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Wärmeübertragung und Fluidmechanik

Modulbezeichnung: Wärmeübertragung und Fluidmechanik
Modulbezeichnung (engl.): Heat Transfer and Fluid Mechanics
Studiengang: Maschinenbau/Verfahrenstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2019
Code: MAB_19_A_4.02.WFL
SWS/Lehrform: 4V+1LU (5 Semesterwochenstunden)
ECTS-Punkte: 5
Studiensemester: 4
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
Klausur 150 min.

[letzte Änderung 10.03.2020]
Verwendbarkeit / Zuordnung zum Curriculum:
MAB_19_A_4.02.WFL Maschinenbau/Verfahrenstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2019, 4. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Die Präsenzzeit dieses Moduls umfasst bei 15 Semesterwochen 75 Veranstaltungsstunden (= 56.25 Zeitstunden). Der Gesamtumfang des Moduls beträgt bei 5 Creditpoints 150 Stunden (30 Std/ECTS). Daher stehen für die Vor- und Nachbereitung der Veranstaltung zusammen mit der Prüfungsvorbereitung 93.75 Stunden zur Verfügung.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
MAB_19_A_1.04.MA1 Mathematik 1
MAB_19_A_1.07.ENB Engineering Basics
MAB_19_A_2.04.MA2 Mathematik 2
MAB_19_A_2.05.KWL Konstruktionswerkstoffe mit Labor
MAB_19_A_3.02.THE Thermodynamik


[letzte Änderung 10.03.2020]
Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
MAB_19_V_5.14.KTV Kraftwerkstechnik und Verbrennungsrechnung


[letzte Änderung 02.03.2020]
Modulverantwortung:
Prof. Dr. Marco Günther
Dozent:
Prof. Dr.-Ing. Christian Gierend (Vorlesung)
Prof. Dr. Marco Günther (Vorlesung)


[letzte Änderung 10.03.2020]
Lernziele:
Teil Wärmetransport:
1. Vorlesung
Die Studierenden sind in der Lage
- Vertiefende Grundlagen des Wärmetransports wiederzugeben
- Spezielle Wärmetransportvorgänge zu beschreiben und zu charakterisieren
- Neue, reaktive Ansätze des Wärmetransports durchzuführen und einzuschätzen
- Die Anwendung der Konvektiven Wärmeübertragung, der Wärmeleitung, der Wärmestrahlung aufzuzeigen und zu erklären
- Die Auswahl der technischen Apparate und Einbauten für den Wärmetransport zu begründen und zu bewerten
 
2. Übung
Die Studierenden sind in der Lage
- Wärmetransportmechanismen zu erkennen und Berechnungsmethoden auszuwählen
- Verfahrenstechnische und Wärmetechnische Kennzahlen zu ermitteln
- Aufgaben zur Wärmeübertragung zu berechnen
- Zusammenhänge von speziellen Stoffdaten und dimensionslosen Kennzahlen aufzuzeigen
 
Wärmeübertragung Fachkompetenz:
Die Studierenden beherrschen nach erfolgreicher Beendigung des Moduls die Grundlagen für gezielt die Mechanismen des Wärmetransports zu beschreiben. In der Vorlesung erlangen die Studierenden die Fähigkeiten zum Umgang mit empirischen Formeln, deren Inhalte sowohl auf Stoffgrößen, thermischen Prozessgrößen, thermischen Zustandsgrößen und stoffabhängigen Eigenschaftswerten beruhen.
 
Wärmeübertragung Methodenkompetenz:
Durch gezielte Anwendung der erlernten Lösungsalgorithmen können sie sicher unterscheiden, an welchen Stellgrößen ein technischer Wärmeübertragungsprozess zu bilanzieren ist, zu quantifizieren ist und welche Möglichkeiten der Optimierung (verfahrenstechnisch, maschinenbautechnisch, fluid-mechanisch oder bei der Werkstoffauswahl) über die möglichen Stoffdatenbeschaffenheiten unter Druck, Temperatur und Volumenspezifizierung anwendbar sind.
 
Wärmeübertragung Sozialkompetenz:
Die Studierenden können in Kleingruppen diskutieren und einen Lösungsweg erarbeiten.
Die Studierende sind in der Lage, eigenständig Aufgaben zu definieren, hierfür notwendiges Wissen aufbauend auf dem vermittelten Wissen selbst zu erarbeiten, sowie geeignete Mittel zur Umsetzung einzusetzen.
 
Die sichere Bewertung von stationären und quasi-stationären Wärmetransportproblemen sind Gegenstand der kommunikativen und bewusst austauschenden Einbeziehung der Studierenden während der Vorlesung in aktiven Übungseinheiten. Diese aktiven Übungseinheiten vertiefen die zuvor erlangten Lern- und Arbeitstechniken (Wärmeübertragung Fachkompetenz) und fördern die Fähigkeiten zur selbststudiumangeleiteten Nacharbeitung des vermittelten Lernstoffes, auch in kleinen Lerngruppen. Dieses Wissen können die Studierenden anhand der interaktiven Übungseinheiten vertiefen und sich gezielt über die Grundlage des Wärmetransports, methodisch-problemlösend von Lern- und Arbeitstechniken, in Lerngruppen austauschen und ihre Anwendungen und Erkenntnisse sicher präsentieren.
 
