Grundlegende Übersicht über die Thermodynamik von Kompressoren
21 April, 2022
Um die Physik der Thermodynamik und Wärmeerzeugung von Kompressoren besser zu verstehen, werden in diesem Beitrag die Grundprinzipien und zwei Gasgesetze erläutert.
Wie wird Wärme übertragen
Wärmeübertragung ist ein grundlegendes Konzept der Thermodynamik, das für das Verständnis verschiedener industrieller Prozesse, einschließlich Druckluftsystemen, unerlässlich ist.
Im Anschluss an unsere Einführung in die Thermodynamik behandelt dieser Artikel die drei Hauptarten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung sowie ihre Bedeutung in verschiedenen Anwendungen.
Die Wärmeübertragung kann auf drei verschiedene Arten erfolgen:
Wärmeleitung
Konvektion
Strahlung
In realen Situationen erfolgt die Wärmeübertragung auf alle drei Arten gleichzeitig, aber nicht in gleichem Maße.
In jedem Fall fließt Wärme von heißen zu kalten Bereichen: Dies ist ein grundlegendes Prinzip der Thermodynamik, bei dem Wärme auf natürliche Weise von einem Bereich mit höherer Temperatur in einen Bereich mit niedrigerer Temperatur fließt.
Drei Arten der Wärmeübertragung
Wärmeleitung
Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme durch ein festes Material. Sie tritt auf, wenn Moleküle in einer Substanz vibrieren und Energie an benachbarte Moleküle übertragen. Dieser Prozess ist in vielen industriellen Anwendungen, in denen Materialien Wärme effizient leiten müssen, von entscheidender Bedeutung.
Beispiel für Wärmeleitung: Berühren eines Metallstabs, der an einem Ende erhitzt wurde. Die Wärme wird durch den Stab zur Hand geleitet.
Konvektion
Konvektion ist die Wärmeübertragung durch die Bewegung von Medien (Flüssigkeiten oder Gase). Diese Art der Wärmeübertragung ist bei Systemen wichtig, bei denen Bewegungen von Medien erforderlich sind, um die Wärme gleichmäßig zu verteilen.
Beispiel für Konvektion: Kochendes Wasser. Die Hitze des Herdes bewirkt, dass das Wasser am Boden an Dichte verliert und aufsteigt, während das kühlere Wasser nach unten sinkt.
Strahlung
Strahlung ist die Wärmeübertragung durch elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz zu Wärmeleitung und Konvektion benötigt die Strahlung kein Medium und kann durch leeren Raum erfolgen.
Beispiel für Strahlung: Die Wärme der Sonne, die Ihr Gesicht erwärmt, oder das Rösten von Marshmallows an einem Feuer. Die Energie der Sonne fließt durch das Vakuum des Weltraums und erwärmt Objekte auf der Erde.
Formeln für Wärmeleitfähigkeit und Wärmeübertragung
Formel für Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. Die Formel lautet:
Q = λ * A * t * (Δ T / Δ x)
wobei Folgendes gilt:
- Q ist die Wärmeübertragung (J),
- λ ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (W/m*K),
- A ist die Wärmedurchflussfläche (m2),
- t ist die Zeit (s),
- ΔT ist die Temperaturdifferenz (K),
- ΔX ist der Abstand (m).
Wärmeübertragungsformel für Konvektion
Die Formel für die Wärmeübertragung durch Strahlung lautet:
Q = - Std. * A * t * Δ T
wobei Folgendes gilt:
- Q ist die Wärmeübertragung (J),
- Std. ist der konvektive Wärmeübergangskoeffizient (W/m2*K),
- A ist die Oberfläche (m2),
- t ist die Zeit (s),
- ΔT ist die Temperaturdifferenz zwischen der Oberfläche und dem Fluid (K).
Das Minuszeichen weist darauf hin, dass die Wärmeübertragung von einer höheren zu einer niedrigeren Temperatur erfolgt.
Formel für Wärmeübertragung durch Strahlung
Die Formel für die Wärmeübertragung durch Strahlung lautet:
Q = - k * A * t * Δ T
wobei Folgendes gilt:
- Q ist die Gesamtwärmeübertragung (J),
- k ist der Wärmeübergangskoeffizient (W/m2*K),
- A ist die Fläche (m2),
- t ist die Zeit (s),
- ΔT ist die Temperaturdifferenz (kalt-heiß)(K).
Mittlere logarithmische Temperaturdifferenz (LTMD) in Wärmetauschern
Die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher ist an jedem Punkt eine Funktion der vorherrschenden Temperaturdifferenz und des Gesamtwärmeübertragungskoeffizienten. Sie erfordert die Verwendung der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz Өm anstelle des linearen arithmetischen ΔT.
