Hinweise zum Praktikum Wärme- und Stoffübertragung Stand Aus den unten aufgeführten 4 Versuchen sind 2 auszuwählen.

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1 Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. habil. U. Groß Hinweise zum Praktikum Wärme- und Stoffübertragung Stand Aus den unten aufgeführten 4 Versuchen sind 2 auszuwählen. Für jeden Versuch wird es eine allgemeine Einführung für alle teilnehmenden Studenten von ca. 45 min geben. Die genauen Termine dafür werden noch bekanntgegeben. Die Versuche werden dann in Gruppen von bis zu 6 Studenten durchgeführt. Beschreibung Einführung (vorr.) Durchführung P1 Stationäre Wärmeleitung und elektrische Leitfähigkeit (Stabapparatur) Ende November ab Dezember (im Semester) P2 Instationäre Wärmeleitung (Schienenversuchsstand) Ende November ab Dezember (im Semester) P3 P4 Wärmeübertragung durch Kondensation (Wärmerohr) Gleich- und Gegenstrom- Wärmeübertrager Januar Anfang Dezember Februar/März (nur vorlesungsfreie Zeit) Januar - März (im Semester und vorlesungsfreie Zeit) Die Einschreibung für eine der 6 möglichen Kombinationen ist auf der Homepage des Lehrstuhles Thermodynamik (über OPAL) nur in der 44. / 45. KW ( ) möglich. Achtung: Ohne Einschreibung keine Teilnahme!! Als Entscheidungshilfe dienen die unten angefügten Kurzbeschreibungen jedes Versuches. Die Gruppeneinteilung und Terminplanung (unter Berücksichtigung des Stundenplanes der verschiedenen Studiengänge) erfolgt durch die Mitarbeiter des Lehrstuhles und wird auf der Homepage veröffentlicht. Zwischen Einführung und erstem möglichen Versuchstermin liegen mindestens 14 Tage, so dass ausreichend Zeit zur Vorbereitung bleibt. Die notwendigen Versuchsunterlagen sind spätestens eine Woche vor der Einführung als PDF-Datei über OPAL verfügbar. Sie müssen eigenständig ausgedruckt und zur Einführung und zum Versuch mitgebracht werden.

2 Das Testat für das Praktikum wird nur erteilt bei Teilnahme an der Einführung und am Versuch (Laufzettel) sowie bei bestandenem Antestat. Vor der Versuchsdurchführung wird die Erfüllung der in der Einführung gestellten Vorbereitungsaufgaben geprüft. Ungenügende Vorbereitung oder die mangelnde Bereitschaft, aktiv am Praktikum teilzunehmen, kann zum Ausschluss vom Versuch führen. Eine Wiederholung ist dann erst im folgenden Wintersemester möglich. Der erfolgreiche Abschluss des Praktikums ist Voraussetzung für die Teilnahme an der Prüfung Wärme- und Stoffübertragung.

3 Praktikumsversuch P1 Stabapparatur: Stationäre Wärmeleitung und elektrische Leitfähigkeit metallischer Materialien Für die Berechnung von stationären Wärmetransportprozessen in makroskopisch ruhenden Medien wird die Wärmeleitfähigkeit des Stoffes als thermophysikalische Eigenschaft benötigt. Die exakte Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur und von weiteren stofflichen Parametern ist eine wichtige Voraussetzung für die Berechnung des Temperaturfeldes sowie des übertragenen Wärmestromes. Die Wärmeleitfähigkeit metallischer Materialien wird unter anderem durch die Legierungsbestandteile und die Ausbildung des Gefüges beeinflusst. Um die Wärmeleitfähigkeit messtechnisch zu bestimmen, ist der Wärmetransportprozess in einer Versuchseinrichtung unter definierten Bedingungen zu realisieren. Die Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit über den gesamten Anwendungstemperaturbereich erfordert einen hohen zeitlichen und apparativen Aufwand. Bei Raumtemperatur kann ein vergleichsweise einfacher Versuchsaufbau oder unter bestimmten Voraussetzungen die elektrische Analogie zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit genutzt werden. die Messung der Wärmeleitfähigkeit metallischer Proben bei Raumtemperatur mit Hilfe der Stabapparatur (siehe Abb.) - Wärmeleitung in einer endlichen Stabrippe Kupferscheibe Belastungsschrauben Kühlthermostat Umgebungsblock Kalibrierprobe Meßprobe T 1 T* 1 T* 2 T 2 Digital- Voltmeter Computer Heizblock Heizthermostat die vergleichende Messung der elektrischen Leitfähigkeit und die anschließende Berechnung der Wärmeleitfähigkeit entsprechend der Elektroanalogie nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz die Erfassung des sich ausbildenden Temperaturfeldes bei der Messung der elektrischen Leitfähigkeit mittels Thermografie und den Vergleich mit der theoretischen Berechnung Zeitraum zur Durchführung des Praktikums: ab Dezember (im Semester)

