Was ist die Wärmeübertragung?

Die Wärmeübertragung ist die Bewegung von thermischer Energie in Form von Wärme zwischen physikalischen Systemen mit unterschiedlichen Temperaturen unter Verwendung von vier unterschiedlichen Mechanismen – Advektion, Leitung, Konvektion und Strahlung. Die Wärmeübertragung wirkt sich auf fast jeden Aspekt des modernen Lebens aus, vom Kochen von Lebensmitteln über die Kühlung eines Laptops bis hin zur Stromerzeugung in einem Kraftwerk. Jeden Tag ist die Erwärmung der Erde durch Sonnenstrahlung ein Prozess der Wärmeübertragung, genauso wie Stürme durch Konvektionsströme in der Erdatmosphäre verursacht werden.

Die Wärmeübertragung tritt als natürliches Phänomen in jeder Situation auf, in der Temperaturunterschiede zwischen zwei Systemen bestehen, wie im zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben. Ingenieur*innen verwenden auch Wärmeübertragungsgeräte, um Energie in Form von Wärme von einem Ort an einen anderen zu transportieren, um Wärme dorthin zu bringen, wo sie benötigt wird, und sie dort abzuführen, wo sie Probleme verursachen kann. Sicherheit, Effizienz und Leistung von Produkten werden dadurch bestimmt, dass die Temperatur jedes Teils eines Produkts innerhalb eines gewünschten Temperaturbereichs gehalten wird.

Bei der Wärmeübertragung geht es im Wesentlichen darum, Energie in Form von Wärme von einem System zum anderen zu bewegen. Die Disziplin betrachtet die Energiemenge, die in Form von Wärme gespeichert oder übertragen wird, und die verschiedenen Arten, wie die Energie durch die Systeme bewegt wird.

Hier sind einige wichtige Begriffe, die bei der Wärmeübertragung verwendet werden, und ihre Bedeutung.

Konvektionsströme

Konvektionsströme beziehen sich auf eine Flüssigkeit, die einen lokalen Temperaturanstieg und einen entsprechenden Dichteabfall aufgrund der Erwärmung erfährt. Der Dichteabfall erzeugt eine Auftriebskraft, die dazu führt, dass die wärmere Flüssigkeit steigt, bis sie abkühlt. Wenn die Regionen abkühlen, nimmt die Dichte ab, und der Flüssigkeitsbereich wird durch negativen Auftrieb nach unten gezogen. Diese Strömungen sind leicht in einem Topf mit kochenden Spaghetti zu erkennen, wo die Konvektionsströme die Nudeln dazu bringen, sich im Wasser zu drehen.

Wärmekapazität oder thermische Masse

Die Wärmekapazität eines Systems ist die Menge an Wärme, die erforderlich ist, um die Temperatur des Systems um ein Grad zu erhöhen. Je höher die Wärmekapazität ist, desto mehr Energie wird benötigt, um die Temperatur zu erhöhen. Sie ist ein wichtiger Wert bei der Wärmeübertragung, da sie zeigt, wie Materialien auf Wärme reagieren und wie schnell das Objekt erwärmen oder abkühlen kann.

Wärmestrom

Der Wärmestrom misst die Energiemenge, die durch eine Flächeneinheit übertragen wird. Er ist die Gesamtwärme geteilt durch die Fläche einer Oberfläche, auf der er gemessen wird. Er ist ein kritischer Wert bei der Wärmeübertragung, da er Ingenieur*innen die Energiemenge mitteilt, die von einem Objekt zum anderen oder von einem Objekt zu einer Flüssigkeit transportiert wird.

Wärmeerzeugung

Die Wärmeerzeugung ist die Erzeugung von thermischer Energie durch mehrere Prozesse, einschließlich chemischer Reaktionen, Verbrennung, Kernfusion, Kernspaltung, Thermoelektrik, elektrischer Widerstand, mechanische Reibung oder Druckänderungen in einer Flüssigkeit.

Wärmeübertragungskoeffizient

Der Wärmeübertragungskoeffizient (h) einer Oberfläche misst die Beziehung zwischen dem Wärmestrom zwischen einer Oberfläche und der Flüssigkeit, die die Oberfläche berührt, und dem Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit. Der Wert kann berechnet werden, wenn die Geschwindigkeit und die thermischen Eigenschaften der Flüssigkeit bekannt sind. Er wird manchmal auch als Grenzschichtkoeffizient bezeichnet.

