Was ist der Wärmedurchgangskoeffizient – U-Faktor – Definition?

In Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten, der als U-Faktor bezeichnet wird. Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht

U-Faktor – Wärmedurchgangskoeffizient

Viele der in der Industrie anzutreffenden Wärmeübertragungsprozesse beinhalten Verbundsysteme und sogar eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten, der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

U-Faktor - Gesamtwärmeübergangskoeffizient

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist , bezogen auf den Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems. Beispielsweise beinhaltet die Wärmeübertragung in einem Dampferzeuger die Konvektion von der Hauptmenge des Reaktorkühlmittels zur inneren Rohroberfläche des Dampferzeugers, die Leitung durch die Rohrwand und die Konvektion (sieden) von der äußeren Rohroberfläche zur sekundärseitigen Flüssigkeit.

Bei kombinierter Wärmeübertragung für einen Wärmetauscher gibt es zwei Werte für h. Es gibt den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten (h) für den Flüssigkeitsfilm innerhalb der Rohre und einen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für den Flüssigkeitsfilm außerhalb der Rohre. Die Wärmeleitfähigkeit (k) und die Dicke (Δx) der Rohrwand müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Gesamtwärmeübergangskoeffizient – ebene Wand

U-Faktor - Gesamtwärmeübergangskoeffizient

Gesamtwärmeübergangskoeffizient – zylindrische Rohre

Eine stetige Wärmeübertragung durch mehrschichtige zylindrische oder kugelförmige Schalen kann wie mehrschichtige ebene Wände gehandhabt werden.

Gesamtwärmeübergangskoeffizient - zylindrische Rohre

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeübertragungseigenschaften eines festen Materials werden durch eine Eigenschaft gemessen, die als  Wärmeleitfähigkeit k (oder λ) bezeichnet wird und in W / mK gemessen wird  . Es ist ein Maß für die Fähigkeit eines Stoffes, Wärme durch Wärmeleitung durch ein Material zu übertragen. Beachten Sie, dass das  Fourier-Gesetz  für alle Materie gilt, unabhängig von ihrem Zustand (fest, flüssig oder gasförmig). Daher gilt es auch für Flüssigkeiten und Gase.

Die  Wärmeleitfähigkeit  der meisten Flüssigkeiten und Feststoffe variiert mit der Temperatur. Bei Dämpfen kommt es auch auf den Druck an. Allgemein:

Wärmeleitfähigkeit - Definition

Die meisten Materialien sind nahezu homogen, daher können wir normalerweise k = k (T) schreiben  . Ähnliche Definitionen sind mit Wärmeleitfähigkeiten in y- und z-Richtung (k y , k z ) verbunden, aber für ein isotropes Material ist die Wärmeleitfähigkeit unabhängig von der Übertragungsrichtung, k x  = k y  = k z  = k.

Aus der vorstehenden Gleichung folgt, dass der Wärmeleitungsfluss mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit zunimmt und mit zunehmender Temperaturdifferenz zunimmt. Im Allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit eines Feststoffs größer als die einer Flüssigkeit, die größer als die eines Gases ist. Dieser Trend ist hauptsächlich auf Unterschiede im  intermolekularen Abstand  für die beiden Materiezustände zurückzuführen. Insbesondere hat Diamant die höchste Härte und Wärmeleitfähigkeit aller Schüttgüter.

Wärmeleitfähigkeit - Materialien

Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient

Wie zu sehen ist, die  Konstante der Proportionalität  wird in Berechnungen von entscheidender Bedeutung sein , und es ist bekannt als die  Konvektionswärmeübergangskoeffizienten ,  h . Der  konvektive Wärmeübergangskoeffizient  h kann definiert werden als:

Die Wärmeübertragungsrate zwischen einer festen Oberfläche und einem Fluid pro Oberflächeneinheit pro Temperatureinheitseinheit.

konvektiver Wärmeübergangskoeffizient - Gleichung

konvektiver Wärmeübergangskoeffizient - Beispiele

Der  konvektive Wärmeübergangskoeffizient  hängt von den physikalischen Eigenschaften des Fluids und der physikalischen Situation ab. Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient ist keine Eigenschaft des Fluids. Es ist ein experimentell bestimmter Parameter, dessen Wert von allen Variablen abhängt, die die Konvektion beeinflussen, wie z. B. der  Oberflächengeometrie , der  Art der Fluidbewegung , den  Eigenschaften des Fluids und der Geschwindigkeit des  Bulk-Fluids .

Typischerweise ist der  konvektive Wärmeübertragungskoeffizient  für  laminare Strömung  im Vergleich zum konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten  für  turbulente Strömung relativ niedrig  . Dies ist auf eine turbulente Strömung mit einer  dünneren stehenden Fluidfilmschicht  auf der Wärmeübertragungsoberfläche zurückzuführen.

Es ist zu beachten, dass diese  stagnierende Flüssigkeitsfilmschicht  eine entscheidende Rolle für den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten spielt. Es wird beobachtet, dass die Flüssigkeit  an der Oberfläche vollständig zum Stillstand kommt und eine Geschwindigkeit von Null relativ zur Oberfläche annimmt. Dieses Phänomen ist als rutschfester Zustand bekannt, und daher erfolgt  der Energiefluss  an der Oberfläche  ausschließlich durch Leitung. In den nächsten Schichten treten jedoch sowohl Leitungs- als auch Diffusionsmassenbewegungen auf molekularer oder makroskopischer Ebene auf. Aufgrund der Massenbewegung ist die Energieübertragungsrate höher.

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