Taschenbuch Industrielle Wärmetechnik

Transkript

1 Herbert Pfeifer (Hrsg.) Taschenbuch Industrielle Wärmetechnik Grundlagen Berechnungen Verfahren 4. Auflage

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5 Taschenbuch Industrielle Wärmetechnik

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7 Herbert Pfeifer (Hrsg.) Taschenbuch Industrielle Wärmetechnik Grundlagen Berechnug Verfahren 4. völlig neu überarbeitete Auflage VULKAN VERLAG

8 IV Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN Vulkan-Verlag GmbH Ein Unternehmen der Oldenbourg-Verlagsgruppe Huyssenallee 52-56, D Essen Telefon: (02 01) , Internet: Lektorat/Projektmanagement: Dipl.-Ing. Stephan Schalm s.schalm@vulkan-verlag.de Das Werk einschließlich aller Abbildungen ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Bearbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.

9 V Vorwort Das Taschenbuch Industrielle Wärmetechnik, das früher von Stepanek verfasst wurde, erscheint nun in der 4., vollständig überarbeiteten Auflage. In der jetzigen Zeit, in der einerseits die Industrieofentechnik boomt und andererseits die Kosten für gasförmige Brennstoffe und elektrische Energie stark steigen, ist das Interesse an der Wärmetechnik wieder angestiegen. Darüber hinaus wird der rationelle Energieeinsatz in der Thermoprozesstechnik, nicht zuletzt wegen der zurzeit heftigen Diskussionen zum Thema CO 2 -Emissionen, von immer zentralerer Bedeutung. Deshalb besteht natürlich auch der Bedarf nach Fachbüchern, die das Thema der industriellen Wärmetechnik bzw. der Thermoprozesstechnik abdecken oder zumindest ergänzen. Den Kollegen Prof. Nacke und Prof. Baake vom Institut für Elektrothermische Prozesstechnik der Lebnitz Universität Hannover danke ich für die Bereitstellung des Beitrags zum Thema Elektrothermische Verfahren und den Herren Dr. Gräfen, Haase, Joritz und Dr. Irretier von der Firma Ipsen International GmbH für das Kapitel Thermochemische Behandlungen und Schutzgastechnik. Ohne diese Beiträge wäre das Taschenbuch sicher so nicht entstanden. Letztlich ist anzumerken, dass die Industrieofentechnik einen sehr weiten Bogen schlagen muss, von der Einstellung optimaler Werkstoff- und Bauteileigenschaften bis hin zu leistungsfähigen, wirtschaftlich produzierenden und nachhaltigen Anlagen. Somit kann dieses Taschenbuch, welches hoffentlich von den Lesern intensiv genutzt wird, einen kleinen Beitrag dazu leisten. Aachen, 2007 Herbert Pfeifer

10 Ihr kompetenter Partner für induktive Erwärmungsprozesse Komplette Induktions-Erwärmungsanlagen für: Thermische Behandlungen: Härten, Anlassen, Glühen usw. Induktive Erwärmung zum Klebervorgelieren an Karosserieteilen MF- und HF-Transistor- oder Thyristor-Umrichter Rohrschweissen im Durchlauf GH-INDUCTION Deutschland GmbH Hainbrunner Str. 10 Schmieden D Hirschhorn Tel. +49 (0) / Fax +49 (0) / web gh.info@gh-induction.de

11 Autoren VII Autoren Prof. Dr.-Ing. Egbert Baake Leibniz Universität Hannover Institut für Elektrothermische Prozesstechnik Wilhelm-Busch-Straße Hannover baake@ ewh.uni-hannover.de Kapitel 8 Dr.-Ing. Winfried Gräfen Ipsen International GmbH Flutstraße Kleve wgr@ipsen.de Kapitel 9 Dipl.-Ing. Peter Haase Ipsen International GmbH Flutstraße Kleve ph@ipsen.de Kapitel 9 Dr.-Ing. Olaf Irretier Ipsen International GmbH Flutstraße Kleve oi@ipsen.de Kapitel 9 Dirk Joritz Ipsen International GmbH Flutstraße Kleve dj@ipsen.de Kapitel 9 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Bernard Nacke Leibniz Universität Hannover Institut für Elektrothermische Prozesstechnik Wilhelm-Busch-Straße Hannover nacke@ ewh.uni-hannover.de Kapitel 8 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer RWTH Aachen Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik Kopernikusstraße Aachen pfeifer@ iob.rwth-aachen.de Kapitel 1-7, 10

12 FERROMAN GmbH we are in the heat / info@ferroman.de DIE SPEZIALISTEN FÜR HOCHTEMPERATUR-KOMPONENTEN IN GUSS, KERAMIK, BLECH UND OBERFLÄCHENTECHNIK OFENROLLEN STRAHLROHRE, MULTISTRAHLROHRE TRANSPORTBÄNDER OFENMUFFELN GLÜHHAUBEN ROSTE FÜR DIE WÄRMBEHANDLUNG ROHRTRAGPLATTEN UND HALTER OBERFLÄCHENBESCHICHTUNGEN (HVOF) ZUR VERMEIDUNG VON OXIDATIONSSCHÄDEN UND PICK-UP s Ratingen, Lintorfer Markt 24 a Tel / , Fax /