Wärmeübertragung Selbstkompetenz:
Dabei vergleichen die Studierenden die Ergebnisse anhand unterschiedlicher Lösungsansätze (rein empirische Algorithmen in der Ähnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs anhand von dimensionslosen Kennzahlen)  erläutern und  berechnen unterschiedliche Lösungsansätze, diskutieren deren Umsetzungswahrscheinlichkeit anhand der zuvor erlernten Erkenntnisse, welchen natürlichen, technischen oder finanztechnischen Grenzen ein Prozess unterliegen kann. Für verschiedene technische Anwendungen beherrschen die Studierenden die Auswahlkriterien für die Analogie von Wärmetransport (gewollt, z.B. Schwitzen in Funktionskleidung oder die, die es zu verhindern gilt, z.B. Frostgrenzenverlagerung in feuchtes Tragmauerwerk) einzuordnen und mit sicherer Algorithmenanwendung ihre Ergebnisse vorzutragen.
  
Die Teilnehmer kennen die Grundlagen zu den Wärmetransportmechanismen, Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung, Verdampfung und Kondensation. Sie haben die Fähigkeit zur Lösung von Fragestellungen der Wärmeübertragung in technischen Bereichen. Sie beherrschen methodisches Vorgehen durch Skizze, Bilanz, Kinetik. Sie können verschiedene Lösungsansätze auf Wärmetransportvorgänge anwenden.
 
Die Studierenden
- kennen und verstehen die Berechnungsgleichungen für Wärmeübertrager und können Wärmeübertrager auslegen und nachrechnen
- kennen und verstehen Verfahren für die Analyse von komplexen thermischen Prozessen und können diese Verfahren anwenden
 
Fach- und Methodenkompetenz 60%, Sozialkompetenz 15%, Selbstkompetenz 25%
 
Teil Fluidmechanik:
Die Studierenden lernen die erweiterten physikalischen Grundlagen für die Berechnung von inkompressiblen und insbesondere von kompressiblen Strömungen. Die Studierenden kennen die wesentliche Elemente eine Strömungsberechnung und haben einfache Erfahrungen in der Bedienung eines Berechnungstools. Durch Übungen werden die Studierenden in die Lage versetzt, fluiddynamische Vorgänge und deren Auswirkungen unter Berücksichtigung der Einflussgrößen einzuordnen und ingenieurmäßig zu berechnen.


[letzte Änderung 02.05.2019]
Inhalt:
Teil Wärmetransport
Fouriersche Gesetze der Wärmeleitung, Wärmeleitfähigkeit von Fluiden und Feststoffen, Wärmeübergangskoeffizient.
- Stationäre Aufgabenstellungen:
Wärmedurchgang durch ebene, zylindrische und kugelförmige Wände (PÈCLET-Gin.)
- Quasi-eindimensionale und quasi-stationäre Problemstellungen:
Abkühlung von strömenden Fluiden in Rohrleitungen, Abkühlung eines Fluids in einem kugelförmigen Speicher, Abkühlung eines durchlaufenden Drahts in einem Flüssigkeitsbad, Rippen (berippte Wände, Rippenrohre)
- Ähnlichkeitstheorie:
Dimensionslose Kennzahlen (Nu, Re, Pr, Gr etc.)
- Wärmeübergang in einphasigen Medien:
erzwungene Konvektion: Kanalströmungen, Körper im Querstrom, Rohrbündel, freie Konvektion: Ebene Wand, horizontaler Zylinder
- Einfache Wärmeübertrager:
Rekuperatoren, Regeneratoren: Gleichstrom, Gegenstrom, Kreuzstrom
- Wärmetransport durch Strahlung:
PLANCKsches Strahlungsgesetz, LAMBERTsches Cosinusgesetz, STEFAN-BOLTZMANN-Gesetz, KIRCHHOFFsches Gesetz, Strahlungsaustausch zwischen parallelen Wänden, Strahlungsschirme, Strahlungsaustausch von sich umschließenden Flächen.
 
Teil Fluidmechanik:
- Inkompressible Fluide:
Stationäre Strömung in Rohrleitungssystemen, Ausflussvorgänge, Impulssatz, Drallsatz
- Kompressible Fluide:
Energiegleichung, Ausflussvorgänge, Überschallströmung
- Anwendung:
Beispielhafte Anwendung von CFD-Simulationssoftware (wie Ansys Fluent, Ansys CFX, Comsol Multiphysics)
 


[letzte Änderung 02.05.2019]
Lehrmethoden/Medien:
Teil Wärmetransport: Vorlesung 1,5 SWS, Übungen 0,5 SWS
Teil Fluidmechanik: Vorlesung 1,5 SWS, Übungen 0,5 SWS
 
Leitfaden zur Vorlesung, Handouts, Übungsaufgaben, Formelsammlung
 


[letzte Änderung 02.05.2019]
Literatur:
Wärmetransport:
v. Böckh, P.: Wärmeübertragung; Baehr, H.D., Stephan K.: Wärme- und Stoffübertragung
Elsner, N.; Dittmann A.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik II, Wärmeübertragung, VDI Wärmeatlas
Energietechn. Arbeitsmappe
Rohsenow, W.M. et al.: Handbook of Heat Transfer Vol. I u. II
 
Fluidmechanik:
Bohl: Tech. Strömungslehre
v. Böckh: Fluidmechanik
Herwig: Strömungsmechanik
Herwig: Strömungsmechanik A-Z
Kümmel: Technische Strömungsmechanik
Oertel, Böhle, Dohrmann: Strömungsmechanik

[letzte Änderung 02.05.2019]
[Wed Oct 27 12:47:04 CEST 2021, CKEY=mwms, BKEY=m2, CID=MAB_19_A_4.02.WFL, LANGUAGE=de, DATE=27.10.2021]