Wärmeübertragung im Maschinenbau, Teil I, Leitung

Letzte Woche haben wir unsere Reihe zur Strömungsmechanik mit einem Blick auf die Strömungsmechanik abgeschlossen, bei der sich Flüssigkeiten bewegen. Diese Woche werden wir über die Wärmeübertragung sprechen, bei der untersucht wird, wie sich Wärme durch Hohlräume, Gase, Flüssigkeiten und feste Gegenstände bewegt.

Das Verständnis der Wärmeübertragung ist wichtig bei der Konstruktion von Dämmstoffen, da diese für die Energieeinsparung verantwortlich sind, indem sie die in Dingen wie Rohren, Kesseln und Dampfturbinen enthaltene Wärme halten. Umgekehrt können die Konzepte der Wärmeübertragung auch verwendet werden, um zu bestimmen, wie überschüssige Wärme wie bei Automotoren und elektrischen Geräten abgeführt werden soll, um eine Überhitzung zu verhindern.

Grundsätzlich findet die Wärmeübertragung statt, weil die Wärme immer von einem Ort mit höherer Temperatur zu einem Ort mit niedrigerer Temperatur wandern möchte. Die Wärme fließt weiter in diese Richtung, bis die Temperaturen das Gleichgewicht erreicht haben. Dies gilt unabhängig davon, ob wir die Bewegung von Wärme durch Gase, Flüssigkeiten oder Feststoffe in Betracht ziehen. Wenn Sie beispielsweise den Kühlschrank aus der Steckdose ziehen, fließt die Wärme aus der Luft in Ihrer Küche durch die Wände des Kühlschranks, wo sie von kalten Speisen und Eiswürfeln absorbiert wird. Schließlich hört die Wärme auf zu fließen, wenn die Temperatur der Dinge im Kühlschrank der Temperatur der Luft in der Küche entspricht.

Nun gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie Wärme übertragen werden kann. Dazu gehören Leitung, Konvektion und Strahlung. Die Wärmeübertragungsanalyse kann kompliziert sein, insbesondere wenn es sich um eine Kombination dieser Medien handelt. Konzentrieren wir uns zunächst auf das Fahren.

Wie der Name schon sagt, tritt eine leitende Wärmeübertragung auf, wenn Wärme durch ein Material geleitet wird. Betrachten wir das in Abbildung 1 gezeigte Problem der einfachen Wärmeleitung.

Abbildung 1 – Wärmefluss durch eine 3 Zentimeter dicke Kupferplatte

Abbildung 1 zeigt eine Kupferplatte mit 3 cm (cm). Eine Seite der Platte hat eine Temperatur von 400 Grad Celsius (° C), die andere Seite 100 ° C. In diesem Beispiel ist die Platte 30 cm hoch und 20 cm breit. Wie berechnet sich der Wärmefluss?

Denken Sie jetzt daran, dass Wärme immer von heiß nach kalt fließt, sodass wir wissen, dass sie von der 400 ° C-Seite zur 100 ° C-Seite der Platte fließt. Aber lassen Sie uns etwas näher darauf eingehen. Der leitende Wärmefluss hängt von diesem Temperaturunterschied und einigen anderen Faktoren ab, beispielsweise von der Fähigkeit des Materials selbst, Wärme zu leiten. Wie bei anderen gebräuchlichen Materialien und Verfahren haben Wissenschaftler Laborexperimente durchgeführt, um die Wärmeleitfähigkeit aller Arten von Materialien zu messen, und sie in Rohstoffen unter der Überschrift “Wärmeleitfähigkeit” aufgezeichnet Diese Information steht uns zur Verfügung, wenn wir nur nach den Referenzhandbüchern suchen. Zusätzlich zu diesem Wärmeleitfähigkeitsfaktor hängt der Wärmefluss aber auch von der Fläche des Materials ab, durch das er fließt, sowie von der Dicke des Materials. Nachdem dies gesagt ist, können wir den Wärmefluss in Abbildung 1 wie folgt berechnen:

Wärmefluss = (Wärmeleitfähigkeit von Kupfer) x

(Der Bereich, durch den die Wärme fließt) x

(Der Temperaturunterschied) / (Die Dicke der Platte)

Aus Referenzhandbüchern wissen wir, dass die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer 370 Watt / Meter ° C beträgt. Der zweite Teil der Gleichung fordert uns auf, die Fläche zu berechnen, durch die unsere Wärme fließen wird, und wir berechnen sie als 20 cm x 30 cm oder 600 cm.2. Damit die Einheiten mit denen der Wärmeleitfähigkeitskonstante übereinstimmen, müssen Fläche und Dicke von Zentimetern (cm) in Einheiten von Metern (m) umgerechnet werden. Daher 600 cm2 wird 0,06 m2, und 3 cm wird 0,03 m. Unsere vollständige Gleichung lautet also:

Wärmefluss = (370 W / m ° C) x (0,06 m)2) x (400 ° C – 100 ° C) / (0,03 m)

= 222.000 Watt

Dies bedeutet, dass 222.000 Watt Wärme von der 400 ° C-Seite zur 100 ° C-Seite fließen. Die „Watt“ gelten nicht nur für Glühbirnen, wie wir in diesem Beispiel sehen können. Hier repräsentiert die Anzahl der Watt die Menge an Wärmeenergie, die in einem bestimmten Zeitraum fließt. Dieser Wärmeenergiefluss stoppt, wenn die Temperatur auf jeder Seite der Kupferplatte gleich ist.

Damit sind die Dinge für unsere Diskussion über die leitende Wärmeübertragung abgeschlossen. Nächste Woche werden wir über Konvektionswärmeübertragung nachdenken, und wenn jemand das nächste Mal über seinen Konvektionsofen spricht, wird er wissen, wovon er spricht.

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