W/(m² x K) mit v in m/s bis ca. 6m/s

Da siehst du, dass die Strömungsgeschw. einen ganz
wesentlichen Einfluß hat, was ja soweiso der
praktischen Erfahrung enspricht.

Problem dabei ist aber eben auch, dass die effektive
wirksame Fläche nicht mit der Bauteiloberfläche
gleichzusetzen ist (z.B. Sacklöcher oder Rippen quer
zur Strömung) und sich bei umströmten Bauteilen
auch noch eine unterschiedliche Luftgeschw. an den
Oberflächen durch thermodyn. Effekte ergibt.
Gruß Uwi

#3

Hallo Uwi,

vielen Dank!

Ja, die Näherungsformeln gelten für bestimmte Anordnungen.

Und ja, es geht um die Abkühlung der Teile.

Wenn ich jetzt die Energiebilanz des Kühlers nach dem 1. HS aufstelle, habe ich folgendes Problem: Ich kann zwar die Luftgeschwindigkeit im Kühler erhöhen, aber die Ausgangstemperatur der Luft wird sinken, weil der Wärmeübergang nicht linear mit der Geschwindigkeit ansteigt. Die Strömungsverhältnisse im Kühler sind zu komplex um sie genauer untersuchen zu können. Deshalb würde ich gerne wissen, in welchen Grenzen der Wärmeübergangskoeffizient und damit der Wärmestrom ansteigt, wenn ich die Luftgeschwindigkeit erhöhe - also praktisch kalkulieren in welchen Grenzen sich der Luftdurchsatz bewegen muss. Unabhängig davon welches Bauteile sich gerade im Kühler befindet (also wie schon beschrieben a steigt mit w^0,6 bis w^0,8 (w: Strömungsgeschwindigkeit)). Mir ist klar, dass die Erhöhung der Luftgeschwindigkeit zu Wirbeln führen kann, die lokal die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen oder senken.
Vlt. hast Du ja auch eine bessere Idee, wie ich mit dem Problem umgehen könnte?

Besten Dank und viele Grüße

Hans Dampf

#4

Hallo,

Wenn ich jetzt die Energiebilanz des Kühlers nach dem 1. HS
aufstelle, habe ich folgendes Problem: Ich kann zwar die
Luftgeschwindigkeit im Kühler erhöhen, aber die
Ausgangstemperatur der Luft wird sinken, weil der
Wärmeübergang nicht linear mit der Geschwindigkeit ansteigt.

Naja, im Prinzip hat man bei Konvektion schon annähernd
lineare Zusammenhänge (sieht man ja auch in der Faustformel)
Dass erhöhte Luftmenge auch die Temp. am Ausgang etwas
sinken läßt, scheint mir sehr normal,
weil sich ja ein Gleichgewichtszustand einstellt

Allerdings steht die Frage, was sonst noch an Einflüssen
da ist.

  • Bei Heißen Teilen Strahlungsausgleich mit den Wänden
    und allen Oberflächen im Kühler.
    Vor allem bei heißen Teilen ist das nicht vernachlässigbar
    denn der Luftstrom kühlt ja auch die Wände. Dadurch ergeben
    sich auch temperaturabhängigen Nichtlinearitäten.
    Den Strahlungsanteil kann man in einem Modell also
    nicht vernachlässigen, wenn man heiße Fläche hat.
    Je Höher die Temp. desto stärker der Einfluß.
    Dann spielt es auch eine Rölle, wie der Wärmeübergang
    von den inneren Wänden nach außen ist (auch wieder
    Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung).

  • Die Teile stehen ja auch auf einer Unterlage, oder?
    Da spielt evtl. auch die Wärmeleitung eine Rolle.
    Die Unterlage erhöht dann ja faktisch die effektive
    Oberfläche, die vom Luftstrom mit gekühlt wird.

Strömungsgeschwindigkeit)). Mir ist klar, dass die Erhöhung
der Luftgeschwindigkeit zu Wirbeln führen kann, die lokal die
Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen oder senken.

Laminare Strömungen sind bei solchen Betrachtungen eh so
gut wie nie zu erwarten.

Vlt. hast Du ja auch eine bessere Idee, wie ich mit dem
Problem umgehen könnte?

Dazu weiß ich viel zu wenig über die Randbedingungen.
Zuletzt spielt auch die Verweilzeit im Kühler, die
Wärmekapazität der Teile und eine Reihe weiterer Aspekte
eine Rolle bei der Abschätzung der Temp. der Teile am
Ende des Kühlvorganges.
Gruß Uwi

#5

Hallo Uwi,

besten Dank für deine Hinweise!

Vlt. kannst Du mir auch bei folgendem Problem weiterhelfen: Den Wärmeübergangskoeffizient kann man ja z.B. über das Modell von Prandtl bestimmen, das von einer Temperatur- und einer Strömungsgrenzschicht ausgeht. Innerhalb der Strömungsgrenzschicht herrscht laminare Strömung und das Fluid strömt somit in Schichten. Der Wärmeaustausch zwischen den Schichten findet nur über Wärmeleitung statt. Das Dickenverhältnis der Schichten wird allein durch die Prandtlzahl beschrieben. Wenn jetzt die Prandtzahl > 1 ist, dann ist die Temperaturgrenzschicht größer als die Strömungsgrenzschicht. Wenn man bei so einem Fluid die Strömung von laminar auf turbulent wechselt, dann müsste doch der Wärmeübergangskoeffizient sprunghaft ansteigen, da nun der Wärmeübergang außerhalb der Strömungsgrenzschicht durch das Vermischen des Fluides stattfindet? Hingegen dürfte die Änderung von laminarer auf turbulenter Strömung bei einem Fluid mit Pr Seite 21).
Kannst Du mir sagen, was an meinen Annahmen falsch ist?

Besten Dank und viele Grüße

Hans Dampf

#6

Hallo,

laminaren Strömungsfeld befindet? Dies trifft so jedoch nicht
zu (Seite 21). Kannst Du mir sagen, was an meinen Annah…

Nein, so richtig weiß ich nicht, was du willst und ich
bin auch kein Strömungstechniker, obwohl ich mit solchen
Sachen berufsbedingt seit 20 Jahren immer wieder zu tu habe.

Hat das alles noch irgend was mit deiner ursprünglichen
Fragestellung zu tun?
Mir scheint, das die Realität in dem Fall so komplex ist,
dass man mit einfachen Modellen da eh nicht weit kommt.

Laminaren Strömungen kann man in Praxis wohl auch eher
nur als die Ausnahme finden.

Eine Seite 21 gibt es übrigens auch nicht.
Das verlinkte Kapitel geht bei S. 28 los.
Gruß Uwi

#7

Hallo,

… Seite 21 im Acrobat Reader, Seite 48 im Dokument. Bild 3-12.

Viele Grüße

Hans Dampf