Massenübertragung

So wie die Wärmeübertragung die Bewegung der Wärme von einem System zum anderen behandelt, handelt es sich bei der Massenübertragung um die Bewegung von Masse. Dies ist bei der Wärmeübertragung wichtig, da jede Masse, die sich zwischen Systemen bewegt, eine interne Wärmeenergie hat, die sich mit der Masse bewegt. Luft, die sich über eine Wärmesenke bewegt, ist sowohl die Massenübertragung als auch die Wärmeübertragung.

Phasenwechsel

Wenn Materie von einem Zustand in einen anderen übergeht, durchläuft sie eine einen Phasenwechsel. Streng genommen ist Phasenwechsel keine Wärmeübertragung, sondern wird zusammen mit der Wärmeübertragung zur Temperaturregelung in Systemen verwendet. Die Änderungen der Molekülbindungen innerhalb der materialverändernden Phase absorbieren Energie, wenn sie von fest zu flüssig (schmelzen) oder von flüssig zu gasförmig (Sieden oder Verdampfen) wechseln, und setzen Energie frei, wenn sie vom gasförmigen in den flüssigen Zustand (Kondensation) oder vom flüssigen in den festen Zustand (Frosten) übergehen. Ingenieur*innen verwenden häufig Phasenwechseln, um Wärme zu entfernen oder zu einem System hinzuzufügen.

Temperatur

Temperatur ist ein Maß für die kinetische Energie der vibrierenden und kollidierenden Atome und Moleküle in einem Objekt.

Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit (k) eines Materials ist ein Maß für die Fähigkeit dieses Materials, Wärme zu leiten. Die Umkehrung der Wärmeleitfähigkeit ist der thermische Widerstand.

Thermische Energie oder Wärme

Wärme ist die innere Energie der Materie in Form der mikroskopischen Bewegung von subatomaren Partikeln, Atomen und Molekülen. Je höher die Temperatur, desto höher die Energie. Genau genommen bezieht sich die Wärme nur auf die Menge der übertragenen thermischen Energie. Aber die meisten Menschen nutzen Wärme und thermische Energie austauschbar.

Thermisches Gleichgewicht

Das thermische Gleichgewicht ist der Zustand, in dem zwei sich berührende Objekte die gleiche Temperatur haben. Wenn ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist, stoppt die Wärmeübertragung zwischen den beiden Objekten.

Thermodynamik

Thermodynamik ist ein Teilbereich der Physik, der sich auf Wärme, Arbeit und Temperatur konzentriert und wie sie die Energie und Entropie von Systemen und die physikalischen Eigenschaften von Materie beeinflussen. Sie wird durch die vier Gesetze der Thermodynamik beschrieben. Die Physik der Wärmeübertragung ist der Teil der Thermodynamik, der sich mit dem Wärmefluss zwischen Objekten befasst.

Die Bewegung der thermischen Energie zwischen Systemen kann in einer von vier Modi erfolgen, bei denen Energie übertragen wird, wenn Wärme vom Objekt mit höherer Temperatur zum Objekt mit niedrigerer Temperatur fließt. In den meisten Fällen sind zwei oder mehr Arten von Wärmeübertragung gleichzeitig aktiv, je nachdem, ob die betroffenen Objekte sich berühren, von einer Flüssigkeit umgeben oder für einander sichtbar sind. 

Im Folgenden finden Sie eine kurze Definition der einzelnen Mode.

Advektion

Die thermische Advektion ist der Mechanismus der thermischen Energieübertragung, bei dem Wärme von einem Ort zum anderen durch die Bewegung und den Impuls einer Flüssigkeit transportiert wird. Advektion wird manchmal als erzwungene Konvektion bezeichnet, um sie von der strengen Definition der Konvektion zu unterscheiden, da die Fluidströmung in Advektion nicht durch Auftriebskräfte verursacht wird, sondern durch Zugabe von Energie an das System übertragen wird.

Ein Lüfter, der eine Computerplatine kühlt, ist ein Beispiel für eine advektive Wärmeübertragung.

Wärmeleitung

Wärmeleitung beschreibt die Wärmeübertragung zwischen zwei Objekten, die direkt in Kontakt stehen oder innerhalb eines Objekts mit einem Temperaturunterschied über das Objekt. Sie beschreibt die Übertragung von Energie durch thermische Diffusion, wie in dem Fourierschen Gesetz der Wärmeübertragung beschrieben. Die Geschwindigkeit der Energieübertragung wird durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials und den Temperaturgradienten in dem Objekt oder den Objekten bestimmt. Bei zwei Objekten, die sich physisch berühren, bestimmen der Druck und die Passgenauigkeit zwischen den beiden Oberflächen den thermischen Kontaktwiderstand.

