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Fluiddynamik, Wärme und Stoffübertragung

Modulbezeichnung: Fluiddynamik, Wärme und Stoffübertragung
Studiengang: Erneuerbare Energien/Energiesystemtechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2018
Code: EE1307
SWS/Lehrform: 5V+1U (6 Semesterwochenstunden)
ECTS-Punkte: 7
Studiensemester: 3
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
Klausur
Zuordnung zum Curriculum:
EE1307 Erneuerbare Energien/Energiesystemtechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2018, 3. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Die Präsenzzeit dieses Moduls umfasst bei 15 Semesterwochen 90 Veranstaltungsstunden (= 67.5 Zeitstunden). Der Gesamtumfang des Moduls beträgt bei 7 Creditpoints 210 Stunden (30 Std/ECTS). Daher stehen für die Vor- und Nachbereitung der Veranstaltung zusammen mit der Prüfungsvorbereitung 142.5 Stunden zur Verfügung.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
Modulverantwortung:
Prof. Dr. Marco Günther
Dozent: Prof. Dr. Marco Günther

[letzte Änderung 16.09.2018]
Lernziele:
Die Studierenden sind in der Lage:
- den Unterschied zwischen der technischen Mechanik fester Körper zur Mechanik der Fluide zu erklären
- die Grundgleichungen der Strömungsmechanik zu benennen
- fluiddynamische Vorgänge und deren Auswirkungen unter Berücksichtigung der Einflussgrößen einzuordnen und zu berechnen
    
Wärmeübertragung:
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. 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. Die sichere Bewertung von stationären und quasi-stationäre Wärmetransportproblemen sind Gegenstand der aktiven Einbeziehung der Studierenden!
  während der Vorlesung in aktiven ßbungseinheiten. Diese aktiven ßbungseinheiten vertiefen die zuvor erlangten Lern- und Arbeitstechniken und fördern die Fähigkeiten zur selbststudiumangeleiteten Nacharbeitung des vermittelten Lernstoffes. Dieses Wissen können die Studierenden anhand der interaktiven ßbungseinheiten vertiefen und sich gezielt über die Grundlage des Wärmetansports, methodisch-problemlösend von Lern- und Arbeitstechniken, in Lerngruppen austauschen und ihre Anwendungen und Erkenntnisse sicher präsentieren.
 
Dabei vergleichen die Studierenden die Ergebnisse anhand unterschiedlicher Lösungsansätze (rein empirische Algorithmen in der ßhnlichkeitstherorie des Wärmeübergangs anhand von dimensionslosen Kennzahlen)  erläutern und  berechnen unterschiedliche Lösungsansätze, diskutieren deren Umsetzungswahrscheinlichkeit anhand der zuvor erlernten Erkenntnisse, welchen natürlichen, technischen oder finantechnischen 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.
  
Fluidmechanik:
Im Rahmen dieser Vorlesung wird der ßbergang von der technischen Mechanik der festen Körper zur Mechanik der Fluide erklärt. Als Lernziel wird das Verstehen von  fluiddynamischen Methoden, wie sie u. a. in Verbindung mit thermofluiddynamischen Aufgabenstellungen in den technischen Lehrveranstaltungen und in der Ingenieur-Praxis benutzt werden, verfolgt. Durch ßbungen werden die Studenten in die Lage versetzt, fluiddynamische Vorgänge und deren Auswirkungen unter Berücksichtigung der Einflußgrößen einzuordnen und ingenieurmäßig zu berechnen.

[letzte Änderung 19.07.2019]
Inhalt:
Fluidmechanik
Fluidstatik:
Grundbegriffe: Dichte, Druck, Temperatur
Hydrostatik: Statischer und thermischer Auftrieb
Grundlagen der Fluiddynamik:
Grundbegriffe, Viskosität, Stromlinie, Stromröhre, Stromfaden, Strömungsmechanische ßhnlichkeit und Kennzahlen, Bewegungsgleichungen für Fluidelemente, Erhaltungssätze der stationären Stromfadentheorie: Massenerhaltung, Impulssatz, Energiesatz, reibungsfreie Strömungsprozesse
Reibungsbehaftete Strömungsprozesse: stationäre Rohrströmung(inkompressible Fluide), laminare Rohrströmung (Hagen-Poiseuille-Gesetz), turbulente Rohrströmung
Grundlagen der Thermofluiddynamik: Kennzahlen (Reynolds-,Prandtl-, Pécletzahl), Bilanzgleichungen für Masse, Impuls und Energie, Differentialgleichungen, Begriffe der Grenzschichtströmung
  
Inhalte Wärmetransport:
Fouriersche Gesetze der Wärmeleitung, Wärmeleitfähigkeit von Fluiden und Feststoffen, Wärmeübergangskoeffizient.
Stationäre Aufgabenstellungen:
Wärmedurchgang durch ebene, zylindrische und
kugelförmige Wände (PßCLET-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)
ßhnlichkeitstheorie:
Dimensionslose Kennzahlen (Nu, Re, Pr, Gr etc.)
Wärmeübergang in einphasigen Medien
   - erzwungene Konvektion: Kanalströmungen, Körper im Querstrom, Rohrbündel
   - freie Konvekiton: 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.

[letzte Änderung 19.07.2019]
Lehrmethoden/Medien:
Fluidmechanik:
Vorlesung 2 SWS, ßbungen 0,5 SWS;
Handouts, Beispiele mit Diskussion, ßbungsaufgaben
  
Wärmetranssport:
Vorlesung 2 SWS, ßbungen 0,5 SWS;
Leitfaden zur Vorlesung, ßbungsaufgaben zur Vorlesung
Formelsammlung

[letzte Änderung 19.07.2019]
Literatur:
Baehr, Hans-Dieter; Stephan, Karl: Wärme- und Stoffübertragung, Springer Vieweg, (akt. Aufl.)
Bohl, Willi; Elmendorf, Wolfgang: Technische Strömungslehre, Vogel, (akt. Aufl.)
Elsner, Norbert: Grundlagen der technischen Thermodynamik. Band 2: Wärmeübertragung, Akademie-Verlag, 1993
Gesellschaft Energietechnik: Energietechnische Arbeitsmappe, Springer, (akt. Aufl.)
Kümmel, Wolfgang: Technische Strömungsmechanik, Teubner, (akt. Aufl.)
Polifke, Wolfgang; Kopitz, Jan: Wärmeübertragung, Pearson, (akt. Aufl.)
Rohsenow, Warren M. (Hrsg.): Handbook of heat transfer applications, McGraw-Hill, 1985, 2nd Ed.
Rohsenow, Warren M. (Hrsg.): Handbook of heat transfer fundamentals, McGraw-Hill, 1985, 2nd Ed.
VDI (Hrsg.): VDI-Wärmeatlas, Springer, (akt. Aufl.)
von Böckh, Peter; Saumweber, Christian: Fluidmechanik, Springer Vieweg, (akt. Aufl.)
von Böckh, Peter; Wetzel, Thomas: Wärmeübertragung, Springer Vieweg, (akt. Aufl.)

[letzte Änderung 19.07.2019]
[Sun Mar  7 04:11:02 CET 2021, CKEY=b3EE1307, BKEY=ee3, CID=EE1307, LANGUAGE=de, DATE=07.03.2021]