Wärmewiderstand – Wärmewiderstand
Im Ingenieurwesen wird oft ein anderes sehr wichtiges Konzept verwendet. Da es eine Analogie zwischen der Verteilung von Wärme und elektrischer Ladung gibt , verwenden Ingenieure häufig den Wärmewiderstand (dh den Wärmewiderstand gegen Wärmeleitung), um den Wärmeübergang durch Materialien zu berechnen. Der Wärmewiderstand ist der Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit. So wie ein elektrischer Widerstand mit der Leitung von Elektrizität verbunden ist, kann ein thermischer Widerstand mit der Leitung von Wärme verbunden sein.
Betrachten Sie eine ebene Wand mit der Dicke L und der durchschnittlichen Wärmeleitfähigkeit k. Die beiden Oberflächen der Wand werden auf konstanten Temperaturen von T 1 und T 2 gehalten . Für eindimensionale gleichmäßige Wärmeleitung durch die Wand haben wir T (x). Dann Gesetz Fourier der Wärmeleitung für die Wand kann wie folgt ausgedrückt werden:
Definition des Wärmewiderstands
Der Wärmewiderstand ist eine Wärmeeigenschaft und eine Messung einer Temperaturdifferenz, mit der ein Objekt oder Material einem Wärmefluss widersteht. Der Wärmewiderstand für die Leitung in einer ebenen Wand ist definiert als:
Da das Konzept des Wärmewiderstands in einer Vielzahl von technischen Bereichen verwendet werden kann, definieren wir:
- Absoluter thermischer Widerstand , R t , die Einheiten von [K / W] aufweist. Der absolute Wärmewiderstand ist eine Eigenschaft einer bestimmten Komponente, deren Geometrie definiert ist (Dicke – L, Fläche – A und Form). Zum Beispiel eine Eigenschaft eines definierten Wärmetauschers. Es wird nur ein Temperaturunterschied benötigt, um die übertragene Wärme zu lösen.
- Spezifischer Wärmewiderstand oder spezifischer Wärmewiderstand R λ mit Einheiten von [(K · m) / W]. Die spezifische Wärme ist eine Materialkonstante. Materialdicke und ein Temperaturunterschied sind erforderlich, um die übertragene Wärme zu lösen.
- R-Wert . Der R-Wert (Wärmeisolationsfaktor) ist ein Maß für den Wärmewiderstand. Je höher der R-Wert ist, desto größer ist die Isolationswirksamkeit. Die Wärmeisolierung hat die Einheiten [(m 2 · K) / W] in SI-Einheiten oder [(ft 2 · ° F · h) / Btu] in imperialen Einheiten. Dies ist der Wärmewiderstand der Flächeneinheit eines Materials. Der R-Wert hängt von der Art der Isolierung, ihrer Dicke und ihrer Dichte ab. Eine Fläche und eine Temperaturdifferenz sind erforderlich, um die übertragene Wärme zu ermitteln.
Analogie zum elektrischen Widerstand
Die obige Gleichung für den Wärmefluss ist analog zu der Beziehung für den elektrischen Stromfluss I , ausgedrückt als:
Dabei ist R e = L / σ e A der elektrische Widerstand und V 1 – V 2 die Spannungsdifferenz über dem Widerstand (σ e ist die elektrische Leitfähigkeit). Die Analogie zwischen beiden Gleichungen ist offensichtlich. Die Wärmeübertragungsrate durch eine Schicht entspricht dem elektrischen Strom, der Wärmewiderstand entspricht dem elektrischen Widerstand und die Temperaturdifferenz entspricht der Spannungsdifferenz über der Schicht. Die Temperaturdifferenz ist das Potential oder die Antriebsfunktion für den Wärmefluss, was dazu führt, dass die Fourier-Gleichung in einer Form geschrieben wird, die dem Ohmschen Gesetz der elektrischen Schaltungstheorie ähnlich ist.
Schaltungsdarstellungen bieten ein nützliches Werkzeug zur Konzeption und Quantifizierung von Wärmeübertragungsproblemen. Diese Analogie kann auch für den Wärmewiderstand der Oberfläche gegen Wärmekonvektion verwendet werden. Beachten Sie, dass bei einem sehr großen Konvektionswärmeübergangskoeffizienten (h → unendlich) der Konvektionswiderstand Null wird und sich die Oberflächentemperatur der Massentemperatur nähert. Diese Situation wird in der Praxis auf Oberflächen angegangen, auf denen intensives Kochen und Kondensation auftreten.
Aus diesen Widerständen kann der Wärmeübergang durch die Verbundwand berechnet werden. Die Geschwindigkeit der stetigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.
Das äquivalente Wärmekreislauf für die ebene Wand mit Konvektionsoberflächenbedingungen ist in der Abbildung dargestellt.
Siehe auch: Wiedemann-Franz-Gesetz
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