Ein Beispiel für Wärmeleitung ist der Griff eines Topfes auf einem Herd. Die Wärme bewegt sich vom Boden des Topfes zu den Wänden und in den Griff.

Konvektion

Konvektion oder konvektive Wärmeübertragung ist die Übertragung von thermischer Energie durch die Bewegung einer Flüssigkeit, die durch Auftrieb aufgrund von Temperaturunterschieden in der Flüssigkeit verursacht wird. Ingenieur*innen bezeichnen sie im Allgemeinen als freie Konvektion oder natürliche Konvektion, um sie von der Advektion oder der erzwungenen Konvektion zu unterscheiden.

Ein häufiges Beispiel für Konvektion ist, dass man einfach eine Tasse heißen Kaffee oder Tee draußen lässt. Das warme Getränk überträgt Wärme in die Luft, und Auftriebskräfte führen die Wärme ab.

Strahlung

Die Wärmeübertragung durch Strahlung ist ein Mechanismus, der Wärmeenergie als elektromagnetische Wellen/Photonen überträgt. Thermische Energie bewirkt, dass sich die Atome in jeder Form von Materie bewegen, und die Bewegung der geladenen Partikel in diesen Atomen (Protonen und Elektronen) führt zur Emission elektromagnetischer Strahlung. Die Wärmeübertragung aufgrund thermischer Strahlung findet nur in einem Vakuum oder durch ein Medium statt, das für die Infrarot-Wellenlängen, die aufgrund der Temperatur eines Objekts emittiert werden, transparent ist. 

Energie in Form von Wärme kann für die Arbeit verwendet werden, oder sie kann sich aufgrund von Temperaturunterschieden negativ auf jedes System auswirken. Die Grundlagen der Wärmeübertragung werden von Ingenieur*innen angewendet, um die Menge der in Systeme einströmenden thermischen Energie zu steuern, Wärmeenergie nach Bedarf innerhalb von Systemen zu bewegen und thermische Energie mithilfe eines oder mehrerer Transfermechanismen aus Systemen zu entfernen.

Im Folgenden finden Sie eine Liste mit einigen der häufigsten Anwendungen von Wärmeübertragung.

Kochen

Zubereitung von Lebensmitteln durch Anwendung von Hitze, um sie sicher und genießbar zu machen. Feuer wurde ursprünglich als Wärmequelle genutzt, wo eine Kombination aus Konvektion und Strahlungswärmeübertragung die Wärme vom brennenden Brennstoff auf das Lebensmittel überträgt.

Im Laufe der Zeit wurden Öfen entwickelt, um ein Hochtemperaturgehäuse zu schaffen, in dem die Konvektion der erwärmten Luft und die Strahlung von den Wänden die Speisen kochten. Modernes Kochen kann elektrischen Widerstand oder elektrische Induktion als Wärmequelle verwenden, um Energie in Kochbehälter zu übertragen. Luftfritteusen und Konvektionsöfen sind Beispiele für die Verwendung von Advektion in Form von Ventilatoren, die Hochtemperaturluft über das Lebensmittel blasen, um den Wärmestrom in das Lebensmittel zu erhöhen und es schneller zu kochen.

Thermomanagement in Elektronik

Eine weitere sehr häufige Anwendung der Wärmeübertragung im modernen Leben ist die Kühlung elektronischer Geräte. Der Widerstand in elektronischen Bauteilen erzeugt Wärme, und es werden verschiedene Wärmeübertragungsmethoden eingesetzt, um die Wärme von den Bauteilen abzuführen.

Im einfachsten Fall, wie bei einem Mobiltelefon, wird die Wärmeleitung verwendet, um die thermische Energie von den Komponenten zum Gehäuse und Bildschirm zu transportieren, wobei die Konvektion die Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Bei Geräten mit höheren Temperaturen wie Computern sind die Kühlkörper so konzipiert, dass sie eine große Oberfläche für die Konvektion bieten. Bei Bedarf wird die Advektion genutzt, indem Ventilatoren im Gerät platziert werden, um den Impuls der Luft zu erhöhen, die Wärme abzuführen und den Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhöhen.