13 Inhalt IX Inhalt Vorwort... Autoren... V VII 1. Allgemeines Wärmeübertragung Grundgleichungen der Wärmeübertragung Wärmeleitung Fouriersches Gesetz Fouriersche Wärmeleitungsgleichung Eindimensionale, stationäre Wärmeleitung Wärmeübertragung an Rippen Wärmeübertragung an Rippen mit konstanten Querschnitten Rippenwirkungsgrad Instationäre Wärmeleitung Körper mit hoher Wärmeleitfähigkeit Ebene Wand mit Konvektion Unendlich langer Zylinder mit Konvektion Kugel mit Konvektion Der einseitig unendllich ausgedehnte Körper Numerische Lösung von Wärmeleitungsproblemen Numerische Lösung von stationären Wärmeleitungsproblemen Numerische Lösung von instationären Wärmeleitungsproblemen Wärmestrahluung... 79

14 X Inhalt Schwarze Strahlung Plancksches Verteilungsgesetz Wiensches Verschiebungsgesetz Stefan-Boltzmannsches Gesetz Oberflächenemission - Reflexion, Absorption, Transmission Strahlungsaustausch zwischen diffusen, grauen Flächen Einstrahlzahlen Berechnete Einstrahlzahlen Strahlungsaustausch zwischen schwarzen Oberflächen Strahlungsaustausch zwischen grauen Oberflächen in einem geschlossenen Raum Gasstrahlung; Strahlung von Gasgemischen Absorption und Strahlung in Gasen mit konstanten Temperaturen Emissionsgrade von Gasen bei einem Gesamtdruck von p = 1 bar Strahlungsaustausch zwischen Gas und Wand Konvektion Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten mittels dimensionsloser Kennzahlen Strömungsmechanik Fluide Hydrostatik Flüssigkeitsdruck in Kraftfeldern Kraft auf ebene Flächen Kraft auf horizontale, ebene Fläche

15 F E E L T H E H E A T FURNACE SYSTEMS FOR THE STEEL AND COPPER INDUSTRY Corneliusstr. 36 Tel.: info@maerz-gautschi.com D DÜSSELDORF Fax:

16 XII Inhalt Kraft auf vertikale, ebene Fläche und Kraftangriffspunkt Kraft auf geneigte, ebene Fläche Grundgleichungen der Stromfadentheorie - Bernoulli-Gleichung Kontinuitätsgleichung Stromfadentheorie - Bernoulli-Gleichung Anwendungsbeispiele der Bernoulli- Gleichung Rohrströmung Einlaufströmung im Rohr Ausgebildete Rohrströmungen Laminare Strömung Turbulente Strömung Widerstandsgesetze für kreisförmige Rohre Widerstandsgesetze für glatte Rohre Widerstandsgesetze für rauhe Rohre Strömung durch Rohre mit nicht kreisförmigem Querschnitt Laminare Strömung Turbulente Strömung Druckverluste in Rohrleitungselementen Querschnittserweiterung Querschnittsverengung Gasförmige Brennstoffe Einteilung der Brennstoffe Zusammensetzung gasförmiger Brennstoffe Eigenschaften und Kenndaten von Gasen und gasförmigen Brennstoffen

17 Inhalt XIII Zusammensetzung eines Gasgemisches Molare Masse eines Gasgemisches Molares Volumen eines Gasgemisches Dichte Relative Dichte Bezugszustand Brennwert H o,n Heizwert H u,n Wobbe-Index des gasförmigen Brennstoffs Zündtemperatur eines gasförmigen Brennstoffs Zündgrenzen eines gasförmigen Brennstoffs Spezifische Wärmekapazität und Enthalpie

18 XIV Inhalt 5. Verbrennung Grundgleichungen der Verbrennung Reaktionsgleichungen Sauerstoff- und Luftbedarf der Verbrennung Abgase bei der Verbrennung Berechnung der Abgaszusammensetzung Energetik der Verbrennungsprozesse Verbrennungstemperatur Abgasverluste Feuerungstechnischer Wirkungsgrad Brennertechnik Flamme Gasbrenner Klassifizierung von Gasbrennern Ausführungsbeispiele Brenner-Sonderkonstruktionen Energiebilanz von Industrieöfen Massenbilanz Energiebilanz Erster Hauptsatz der Thermodynamik Arbeit System und Systemgrenze Enthalpie, innere Energie Bewertung von Bilanzen Nutzungsgrad Wirkungsgrad Definition von Wirkungsgraden

19 Inhalt XV 7.4 Wirkungsgrade eines Ofens ohne Luftvorwärmung Wirkungsgrade eines Ofens mit Luftvorwärmung Elektrothermische Verfahren Übersicht der Elektrothermischen Verfahren und deren Anwendungsgebiete in der Industrie Induktive Erwärmung Physikalische und technische Grundlagen Induktives Schmelzen Induktive Erwärmung zum Wärmebehandeln, Umformen sowie zum Fügen und Trennen Dielektrische Erwärmung Physikalische und technische Grundlagen Hochfrequenzerwärmung Mikrowellenerwärmung Konduktive Erwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungsbereiche und Anlagentechniken Energieversorgung und Energiebedarf Widerstandserwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anlagentechniken und Anwendungsbereiche Infraroterwärmung Physikalische und technische Grundlagen

20 XVI Inhalt Anlagentechniken und Auslegungskriterien Anwendungsbereiche Lichtbogenerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungen Plasmaerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungsbereiche der Plasmastrahlverfahren Anwendungsbereiche der Plasmawärmebehandlung und -oberflächentechniken Lasererwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anwendungsbereiche Elektronenstrahlerwärmung Physikalische und technische Grundlagen Anlagentechniken und Anwendungsbereiche Funkenerosion Physikalische und technische Grundlagen Anwendungstechniken Anlagenaufbau Anwendungsbereiche Thermochemische Behandlungen und Schutzgastechnik Aufkohlen Kohlenstoffübertragung Kinetik des Aufkohlungsvorgangs