Thermoprozesstechnik

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

VII Einleitung 1 1. Arten der Wärme- und Stoffübertragung 7 1.1 Mechanismen 8 1.2 Transportansätze für Leitung und Diffusion 8 1.3 Wärmeübergang zwischen Wand und Fluid 11 1.4 Wärmetransport durch Strahlung 17 1.5 Bedeutung 19 2. Stationäre Wärmeleitung 21 2.1 Wärmeleitung durch einschichtige Wände 22 2.2 Wärmedurchgang bei einschichtigen Wänden 25 2.3 Wärmedurchgang bei mehrschichtigen Wänden 26 2.4 Wärmewiderstände 28 2.5 Temperaturabhängiger Wärmeleitkoeffizient 38 2.6 Wärmeleitung in Rippen 41 2.7 Wirkung von Wärmedämmungen 50 2.8 Leitung mit gleichverteilten Wärmequellen 55 2.9 Thermischer Kontaktwiderstand zwischen Oberflächen 57 3. Wärmeübertragung durch Konvektion 61 3.1 Grenzschichtsgleichungen 62 3.2 Überströmte Körper 64 3.2.1 Reibungsfrei überströmte Platte 64 3.2.2 Grenzschicht überströmter Platten 68 3.2.3 Nusseltfunktionen 72 3.3 Durchströmte Körper 80 3.3.1 Definition des Wärmeübergangskoeffizienten 80 3.3.2 Nusseltfunktionen 82 3.4 Düsenfelder 88 3.4.1 Einzelner Luftstrahl 88 3.4.2 Einzelner Wasserstrahl 91 3.4.3 Felder von Einzeldüsen bei ebenen Wänden 92 3.4.4 Lochkanäle bei ebenen Wänden 96 3.4.5 Lochplatten bei ebenen Wänden 97 3.4.6 Düsen bei zylindrischen Körpern 99

Vlii 3.4.7 Zusammenfassung der Nusseltfunktionen 101 3.5 Rohrbündel 105 3.6 Schüttungen 11 3.7 Freie Konvektion 112 3.7.1 Grenzschichtgleichungen 112 3.7.2 Nusseltfunktion 115 3.7.3 Überlagerung von erzwungener und freier Konvektion 116 4. Verdampfung und Kondensation 121 4.1 Verdampfung 122 4.1.1 Phänomenologie 122 4.1.2 Nusseltfunktionen 125 4.1.3 Verdampfertechnik 126 4.2 Kondensation 128 4.2.1 Tropfenkondensation 129 4.2.2 Filmkondensation 129 5. Wärmeübertrager I35 5.1 Konstante Wärmestromdichte 136 5.2 Konstante Wandtemperatur 137 5.3 Wärmeübertragung Fluid-Fluid 138 5.3.1 Temperaturverläufe 138 5.3.2 Gleiche Kapazitätsströme (Gegenstrom) 141 5.3.3 Ungleiche Kapazitätsstromverhältnisse 142 5.4 Auslegung von Wärmeübertragern 143 6. Stationärer Stofftransport 153 6.1 Diffusionsmechanismen 154 6.1.1 Definition der Konzentrationen 154 6.1.2 Molare Diffusion 156 6.1.3 Porendiffusion 160 6.1.4 Diffusionskoeffizienten 163 6.2 Stoffübertragung 165 6.2.1 Analoger Mechanismus 165 6.2.2 Einfluss des Stefanstroms 167 6.3 Stationäre Diffusion ohne Stoffquellen 170 6.3.1 Einschichtige Wand 170 6.3.2 Stoffdurchgang 173 6.4 Stationäre Diffusion mit Stoffquellen 179

