Wärmeübertragung bei Ölschmierung

Hallo Zusammen,

bin neu hier und hoffe das richtige Forum erwischt zu haben. Habe folgendes Problem:

Im Rahmen einer Studienarbeit (Maschinenbau) untersuche ich die Wärmeübertragung in Wälzlagerprüfständen. Die Lager werden von einer externen Pumpe mit Öl versorgt, ca. 0,1 l/min. Die Lager sind nicht voll im Öl schwimmend oder Ähnliches, nur ein recht dünner Film liegt auf ihnen. Meine Frage: Welche Arten der Wärmeleitungen dominieren hier (habe leider noch kein „Gefühl“ dafür, tippe mal auf Konvektion) und wie ließe sich ein Übergangswert bei bekannten Stoff- und Umgebungsdaten errechnen? Rein analytisch bitte, das Berechnungsmodell soll später experimentell verifiziert werden.

Vielen Dank schonmal.

Hallo Kuckelkorn,

Gehe ich von einem normalen Kugellager auf einer Welle aus, dann entsteht Wärme durch Reibung der Kugeln an der Lagerschale. Das ist wichtig zu definieren, da zunächst klar sein muss, wo die Wärmequelle ist. Was ist nun die Aufgabenstellung ? soll ermittelt werden, wie warm das Öl wird, das durch das Lager gepumpt wird ? Oder wird das Lager einer bestimmten Belastung unterzogen und es ist die Frage, ob die Lagerschale die Wärme nach außen abführen kann, bzw. wie warm das Lager maximal werden kann ? Je nach Aufgabenstellung könnte das Modell anders aussehen.

Ich denke, im Wesentlichen hast du es mit Wärmeleitung in den Kugeln und in der Lagerschale zu tun. Dazu kommt noch der konvektive Wärmeübergang an den Ölfilm. Möglicherweise reicht es als Abschätzung davon auszugehen, dass die Kugeln und die Lagerschale eine gewisse Oberfläche (A_wü) haben (Der Teil der Oberfläche im Lager der Wärme an das Öl abgibt)und ein mittlerer Wärmeübergangskoeffizient (alfa) herrscht. Hier setzte ich auch stationären Betriev voraus (konstante Drehzahl, Betriebszeit so lange, dass alle Metallteile durchgewärmt sind). Dann berechnet sich der rein konvektive Wärmestrom (Q_pkt) der vom Lager an das Öl übergeht zu :

Q_pkt= alfa*A_wü*(T_oben-T_unten)

Nicht nur alfa ist schwierig abzuschätzen, auch T_oben und T_unten sind im Lager vom Ort und unter Umständen von der Zeit abhängig. T_oben ist die Temperatur, die die Kugeln und die Schale durch die Reibung annehmen und T_unten ist die mittlere Temperatur des Ölfilms. T_unten ist dort am niedrigsten, wo frisches Öl ins Lager eintritt und dort am höchsten, wo es erwärmt wieder austritt.
In der Wärmeübertrager-Literatur wirst du wahrscheinlich eine logarithmische Temperaturdifferenz finden. Das ist allerdings Definitionssache. alfa und die Temperaturdifferenz müssen jedenfalls zusammenpassen.

Um eine Aussage über alfa machen zu können, kannst du die Reynoldszahl deiner Ölströmung abschätzen. Da sich die Kugeln im Lager meist schnell drehen und der Volumenstrom von 0,1l/min gering ist, ist es wahrscheinlich nötig, dass du von einer Art Couette Strömung ausgehst. Also eine Strömung, die nicht durch die Ölpumpe verursacht wird, sondern durch die Scherkräfte, die von der Kugel oder Lagerschale auf den Ölfilm ausgeübt werden. Hast du auf diese Weise eine mittlere Geschwindigkeit (wm) deines Ölfilms ermittelt, kannst du eine Reynoldszahl ausrechnen
Re=wm*dh/nü

dh=4*benetzte Oberfläche/durschströmtes Volumen
nü = kinematische Viskosität des Öls

Du kannst dann in erster Näherung mit der einfachen Rohrströmung vergleichen, um zu entscheiden, ob das Öl eher laminar oder turbulent über deine Kugeln strömt (Re>2300 nicht mehr laminar Re>10^5 vollturbulent)

Entsprechend kannst du dir aus Lehrbüchern zur Wärmeübertragung oder dem VDI Wärmeatlas eine Größenordnung für das alfa heraussuchen.

