|
Schutzschlauch
Alutex
Physik der Wärmeübertragung
Bei der Entwicklung der Alutex- Schutzschläuche haben sich während der Verifizierung einzelner Muster zunächst näher, nicht zu erklärende Phänomene in der Messung der Innentemperatur gezeigt. Dies hat die Frage nach der Ursache aufgeworfen. Daraus ist die nachfolgende Betrachtung entstanden. In Bild 1 ist der Meßaufbau und das Ergebnis für die einzelnen Messungen dargestellt. :
| Messung |
Dicke
Glas (Wand)
[mm] |
Oberfläche /
Kaschierung |
Beharrungs-
temperatur
t2 [°C] |
Visuelle/ Manuelle
Beurteilung nach Wärmelagerung |
| Band |
Kleber |
Type |
Dicke [µm] |
24h/ 200°C |
48h/ 200°C |
24h/ 250°C |
| 11 |
0,6 |
Reinalu |
Polysiloxan |
4 |
50 |
80 |
+++ |
+++ |
++ |
| 12 |
0,6 |
Reinalu |
Acrylat |
1 |
30 |
84 |
+++ |
+++ |
+ |
| 13 |
1,0 |
Reinalu |
Acrylat |
1 |
30 |
78 |
+ |
+ |
+ |
| 14 |
0,6 |
Reinalu |
Acrylat |
2 |
80 |
81 |
++ |
++ |
+ |
| 15 |
1,0 |
Reinalu |
Polysiloxan |
4 |
50 |
76 |
+ |
+ |
++ |
| 16 |
0,6 |
Reinalu |
Acrylat |
3 |
30 |
72 |
++ |
++ |
+ |
| 17 |
0,6 |
Draht
umstrickt, Bedeckung ca. 20% |
224 |
+++ |
+++ |
+++ |
| 18 |
1,4 |
PET- Trägerfolie Alu
bedampft |
Acrylat |
|
120 |
94 |
0 |
0 |
+ |
Bei Betrachtung des Wärmeübergangs in/ an Rohrkörpern, gemäß Bild 2 ist zu erkennen, daß die Wärmedurchgangszahl K, die sich sowohl aus dem Wärmeleitwiderstand
Rw als auch aus den Wärmeübergangszahlen  a
und i
zusammensetzt, die maßgebliche Größe für die Temperaturdifferenz zwischen dem "heißen" Strahler und dem "kalten" Innenschlauch ist.
 |
Verwendete Formelzeichen und Konstanten
|
|
DJ(as)
|
Temp.-Differenz Strahlung/ Oberfläche [K]
|
|
l
|
Wärmeleitfähigkeit [W/(K*m)]
|
|
DJ(ai)
|
Temp.-Differenz Oberfläche/ innen [K]
|
|
T1
|
Temperatur des Strahlers [K]
|
|
T2
|
Temperatur Produkt [K]
|
|
Aa
|
Fläche Rohr außen [m²]
|
|
Ai
|
Fläche Rohr innen [m²]
|
|
Am
|
Mittlere Fläche Rohr [m²]
|
|
D
|
Differenz
|
|
a
|
Wärmeübergang außen [W/(m² * K)]
|
|
i
|
Wärmeübergang innen [W/(m² * K)]
|
|
s
|
Wärmeübergang Strahlung [W/(m² * K)]
|
|
J
|
Temperatur [°C]
|
|
k
|
Wärmeübergang außen, konvektiv [W/(m² * K)]
|
|
K
|
Wärmedurchgangswiderstand [W/(m² * K)]
|
|
d
|
Wandstärke (ra - ri) = s [m]
|
|
ra
|
Radius außen [m]
|
|
ri
|
Radius innen [m]
|
|
l
|
Länge [m]
|
|
C
|
Emmissionskonstante, stoffbezogen [W/(m²*K4)]
|
|
Cs
|
Schwarzer Strahler 5,77 [W/(m²*K4)] (Quelle 2)
|
|
e
|
Emissionszahl, stoffspezifisch
|
|
Rw
|
Wärmeleitwiderstand [K/W]
|
Die Wärmeleitfähigkeit 
ist eine Stoffkonstante und unabhängig von der Wandstärke des Schlauchs. Dieses trifft auch für den Wärmeübergang
i
an der Innenseite des Schlauches zu (Temperaturunterschiede innen können vernachlässigt werden). Für die Interpretation der in Tabelle 1 dargestellten Meßergebnisse bedarf es zunächst der qualitativen Betrachtung der
Gleichung 1.
Gleichung 1, Quelle 1
Für die Betrachtung ist es empfehlenswert, die Gleichung elementweise zu betrachten.
Unter Berücksichtigung der zuvor gemachten Feststellung, daß der Wärmeübergang an der Innenseite des Schlauch als annähernd gleich anzusehen ist (Temperaturunterschiede innen können vernachlässigt werden), wird dieser Teil der Gleichung nicht weiter betrachtet.
Unter Berücksichtigung der zuvor gemachten Feststellung, ist bei der Betrachtung des Wärmedurchgangswiderstand Rw nur die Geometrie von Einfluß, da die Wärmeleitfähigkeit
als Stoffkonstante nicht weiter betrachtet wird.
Relevant für die qualitative Einschätzung ist bei vergleichbarem Innendurchmesser nur die Wandstärke
des Glasseidenschlauchs. Deshalb wird nur nebenstehender Restausdruck weiter betrachtet.