Heizung und Kühlung

Menschen haben Wärmeübertragung auch verwendet, um Geräte und Materialien zu entwickeln, die eine angenehme Temperatur im Inneren von Strukturen aufrechthalten:

• Gebäude verwenden eine Dämmung, um die Wärmeübertragung vom Inneren der Struktur in die Außenumgebung zu reduzieren.
• Beschichtungen an Fenstern reduzieren die Menge der Infrarotstrahlung, die durch Fenster strömt, und Klimaanlagen verwenden Phasenwechsel, um Wärme aus der Luft zu entziehen und die Luft mit niedriger Temperatur in die Räume zurückzuführen.
• Zum Heizen wird Verbrennung oder Elektrizität verwendet, um Luft oder Dampf zu erhitzen, der die erwärmte Flüssigkeit dorthin transportiert, wo sie benötigt wird.

Materialverarbeitung

Von der Herstellung von Metalllegierungen bis hin zur Gewinnung von Erdölprodukten aus Rohöl spielt die Wärmeübertragung bei den meisten Beispielen der Materialverarbeitung eine wesentliche Rolle.

In jedem Fall wird die Wärmeübertragung verwendet, um eine gewünschte Temperatur im Rohmaterial zu erhalten und aufrechtzuerhalten, um eine gewünschte Phasenänderung, chemische Reaktion oder metallurgische Modifikation durchzuführen. Die Wärmeübertragung wird untersucht und verwendet, um die Effizienz der Materialverarbeitung zu optimieren, um die benötigte Energiemenge zu minimieren.

Automotoren:

Verbrennungsmotoren (ICEs) erzeugen eine erhebliche Menge an Wärme. Obwohl einige Motoren auf Luftkühlung angewiesen sind, verwenden die meisten Motoren gepumptes Wasser, um Wärme aus dem Motorblock zu ziehen, der aus Stahl oder Aluminium besteht. Die beiden sind Wärmeleiter.

Die Flüssigkeit wird dann durch einen Kühler – einen großen Wärmetauscher an der Vorderseite des Fahrzeugs – geleitet, um Wärmeenergie durch Advektion in Luft zu übertragen. Dabei wird die Geschwindigkeit des Fahrzeugs verwendet, wenn es sich bewegt, oder die Ventilatoren, wenn es steht oder sich langsam bewegt.

Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge

Motoren und Batterien in Elektrofahrzeugen (EVs) können beträchtliche Wärme erzeugen, die aus dem Fahrzeug abgeführt werden muss. Einige Systeme sind so konzipiert, dass sie Wärme mithilfe von der Wärmeleitung von der Wärmequelle wegbewegen und dann Kühlschleifen mit Flüssigkeit verwenden, um die Wärme zu den Kühlern zu transportieren.

Raumschiff

Die Kühlung und Heizung von Elektronik im Weltraum und insbesondere von Sensoren wie CMOS-Kameras auf Raumfahrzeugen ist ein einzigartiges Problem bei der Wärmeübertragung, da es keine Umgebungsluft gibt, auf die Wärmeenergie übertragen werden kann. Das Design muss die Wärme, die von der Elektronik erzeugt wird, Infrarotstrahlung aus der Umgebung, von der Sonne absorbierte Wärme und in den Raum abgestrahlte Wärme in Einklang bringen. Um die Temperatur von Bauteilen im Raum innerhalb des richtigen Betriebsbereichs zu halten, verwenden Ingenieur*innen eine Kombination aus Leitung, Strahlung, Advektion, Wärmeerzeugung oder Phasenänderung.

Ingenieur*innen, die Wärmemanagementsysteme entwickeln, sind stark auf Simulation angewiesen, um die Systeme zu verstehen, die sie entwickeln, und um ihre Konstruktionen voranzutreiben. Die Simulation kann viel schneller durchgeführt werden, früher im Konstruktionsprozess ausgeführt werden. Sie untersucht weitaus mehr Szenarien als physische Tests.

In einigen Fällen kann die Simulation in Form einiger Gleichungen erfolgen. Da Systeme immer komplexer werden, setzen Ingenieur*innen Finite-Elemente-Analyse (FEA), Finite-Differenzen-Analyse, numerische Strömungsdynamik (CFD) und Raytracing ein, um die Wärmeübertragungsmodi Leitung, Konvektion/Advektion und Strahlung zu modellieren.

Im Folgenden finden Sie einige Vorschläge zur Durchführung genauer und effizienter Simulationen für die Wärmeübertragung.

1. Bestimmen Sie, ob und wann eine stationäre oder transiente Lösung erforderlich ist

Die Wärmeübertragung ist ein zeitabhängiges Phänomen, da es Zeit dauert, bis sich thermische Energie zwischen Objekten bewegt, bis ein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Bevor Sie mit einer Simulation beginnen, sollten Sie wissen, ob Sie das transiente Verhalten des Systems erfassen müssen oder ob Sie nur an den Wärmeströmen und Temperaturen interessiert sind, sobald die stationären Bedingungen erfüllt sind.

