Wärmetransportphänomene (MW 2023) ist in TUM Online unter den Kursen von Prof. Manfletti zu finden.
Wärmetransportphänomene
| Umfang, Credits | 2+1 SWS, 5 ECTS |
| Kontakt | felix.ebert@tum.de, moritz.merk@tfd.mw.tum.de |
| Vorlesung | Donnerstags, 8.30 - 10.30 Uhr, MW 0001 |
| Übung | Mittwochs, 16.30 - 17.30 Uhr, MW 0001 |
| Tutorium | Montags, 8.15 - 9.45 Uhr, MW 0001 |
| Donnerstag, 16.00 - 17.30 Uhr MW 0001 |
Hinweis: Die Hauptverantwortung der Lehrveranstaltung liegt ab diesem Semester (SS22) beim Lehrstuhl für Raumfahrtantriebe
| Semester | Sommersemester 2022 |
|---|---|
| Unterrichtssprache | Deutsch |
| Stellung in Studienplänen | Siehe TUMonline |
Teilnahmekriterien
Lernziele
Nach erfolgreicher Teilnahme am Modul Wärmetransportphänomene sind die Studierenden in der Lage
• die Übertragungsmechanismen der Wärme voneinander zu unterscheiden,
• die zu Grunde liegenden physikalischen Effekte der Wärmeübertragung zu erklären,
• basierend auf der Kenntnis und dem Verständnis der zugrunde liegenden Transportmechanismen und Randbedingungen analytische Beschreibungen der stationären oder instationären Wärmeübertragung abzuleiten,
• mit Hilfe von analytischen Beschreibungen der (in)stationären Wärmeübertragung Wärmeströme und Temperaturverläufe zu bestimmen,
• die verschiedenen Transportmechanismen und Übertragungspfade in angemessener Weise zu berücksichtigen, wenn gleichzeitig mehrere Mechanismen der Wärmeübertragung im Spiel sind,
• ein- und zweidimensionale graphische Darstellungen von Wärmeströmen und Temperaturverläufen konsistent zu skizzieren bzw. korrekt zu interpretiern,
• die relevanten Strömungsregimes bei natürlicher und erzwungener Konvektion anhand der vorliegenden Einflussgrößen bzw. dimensionslosen Kennzahlen zuverlässig zu identifizieren,
• empirische Gebrauchskorrelationen für die in technischen Anwendungen oft anzutreffende Wärmeübertragung bei natürlicher und erzwungener Konvektion zu benutzen,
• die Besonderheiten der Wärmeübertragung durch Strahlung zu erklären und zu berücksichtigen,
• für einfachere Konfigurationen die entsprechende (Netto-)Strahlungsleistung sowie die spektrale Verteilung der Strahlung zu bestimmen,
• Energiebilanzen für geschlossene und durchströmte Systeme aufzustellen,
• das Prozedere der Auslegung und Nachrechnung von Wärmeübertragern zu verinnerlichen,
• die Effizienz einfacher Bauformen von Wärmeübertragern zu beurteilen,
• die den Gebrauchsformeln zu Grunde liegenden Näherungen zu berücksichtigen,
• in ausgewählten Problemstellungen die Gültigkeit der Näherungsmethoden quantitativ zu begründen,
• Methoden der Dimensionsanalyse und dimensionslosen Kennzahlen zu gebrauchen.
