Wärme- und Stoff Übertragung

Transkript

1 Hans Dieter Baehr Karl Stephan Wärme- und Stoff Übertragung 7, neu bearbeitete Auflage Mit 343 Abbildungen und zahlreichen Tabellen sowie 62 Beispielen und 94 Aufgaben < j Springer

2 Formelzeichen xv 1 Einführung. Technische Anwendungen Die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung Wärmeleitung Stationäre ; geometrisch eindimensionale Wänneleitung Konvektiver Wärmeübergang, Wärmeübergangskoeffizient Die Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten. Dimensionslose Kevinzahlen Wärmestrahlung Strahlungsaustausch Wärmedurchgang Der Wärmedurchgangskoeffizient Mehrschichtige Wände Wärmedurchgang durch Wände mit vergrößerter Oberfläche \ r Abkühlung und Erwärmung dünnwandiger Behälter Wärmeübertrager Bauarten und Stromführungen Allgemeine Berechnungsgleichungen. Dimensionslose Kennzahlen Gegenstrom- und Gleichstrom-Wärmeübertrager Kreuzstrom-Wärmeübertrager Betriebscharakteristiken für weitere Stromführungen. Diagramme Die verschiedenen Arten der Stoff Übertragung Diffusion Einseitige Diffusion, äquimolare Diffusion !3 Konvektiver Stoffübergang Stoffübergangstheorien 89

3 1.5.1 Die Filmtheorie Die Grenzschichttheorie Die Penetrations- und die Oberflächenerneuerungstheorie Anwendung der Filmtheorie auf die Verdunstungskühlung Stoffdurchgang Stoffübertrager Die Mengenbilanzen Konzentrationsverlauf und Höhe von Stoffaustauschkolonnen Aufgaben 11.2 Wärmeleitung und Diffusion Die Wärmeleitungsgleichung Die Herleitung der Differentialgleichung für das Temperaturfeld Die Wärmeleitungsgleichung für einen Körper mit konstanten Stoffwerten Die Randbedingungen Temperaturabhängige Stoffwerte Ähnliche Temperaturfelder Stationäre Wärmeleitung Geometrisch eindimensionale Wärrneleitung mit Wärmequellen Wärmeleitung in Längsrichtung eines Stabes Der Temperaturverlauf in Rippen und Nadeln Der Rippenwirkungsgrad Geometrisch mehrdimensionaler Wärmefluss Instationäre Wärmeleitung Lösungsmethoden Die Laplace-Transformation " Der einseitig unendlich ausgedehnte Körper Abkühlung und Erwärmung einfacher Körper bei eindimensionalem Wärmefluss Abkühlung und Erwärmung bei mehrdimensionalem Wärmefluss Erstarren geometrisch einfacher Körper Wärmequellen Numerische Lösung von Wärmeleitproblemen mit Differenzenverfahren Das einfache explizite Differenzenverfahren für instationäre Wärmeleitprobleme Die Diskretisierung der Randbedingungen Das implizite Differenzenverfahren von J. Crank und P. Nicolson 223

4 xi Nichtkartesische Koordinaten. Temperaturabhängige Stoffwerte Instationäre ebene und räumliche Temperaturfelder Stationäre Temperaturfelder Numerische Lösung von Wärmeleitproblemen mit der Finite-Element-Methode Die Finite-Element-Methode für stationäre, geometrisch eindimensionale Temperaturfelder Die Finite-Element-Methode für ebene stationäre Temperaturfelder Die Finite-Element-Methode für instationäre, geometrisch eindimensionale Wärmeleitprobleme Erweiterung auf instationäre, geometrisch zweidimensionale Wärmeleitprobleme Diffusion Bemerkungen über ruhende Systeme Die Herleitung der Differentialgleichung für das Konzentrationsfeld Vereinfachungen Randbedingungen Stationäre Diffusion mit katalytischer Oberflächenreaktion Stationäre Diffusion mit homogener chemischer Reaktion Instationäre Diffusion Aufgaben 289 Konvektiver Wärme- und Stoffübergang. Einphasige Strömungen Vorbemerkungen: Die längsangeströmte ebene Platte bei reibungsfreier Strömung _ Die Bilanzgleichungen Das Reynoldssche Transporttheorem Die Massenbilanz Die Impulsbilanz Die Energiebilanz Zusammenfassung Einfluss der Reynolds-Zahl auf die Strömung Vereinfachungen der Navier-Stokes-Gleichungen Schleichende Strömungen Reibungsfreie Strömungen Grenzschichtströmungen Die Grenzschichtgleichungen Die Strömungsgrenzschicht Die Temperaturgrenzschicht 346