Die Formel für die mittlere Log-Temperaturdifferenz (LMTD) lautet:
Өₘ = Ө₁ - Ө₂ / ln ( Ө₁ / Ө₂ )
wobei Folgendes gilt:
- Өₘ ist die mittlere Log-Temperaturdifferenz (K),
- Ө₁ ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluids an einem Ende des Wärmetauschers (⁀1),
- Ө₂ ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluids am anderen Ende des Wärmetauschers (⁀2),
- ln bezeichnet den natürlichen Logarithmus.
Anwendungen von Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung
Wärmeübertragung und Wärmerückgewinnung sind in verschiedenen Branchen von entscheidender Bedeutung, z. B. in der Fertigungsindustrie, der Automobilindustrie und der Energiewirtschaft. Während es bei der Wärmeübertragung um die Bewegung der Wärme von einem Ort zum anderen geht, konzentriert sich die Wärmerückgewinnung auf die Aufnahme und Wiederverwendung von Abwärme.
Fertigung
In der Fertigung ist eine effiziente Wärmeübertragung für das Schmieden von Metallen, das Formen von Kunststoffen und die chemische Produktion unerlässlich. Ein angemessenes Wärmemanagement gewährleistet die Produktqualität und reduziert den Energieverbrauch. Andererseits fangen Wärmerückgewinnungssysteme die Abwärme aus diesen Prozessen auf und verwenden sie an anderer Stelle in der Anlage wieder, beispielsweise zum Vorwärmen von Rohstoffen oder zum Heizen von Räumen.
Automotive
In der Automobilindustrie ist die Wärmeübertragung für die Motorkühlung, die Klimaanlage und das Batteriemanagement für Elektrofahrzeuge von entscheidender Bedeutung. Wirksame thermische Systeme verbessern die Leistung und Langlebigkeit von Fahrzeugen, indem sie die Wärme effizient von kritischen Komponenten ableiten. Inzwischen können Wärmerückgewinnungssysteme die von Motoren und Abgassystemen erzeugte Wärme auffangen, um die Kraftstoffeffizienz zu verbessern oder zusätzliche Fahrzeugsysteme zu versorgen.
Energie
Im Energiesektor ist die Wärmeübertragung der Schlüssel zur Stromerzeugung, sei es durch traditionelle fossile Brennstoffe oder erneuerbare Quellen wie Solar und Wind. Effiziente Wärmeaustauschsysteme maximieren die Energieabgabe und minimieren den Abfall. Die Wärmerückgewinnung hingegen umfasst die Aufnahme von Abwärme aus Stromerzeugungsprozessen und deren Verwendung für andere Zwecke, wie beispielsweise Fernwärme oder zusätzliche Stromerzeugung durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK).
Druckluft- und Gaslösungen für Hersteller von EV-Ladegeräten
![Stecker eines Elektrofahrzeug-Ladegeräts mit Digitalanzeige]()
Druckluft- und Gaslösungen für Hersteller von EV-Ladegeräten
Erfahren Sie mehr über die Produktion von EV-Batterien
![E-Book zur EV-Batterie-Produktion]()
Erfahren Sie mehr über die Produktion von EV-Batterien
Wärmeübertragung in Druckluftsystemen
Wärmeerzeugung während der Verdichtung
Während des Verdichtungsprozesses steigen der Luftdruck und die Temperatur aufgrund der an der Luft geleisteten Arbeit. Diese Wärme muss kontrolliert werden, um die Effizienz des Systems aufrechtzuerhalten und Schäden zu vermeiden.
Bedeutung der Kühlung von Druckluft
Unkontrollierte Wärme in Druckluftsystemen kann zu Geräteschäden, verminderter Effizienz und Kondensation der Feuchtigkeit führen. Die Kühlung der Druckluft ist entscheidend, um diese Probleme zu vermeiden.
Verwendung von Wärme für Zusatzgeräte
Die in Druckluftsystemen erzeugte Wärme kann in Zusatzgeräten wie Trocknern und Trockentanks verwendet werden, wodurch die Gesamteffizienz des Systems erhöht wird.
Wärmerückgewinnung
Bei der Wärmerückgewinnung wird die während der Komprimierung erzeugte Abwärme aufgefangen und wiederverwendet. Dieser Prozess reduziert den Energieverbrauch, senkt die Betriebskosten und fördert die Nachhaltigkeit durch Minimierung von Energieverschwendung.
Vorteile der Wärmerückgewinnung:
Geringerer Energieverbrauch: Durch die Nutzung von Abwärme wird die Abhängigkeit von externen Wärmequellen verringert.
Niedrigere Betriebskosten: Energieeinsparungen führen zu niedrigeren Betriebskosten.
