Wärmetransportphänomene - Lehrstuhl für Thermodynamik - TUM

9.5. DARSTELLUNG EXPERIMENTELLER ERGEBNISSE 117
Versuchergebnissen – genauer formuliert: die allgemein gültige Darstellung von Versuchsergebnissen
– mit Hilfe der Übertragungsregeln, der sog. Modellgesetze.
Die Erstellung und Anwendung der in der Strömungslehre und der Wärme- und Stoffübertragung
so häufig vorkommenden Korrelationen – analytisch, numerisch oder empirisch ermittelte
Beziehungen zwischen Kennzahlen – beruht also auch auf den Ähnlichkeitsgesetzen.
9.5.1 Experimentelle Untersuchung des Wärmeübergangs an der ebenen
Platte
Zwei Arbeitsgruppen untersuchen experimentell den Wärmeübergang an der turbulent überströmten
ebenen Platte.
Gruppe A benutzt dazu eine elektrisch beheizte, gut wärmeleitende Platte der Länge L = 1 m
und der Breite b = 0.4 m, die bei Geschwindigkeiten U im Bereich von 8 bis 25 m/s von Luft
der Temperatur T = 300 K überströmt wird (siehe Abb. 9.2). Die Leistung des elektrischen
Heizers wird so eingestellt dass die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Freistrom ∆T =
2 K. Dazu wird – je nach Geschwindigkeit – eine elektrische Heizleistung ˙ Q von ca. 15 bis 80
kW benötigt. Die Heizleistung bzw. der von der Platte an das Fluid übertragene Wärmestrom
˙Q ist als Funktion der Geschwindigkeit U in Bild 9.3 dargestellt.
Gruppe B entwickelt eine andere Methode: heisse Verbrennungsabgase aus einem Gasturbinenprüfstand
werden bei einem Druck von 6 bar und bei einer Temperatur von 800 K mit
Geschwindigkeiten U von 35 bis 80 m/s über eine Brennkammerwand geführt.Die Brennkammerwand
(L = 0.4 m, b = 0,16 m ist rückseitig ” prallgeküh lt“ mit Luft von TK = 640 K.
Der Wärmeübergangskoeffizient der Prallkühlung ist so hoch, dass man in guter Näherung
TW ≈ TK setzen darf und damit ∆T ≈ 160K. Die Temperaturerhöhung der Kühlluft wird
gemessen, mittels einer Energiebilanz wird der übertragene Wärmestrom ˙ Q = ˙m cp (T ′ K −TK)
bzw. der Wärmeübergangskoeffizient α bestimmt (siehe wiederum Bild 9.3. Relevante Stoffwerte
sind: η = 1.8 × 10 −5 N s/m 2 , λ = 2.6 × 10 −2 W/m-K bei 300 K, η = 8.5 × 10 −5 N
s/m 2 , λ = 5.7 × 10 −2 W/m-K bei 800 K.)
U, T oo
L
T W
V
Q .
A
b
T' k
U = 35 - 80 m/s,
T oo = 800 K,
p = 6 bar
. .
Q = cp m (T'k - Tk )
c -> oo
.
Q = (TW -Too )
Abbildung 9.2: Zwei Experimente zur Untersuchung des Wärmeüberganges an einer überströmten
ebenen Platte. Links: elektrisch beheizte Platte, rechts: Brennkammerwand mit sog.
Prallkühlung.
h
.
mk , Tk