Wärme- und Stoffübertragung (WSU)

Wärmetransport ist ein Energietransport zwischen zwei Systemen alleine aufgrund von Temperaturunterschieden. Die Klärung der Gesetzmäßigkeiten dieses Wärmetransportes ist Aufgabe der Lehre der Wärmeübertragung. Der Wärmetransport kann dabei durch Wärmeleitung, Wärmekonvektion und Wärmestrahlung erfolgen.
Stofftransport ist ein Massentransport zwischen zwei Systemen aufgrund von Dichteunterschieden eines Stoffes in einem Stoffgemisch. Die Klärung der Gesetzmäßigkeiten des Stofftransportes ist Aufgabe der Stoffübertragung. Der Stofftransport kann dabei (im Wesentlichen) erfolgen durch Diffusion und Konvektion.
Wegen der grundsätzlichen Ähnlichkeit der beiden Transportprozesse sind auch die zugrunde liegenden Transportgleichungen ähnlich. Eine gemeinsame Behandlung der beiden Themen bietet sich deshalb an. Die Stoffübertragung wird dabei nur in ihren Grundstrukturen behandelt. Die Vorlesung WSU ist auch das Fundament für die weiterführende Vorlesung "thermische Trennverfahren".

Schwerpunkt der Vorlesung ist die Wärmeübertragung, entsprechend ausführlich wird sie in der Vorlesung behandelt. Für den Wärme- und Stofftransport werden alle beschreibenden Transportgleichungen aus Bilanzen abgeleitet. einfache analytische Lösungen dieser Transportgleichungen (im eindimensionalen Raum) werden aufgezeigt. Bei "realen Wärme- und Stoffübertragungsproblemen" können diese Transportgleichungen allerdings nicht mehr analytisch gelöst werden. Will man trotzdem reale Apparate auslegen, müssen messtechnisch ermittelte Korrelationen verwendet werden. Dabei ist es nur durch eine konsequente Anwendung der Ähnlichkeitskriterien überhaupt möglich, solche Korrelationen mit vertretbarem messtechnischem Aufwand aufzustellen. Die Hintergründe dieser "Ähnlichkeitstheorie" werden ebenso intensiv beleuchtet wie die ingenieurtechnischen Zusammenhänge für eine sinnvolle Auslegung von Wärmeübertragungsapparaten.

Mit dem Vorlesungswissen ist der Student in der Lage, alle wichtigen Wärmeübertragertypen selbsttätig auszulegen. Die Vorlesung zeigt dabei nicht nur "Kochrezepte" zur Dimensionierung von Wärmeübertragern, sondern will den Studenten zusätzlich ein Verständnis für die Wärmeübertragungsmechanismen und für die Schwierigkeiten und Tücken bei der Dimensionierung der Apparate vermitteln. Dazu wird eine "Ingenieurmathematik" ebenso geübt wie die Bilanzierung von Systemen, um darüber Lösungen von Wärmeübertragungsproblemen zu erhalten. In der Vorlesung selber und mit den Aufgaben wird die "Arbeitsmethodik" zur Lösung von ingenieurtechnischen Problemen ausführlich erläutert und geübt.

Organisation

Die Vorlesung läuft über zwei Semester als je 4-stündige Vorlesung im Hörsaal. Es existiert ein ausführliches Vorlesungsskript, das auch als Arbeitsunterlage für die Semester-Abschlussklausur dient. Daneben gibt es eine unfangreiche Aufgaben/Lösungssammlung. Es werden vorlesungsbegleitende Übungen abgehalten (innerhalb des Vorlesungsblocks). Die Vorlesung wird begleitet von einer Praktikumsübung für die Wärmeübertragung.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Die verschiedenen Arten der Wärme- und Stoffübertragung
1.2 Die Wärmeübertragung am Beispiel Dampferzeuger


2 Wärmeleitung
2.1 Grundbegriffe
2.2 Die Differentialgleichung der Wärmeleitung
2.3 Anfangs- und Randbedingungen
2.4 Geometrisch 1-dimensionale Wärmeleitung
2.5 Wärmedurchgang
2.6 Berippte Oberflächen
2.8 Die Wärmeleitfähigkeit 

3 Konvektion
3.1 Allgemeines zur Konvektion
3.2 Die Erhaltungsgleichungen
3.3 Hinweise zur Grenzschichttheorie
3.4 Zur Turbulenz

4 Diffusion
5.1 Definitionen und Begriffe
5.2 Das Ficksche Gesetz
5.3 Die Differentialgleichung für das Konzentrationsfeld
5.4 Der Diffusionskoeffizient

6 Die Ähnlichkeit
6.1 Bestimmung der Kennzahlen aus den Differentialgleichungen
6.2 Bestimmung der Kennzahlen aus der Dimensionsanalyse
6.3 Die physikalische Bedeutung der dimensionslosen Kennzahlen
6.4 Grenzen der Ähnlichkeitsgesetzt

6 Wärmeübergangskoeffizienten bei erzwungener Konvektion
6.1 Vorbemerkungen
6.2 Wärmeübertragung bei Strömungen längs einer ebenen Wand
6.3 Wärmeübertragung bei Strömungen durch Rohre und Spalte
6.4 Äußere Wärmeübertragung an Einzelrohren und Rohrbündeln
6.5 Wärmeübertragung bei der Strömung durch Rohrwendeln
6.6 Wärmeübergang an quer angeströmten Rippenrohrbündeln
6.7 Wärmeübertragung im Außenraum von Rohrbündelwärmetauscher

7 Wärmeübertragung bei natürlicher Konvektion

8 Stoffübergangskoeffizienten
8.1 Die Analogie zwischen konvektivem Wärmetransport und Stofftransport
8.2 Korrelationen für den Stoffübergangskoeffizienten
8.3 Der Stoffdurchgang
8.4 Stoffdurchgangskoeffizient ohne Phasengrenzflächenwiderstand

9 Berechnung von Wärmeübertragern
9.1 Die Grundgleichungen
9.2 Berechnungsunterlagen
9.3 Gegen- und Gleichstromwärmeübertrager
9.4 Doppelrohr-Wärmeübertrager
9.5 Rohrbündel-Wärmeübertrager
9.6 Kreuzstromwärmeübertrager
9.7 Rührkessel
9.8 Plattenwärmeübertrager
9.9 Wärmedurchgang bei verschmutzten Heizflächen
9.10 Konstruktive Hinweise zum Bau von Rohrbündel-Wärmeübertragern

10 Stoffaustauscher
10.1 Theorie der Trennstufen
10.2 Die Rektifikation
10.3 Kinetische Theorie der Gegenstromgemischzerlegung

11 Wärmeübergang bei Verdampfung und Kondensation
11.1 Behältersieden
11.2 Sieden bei strömendem Medium
11.3 Wärmeübergang bei der Kondensation