Experimentelle Betrachtung der Wärmeübertragung durch instationäre freie Konvektion an der vertikalen Platte

Produktbeschreibung

Kurzinhalt

In der vorliegenden Dissertation werden die Auswirkungen von instationären Prozessen in freier Konvektion an der vertikalen Platte auf die Wärmeübertragung an Luft experimentell untersucht. Die dabei erhobenen Messwerte werden auf der Grundlage einer phänomenologischen Betrachtung in ein analytisches Berechnungsverfahren überführt. So legt eine physikalische Interpretation nahe, dass nach einer plötzlichen Veränderung der Wärmestromdichte ein Überschuss an potentieller Energie in der Strömungsgrenzschicht entsteht, der in einem anschließenden Ausgleichsvorgang durch zusätzliche Konvektionsstrukturen (insb. Kelvin-Helmholtz-Wirbel) in kinetische Energie umgewandelt wird. Betrachtet werden zyklische und sprungartige Variationen der Randbedingungen, deren praktische Anwendung erst durch die Etablierung der elektronischen Leistungsregelung relevant wurde. Derartige Betriebsweisen erlauben beispielsweise für die Wärmeübergabe von Raumheizsystemen eine Intensivierung der Übertragungsleistung bei gleicher mittlerer Oberflächentemperatur.

Inhalt
Vorwort ………………………………………………………………………………………….. III
Nomenklatur ………………………………………………………………………………….. VIII
Kurzfassung ……………………………………………………………………………………… XI
Abstract ………………………………………………………………………………………… XIII
1 Freie Konvektion an der vertikalen Platte …………………………………………… 1
1.1 Konvektive Wärmeübertragung ……………………………………………………… 2
1.1.1 Räumlicher Bezug der Wärmeübertragungs-Intensität………………. 5
1.2 Laminar-turbulente Transition ……………………………………………………….. 6
2 Instationäre freie Konvektion …………………………………………………………… 8
2.1 Beschreibung von instationären freien Konvektionsströmungen …………. 9
2.2 Berechnung von instationären Strömungsgrößen ……………………………. 11
2.2.1 Physikalische Vereinfachungen ……………………………………………. 12
2.2.2 Modellbasierte Vereinfachungen …………………………………………. 14
2.3 Weiterführende Betrachtung der instationären Wärmeübertragung ….. 17
3 Experimentelle Analyse der Wärmeübertragung durch freie Konvektion
an der vertikalen Platte ………………………………………………………………….. 18
3.1 Versuchsaufbau ………………………………………………………………………….. 18
3.1.1 Konstruktion und Umgebungsbedingungen …………………………… 19
3.1.2 Sandwich-Heizelemente ……………………………………………………… 22
3.1.3 Leistungszufuhr und Regelung ……………………………………………… 24
3.1.4 Messwert-Erfassung …………………………………………………………… 26
3.1.5 Betriebsverhalten ………………………………………………………………. 28
3.2 Stationäre Validierung …………………………………………………………………. 29
3.2.1 Bestimmung der Wärmeübertragung aufgrund von Strahlung ….. 30
3.2.2 Bestimmung der konvektiven Wärmeübertragung ………………….. 30
3.2.3 Isotherme Oberfläche …………………………………………………………. 31
3.2.4 Homogene Wärmestromdichte ……………………………………………. 33
3.3 Instationäre Bewertungsmethodik ………………………………………………… 35
3.3.1 Quasi-stationärer Betrachtungsansatz…………………………………… 36
3.3.2 Bewertung der instationären Wärmeübertragung ………………….. 38
3.3.3 Thermische Kapazität der Sandwich-Heizelemente …………………. 40
3.3.4 Messunsicherheits-Fortpflanzung ………………………………………… 42
3.4 Versuchsreihen mit veränderlichen Randbedingungen …………………….. 42
3.4.1 Zyklische Variationen………………………………………………………….. 42
3.4.2 Sprungartige Änderungen mit anschließender Beharrung ………… 50
3.5 Schlussfolgerungen zur instationären Wärmeübertragung ……………….. 54
4 Phänomenologische Betrachtung …………………………………………………….. 55
4.1 Strömungsvisualisierung ……………………………………………………………… 55
4.1.1 Versuchsaufbau zur Strömungsvisualisierung …………………………. 55
4.1.2 Strömungsstrukturen …………………………………………………………. 56
4.2 Strömungsgeschwindigkeiten ……………………………………………………….. 60
4.2.1 Versuchsaufbau zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten . 61
4.2.2 Geschwindigkeits-Fluktuationen ………………………………………….. 62
4.3 Schlussfolgerungen zu instationären Strömungsstrukturen ………………. 65
5 Analytische Prognose der Wärmeübertragung durch instationäre
freie Konvektion ……………………………………………………………………………. 66
5.1 Physikalische Modellvorstellung ……………………………………………………. 66
5.1.1 Potentielle und kinetische Energie der freien Konvektion ………… 66
5.1.2 Zeitliche Entwicklung der Wärmeübertragung durch
freie Konvektion ………………………………………………………………… 68
5.2 Prognosemodell zur instationären Wärmeübertragung bei
zyklischer Variation der Randbedingungen …………………………………….. 69
5.2.1 Validierungsmessungen für zyklische Variationen …………………… 70
5.2.2 Instationäre Phase bei zyklischen Variationen ………………………… 73
5.2.3 Momentanwerte von zyklischen Variationen …………………………. 76
5.2.4 Modellanwendung und Prognosegüte für zyklische Variationen .. 78
5.3 Prognosemodell zur instationären Wärmeübertragung bei
sprungartigen Änderungen mit anschließender Beharrung ………………. 80
5.3.1 Validierungsmessungen für sprungartige Änderungen …………….. 81
5.3.2 Instationäre Phase bei sprungartigen Änderungen ………………….. 83
5.3.3 Momentanwerte von sprungartigen Änderungen …………………… 85
5.3.4 Modellanwendung und Prognosegüte für
sprungartige Änderungen …………………………………………………… 87
6 Zusammenfassung …………………………………………………………………………. 89
7 Ausblick ……………………………………………………………………………………….. 93
A Anhang ………………………………………………………………………………………… 95
A.1 Ergebnisse der Validierungsmessungen für zyklische Variationen ………. 95
A.2 Ergebnisse der Validierungsmessungen für sprungartige Änderungen . 100
Literatur ………………………………………………………………………………………… 103

Keywords: freie Konvektion, Wärmeübertragung, instationär, vertikale Platte, Luft, experimentell, analytisches Berechnungsverfahren,