• die Übertragungsmechanismen der Wärme voneinander zu unterscheiden,
• die zu Grunde liegenden physikalischen Effekte der Wärmeübertragung zu erklären,
• basierend auf der Kenntnis und dem Verständnis der zugrunde liegenden Transportmechanismen und Randbedingungen analytische Beschreibungen der stationären oder instationären Wärmeübertragung abzuleiten,
• mit Hilfe von analytischen Beschreibungen der (in)stationären Wärmeübertragung Wärmeströme und Temperaturverläufe zu bestimmen,
• die verschiedenen Transportmechanismen und Übertragungspfade in angemessener Weise zu berücksichtigen, wenn gleichzeitig mehrere Mechanismen der Wärmeübertragung im Spiel sind,
• ein- und zweidimensionale graphische Darstellungen von Wärmeströmen und Temperaturverläufen konsistent zu skizzieren bzw. korrekt zu interpretiern,
• die relevanten Strömungsregimes bei natürlicher und erzwungener Konvektion anhand der vorliegenden Einflussgrößen bzw. dimensionslosen Kennzahlen zuverlässig zu identifizieren,
• empirische Gebrauchskorrelationen für die in technischen Anwendungen oft anzutreffende Wärmeübertragung bei natürlicher und erzwungener Konvektion zu benutzen,
• die Besonderheiten der Wärmeübertragung durch Strahlung zu erklären und zu berücksichtigen,
• für einfachere Konfigurationen die entsprechende (Netto-)Strahlungsleistung sowie die spektrale Verteilung der Strahlung zu bestimmen,
• Energiebilanzen für geschlossene und durchströmte Systeme aufzustellen,
• das Prozedere der Auslegung und Nachrechnung von Wärmeübertragern zu verinnerlichen,
• die Effizienz einfacher Bauformen von Wärmeübertragern zu beurteilen,
• die den Gebrauchsformeln zu Grunde liegenden Näherungen zu berücksichtigen,
• in ausgewählten Problemstellungen die Gültigkeit der Näherungsmethoden quantitativ zu begründen,
• Methoden der Dimensionsanalyse und dimensionslosen Kennzahlen zu gebrauchen.
Beschreibung
Einführung - Mechanismen des Wärmetransportes
Grundbegriffe der Wärmeleitung: Fouriersches Gesetz und Differenzialgleichung, Randbedingungen
Stationäre Wärmeleitung: Péclet-Gleichung für Platte, Zylinder und Kugel; Zweidimensionale Wärmeleitung (Formfaktoren); Wärmeleitung bei konstanter Wärmequellendichte
Instationäre Wärmeleitung: Sprungantwort einer Blockkapazität; Thermometerfehler der 1. Art; Biot- und Fourier-Zahl
Einführung in die Wärmestrahlung: Emission und Absorption schwarzer und nicht-schwarzer Strahler; Kirchhoffsches Gesetz; Einfache Strahlungsaustauschbeziehungen; Wellenlängenabhängigkeiten optischer Eigenschaften; Strahlung & Wärmeübergang
Massen- und Energiebilanzen für durchströmte Systeme: Ideal gerührter Behälter mit Zu- und Ablauf; Temperaturänderung eines Fluids beim Transport durch Rohrleitungen; Wärmetauscher
Grundbegriffe von Wärmeübergang und Konvektion: Wesentliche Ergebnisse der Strömungslehre; Die Differentialgleichung für Temperatur und Wärmetransport in viskosen Fluiden
Kennzahlen der Thermo-Fluiddynamik: Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten über Korrelationen für die Nußelt-Zahl
Ähnlichkeitstheorie und Kennzahlen: Pi-Theorem; Bestimmung von Kennzahlen aus Differenzialgleichungen; Auslegung von Modellversuchen, Darstellung von Ergebnissen; Analogien
Freie Konvektion: Freie, laminare Konvektion an der isothermen Wand; Boussinesq-Approximation der Grenzschichtgleichungen; Kennzahlen und Ähnlichkeitslösungen für die isotherme Wand
