Thermoprozesstechnik

Transkript

1 Eckehard Specht Wärme- und Stoffübertragung in der Thermoprozesstechnik Grundlagen I Berechnungen I Prozesse W Vulkan Verlag

2 VII Einleitung 1 1. Arten der Wärme- und Stoffübertragung Mechanismen Transportansätze für Leitung und Diffusion Wärmeübergang zwischen Wand und Fluid Wärmetransport durch Strahlung Bedeutung Stationäre Wärmeleitung Wärmeleitung durch einschichtige Wände Wärmedurchgang bei einschichtigen Wänden Wärmedurchgang bei mehrschichtigen Wänden Wärmewiderstände Temperaturabhängiger Wärmeleitkoeffizient Wärmeleitung in Rippen Wirkung von Wärmedämmungen Leitung mit gleichverteilten Wärmequellen Thermischer Kontaktwiderstand zwischen Oberflächen Wärmeübertragung durch Konvektion Grenzschichtsgleichungen Überströmte Körper Reibungsfrei überströmte Platte Grenzschicht überströmter Platten Nusseltfunktionen Durchströmte Körper Definition des Wärmeübergangskoeffizienten Nusseltfunktionen Düsenfelder Einzelner Luftstrahl Einzelner Wasserstrahl Felder von Einzeldüsen bei ebenen Wänden Lochkanäle bei ebenen Wänden Lochplatten bei ebenen Wänden Düsen bei zylindrischen Körpern 99

3 Vlii Zusammenfassung der Nusseltfunktionen Rohrbündel Schüttungen Freie Konvektion Grenzschichtgleichungen Nusseltfunktion Überlagerung von erzwungener und freier Konvektion Verdampfung und Kondensation Verdampfung Phänomenologie Nusseltfunktionen Verdampfertechnik Kondensation Tropfenkondensation Filmkondensation Wärmeübertrager I Konstante Wärmestromdichte Konstante Wandtemperatur Wärmeübertragung Fluid-Fluid Temperaturverläufe Gleiche Kapazitätsströme (Gegenstrom) Ungleiche Kapazitätsstromverhältnisse Auslegung von Wärmeübertragern Stationärer Stofftransport Diffusionsmechanismen Definition der Konzentrationen Molare Diffusion Porendiffusion Diffusionskoeffizienten Stoffübertragung Analoger Mechanismus Einfluss des Stefanstroms Stationäre Diffusion ohne Stoffquellen Einschichtige Wand Stoffdurchgang Stationäre Diffusion mit Stoffquellen 179

4 X 6.5 Stoffübergang zwischen zwei Phasen Verdampfung von Flüssigkeiten Mathematische Beschreibung Darstellung mit Widerständen Verdampfung von Tropfen Kalksteinzersetzung (topochemische Reaktion) Mechanismus Mathematische Beschreibung Vereinfachte Lösung Kühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten Phänomenologie Kühltechniken Wärmeübergangsmechanismus Verzugsreduzierung Tauchkühlung Phänomenologie des Wärmeübergangs Wärmeübergang während der Filmverdampfung Dampffilmdicke Wirkung von Einflussgrößen Technische Beeinflussung Spritzkühlung Düsentechnik Wärmeübergangsmechanismus Filmverdampfung Leidenfrosttemperatur Blasenverdampfung Einfluss der Wassertemperatur Einfluss der Oberflächenrauigkeit Strahlkühlung Mechanismus Einfluss der Strahlgeschwindigkeit Wärmeübergang Wasserqualität Gelöste Salze Gelöste Gase Additive 255

5 XI 8. Strahlung Intensität Strahlungseigenschaften Materialverhalten Emission von Festkörpern Absorptionsmechanismus transparenter Körper Äquivalente Schichtdicke transparenter Körper Emission von Flüssigkeiten Emission von Gasen Emission von Ruß und Staub Scheinbarer Emissionsgrad rauer Flächen Sichtfaktoren Strahlungsaustausch Berechnungsmethode Strahlungsaustausch zwischen zwei Wänden Strahlungsschirme Strahlungsaustausch zwischen drei Wänden Strahlungsaustausch zwischen zwei Wänden mit absorbierendem Gas Strahlungsaustausch zwischen drei Wänden und einem absorbierenden Gas Strahlungsaustausch zwischen einem Gas und einer umhüllenden Wand Strahlungsaustausch zwischen einem Gas und einem Solid bei adiabaten Wänden Beheizung mit Strahlrohren Abstrahlung ins Weltall Überlagerung von Strahlung und Konvektion Radiativer Wärmeübergangskoeffizient Messung Gastemperatur Sekundärstrahlung in Kanälen Treibhauseffekt Glashaus Treibhauseffekt der Atmosphäre Instationäre Wärmeleitung Thermisch dünne Körper Newton'sches Kapazitätsmodell Konstante Umgebungstemperatur Lineare Änderung der Umgebungstemperatur Schwingung der Umgebungstemperatur Körper mit inneren Wärmequellen 349