2. Kennen Sie Ihre Materialeigenschaften

Genaue Berechnungen der Wärmeübertragung hängen stark von den Materialeigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Emissionsgrad ab. Die Verwendung eines Tools wie Ansys Granta zum Abrufen und Verwalten thermischer Materialeigenschaften kann sehr nützlich sein.

3. Machen Sie sich mit den Randbedingungen und Kontrollvolumen vertraut

Eine der häufigsten Fehlerquellen in der Simulation der Wärmeübertragung ist das Anwenden der falschen Randbedingungen oder das nicht-Definieren des richtigen Kontrollvolumens mit Bezug auf Objekte. Es sollte darauf geachtet werden, jeden Bereich im System, das Sie modellieren, zu skizzieren. Stellen Sie sicher, dass Sie den Wärmestrom und die Wärmeerzeugung in jedem Bereich kennen, bevor Sie das Modell erstellen.

4. Präzise Erfassung von Flüssigkeitsgeschwindigkeiten

Natürliche und erzwungene Konvektion sind die beiden häufigsten Wärmeübertragungsarten, die zur Steuerung des Wärmeflusses in Systemen verwendet werden, und der Wärmestrom von einer Oberfläche zu einer Flüssigkeit ist in hohem Maße von der Geschwindigkeit abhängig.

Ein FEA-Programm wie Ansys Mechanical strukturelle Finite-Elemente-Analysesoftware oder ein Programm für Finite-Differenzen wie die thermisch-zentrische Modellierungssoftware Ansys Thermal Desktop kann konvektive Wärmeübertragung zu einer Flüssigkeit unter Verwendung eines Wärmeübertragungskoeffizienten darstellen, wenn die Geschwindigkeit gut bekannt ist. Bei Bedarf kann die Flüssigkeit als 1-D-Wärme-Fluid-Netzwerk vereinfacht werden, um die Wärmeübertragung und die Geschwindigkeit der Flüssigkeiten im System genauer zu berechnen. Dies ist gängige Praxis bei Kraftfahrzeugmotoren, Düsenmotoren, Kernkraftwerken und Raumfahrzeugen.

In komplexen Systemen, in denen die Fluidströmung nicht geschätzt oder vereinfacht werden kann, wird jedoch ein vollständiges CFD-Tool wie die Ansys Fluent-Software von Ingenieur*innen verwendet, um Fluidströmungen genau vorherzusagen, einschließlich Turbulenzen, Konvektionsströme und das Mischen verschiedener Fluide. Simulationen, die genaue Wärmeleitfähigkeit in Feststoffen und Fluidverhalten kombinieren, werden als konjugierte Wärmeübertragung bezeichnet.

5. Vereinfachen Sie Modelle, wenn möglich

Sehr erfahrene Wärmetechniker*innen sind Experten für die Vereinfachung von Systemen für die Simulation der Wärmeübertragung. In vielen Fällen kann ein 1D-Netzwerkmodell verwendet werden, um das thermische Verhalten eines Systems ganz oder teilweise zu erfassen. Oder 3D-Geometrie kann stark vereinfacht werden, da kleine Features die Wärmeübertragungsreaktion nicht beeinflussen.

Ein Tool wie Thermal Desktop kann einfache Modelle für frühe Konstruktionsstudien erstellen, bevor CAD-Geometrie verfügbar ist, und eine vereinfachte Vereinfachung beibehalten, da CAD-Geometrie mit TD Direct in Ansys SpaceClaim verfügbar wird.

Ein Tool wie TD Direct in Ansys SpaceClaim kann die Konvertierung komplexer CAD-Geometrie in ein vereinfachtes Modell, das ideal für transiente thermische Analysen ist, erheblich beschleunigen.

6. Nutzen Sie die Leistungsfähigkeit vertikaler Anwendungen für die Elektronik

Die Modellierung der Wärmeübertragung in der Elektronik ist eine eigene Spezialität. Daher wurden Tools wie Ansys Icepak Simulationssoftware für Elektronikkühlung entwickelt, um sich auf diesen wichtigen Bereich zu konzentrieren. Vertikale Anwendungen verstehen die branchenspezifische Terminologie, Geometrie und Randbedingungen und bieten Möglichkeiten zur Automatisierung der Modellerstellung und Nachbearbeitung. Die Verwendung einer vertikalen Anwendung spart nicht nur Zeit, sondern ermöglicht auch Fachfremden die einfachere Verwendung von Simulationen.

Zugehörige Ressourcen