X 6.5 Stoffübergang zwischen zwei Phasen 184 6.6 Verdampfung von Flüssigkeiten 188 6.6.1 Mathematische Beschreibung 188 6.6.2 Darstellung mit Widerständen 190 6.6.3 Verdampfung von Tropfen 191 6.7 Kalksteinzersetzung (topochemische Reaktion) 198 6.7.1 Mechanismus 198 6.7.2 Mathematische Beschreibung 201 6.7.3 Vereinfachte Lösung 203 7. Kühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten 207 7.1 Phänomenologie 208 7.1.1 Kühltechniken 208 7.1.2 Wärmeübergangsmechanismus 209 7.1.3 Verzugsreduzierung 214 7.2 Tauchkühlung 215 7.2.1 Phänomenologie des Wärmeübergangs 215 7.2.2 Wärmeübergang während der Filmverdampfung 217 7.2.3 Dampffilmdicke 222 7.2.4 Wirkung von Einflussgrößen 223 7.2.5 Technische Beeinflussung 226 7.3 Spritzkühlung 228 7.3.1 Düsentechnik 228 7.3.2 Wärmeübergangsmechanismus 234 7.3.3 Filmverdampfung 236 7.3.4 Leidenfrosttemperatur 241 7.3.5 Blasenverdampfung 242 7.3.6 Einfluss der Wassertemperatur 243 7.3.7 Einfluss der Oberflächenrauigkeit 244 7.4 Strahlkühlung 246 7.4.1 Mechanismus 246 7.4.2 Einfluss der Strahlgeschwindigkeit 248 7.4.3 Wärmeübergang 249 7.5 Wasserqualität 251 7.5.1 Gelöste Salze 251 7.5.2 Gelöste Gase 254 7.5.3 Additive 255

XI 8. Strahlung 259 8.1 Intensität 260 8.2 Strahlungseigenschaften 262 8.2.1 Materialverhalten 262 8.2.2 Emission von Festkörpern 264 8.2.3 Absorptionsmechanismus transparenter Körper 268 8.2.4 Äquivalente Schichtdicke transparenter Körper 269 8.2.5 Emission von Flüssigkeiten 270 8.2.6 Emission von Gasen 271 8.2.7 Emission von Ruß und Staub 275 8.2.8 Scheinbarer Emissionsgrad rauer Flächen 277 8.3 Sichtfaktoren 280 8.4 Strahlungsaustausch 292 8.4.1 Berechnungsmethode 292 8.4.2 Strahlungsaustausch zwischen zwei Wänden 296 8.4.3 Strahlungsschirme 298 8.4.4 Strahlungsaustausch zwischen drei Wänden 301 8.4.5 Strahlungsaustausch zwischen zwei Wänden mit absorbierendem Gas 304 8.4.6 Strahlungsaustausch zwischen drei Wänden und einem absorbierenden Gas.. 306 8.4.7 Strahlungsaustausch zwischen einem Gas und einer umhüllenden Wand 307 8.4.8 Strahlungsaustausch zwischen einem Gas und einem Solid bei adiabaten Wänden 308 8.4.9 Beheizung mit Strahlrohren 310 8.4.10 Abstrahlung ins Weltall 313 8.5 Überlagerung von Strahlung und Konvektion 325 8.5.1 Radiativer Wärmeübergangskoeffizient 325 8.5.2 Messung Gastemperatur 326 8.5.3 Sekundärstrahlung in Kanälen 327 8.6 Treibhauseffekt 328 8.6.1 Glashaus 328 8.6.2 Treibhauseffekt der Atmosphäre 331 9. Instationäre Wärmeleitung 339 9.1 Thermisch dünne Körper 340 9.1.1 Newton'sches Kapazitätsmodell 340 9.1.2 Konstante Umgebungstemperatur 341 9.1.3 Lineare Änderung der Umgebungstemperatur 344 9.1.4 Schwingung der Umgebungstemperatur 346 9.1.5 Körper mit inneren Wärmequellen 349

