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Wärme fliesst immer, wenn zwischen zwei Körpern eine Temperaturdifferenz herrscht Wärmeübertragung Wärme fliesst immer vom Körper mit der höheren zum Körper mit der tieferen Temperatur Abteilung Heizung Q 1 > 2 Wärmeübertragungsformen Wärmeleitung Leitung Abteilung Heizung Innerer Wärmetransport von Molekül zu Molekül. Kann nur im Inneren eines Köpers oder zwischen sich berührenden Körpern stattfinden. Die Wärmeleitung hängt ab von: der Stoffstruktur (Aufbau der Moleküle) der Porosität des Stoffes dem Feuchtigkeitsgehalt der Temperatur Wärmeleitung Als Mass für die Wärmeleitfähigkeit wird die Wärmeleitzahl benutzt Abteilung Heizung Die Wärmleitzahl gibt an, wie gross der Wärmestrom in Watt ist, der durch eine 1m2 grosse und 1m dicke Wandschicht hindurchgeleitet wird, wenn die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Oberflächen 1K beträgt Leichte, stark poröse Stoffe eignen sich gut als Wärmedämmstoffe. Sie leiten dank den vielen Lufteinschlüssen die Wärme sehr schlecht. Wärmeleitung Dringt Feuchtigkeit in Dämmstoffe ein, so steigt die Leitfähigkeit stark an und damit verliert der Stoff seine gute Dämmfähigkeit. Abteilung Heizung Schwere kompakte Stoffe wie zum Beispiel Beton besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Besonders gute Wärmeleiter sind alle Metalle. Wärmeübertragung durch Leitung Q A 1 2 d 1 Q W Q mK m 2 K W m Wärmeleitung Abteilung Heizung d Wärmleitwiderstand R in 2 d m 2K W Konvektion Wärmetransport durch bewegte Medien Freie Konvektion Konverktion Erwärmung der Raumluft am Heizkörper Abteilung Heizung Die kühlere und damit schwerere Luft fällt nach unten, erwärmt sich am Heizkörper, steigt hoch, verteilt sich im Raum, gibt da Wärme ab und strömt abgekühlt wieder zum Heizkörper. Erzwungene Konvektion 16°C Luftheizapparat Konverktion 34°C Abteilung Heizung Die kühle Luft wird über einen Ventilator angesaugt und über das Heizregister geleitet, wo sie sich erwärmt. Die warme Luft wird wieder in den Raum ausgeblasen. Der Wärmetransport durch Konvektion hängt ab wie gut die Wärme vom Medium hoher Temperatur an das Medium tiefer Temperatur übertragen wird. Die Übertragung wird beeinflusst durch: die Strömungsgeschwindigkeit die Strömungsform, turbulent oder laminar Oberflächenstruktur, rauh oder glatt Konverktion die Temperatur Abteilung Heizung Als Mass für den Wärmeübergang zwischen den Medien dient die Wärmeübergangszahl Konverktion Die Wärmeübergangszahl gibt an, welcher Wärmestrom in Watt zwischen einer 1m2 grossen Oberfläche und dem berührenden Medium (oder umgekehrt) übertragen wird, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und Medium 1K beträgt. Abteilung Heizung W in 2 m K Für die Berechnung der Wärmeleistung gilt: 1 Q A 1 2 Q mWK m Konverktion 2 1 Abteilung Heizung 2 K Q Wärmeleitwiderstand R in 2 m 2K W Wärmestrahlung Einstrahlung Wärmestrahlung Durchgelassene Strahlung Abteilung Heizung Reflektierte Strahlung Erwärmung durch absorbierte Strahlung Merke: Trifft Strahlungsenergie auf einem Körper auf, so kann diese: A) reflektiert, das heisst zurückgeworfen werden keine Erwärmung B) Durchgelassen werden (Glas, durchsichtige Kunststoffe) Wärmestrahlung C) Absorbiert das heisst in Wärme umgewandelt werden Erwärmung Abteilung Heizung Wärmeabstrahlung eines Körpers durch Strahlung Wärmestrahlung Emission Abteilung Heizung An der warmen Oberfläche wird Wärme in Strahlungsenergie umgewandelt Wärmeaufnahme