6 Xll 9.2 Thermisch dicke Körper Herleitung der Fourier'schen Differentialgleichung Dimensionslose Darstellung Lösung für konstante Umgebungstemperatur Lösung für konstante Oberflächentemperatur Näherungslösung bei konstanter Umgebungstemperatur Näherungslösung für Wärmeübergang durch Strahlung Linearer Anstieg der Umgebungstemperatur Näherungslösung für kalorische Temperatur Mehrdimensionale Wärmeleitung Temperaturausgleich in adiabaten Körpern Instationäre Wärmeleitung in halbunendlichen Körpern Temperaturverlauf Konstante Oberflächentemperatur Kontakttemperatur Konstante Umgebungstemperatur Konstante Wärmestromdichte Konduktive Erwärmung Instationäre Diffusion Fick'sche Differentialgleichung Aufkohlung von Stahl Schmelzen und Erstarrung Schmelzen Basisgleichungen für Schmelzen Lösungsschmelzen Qualitative Beschreibung Mathematische Beschreibung Näherungsverfahren Mechanismus von Erstarrungsvorgängen Erstarrung bei dünnen oder teilbegrenzenden Wänden Ausgangsgleichungen Analytische Lösung bei quasistationären Temperaturprofilen Analytische Lösung bei konstanter Oberflächentemperatur Näherungslösung bei konstantem Wärmeübergang Einfluss der Flüssigkeitsüberhitzung Erstarrungslänge beim Strangguss Erstarrungsverlauf in der Kokille 434

7 Xl Erstarrung bei thermisch dicken Wänden Ausgangsgleichungen Lösung bei quasistationären Temperaturprofilen Erstarrung bei halbunendlich dicken Wänden Erstarrung in feuchten, halbunendlichen Körpern Drehrohröfen Bauarten und Prozesse Transversale Schüttgutbewegung Bewegungsformen Schüttwinkel Rolling Motion Axialtransport Betttiefenprofil Mittlere Verweilzeit Kontaktwärmeübergang Konvektiver Wärmeübergang Wärmeübergang durch Strahlung Regenerativer Wärmeübergang der Wand Temperaturverlauf in der Wand Vereinfachte Modellierung Wärmeübergangskoeffizienten Periphere Temperaturschwankungen der Wand Wärmeverlust durch die Wand Prozessmodellierung Schachtöfen Prozesse und Bauarten Konvektiver Wärme- und Stoffübergang Wärmeübergang durch Gasstrahlung Radiative Wärmeleitfähigkeit Druckverlust Lückengrad Prozessmodellierung Ausgangsgleichungen Temperaturdifferenz im Partikel Länge der Kühlzone 499

8 XIV 14. Tunnelwagenöfen Bauarten und Prozesse Konvektion Spezifische Merkmale Wärmeübertragung bei Tellern Wärmeübergang bei kompakten Steinen Wärmeübergang bei Hochlochziegeln Strahlung Prozessmodellierung Betrachtungsweise Energieverbrauch Rollenherdöfen Bauarten und Prozesse Wärmeübergang durch Strahlung Freier Ofenraum Tertiärheizflächen Wärmeübertragung durch die Rollen Kontaktwärmeübergang Regenerativer Transport Näherung für Wärmeübergang Einfluss der Rollen Prozessmodellierung 541 Formelzeichen 543 Anhang O A Temperaturabhängige, thermophysikalische Stoffwerte (Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Emissionsgrade, Diffusionskoeffizient, Viskosität) A1 Gase O A2 Flüssigkeiten C3 A3 Festkörper bei spezifischen Temperaturen O A4 Stähle O A5 Pulvermetallurgischen (PM-)Stähle 0 A6 Nichteisenmetalle O j_ mm

9 XV A7 Nichtmetallische anorganische Materialien C3 A7.1 Feuerfeste Werkstoffe id A7.2 Wärmedämmmaterialien C3 A7.3 Sonstige Materialien CJ B Einheiten B1 Vielfache von Einheiten CJ B2 Umrechnung von Einheiten C3 a C Ahnlichkeitskennzahlen Literaturverzeichnis Firmenverzeichnis 549 Inserentenverzeichnis 550