Wärmeleitung Wärmedämmung Kühlsysteme Fachdidaktik Seminar Christian Roithner, 13.11.2006

Wärmeleitung Wärmeleitung Wärmeleitfähigkeit Spezifische Wärmeleitfähigkeit Wärmewiderstand Fouriersches Gesetz Wärmeleitungsgleichung Diffusion Ficksche Gesetz Konvektion Konvektion am Festkörper

Wärmeleitung Ist der Wärmefluss in einem Kontinuum (Feststoff oder ruhendes Fluid) in Folge eines Temperaturunterschiedes Wärmetransport aufgrund von molekularen Stoßprozessen Es geht dabei keine Wärme verloren

Wärmeleitfähigkeit von Festkörpern Die Wärmeleitfähigkeit eines Stoffes, λ gibt an, welche Wärmemenge Q in der Zeit t und bei einem Temperaturunterschied ΔT durch die Fläche A strömt.

Spezifische Wärmeleitfähigkeit Eigenschaft eines Materials Die spezifische Wärmeleitfähigkeit variiert mit der Absoluttemperatur

Beispiele zur Wärmeleitfähigkeit Stoff Wärmeleitfähigkeit λ [W / (m · K)] Diamant 2300 Kupfer 401 Gold 317 Aluminium 237 Granit 2,8 Eis 2,33 Glas 1,0 Wasser 0,6 Glaswolle 0,04-0,05 Luft 0,024

Wärmewiderstand Kehrwert der absoluten Wärmeleitfähigkeit ist der Wärmewiderstand Rλ

Analogie zum Ohmschen Gesetz und der Kirchhoffschen Regeln Wärmewiderstand Elektrischer Widerstand Temperaturdifferenz Elektrische Spannung Wärmestrom Elektrischer Strom Wärmeleitfähigkeit Elektrische Leitfähigkeit

Fouriersches Gesetz 1822 von Jean Baptiste Joseph Fourier Für den vereinfachten Fall eines festen Körpers mit zwei parallelen Wandflächen Tw1 ist die Temperatur der wärmeren Wandoberfläche Tw2 die Temperatur der kälteren Wandoberfläche A die Fläche, durch die die Wärme strömt λ Wärmeleitfähigkeit δ die Dicke der Wand

Wärmeleitungsgleichung Die Wärmeleitungsgleichung/ Diffusionsgleichung ist eine partielle Differentialgleichung Gibt die Temperaturverteilung eines Körpers durch Wärmeleitung oder die Ausbreitung eines gelösten Stoffes durch Diffusion Physikalisches System?

Wärmeleitungsgleichung Wellengleichung? Schrödinger Gleichung? Wärmeleitwert setzt sich zusammen durch die Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität sowie die Dichte des Mediums

Diffusion Diffusion ist der Ausgleich von Konzentrationsunterschieden Jede thermische Fortbewegung und der damit verbundene Transport Adolf Fick zeigt Gesetzmäßigkeiten

Ficksches Gesetz (Diffusionsgleichung) 19. Jahrhundert Adolf Fick Diffusion folgt Gesetzmäßigkeiten die gleich der Wärmeleitung sind J Teilchenstromdichte (mol/m²s) D Diffusionskoeffizient (m²/s) Konzentrationsgradient ∂μ/∂x

Konvektion Konvektion tritt nur in Flüssigkeiten und in Gasen auf Thermische Konvektion ist eine durch Temperaturbedingte Dichteunterschiede angetriebene zyklische Strömung in Flüssigkeiten Mechanismus neben Wärmeleitung und Wärmestrahlung um thermische Energie zu transportieren

Konvektion an einem Festkörper Konvektion entsteht wenn das Fluid die Oberfläche eines anderen Volumens überströmt und dabei eine Temperaturangleichung erfolgt

Wärmedämmung Wärmedämmung Arten der Wärmedämmung Wärmebrücken Wärmedurchgangskoeffizient

Wärmedämmung Maßnahmen zur Eindämmung der Abgabe thermischer Energie von Gegenständen Dämmung verringert nur den Energieaustausch

Arten der Wärmedämmung Außendämmung Innendämmung Kerndämmung

Außendämung Durch Außenwände entstehen 25 - 40 % der jährlichen Heizwärmeverluste der Gebäudehülle Für die Außendämmung sind nur Stoffe mit guter kapillarer Leitfähigkeit zu empfehlen

Innendämmung Vorteile: Nachteile: einfachere Anbringung niedrigeren Kosten Nachteile: Platzverbrauch im Inneren negative Auswirkungen auf Mauerwerk und Raumklima

Kerndämmung Wärmedämmschicht zwischen einem zweischaligem Mauerwerk Billiger als die Außendämmung

Wärmebrücken Sind Bereiche eines Gebäudes, durch die Wärme schneller nach außen transportiert werden, als durch andere Bauteile Man unterscheidet zwischen konstruktiven (Material, oder fehlende Wärmedämmung) und geometrischen Wärmebrücken (Ecken)

Beispiele für Wärmebrücken Balkone Rollladenkästen Mauersohlen Fensterrahmen und Fensterstürzen Heizkörperbefestigungen im Mauerwerk Heizkörpernischen Deckenanschlüsse Ecken im Haus ungedämmte Stahlbetonbauteile

Wärmedurchgangskoeffizient U gibt die Energiemenge an, die in einer Sekund durch eine Fläche von 1 m² fließt, wenn sich die beidseitigen anliegenden Lufttemperaturen um 1 K unterscheiden

Wärmeabtransport/Kühlung Beispiele: Wasserkühlung Luftkühlung Heat Pipes

Wasserkühlung Wasser wird als Wärmeabführmittel verwendet Wird bei Kraftwerken, Motoren, PC, Klimaanlagen verwendet

Luftkühlung Kühlung erfolgt durch ein Gebläse, Fahrtwind oder durch Konvektion Anwendung bei Verbrennungsmotoren, PC, usw. …

Unterschied Luft - Wasserkühlung Luftkühlung auch bei minus Temperaturen möglich Luftkühlung braucht keine Kühlflüssigkeit – hält daher länger Wasserkühlung hat aber einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten

Heat Pipes

Heat Pipes Antriebslose Zirkulation des Fluids Anwendung in der Raumfahrt, Wärmetauschersysteme, Mikroelektronik Verwendete Flüssigkeiten/Gase: Flüssiggase (Helium, Stickstoff, usw. …) Wasser Alkohole (Methanol, Ethanol, usw. …) Metalle (Quecksilber)