Hoffe dich genug verwirrt zu haben :wink:

Im Grunde wirst du nicht umhin kommen dir Gedanken über die Strömung des Öls und den vorhhersschenden Wärmeübertragungsmechanismen machen zu müssen.

Wahrscheinlich ist die Wärmeableitung an die Umgebung (Luft oder auch andere Metallteile, die das Lager tragen) auch nicht unerheblich.

Gruß
Thorsten

Hey das ging ja schnell. Vielen Dank :smile:
Es handelt sich um Axial-Zylinderrollenlager, die per Umlaufschmierung geschmiert werden. Mein Problem ist im Prinzip, dass bei paarweisem Einbau der Lager Lager 1 wärmer wird als Lager 2, warum das so ist soll ich untersuchen. Habe leider nicht die Erfahrung einzuschätzen, wie viel % an der Wärmeabfuhr die einzelnen Übertragungsmechanismen ausmachen (Konvektion, Wärmeleitung etc.). Wie komm ich denn dann von der Reynoldszahl (dein „dh“ ist denk ich mal der hydraulische Durchmesser?) auf das Alpha? Über die Nusselt-Zahl? Was nimmt man denn dann als Länge in der Nu-Gleichung? Die mittlere Geschwindigkeit in der Couette-Strömung über Winkelgeschwindigkeit und mittleren Radius der Wälzbahn? Will praktisch rausfinden wie ich aus meiner Lagerverlustleistung/Verlustwärme auf die Wärmeabgabe an bestimmte Stellen komme. Lageraußenringtemperatur bekannt.

Vielen Vielen Dank,
Gruß Kuckelkorn

Hey das ging ja schnell. Vielen Dank :smile:
Es handelt sich um Axial-Zylinderrollenlager, die per
Umlaufschmierung geschmiert werden. Mein Problem ist im
Prinzip, dass bei paarweisem Einbau der Lager Lager 1 wärmer
wird als Lager 2, warum das so ist soll ich untersuchen.

Höhere Belastung im Lager 1 ??

Habe leider nicht die Erfahrung einzuschätzen, wie viel % an der
Wärmeabfuhr die einzelnen Übertragungsmechanismen ausmachen
(Konvektion, Wärmeleitung etc.). Wie komm ich denn dann von
der Reynoldszahl (dein „dh“ ist denk ich mal der hydraulische
Durchmesser?)

genau :wink:

auf das Alpha? Über die Nusselt-Zahl?

ja !

Was nimmt
man denn dann als Länge in der Nu-Gleichung? Die mittlere
Geschwindigkeit in der Couette-Strömung über
Winkelgeschwindigkeit und mittleren Radius der Wälzbahn?

Wie man die Couette Strömung berechnet, kann ich aus dem Kopf nicht sagen, aber es steht sicher in einigen Lehrbüchern. Es geht hier ja nur um eine Abschätzung. Genau genommen bilden diese Zylinderrollen auch eher sowas wie eine „Kuchenteig-Strömung“ :wink:
Ich stell mir das vor wie bei einem Nudelholz. Leider habe ich keine Ahnung wie man diese Strömung charakterisieren könnte.

Wenn du die Re-Zahl hast, und dir eine Gleichung für die Nu Zahl aus einem Buch heraussuchst, steht dort auch, wie die charakteristische Länge definiert ist. Z.B. ist es im Rohr immer der Durchmesser und bei der überströmten ebenen Platte die Plattenlänge.

Will
praktisch rausfinden wie ich aus meiner
Lagerverlustleistung/Verlustwärme auf die Wärmeabgabe an
bestimmte Stellen komme. Lageraußenringtemperatur bekannt.

Vielen Vielen Dank,
Gruß Kuckelkorn

Guten Morgen Kückelkorn,
ich bin für diese Frage kein Experte.Sorry, vielleicht beim nächsten Mal vlg Rolf Schuh