Grundbegriffe der Wärmeleitung: Fouriersches Gesetz und Differenzialgleichung, Randbedingungen
Stationäre Wärmeleitung: Péclet-Gleichung für Platte, Zylinder und Kugel; Zweidimensionale Wärmeleitung (Formfaktoren); Wärmeleitung bei konstanter Wärmequellendichte
Instationäre Wärmeleitung: Sprungantwort einer Blockkapazität; Thermometerfehler der 1. Art; Biot- und Fourier-Zahl
Einführung in die Wärmestrahlung: Emission und Absorption schwarzer und nicht-schwarzer Strahler; Kirchhoffsches Gesetz; Einfache Strahlungsaustauschbeziehungen; Wellenlängenabhängigkeiten optischer Eigenschaften; Strahlung & Wärmeübergang
Massen- und Energiebilanzen für durchströmte Systeme: Ideal gerührter Behälter mit Zu- und Ablauf; Temperaturänderung eines Fluids beim Transport durch Rohrleitungen; Wärmetauscher
Grundbegriffe von Wärmeübergang und Konvektion: Wesentliche Ergebnisse der Strömungslehre; Die Differentialgleichung für Temperatur und Wärmetransport in viskosen Fluiden
Kennzahlen der Thermo-Fluiddynamik: Bestimmung des Wärmeübergangskoeffizienten über Korrelationen für die Nußelt-Zahl
Ähnlichkeitstheorie und Kennzahlen: Pi-Theorem; Bestimmung von Kennzahlen aus Differenzialgleichungen; Auslegung von Modellversuchen, Darstellung von Ergebnissen; Analogien
Freie Konvektion: Freie, laminare Konvektion an der isothermen Wand; Boussinesq-Approximation der Grenzschichtgleichungen; Kennzahlen und Ähnlichkeitslösungen für die isotherme Wand
Inhaltliche Voraussetzungen
Grundlegendes Verständnis der Thermodynamik (Bilanzgleichungen, Erster Hauptsatz für offene und geschlossene Systeme, thermische und kalorische Zustandsgleichungen, ...)
Mathematik (Differenzial- und Integralrechnung, Exponentialfunktion und Logarithmus, Taylorreihe, Lineare Differenzialgleichungen, Analysis mehrerer Variablen, Trigonometrie, ...)
Mathematik (Differenzial- und Integralrechnung, Exponentialfunktion und Logarithmus, Taylorreihe, Lineare Differenzialgleichungen, Analysis mehrerer Variablen, Trigonometrie, ...)
Lehr- und Lernmethoden
Das Bearbeiten von Aufgaben und Beispielproblemen steht im Zentrum unseres didaktischen Konzepts. Insbesondere die Tutoriumsaufgaben strukturieren und takten diese Lehrveranstaltung. Verschiedene ergänzenden Lehr- und Lernmaterialien sollen Sie befähigen, die Tutoriumsaufgaben weitgehend eigenständig oder in Zusammenarbeit mit ihren Kommilitonen zu lösen und sich so optimal auf die Klausur vorzubereiten. In den Tutoriums-Sessions, die via Zoom jeweils Montags und Donnerstags angeboten werden, haben Sie Gelegenheit, Ihre Lösungen bzw. offene Fragen mit unseren Tutoren zu diskutieren.
Die folgenden Lehr- und Lernmaterialien werden auf Moodle, als Hefte der Fachschaft MW bzw. von der TUM Bibliothek bereitgestellt:
• Das Buch „Wärmeübertragung“ (Polifke \& Kopitz, 2009, 0303/MTA 720f 2005 L 19 (2)).
• Auf Moodle/Panopto werden SlideCasts bereit gestellt, die anstelle der Vorlesung die wesentlichen Inhalte von WTP in Form von kurzen Videos präsentieren
• In der „Schaubildsammlung WTP“ finden Sie beinahe alle Schaubilder, die in den SlideCasts gezeigt werden, plus reichlich Platz für eigene Notizen. Am Ende jedes Kapitels finden Sie eine Sammlung von „Lernfortschrittskontrollfragen“.
• In den „Arbeitsunterlagen WTP“ finden Sie die wichtigsten Gebrauchsformeln zur Wärmeübertragung, sowie Stoffwerte und mathematisches Rüstzeug.
• Auf Moodle finden Sie auch Wochentests und eXerzitien. Das sind Multiple-Choice Fragen oder kurze Aufgaben.
