【Jeden Tag eine Frage】Grundlagen der Verfahrenstechnik 221: Konvektive Wärmeübertragung (2. November)

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch werden die Teilchen stark miteinander vermischt, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dadurch relativ gleichmäßig – es gibt fast keinen Temperaturgradienten； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Das ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der die Wärme durch direkten Kontakt oder Mischung der Stoffe übertragen wird

Erklären Sie den Mechanismus der konvektiven Wärmeübertragung. Antwort: Wenn eine heiße Flüssigkeit durch Rohre fließt, entstehen im turbulenten Strömungsbereich starke Bewegungen des Fluids – es bilden sich Wirbel. Dadurch wird die Mischung der Teilchen stark gefördert, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dadurch relativ gleichmäßig, es gibt fast keinen Temperaturgradienten； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Der Prozess der Übertragung von Wärmeenergie von einem Ort zu einem anderen in Flüssigkeiten oder Gasen

Konvektive Wärmeübertragung ist eine grundlegende Art der Wärmeübertragung. Der Prozess, bei dem Wärmeenergie in Flüssigkeiten oder Gasen von einem Ort an einen anderen übertragen wird. Hauptsächlich führt die Bewegung der Teilchen an ihren Positionen dazu, dass die Temperatur gleichmäßiger wird. Es ist der Prozess der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen – also die Übertragung von Wärmeenergie von einem Punkt in einer Flüssigkeit oder einem Gas zu einem anderen Punkt.

Erklären Sie den Mechanismus der konvektiven Wärmeübertragung. Antwort: Bei der konvektiven Wärmeübertragung findet die Wärmeübertragung durch die relative Bewegung von kalten und heißen Teilchen statt. Wenn heißer Fluid durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich zu heftigen Störungen des Fluids – es entstehen Wirbel, wodurch die Teilchen stark miteinander vermischt werden und so Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist relativ gleichmäßig – es gibt kaum Temperaturgradienten. Direkt an der Rohrwand befindet sich jedoch eine sehr dünne Schicht aus Fluid, in der die Strömung laminar verläuft. In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, also durch die Bewegung der Moleküle.

Im Allgemeinen sind es 3 Prozesse: Zunächst die konvektive Wärmeübertragung vom Fluid 1 auf die Wand des Wärmetauschers, anschließend der Wärmeleitprozess an der Wand des Wärmetauschers und schließlich die konvektive Wärmeübertragung von der Wand des Wärmetauschers zum Fluid 2

Erklären Sie den Mechanismus der konvektiven Wärmeübertragung. Wenn heiße Flüssigkeiten durch Rohre fließen, kommt es im turbulenten Bereich zu heftigen Bewegungen des Fluids. Dadurch entstehen Wirbel, die dazu führen, dass die Teilchen stark miteinander vermischt werden und so Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dabei relativ gleichmäßig – es gibt kaum Temperaturgradienten； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Antwort: Wenn eine heiße Flüssigkeit durch Rohrleitungen fließt, entstehen im turbulenten Strömungsbereich starke Bewegungen der Flüssigkeit – es bilden sich Wirbel. Dadurch wird die Flüssigkeit stark gemischt, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist somit relativ gleichmäßig; es gibt fast keinen Temperaturgradienten； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Konvektive Wärmeübertragung ist eine grundlegende Art der Wärmeübertragung. Der Prozess, bei dem Wärmeenergie in Flüssigkeiten oder Gasen von einem Ort an einen anderen übertragen wird. Hauptsächlich führt die Bewegung der Teilchen an ihren Positionen dazu, dass die Temperatur gleichmäßiger wird. Es ist der Prozess der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen – also die Übertragung von Wärmeenergie von einem Punkt in einer Flüssigkeit oder einem Gas zu einem anderen Punkt. Hauptsächlich führt die Bewegung der Teilchen an ihren Positionen dazu, dass die Temperatur gleichmäßiger wird. Es ist die Hauptweise der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen. Aber es geht oft auch mit Wärmeleitung einher. In der Regel gibt es aufgrund unterschiedlicher Entstehungsursachen zwei Arten: natürliche Konvektion und erzwungene Konvektion. Je nach Strömungszustand kann man weiterhin zwischen Schichtstromwärmeübertragung und Turbulenzwärmeübertragung unterscheiden. Der Mechanismus der Konvektionswärmeübertragung besteht darin, dass durch den Kontakt des Mediums in entgegengesetzten Richtungen oder über die Wand des Rohrs (Wärmetauscher) Wärme ausgetauscht wird. So kann die Wärmeübertragung verbessert werden. Wärmeaustauscher in der Produktion sind ein typisches Beispiel für konvektive Wärmeübertragung.