Mit zuvor genannten Beziehungen und Feststellungen ergibt sich Gleichung 2.:
Gleichnung 2, Quelle 1
Gleichnung 3, Quelle 1
 )
(Gleichung 3a)
Der Einfluß der Wandstärke, d. h. Dicke des Glasschlauches, ergibt sich für verschiedene Wandstärken gemäß
Gleichung 2. Die Betrachtungslänge ist jeweils 1m.
Tabelle 2:
|
Innendurchm.
[mm]
|
Wand
[mm]
|
ra
[m]
|
ri
[m]
|
Aa
[m2]
|
Ai
[m²]
|
Am
[m²]
|
d
[m]
|
Rw*
l
[m-1]
|
|
14,0
|
1,4
|
8,4*10-3
|
7,0*10-3
|
0,05278
|
0,04398
|
0,04825
|
1,4*10-3
|
7,68*10-3
|
|
1,0
|
8,0*10-3
|
0,05027
|
0,04705
|
1,0*10-3
|
7,49*10-3
|
|
0,6
|
7,6*10-3
|
0,04775
|
0,04584
|
0,6*10-3
|
7,30*10-3
|
Auch ohne genaue Kenntnis über die Werkstoffkonstante
(faktorieller Einfluß) kann aufgrund der geringen Unterschiede festgestellt werden, daß die
Wandstärke keinen signifikanten Einfluß auf die Innentemperatur im betrachteten System hat. Dieses ist auch durch die Meßergebnisse belegt.
Die Fläche Aa
ist bei den betrachteten Versuchen vergleichbar. Die Umgebungsbedingungen entsprechen bei allen Messungen einander. Somit ist hier nur der Wärmeübergangswert
a zu betrachten.
a setzt sich zusammen aus
a und
k. Der konvektive Wärmeübergang
k
ist für alle Messungen gleich und spielt bei kleiner Strömungsgeschwindigkeit und großer Strahlungstemperatur keine wesentliche Rolle und wird somit nicht weiter betrachtet.
Maßgeblichen Einfluß auf die Innentemperatur muß demnach der Wärmeübergangswert der Strahlungswärme haben, d. h. das Absorptionsverhalten bzw. Reflektionsverhalten der Außenfläche ist der wesentliche Einflußfaktor des gesamten Schlauchs. Dieses wird definiert über
s. Gleichung 4 ist die quantitative Bestimmung am Beispiel eines
Alutex- Schlauchs im Vergleich mit einem Glasseidenschlauch mit Drahtbedeckung, ca. 20%, d. h. 80% der Schlauchs "sehen" den Strahler. Dabei wird das
der Schlauchwandung vernachlässigt und die gemessene Innentemperatur als T2 angenommen.
Gleichung
4
Quelle 2
Gleichung
4a
Quelle 2
|
Muster
|
t1
[°C]
|
t2
[°C]
|
T1
[K]
|
T2
[K]
|
e
(Quelle1)
|
as [W/(m*K]
|
|
12
|
600
|
84
|
873
|
297
|
0,039
|
2,47
|
|
17
|
224
|
597
|
0,940
|
60,09
|
Nachfolgend ist schematisch dargestellt, wie sich unterschiedlich reflektierende Oberflächen in Bezug auf Wärmefluß und daraus resultierender Innentemperatur verhalten.
Folgende Erkenntnisse können aus den Messungen und theoretischen Überlegungen gezogen
werden:
-
Je kleiner der k- Wert ist um so geringer ist der Wärmefluß und somit die Temperatur im Schlauch.
-
Die Dicke der Glasseide (Wandstärke) hat einen untergeordneten Einfluß auf die Innentemperatur, insbesondere bei Strahlungswärme.
-
Die Reflektionseigenschaften der Oberfläche haben einen herausragenden Einfluß auf die Innentemperatur bei Strahlungswärme. Je besser die stoffspezifische Emissionszahl e ist um so geringer ist die Innentemperatur. Hier hat der Metallumstrickte Schlauch einen nicht zu verleugnenden konstruktiven Nachteil.
-
Eine Reinalu- Kaschierung ist Einer, mit einer polymeren Trägerfolie und aufgedampfter Alu- Schicht immer vorzuziehen, da bei partieller thermischer Überbeanspruchung die Trägerfolie zu einer Trübung der äußert dünn aufgedampften Alu- Schicht führt, was wiederum die Funktion des Schlauches, nämlich sein Wärmereflektionsvermögen, signifikant negativ beeinflußt.
Aus den gewonnenen Erkenntnissen haben
Alutex-Schläuche einen relativ dünnwandigen Glasseiden- Innenschlauch mit einer Reinalu- Kaschierung. Je nach Anwendung kann auf einen Acrylat-Kleber, der bei thermischer Überbeanspruchung versintert, oder einen Polysiloxan-Kleber zurückgegriffen werden.
Quelle 1 Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 19. Auflage Kapitel D, Abschnitt 10, Wärmeübertragung
Quelle 2 Winter F. W., Technische Wärmelehre, 8. Auflage Kapitel XI, Wärmeübertragung
Diese Produkt-Information dient nicht als Spezifikation. Die angegebenen Daten sind typische Werte. Abweichungen sind aus
produktions- als auch anwendungs- technischen Gründen nicht auszuschließen. Detailliertere Informationen sind auf Anfrage jederzeit erhältlich. Stoffliche und toxische Eigenschaften sind dem entsprechenden Sicherheitsdatenblatt zu entnehmen. Stand: Juni 2002
|