5 3.5.3 Die Konzentrationsgrenzschicht Allgemeine Bemerkungen zur Lösung der Grenzschichtgleichungen Einfluss der Turbulenz auf den Wärme- und Stoffübergang Turbulente Strömungen an festen Wänden Überströmte Körper Die parallel angeströmte ebene Platte Der quer angeströmte Zylinder Quer angeströmte Rohrbündel Einige empirische Gleichungen für den Wärme- und Stoffübergang an überströmten Körpern Durchströmte Kanäle, Haufwerke, Wirbelschichten Die laminare Rohrströmung Die turbulente Rohrströmung Haufwerke Poröse Körper Wirbelschichten Einige empirische Gleichungen für den Wärme- und Stoffübergang in durchströmten Kanälen, Haufwerken und Wirbelschichten Freie Strömung Die Impulsgleichung Wärmeübergang an einer senkrechten Wand bei laminarer Strömung Einige empirische Gleichungen für den Wärmeübergang bei freier Strömung Stoffübergang bei freier Strömung Überlagerung von freier und erzwungener Strömung Kompressible Strömungen Das Temperaturfeld in einer kompressiblen Strömung Berechnung des Wärmeübergangs Aufgaben 471 Konvektiver Wärme- und Stoffübergang. Strömungen mit Phasenumwandlungen Wärmeübergang beim Kondensieren Die verschiedenen Arten der Kondensation Die Nußeltsche Wasserhauttheorie Abweichungen von der Nußeltschen Wasserhauttheorie Einfluss nicht kondensierbarer Gase Filmkondevisation mit turbulenter Wasserhaut Kondensation strömender Dämpfe Tropfenkondensation Kondensation von Dampfgemischen Einige empirische Gleichungen 522

6 xiii 4.2 Wärmeübergang beim Sieden Die verschiedenen Arten der Wärmeübertragung Die Entstehung von Dampfblasen Mechanismen der Wärmeübertragung beim Sieden in freier Strömung Blasenfrequenz und Abreißdurchmesser Die Nukijama-Kurve Stabilität beim Sieden in freier Strömung Berechnung von Wärmeübergangskoeffizienten beim Sieden in freier Strömung Einige empirische Gleichungen zum Wärmeübergang beim Blasensieden in freier Strömung Zweiphasige Strömungen Wärmeübergang beim Sieden von Gemischen Aufgaben 586 Wärmestrahlung Grundlagen. Strahlungsphysikalische Größen Temperaturstrahlung Ausstrahlung Bestrahlung Absorption von Strahlung Reflexion von Strahlung Hohlraumstrahlung. Gesetz von Kirchhoff Die Strahlung des Schwarzen Körpers Definition und Realisierung des Schwarzen Körpers Die spektrale Strahldichte und die spektrale spezifische Ausstrahlung Die spezifische Ausstrahlung und die Ausstrahlung in einem Wellenlängenbereich Strahlungseigenschaften realer Körper Emissionsgrade Die Beziehungen zwischen Emissions-, Absorptionsund Reflexionsgraden. Der graue Lambert-Strahler Emissionsgrade realer Körper Strahlungsdurchlässige Körper Solarstrahlung Extraterrestrische Solarstrahlung Die Schwächung der Solarstrahlung in der Erdatmosphäre Direkte Solarstrahlung am Erdboden Diffuse Solarstrahlung und Globalstrahlung Absorptionsgrade für Solarstrahlung Strahlungsaustausch Sichtfaktoren 664

7 xiv Inhaltsverzeichnis Strahlungsaustausch zwischen Schwarzen Körpern Strahlungsaustausch zwischen grauen Lambert-Strahlern Strahlungsschutzschirme Gasstrahlung Absorptionskoeffizient und optische Dicke Absorptions- und Emissionsgrade Ergebnisse für den Emissionsgrad Emissionsgrade und gleichwertige Schichtdicken von Gasräumen Strahlungsaustausch in einem gasgefüllten Hohlraum Aufgaben 710 Anhang A: Ergänzungen 715 A.l Einführung in die Tensorriotation 715 A.2 Zusammenhang zwischen mittlerem und thermodynamischem Druck 717 A.3 Navier-Stokes-Gleichungen eines inkompressiblen Fluids konstanter Viskosität in kartesischen Koordinaten 719 A.4 Navier-Stokes-Gleichungen eines inkompressiblen Fluids konstanter Viskosität in Zylinderkoordinaten 719 A.5 Entropiebilanz für Gemische 720 A.6 Zusammenhang zwischen partieller und spezifischer Enthalpie. 722 A.7 Berechnung der Konstanten a n des Graetz-Nußelt-Problems (3.245) 723 Anhang B: Stoffwerte 725 Anhang C: Lösungen der Aufgaben 741 Literatur 761 Sachverzeichnis 779