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch die Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich zu heftigen Bewegungen der Flüssigkeit – es entstehen Wirbel, wodurch die Teilchen stark miteinander vermischt werden und Wärme ausgetauscht wird. Dadurch wird die Temperatur relativ gleichmäßig, es gibt fast keinen Temperaturgradienten. In unmittelbarer Nähe der Rohrwand hingegen gibt es eine sehr dünne Schicht, in der die Flüssigkeit laminar strömt (die sogenannte laminare Schicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung. Auf mikroskopischer Ebene erfolgt die Wärmeübertragung durch Moleküle. Da der Wärmeleitfähigkeitswert des Fluids sehr gering ist, konzentriert sich der Widerstand gegen die Wärmeübertragung hauptsächlich in der Schicht unterhalb der laminaren Strömung. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturverteilung (axial, longitudinal). Außerdem gibt es Unterschiede in der Dichte, was zu Konvektion der Teilchen führt, wodurch das Mechanismus recht komplex ist.

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch werden die Teilchen stark miteinander vermischt, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dadurch relativ gleichmäßig – es gibt kaum noch Temperaturunterschiede； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Erklären Sie den Mechanismus der konvektiven Wärmeübertragung. Definition: Konvektion tritt nur in Flüssigkeiten auf. Dabei handelt es sich um die Übertragung von Wärme durch relative Bewegungen zwischen den verschiedenen Bereichen der Flüssigkeit, die durch die makroskopische Bewegung der Flüssigkeit entstehen. Beispiel: Die Konvektive Wärmeübertragung in Kurvenrohren. Da die verschiedenen Teile des Fluids miteinander in Berührung stehen, kommt neben der durch die Gesamtbewegung des Fluids verursachten Wärmekonvektion auch eine Wärmeleitung durch die Bewegung der mikroskopischen Teilchen des Fluids hinzu. In der Ingenieurwissenschaft ist der Wärmetransferprozess, bei dem eine Flüssigkeit über eine feste Oberfläche fließt, üblich und wird als Konvektionswärmeübertragung bezeichnet. Die konvektive Wärmeübertragung wird in der Regel durch das Newtonsche Kühlgesetz beschrieben. Wenn ein Fluid mit einer Temperatur von tf von einer heißen Wand mit Temperatur tw erwärmt wird, kann die Menge an Wärme pro Flächeneinheit als q = a(tw – tf) ausgedrückt werden. Wenn hingegen ein Fluid mit Temperatur tf von einer kalten Wand mit Temperatur tw abgekühlt wird, gilt q = a(tf – tw). Dabei ist q der Wärmestrom bei der konvektiven Wärmeübertragung, in Einheiten W/m² ； a ist der Proportionalitätsfaktor, auch als Konvektionswärmeübergangskoeffizient bezeichnet, in W/(m²·℃). Die Newtonsche Kühlungsformel besagt, dass die Geschwindigkeit der konvektiven Wärmeübertragung pro Flächenbereich proportional zur Temperaturdifferenz ist. Grundprinzip: In der Ingenieurwissenschaft bezeichnet die konvektive Wärmeübertragung den Wärmetransfer zwischen einem Fluid und einer festen Wandfläche. Dabei erfolgt die Wärmeübertragung durch die Bewegung der Fluidelemente. Daher hängt es eng mit dem Fließverhalten des Fluids zusammen. Die heiße Flüssigkeit überträgt die Wärme auf die feste Wandfläche, von dort aus gelangt sie weiter an die kalte Flüssigkeit. Aus der Strömungsmechanik ist bekannt, dass beim Fluss einer Flüssigkeit an der Wand eines Kugelkörpers in der Nähe der Wand immer eine dünne Schicht der Flüssigkeit in laminärer Weise entlang der Wand fließt – das ist die Schicht des laminaren Flusses. Wenn die Flüssigkeit in laminärem Fluss vorliegt, findet die Wärmeübertragung senkrecht zur Fließrichtung hauptsächlich durch Wärmeleitung statt. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient der meisten Flüssigkeiten gering ist, konzentriert sich der Wärmewiderstand hauptsächlich in der unteren Schicht der Strömung. Auch die Temperaturdifferenz liegt hauptsächlich in dieser Schicht. Im turbulenten Medium hingegen kann aufgrund der heftigen Mischung der Strömungsteilchen angenommen werden, dass es kein Wärmeübertragungsverhältnis gibt – mit anderen Worten: Im turbulenten Medium besteht im Grunde genommen kein Temperaturunterschied. Zwischen der Schichtströmungsschicht und dem turbulenten Hauptstrom gibt es eine Übergangszone. In dieser Zone wirken sowohl die Wärmeleitung als auch die Wärmekonvektion zusammen, wodurch sich die Temperatur in dieser Zone langsam verändert. Daher ist der Temperaturgradient in der Schicht mit laminarem Fluss groß, und die Hauptwärmebarriere für die Wärmetransmission liegt in dieser Schicht. Somit ist die Verringerung der Dicke δ dieser Schicht ein wichtiger Weg, um die konvektive Wärmetransmission zu verbessern. In der Wärmeübertragung wird diese Schicht auch als Wärmeübergangsschicht (Thermal Boundary Layer) bezeichnet. Aus der Analyse des Konvektionswärmeübergangs geht hervor, dass es viele Faktoren gibt, die den Wärmeübergang durch Konvektion beeinflussen. Um es einfacher zu machen, wird in der Praxis eine vereinfachte Methode verwendet: Dabei wird die gesamte Temperaturdifferenz des Fluids auf eine Schicht mit einer Dicke von δ konzentriert. Die Dicke dieser Schicht θ ist jedoch schwer zu bestimmen. Deshalb wird anstelle von λ/δ der Wert α verwendet, wodurch die Gleichung für die Geschwindigkeit des Konvektionswärmeübergangs wie folgt aussieht: Diese Gleichung wird als Gleichung für die Geschwindigkeit des Konvektionswärmeübergangs bezeichnet – sie ist auch als Newtonsches Kühlgesetz bekannt. In der Formel: Φ – Geschwindigkeit der konvektiven Wärmeübertragung. (Wärmeübergangskraft rw) A – Übertragungsfläche, m²; ΔT – Temperaturunterschied bei der konvektiven Wärmetransfer (°C/K); Tw – Temperatur der Wandfläche in Berührung mit der Flüssigkeit, °C; T – Durchschnittstemperatur der Flüssigkeit; α – Konvektiver Wärmetransfektfaktor; R – Wärmewiderstand beim konvektiven Wärmetransfer, °C/W. Es handelt sich dabei nicht um eine theoretische Herleitung, sondern um eine Schätzung. Das heißt, man geht davon aus, dass die Wärmemenge, die pro Flächeneinheit übertragen wird, proportional zur Temperaturdifferenz ΔT ist. – Alle komplexen Faktoren wurden in den Konvektionswärmeübergangskoeffizienten α übertragen. Einflussfaktoren: ① Ob es während des Wärmetransfers zu Phasenwechseln, Verdampfung oder Kondensation kommt. ②Zustand und Ursachen der Fluidströmung. ③Ursachen für den Flüssigkeitsfluss: erzwungene Konvektion, natürliche Konvektion. ④Physikalische Eigenschaften des Objekts: ρ, Cp, λ, μ, Volumenausdehnungskoeffizient usw. ⑤Form, Position und Größe der Wärmeübertragungsfläche usw.