eines Körper durch eintreffende Strahlung Wärmestrahlung Absorption Abteilung Heizung Strahlungsenergie wird an der Körperoberfläche in Wärme umgewandelt. Emissions- und Absorptionsvermögen eines Körpers hängen von seiner Oberflächenstruktur und seiner Farbe ab. Allgemein gilt: Dunkle Körper absorbieren besser als helle Körper. Dunkle Körper emittieren aber auch besser als helle Körper. Wärmestrahlung Merke: Das Absorptionsvermögen a eines Körpers ist genau gleich gross wie sein Emissionsvermögen . a = Den grössten Absorptions- bzw. Emissionswert hat der absolut schwarze Körper. Abteilung Heizung as = s = 1.0 Multipliziert man die Strahlungszahl des absolut schwarzen Körpers Cs mit dem Emissionskoeffizienten so erhält man die Strahlungszahl C. C Cs Wärmestrahlung Die Strahlungszahl C wird meist aus Tabellen entnommen. Abteilung Heizung Stoff bzw. Oberfläche Absolut schwarzer Körper 5.67 Edle Metalle hochglanzpoliert 0.1....0.3 Nichtedle Metalle hochglanzp. Aluminium roh C= CS W/m2K4 Aluminiumbronze 2.0....2.5 5.2 0.15....0.40 Heizkörperlack belieb. Farbe 5.2 0.40....0.50 Ölfarben beliebige Farben 5.1....5.6 0.29 Schamotte (1000°C) 3.5....4.1 4.3....4.7 Gips, Marmor, Mörtel, Putz, Ziegel 5.2....5.4 frisch geschmirgelt 1.4....2.6 Beton 5.3....5.4 ganz rot verrostet 4.0 Dachpappe, Holz, Papier 5.2....5.4 matt verzinkt 0.5 Kacheln weiss Eisen, Stahl, roh, mit Walz- od. Gusshaut verzinkt Kupfer, geschabt schwarz oxidiert Messing, poliert Abteilung Heizung Stoff bzw. Oberfläche Emaille-Lack schneeweiss Aluminium poliert Wärmestrahlung C= CS W/m2K4 1.3....1.6 0.5 4.5 0.3 frisch geschmirgelt 1.2 brüniert 2.4 Eis, Glas, Reif, Wasser 5.0 5.4....5.5 Wärmeübertragung durch Strahlung Wärmestrahlung Bei der Wärmeübertragung durch Strahlung stehen mindestens zwei Körper miteinander in einer Wechselbeziehung. Der Körper höherer Temperatur gibt dabei mehr Energie an den Körper mit niedriger Temperatur ab als umgekehrt. In der Summe geht somit Wärmeenergie vom höheren zum tieferen Temperaturniveau über. Damit gilt der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auch für die Wärmeübertragung durch Strahlung. Abteilung Heizung Der Wärmestrom infolge Strahlung lässt sich nach dem Gesetz von Stefan und Boltzmann berechnen: Wärmestrahlung T 4 T 4 QS C1,2 A 1 2 100 100 C1,2 ist die mittlere Strahlungszahl der sich gegenseitig anstrahlenden Flächen. Da meist mehr als zwei Körper miteinander in Wechselbeziehung stehen, ist die Berechnung der mittleren Strahlungszahl relativ schwierig. Ausserdem spielt das Verhältnis der Grössen der Oberflächen und ihrer Richtung zueinander (Anstrahlwinkel) eine entscheidende Rolle. Die entsprechenden Formeln können in der Fachliteratur nachgeschlagen werden. Abteilung Heizung Für einige in der Haustechnik anzutreffende Fälle können die nachfolgenden Formeln verwendet werden. Eine Fläche umschliesst die andere C1,2 A1 1 A2 1 1 1 A1 C1 C2 CS A2 Parallele ungefähr gleich grosse Flächen Wärmestrahlung C1,2 Abteilung Heizung 1 1 1 1 C1 C2 CS A1 Eine Fläche ist sehr viel kleiner als die andere C1,2 C1 A2 Für die Berechnung der Strahlungswärmeleistung wird häufig auch ein Wärmeübergangswert S definiert. Dies ist vorteilhaft wenn die Wärmeübertragungsleistung infolge Strahlung und Konvektion berechnet werden muss. Der Wärmeübergang für die Strahlung wird wie folgt berechnet: 4 T1 T2 100 100 S C1,2 T1 T2 4 Wärmestrahlung Die Strahlungswärmeleistung wird dann: Q s A 1 2 Abteilung Heizung
