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Wärmeleitung in einem Feststoff > Stationäre Wärmeleitung > Wärmeleitung durch eine zylindrische Wand:

Wärmedurchgangszahl einer zylindrischen Wand

WebinarTerminankündigung aus unserem Online-Kurs Thermodynamik:
 Am 13.12.2016 (ab 16:00 Uhr) findet unser nächstes Webinar statt.
Gratis-Webinar (Thermodynamik) Innere Energie, Wärme, Arbeit
- Innerhalb dieses 60-minütigen Webinares wird der 1. Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme behandelt und auf die innere Energie, Wärme und Arbeit eingegangen.
[weitere Informationen] [Terminübersicht]

Die Wärmedurchgangszahl $U$ gibt an, wie groß der Wärmestrom $\dot{Q}$ pro Flächeneinheit $m^2$ und pro Kelvin Temperaturdifferenz ist, welcher durch eine Wand von einem Medium (z.B. Innenluft) auf das andere Medium (z.B. Außenluft) übertragen wird:

Methode

$U = \large{\frac{\dot{Q}}{A \cdot \triangle T}}$.

Die Wärmedurchgangszahl hat die Einheit $\frac{W}{m^2 \cdot K}$. Der Wärmestrom, welcher hier benötigt wird, ist der gesamte Wärmestrom der vom Medium 1 auf das Medium 2 übertragen wird.

Es muss der gesamte Wärmestrom $\dot{Q}$ berücksichtigt werden, um die Wärmedurchgangszahl $U$ zu bestimmen.

Bestimmung des gesamten Wärmestroms

Um den gesamten Wärmestrom berechnen zu können, müssen die Wärmeströme der Grenzschichten und der Wärmestrom durch die zylindrische Wand herangezogen werden. Diese Wärmeströme sind den vorherigen Abschnitten zu entnehmen. Aufgelöst nach den Temperaturdifferenzen ergibt sich dann:

$T_{GR,i} - T_i = \Large{\frac{ \dot{Q} }{\alpha_i \cdot 2 \cdot \pi \cdot r_i \cdot l}} $  

$T_i - T_a = \Large{\frac{ \dot{Q} }{ \alpha_{w,a} \cdot r_a \cdot 2 \cdot \pi \cdot l}}$

$T_a - T_{GR,a} = \Large{\frac{\dot{Q}}{\alpha_a \cdot 2 \cdot \pi \cdot r_a \cdot l }}$ 

Merke

Da die Wärmedurchgangszahl $U$ aus den Wärmeübergangszahlen bestimmt wird, muss der Wärmestrom durch die Wand (mittlere Gleichung) aus dem Abschnitt Wärmeübergangszahl einer zylindrischen Wand verwendet werden, in welchem die Außenwand als Bezugsfläche herangezogen worden ist.

Der gesamte Wärmestrom, durch die Grenzschichten und durch eine zylindrische Wand ergibt sich dann, indem zunächst die Temperaturdifferenzen miteinander addiert werden:

$T_{GR,i} - T_i + T_i - T_a + T_a - T_{GR,a} = T_{GR,i} - T_{GR,a}$.

Danach werden die rechte Seite der Gleichungen miteinander addiert:

$T_{GR,i} - T_{GR,a} = \Large{\frac{ \dot{Q} }{\alpha_i \cdot 2 \cdot \pi \cdot r_i \cdot l} + \frac{ \dot{Q} }{ \alpha_{w,a} \cdot r_a \cdot 2 \cdot \pi \cdot l} + \frac{\dot{Q}}{\alpha_a \cdot 2 \cdot \pi \cdot r_a \cdot l }}$


Der gesamte Wärmestrom ergibt sich dann zu:

Methode

$\dot{Q} = \Large{\frac{T_{GR,i} - T_{GR,a}}{\frac{1}{\alpha_i \cdot r_i} + \frac{1}{\alpha_{w,a} \cdot r_a} + \frac{1}{\alpha_a \cdot r_a}} \cdot 2 \cdot \pi \cdot l}$

Wärmedurchgangszahl Hohlzylinder

Nachdem der Wärmestrom $\dot{Q}$ von dem einen Medium 1 zum anderen Medium 2 durch eine zylindrische Wand und die Grenzschichten bestimmt worden ist, wird als nächstes die Wärmedurchgangszahl bestimmt. Hierzu wird der gesamte Wärmestrom $\dot{Q}$ in die Gleichung für die Wärmedurchgangszahl $U$ eingesetzt:

$U = \large{\frac{\dot{Q}}{A_a \cdot \triangle T}}$.

Da für die Berechnung der Wärmeübergangszahl durch die zylindrische Wand die Außenwand herangezogen worden ist, muss auch für die Formel der Wärmedurchgangszahl $U$ die Fläche der Außenwand berücksichtigt werden.

Einsetzen des gesamten Wärmestroms $\dot{Q}$ in die obige Formel ergibt dann die Wärmeübergangszahl für die zylindrische Wand bezogen auf die Außenwand:

Methode

$U = \Large{\frac{1}{\frac{r_a}{\alpha_i \cdot r_i} + \frac{1}{\alpha_{w,a}} + \frac{1}{\alpha_a}}}$

Merke

Bei dünnwandigen Wänden kann die Berechnung für die ebene Wand herangezogen werden, da Innen- und Außenfläche der Wände näherungsweise gleich groß sind. 

Video: Wärmedurchgangszahl einer zylindrischen Wand

Die Wärmedurchgangszahl U (auch: Wärmedurchlasszahl) gibt an, wie groß der Wärmestrom $\dot{Q}$ pro Flächeneinheit und pro Kelvin Temperaturdifferenz ist, welcher durch eine Wand von einem Medium (z.B. Innenluft) auf das andere Medium (z.B. Außenluft) übertragen wird.
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  • Wärmeübertragung: Überblick
    • Einleitung zu Wärmeübertragung: Überblick
  • Arten der Wärmeübertragung
    • Einleitung zu Arten der Wärmeübertragung
  • Wärmeleitung in einem Feststoff
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      • Wärmeleitung durch eine ebene Wand
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        • Wärmeübergangszahl einer ebenen Wand
        • Wärmeübergangszahl der Grenzschicht
        • Wärmedurchgangszahl einer ebenen Wand
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