Jeweils Donnerstags wird via Zoom Pingo-Session mit Multiple-Choice Fragen angeboten. Bei diesem synchronen Online-Format werden auch Fragen beantwortet, die Sie im Chat oder vorab via eMail stellen.
Die folgenden Lehr- und Lernmaterialien werden auf Moodle, als Hefte der Fachschaft MW bzw. von der TUM Bibliothek bereitgestellt:
• Das Buch „Wärmeübertragung“ (Polifke \& Kopitz, 2009, 0303/MTA 720f 2005 L 19 (2)).
• Auf Moodle/Panopto werden SlideCasts bereit gestellt, die anstelle der Vorlesung die wesentlichen Inhalte von WTP in Form von kurzen Videos präsentieren
• In der „Schaubildsammlung WTP“ finden Sie beinahe alle Schaubilder, die in den SlideCasts gezeigt werden, plus reichlich Platz für eigene Notizen. Am Ende jedes Kapitels finden Sie eine Sammlung von „Lernfortschrittskontrollfragen“.
• In den „Arbeitsunterlagen WTP“ finden Sie die wichtigsten Gebrauchsformeln zur Wärmeübertragung, sowie Stoffwerte und mathematisches Rüstzeug.
• Auf Moodle finden Sie auch Wochentests und eXerzitien. Das sind Multiple-Choice Fragen oder kurze Aufgaben.
Jeweils Donnerstags wird via Zoom Pingo-Session mit Multiple-Choice Fragen angeboten. Bei diesem synchronen Online-Format werden auch Fragen beantwortet, die Sie im Chat oder vorab via eMail stellen.
Studien-, Prüfungsleistung
Schriftliche Klausur (Prüfungsdauer 90 Minuten). Die Studierenden sollen in der vorgegebenen Zeit stichpunktartige Analysen und/oder mathematische Lösungen der gestellten Probleme formulieren.
Die Prüfung besteht aus Kurzfragen sowie längeren Rechenaufgaben. Die Kurzfragen zielen hauptsächlich darauf ab, das Verständnis der zugrunde liegenden Transportmechanismen und Randbedingungen, das graphische Skizzieren und Interpretieren von Temperatur- oder Wärmestromverläufen sowie das Aufstellen und Auswerten von Bilanzen abzuprüfen.
Die erfolgreiche Bearbeitung des Rechenteils erfordert die Fähigkeit, auch komplexe Systeme mit mehreren Wärmeübertragungsmechanismen oder -pfaden zu analysieren und quantifizieren
Es dürfen ein nicht-programmierbarer, Taschenrechner sowie die von der Professur für Thermofluiddynamik veröffentlichte Foliensammlung und Arbeitsunterlagen verwendet werden. Handschriftliche Ergänzungen der Unterlagen sind nicht nur gestattet, sondern erwünscht.
Die Prüfung besteht aus Kurzfragen sowie längeren Rechenaufgaben. Die Kurzfragen zielen hauptsächlich darauf ab, das Verständnis der zugrunde liegenden Transportmechanismen und Randbedingungen, das graphische Skizzieren und Interpretieren von Temperatur- oder Wärmestromverläufen sowie das Aufstellen und Auswerten von Bilanzen abzuprüfen.
Die erfolgreiche Bearbeitung des Rechenteils erfordert die Fähigkeit, auch komplexe Systeme mit mehreren Wärmeübertragungsmechanismen oder -pfaden zu analysieren und quantifizieren
Es dürfen ein nicht-programmierbarer, Taschenrechner sowie die von der Professur für Thermofluiddynamik veröffentlichte Foliensammlung und Arbeitsunterlagen verwendet werden. Handschriftliche Ergänzungen der Unterlagen sind nicht nur gestattet, sondern erwünscht.
Empfohlene Literatur
"Wärmeübertragung" (Polifke und Kopitz 2009, Pearson-Studium)