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch die Rohre fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch wird die Mischung der Teilchen stark gefördert, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist somit relativ gleichmäßig – es gibt kaum Temperaturgradienten. In der unmittelbaren Nähe der Rohrwand gibt es jedoch eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die sogenannte laminare Schicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung – auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht selbst angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Inneren des Rohres erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entsteht jedoch ein Konvektionsstrom der Teilchen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Im Strömungsfluss wird Wärme über die Wand des Rohres an die Außenwand übertragen.

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch werden die Teilchen stark miteinander vermischt, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dadurch relativ gleichmäßig – es gibt kaum noch Temperaturunterschiede； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, müssen die Wärmewiderstandsdrahten in der mittleren Schicht sowie in der unteren Schicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch werden die Teilchen stark miteinander vermischt, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dadurch relativ gleichmäßig – es gibt kaum noch Temperaturunterschiede； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch werden die Teilchen stark miteinander vermischt, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist dadurch relativ gleichmäßig – es gibt kaum noch Temperaturunterschiede； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Antwort: Wenn heißer Flüssigkeitsstrom durch Rohrleitungen fließt, kommt es im turbulenten Bereich dazu, dass die Flüssigkeit heftig bewegt wird und Wirbel entstehen. Dadurch wird die Mischung der Teilchen stark gefördert, wodurch Wärme ausgetauscht wird. Die Temperatur ist somit relativ gleichmäßig – es gibt fast keinen Temperaturgradienten； Aber direkt an der Rohrwand befindet sich eine sehr dünne Schicht von Flüssigkeit, in der ein laminarer Strömungsablauf herrscht (die laminare Grundschicht). In dieser dünnen Schicht erfolgt die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung; auf mikroskopischer Ebene geschieht dies durch die Übertragung von Energie zwischen den Molekülen. Da der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Fluids sehr gering ist, muss die Wärmewiderstandsschicht in der Schichtströmungsschicht angeordnet werden. Bei der laminaren Strömung im Rohr erfolgt die Wärmeübertragung ebenfalls hauptsächlich durch Wärmeleitung. Doch aufgrund der Temperaturunterschiede – sowohl axial als auch radial – entstehen Dichteunterschiede, die wiederum zu Konvektion der Teilchen führen, was die Situation erheblich verkompliziert.

Konvektive Wärmeübertragung ist eine grundlegende Art der Wärmeübertragung. Der Prozess, bei dem Wärmeenergie in Flüssigkeiten oder Gasen von einem Ort an einen anderen übertragen wird. Hauptsächlich führt die Bewegung der Teilchen an ihren Positionen dazu, dass die Temperatur gleichmäßiger wird. Es ist der Prozess der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen – also die Übertragung von Wärmeenergie von einem Punkt in einer Flüssigkeit oder einem Gas zu einem anderen Punkt.