4 Praktikumsversuch P2: Instationa re Wa rmeleitung Der Praktikumsversuch Instationa re Wa rmeleitung hat als realen technischen Hintergrund das aluminothermische Schweißen von Schienen aller Art und stellt einen Bezug zu den Vorlesungen Stro mungsmechanik und Wa rme- und Stoffu bertragung her. Das Verfahren basiert auf der THERMIT-Reaktion, welche etwa 1890 von Johannes (Hans) Wilhelm Goldschmidt entdeckt und 1895 patentiert wurde. Zur Erzielung einer besseren Verbindung zwischen flu ssiger Schmelze und festem Schienenstoß und zur Reduzierung thermischer Spannungen werden die beiden Schienenflanken vor dem Start des eigentlichen THERMIT -Prozesses mit einem Hochtemperatur-Gasbrenner fu r kurze Zeit vorgewa rmt. Dabei schmelzen die Schienenflanken teilweise auf und die in unmittelbarer Umgebung der spa teren Schweißnaht befindlichen Bereiche der Schiene werden deutlich erwa rmt. Die so gespeicherte thermische Energie bewirkt zudem eine homogene und langsame Abku hlung der Schweißnaht und sichert damit auch deren Qualita t. Wa hrend der Vorwa rmung treten eine Vielzahl komplexer und gekoppelter Transportprozesse auf, deren Versta ndnis und richtige Berechnung die Basis fu r eine Optimierung des Vorwa rmprozesses und damit auch des gesamten Schweißverfahrens bilden. In diesem Praxisversuch soll das instationa re Temperaturfeld in der Schiene experimentell erfasst und mit verschiedenen Methoden berechnet werden. Zur Vermeidung irreversibler Vera nderungen an der Schiene (Aufschmelzen der Schienenflanken) wird die Vorwa rmung nicht mit einem Hochtemperaturgasbrenner sondern mit einem Heißluftgebla se realisiert. Zur Durchfu hrung und ganz besonders zur Auswertung der Versuche werden aus der Vorlesung Wa rme- und Stoffu bertragung Kenntnisse aus den Themenbereichen Wa rmeu bertragung mit Rippen, instationa re Wa rmeleitung, konvektiver Wa rmeu bergang und numerische Methoden beno tigt. die Messung von Temperaturfeldern in Festko rpern mit Thermoelementen die Messung von Stro mungsgeschwindigkeiten bzw. Volumenstro men in durchstro mten Kana len die Berechnung der Wa rmeu bergangskoeffizienten an der beheizten Schienenflanke und an den Außenfla chen der Schiene die Berechnung von Temperaturfeldern in Festko rpern mit unterschiedlichen Modellen und Methoden Zeitraum fu r die Durchfu hrung des Praktikums: Dezember - Februar