In diesem Video befassen wir uns mit der Wärmerückgewinnung von Kompressoren. Wussten Sie, dass ein erheblicher Teil der elektrischen Energie, die von Kompressoren verbraucht wird, in Wärme umgewandelt wird, die häufig verschwendet wird?
Mit Energierückgewinnungssystemen können wir diese überschüssige Wärme zum Heizen, Trocknen oder Erzeugen von heißem Wasser für Aufgaben wie Duschen und industrielle Prozesse wie Flaschenreinigung und Schokoladentemperierung verwenden.
Möchten Sie mehr über die Energierückgewinnung für Ihr Unternehmen erfahren? Das Verständnis der unterschiedlichen Arten der Wärmeübertragung ist für verschiedene industrielle Anwendungen, einschließlich Druckluftsystemen, von entscheidender Bedeutung. Durch die effektive Handhabung und Nutzung von Wärme kann die Industrie ihre Effizienz steigern und Kosten senken. Erfahren Sie mehr in unserem E-Book.
Weitere Informationen zur Wärmerückgewinnung und zu anderen energieeffizienten Lösungen finden Sie auf unserer Wärmerückgewinnungsseite.
Häufig gestellte Fragen und Beispiele für die Wärmeübertragung im Alltag
Welche drei Arten der Wärmeübertragung gibt es?
Die drei Arten der Wärmeübertragung sind Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Die Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärme durch direkten Kontakt zwischen Materialien, wie z. B. bei der Erwärmung eines Metallstabs über seine gesamte Länge.
Warum fließt Wärme von heiß zu kalt?
Der Wärmefluss von heiß zu kalt wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik bestimmt, der besagt, dass die Entropie oder Unordnung in einem isolierten System tendenziell zunimmt.
Wie wird Wärme bei der Wärmeleitung übertragen?
Bei der Wärmeleitung wird Wärme durch direkten Kontakt zwischen Molekülen in einem festen Material übertragen.
Wie wird Wärme durch Konvektion übertragen?
Bei der Konvektion wird Wärme durch die Bewegung von Medien übertragen, wobei die Wärme gleichmäßig verteilt wird.
Wie wird Wärme durch Strahlung übertragen?
Bei der Strahlung wird Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen, ohne dass ein Medium benötigt wird.
Was ist ein Beispiel für die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung?
Ein Beispiel für Wärmeleitung ist ein Metalllöffel, der von der Löffelspitze bis zum Griff heiß wird, wenn er in eine heiße Flüssigkeit getaucht wird.
Was ist ein Beispiel für Wärmeübertragung durch Konvektion?
Ein Beispiel für Konvektion ist die Zirkulation von warmer Luft in einem beheizten Raum.
Was sind Beispiele für Wärmeübertragung durch Strahlung?
Beispiele für Strahlung sind die Wärme eines Kamins und der Sonne.
Welche Art von Wärmeübertragung tritt bei kochendem Wasser auf?
Bei kochendem Wasser handelt es sich um Konvektion, bei der das Wasser durch Wärme zirkuliert und Wärme überträgt.
Welche Art der Wärmeübertragung kann durch leeren Raum erfolgen?
Strahlung kann durch leeren Raum auftreten, da kein Medium erforderlich ist.
Welche Art von Wärmeübertragung tritt bei der Sonne auf?
Die Sonne überträgt Wärme durch Strahlung auf die Erde.
Welche Art von Wärmeübertragung verwenden Trockner?
Trockner verwenden in der Regel Konvektion, um Wärme zu übertragen und Materialien zu trocknen.
Welche Art von Wärmeübertragung tritt bei einer Mikrowelle auf?
Eine Mikrowelle nutzt Strahlung, um Wärme zu übertragen und Lebensmittel zu kochen.
Wie funktioniert die Chemie hinter dem Rösten von Marshmallows?
Wenn Marshmallows geröstet werden, führt die Wärmeübertragung durch Strahlung zu einer chemischen Veränderung. Der Zucker wird Karamellisierung und Maillard-Reaktionen unterzogen, wobei Wassermoleküle entstehen, die verdunsten und Kohlenstoff zurücklassen, was zu einer schwärzlichen, knusprigen Außenseite führt. Diese Kombination aus chemischen Reaktionen verleiht gerösteten Marshmallows ihren unverwechselbaren Geschmack und ihre markante Textur.
Ähnliche Artikel
Changes in State for Gases
18 Februar, 2022
To understand the workings of compressed air, a basic introduction to physics can come a long way. Learn more about thermodynamics and how they are vital in understanding how air compressors work.
Gasströmung durch Rohre und Drosselung
4 August, 2022
Um die Funktionsweise von Druckluft zu verstehen, ist eine grundlegende Einführung in die Physik sehr hilfreich. Erfahren Sie mehr über Thermodynamik und wie wichtig diese für das Verständnis der Funktion von Druckluftkompressoren ist.