Xll 9.2 Thermisch dicke Körper 353 9.2.1 Herleitung der Fourier'schen Differentialgleichung 354 9.2.2 Dimensionslose Darstellung 358 9.2.3 Lösung für konstante Umgebungstemperatur 359 9.2.4 Lösung für konstante Oberflächentemperatur 362 9.2.5 Näherungslösung bei konstanter Umgebungstemperatur 364 9.2.6 Näherungslösung für Wärmeübergang durch Strahlung 367 9.2.7 Linearer Anstieg der Umgebungstemperatur 368 9.2.8 Näherungslösung für kalorische Temperatur 369 9.2.9 Mehrdimensionale Wärmeleitung 370 9.2.10 Temperaturausgleich in adiabaten Körpern 372 9.3 Instationäre Wärmeleitung in halbunendlichen Körpern 381 9.3.1 Temperaturverlauf 381 9.3.2 Konstante Oberflächentemperatur 382 9.3.3 Kontakttemperatur 383 9.3.4 Konstante Umgebungstemperatur 384 9.3.5 Konstante Wärmestromdichte 385 9.4 Konduktive Erwärmung 390 10. Instationäre Diffusion 393 10.1 Fick'sche Differentialgleichung 394 10.2 Aufkohlung von Stahl 396 11. Schmelzen und Erstarrung 401 11.1 Schmelzen 402 11.1.1 Basisgleichungen für Schmelzen 402 11.2 Lösungsschmelzen 409 11.2.1 Qualitative Beschreibung 409 11.2.2 Mathematische Beschreibung 410 11.2.3 Näherungsverfahren 411 11.3 Mechanismus von Erstarrungsvorgängen 413 11.4 Erstarrung bei dünnen oder teilbegrenzenden Wänden 414 11.4.1 Ausgangsgleichungen 414 11.4.2 Analytische Lösung bei quasistationären Temperaturprofilen 418 11.4.3 Analytische Lösung bei konstanter Oberflächentemperatur 424 11.4.4 Näherungslösung bei konstantem Wärmeübergang 426 11.4.5 Einfluss der Flüssigkeitsüberhitzung 428 11.4.6 Erstarrungslänge beim Strangguss 430 11.4.7 Erstarrungsverlauf in der Kokille 434

Xl11 11.5 Erstarrung bei thermisch dicken Wänden 438 11.5.1 Ausgangsgleichungen 438 11.5.2 Lösung bei quasistationären Temperaturprofilen 441 11.6 Erstarrung bei halbunendlich dicken Wänden 445 11.7 Erstarrung in feuchten, halbunendlichen Körpern 448 12. Drehrohröfen 451 12.1 Bauarten und Prozesse 452 12.2 Transversale Schüttgutbewegung 455 12.2.1 Bewegungsformen 455 12.2.2 Schüttwinkel 457 12.2.3 Rolling Motion 458 12.3 Axialtransport 459 12.3.1 Betttiefenprofil 459 12.3.2 Mittlere Verweilzeit 461 12.4 Kontaktwärmeübergang 461 12.5 Konvektiver Wärmeübergang 466 12.6 Wärmeübergang durch Strahlung 468 12.7 Regenerativer Wärmeübergang der Wand 469 12.7.1 Temperaturverlauf in der Wand 469 12.7.2 Vereinfachte Modellierung 470 12.7.3 Wärmeübergangskoeffizienten 474 12.8 Periphere Temperaturschwankungen der Wand 476 12.9 Wärmeverlust durch die Wand 478 12.10 Prozessmodellierung 480 13. Schachtöfen 483 13.1 Prozesse und Bauarten 484 13.2 Konvektiver Wärme- und Stoffübergang 487 13.3 Wärmeübergang durch Gasstrahlung 489 13.4 Radiative Wärmeleitfähigkeit 492 13.5 Druckverlust 493 13.6 Lückengrad 494 13.7 Prozessmodellierung 495 13.7.1 Ausgangsgleichungen 495 13.7.2 Temperaturdifferenz im Partikel 498 13.7.3 Länge der Kühlzone 499

XIV 14. Tunnelwagenöfen 503 14.1 Bauarten und Prozesse 504 14.2 Konvektion 508 14.2.1 Spezifische Merkmale 508 14.2.2 Wärmeübertragung bei Tellern 509 14.2.3 Wärmeübergang bei kompakten Steinen 511 14.2.4 Wärmeübergang bei Hochlochziegeln 514 14.3 Strahlung 515 14.4 Prozessmodellierung 516 14.4.1 Betrachtungsweise 516 14.4.2 Energieverbrauch 516 15. Rollenherdöfen 521 15.1 Bauarten und Prozesse 522 15.2 Wärmeübergang durch Strahlung 527 15.2.1 Freier Ofenraum 527 15.2.2 Tertiärheizflächen 529 15.3 Wärmeübertragung durch die Rollen 530 15.3.1 Kontaktwärmeübergang 530 15.3.2 Regenerativer Transport 534 15.3.3 Näherung für Wärmeübergang 539 15.3.4 Einfluss der Rollen 540 15.4 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

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