5 Praktikumsversuch P3: Wärmedurchgang im Kondensationsteil eines Wärmerohres Wärmerohre sind Bauteile, die es ermöglichen, Wärme sehr effizient und bei einem nur geringen Temperaturgefälle von einem Ort zum anderen zu transportieren. Dabei wird ausgenutzt, dass beim Verdampfen und Kondensieren des Arbeitsmediums sehr große Energiemengen umgesetzt werden und daher eine große Wärmestromdichte erzielt werden kann. Wärmerohre sind hermetisch abgeschlossene Volumina (meist Rohre), in denen sich ein Wärmeträgermedium befindet. An der Wärmequelle wird der Wärmeträger verdampft und strömt aufgrund des (geringen) Druckunterschiedes zur kälteren Wärmesenke, wo er kondensiert. Der Rücktransport des flüssigen Mediums erfolgt entweder über Kapillaren nach dem Dochtprinzip (Heat Pipe) oder infolge der Schwerkraft (Thermosyphon). Das gleichzeitige Vorhandensein von Dampf und Flüssigkeit im Wärmerohr bei nahezu konstantem Druck hat zur Folge, dass auch die Temperatur nahezu konstant bleibt. Da für die Zirkulation des Wärmeträgermediums keinerlei Hilfsenergie notwendig ist, finden Wärmerohre vielerlei Anwendung (Erdwärmesonden, Bauteilkühlung, Erdbodenvereisung, im Weltall und vieles mehr). die Beobachtung der Arbeitsweise eines schwerkraftunterstützten Themosyphons mit dem Wärmeträgermedium Wasser (siehe Abb.) und des Flutens die Messung von Thermospannungen, Länge der Barometersäule und Druckdifferenz die Berechnung von Temperaturen und Drücken aus den Messwerten als Grundlage für weitere Berechnungen die Arbeit mit dem VDI- Wärmeatlas zur Bestimmung des theoretischen Wärmedurchgangskoeffizienten für die Rohrwendel im Kondensationsteil des Wärmerohres (Kühlzone) den Vergleich von Kondensation Verdampfung - experimentell ermitteltem Wärmedurchgangskoeffizient und Berechnung nach VDI-Wärmeatlas, - zu- und abgeführtem Wärmestrom im Wärmerohr, Flüssigkeit Zeitraum zur Durchführung des Praktikums: Ende Januar bis Anfang März 2011 Dampf Wasser Heizpatronen Druckmessung - gemessenem Druck im Wärmerohr und Dampfdruck aus Tabelle. die Berechnung der Dampfgeschwindigkeit in der Transportzone des Wärmerohres Temperaturmessung Kühlzone Transportzone Heizzone Meßstellen- Umschalter Voltmeter Stromzähler Volumenstrommessung Kühlwasser Regeltrafo

6 Praktikumsversuch P 4: Gleich- und Gegenstrom- Wärmeübertrager In vielen technischen Prozessen, wie z. B. der Kraftwerkstechnik, der chemischen Industrie oder bei der regenerativen Energiegewinnung, spielen Wärmeübertrager eine wichtige Rolle. Die möglichst effiziente Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes Medium ist dabei sehr wichtig. Das Verständnis des Aufbaus und der Wirkungsweise sind notwendige Voraussetzungen für die Auslegung von Wärmeübertragern für die unterschiedlichsten Anwendungen. An einer Versuchsanlage, die verschiedene Schaltungsvarianten im Gleich- und Gegenstrom gestattet, wird das Wirkprinzip eines Wärmeübertragersystems bestehend aus zwei Wärmeübertragern analysiert. In Abhängigkeit von der Schaltweise wird die Temperaturausbildung in den zwei getrennten Fluiden entlang der wärmeübertragenden Fläche bestimmt. Ziel des Praktikums ist die Vertiefung der theoretischen Grundlagen von Wärmeübertragern mit Hilfe einer realen Versuchsanlage. Quelle: die Erfassung der sich ausbildenden Fluidtemperaturen entlang des Wärmeübertragers bei unterschiedlichen Schaltweisen und der Vergleich mit den theoretisch berechneten Temperaturen der Vergleich der theoretisch berechneten Wärmeübergangs- (α-wert) und Wärmedurchgangswerte (k-wert) mit den realen Bedingungen Fluid 2 Fluid 2 Fluid 1 Fluid 1 Zeitraum zur Durchführung des Praktikums: ab Januar und in der vorlesungsfreien Zeit Ende Februar / Anfang März