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Hochschule Merseburg
Praktikum Verfahrenstechnik
Wärmeübergangskoeffizient in turbulenter Strömung
Dies ist einer der der aufwändigsten und umfangreichsten Versuche, entsprechend sollte Ihre Vorbereitung sein…
1. Versuchsziel und Aufgabenstellung
In mathematischen Modellen für Wärmeübertragungsprozesse mit turbulent strömenden Medien
wird zur Beschreibung der Kinetik der Wärmeübertragungskoeffizient benutzt. Informationen
über die Größe dieses Koeffizienten in Abhängigkeit von seinen Einflussgrößen können
experimentell gewonnen und z. B. in Form von Kriteriengleichungen verallgemeinert dargestellt
werden.
1.1 In diesem Praktikumsversuch soll der Wärmeübergangskoeffizient für turbulente
Gasströmung durch beheizte Rohre in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit, dem
Rohrdurchmesser experimentell bestimmt werden. Die gefundene Abhängigkeit ist mit Hilfe
der bekannten Ähnlichkeitskriterien des Wärmeübergangs mathematisch zu beschreiben.
Die Versuchsdaten sind gemeinsam in einem Diagramm darzustellen und mittels
Regressionsrechnung auszuwerten. Beispielsweise mittels Trendlinie in Excel. Dabei hat die
Ausgleichsrechnung für jedes Rohr einzeln sowie für alle Versuche zusammen, zu erfolgen.
Der Korrelationskoeffizient (Excel Bestimmtheitsmaß) soll zur Beurteilung der Genauigkeit
der gefundenen Gleichungen genutzt werden. Ein Vergleich mit den Koeffizienten (a=0,023;
b= 0,4) aus der Literatur ist sowohl im Diagramm als auch verbal vorzunehmen.
1.2 Als Ansatz für die Kriteriengleichung wird genutzt:
Nu = a (Re² Pr)b.
Darin sind die Stoffwerte für die arithmetisch gemittelte Lufttemperatur einzusetzen. Bei der
Umrechnung der Messwertesätze in die entsprechenden Wärmeübergangskoeffizienten dürfen
die Wärmetransportwiderstände auf der Wasserseite und in der Rohrwand nicht vernachlässigt
werden. Der auf der Wasserseite ist mit der Kriteriengleichung und den Koeffizienten
a=0,023; b= 0,4 beschreibbar.
2. Beschreibung der Anlage und Hinweise zum Betreiben
(Hierzu siehe
Messstellenliste
Technologisches Schema

Anhang 2
Alfa.pdf)
2.1 Ein Luftstrom kann aus dem Druckluftnetz entnommen werden. Mittels Ventil und
Schwebekörperdurchflussmesser kann er in gewünschter Größe eingestellt werden. Er kann
wahlweise durch drei warmwasser-mantelbeheizte Rohre unterschiedlichen Durchmessers
geleitet werden, wobei seine Ein- und Austrittstemperatur gemessen wird. Danach entweicht
er ins Freie.
Der Warmwasserstrom kann wahlweise durch die Mantelräume der 3 Versuchsapparate
strömen, bevor er zum Versuch WUP geführt wird.
2.2 Für jeden Rohrdurchmesser sind wenigstens je 5 Niveaus der Luftgeschwindigkeit zu
untersuchen. Dabei ist zu beachten, dass in allen Versuchen der turbulente Strömungsbereich
nicht verlassen wird. Die Geschwindigkeitsbereiche bei den einzelnen Durchmessern sollen
sich wenigstens z. T. überdecken, damit auch Einzelaussagen über diese beiden
Einflussgrößen möglich werden.
X:\Praktika\Thermische VT\WUK_alpha_BAC.doc
2.3 Sicherheit und Arbeitsschutz
 Vorsicht bei den heißen Rohrleitungen (max. 60 °C)
 Betriebsparameter der Anlage, insbesondere des Luftvolumenstromes immer beobachten.
 Ventile langsam öffnen und schließen.
 Produktweg muss immer offen sein, bei Umschaltung erst den neuen Weg auf- und dann
zudrehen!
3. Versuchsvorbereitung
Woran erkannt man den stationären Zustand des Versuchsprozesses?
Erläutern Sie den Prozess der WÜ an der ebenen Wand. Wovon wird er beeinflusst?
Stellen Sie die Bilanz für ein Versuchsrohr auf und benennen Sie die notwendigen Größen.
Berechnen Sie die Dichte, kin. Viskosität und die Wärmeleitfähigkeit von Wasser bei TT,MM
°C
Beispiel:
Versuchstag ist der 21.11. 21,11 °C
Versuchstag ist der 07.12. 7,12 °C
Anhang 1: Konstruktionsdaten der Versuchsapparate “Wärmeübergangskoeffizient”
Innenrohr
Mantel
WÜ1 L = 800 mm
di = 17,3 mm da = 21,3 mm Di = 29,7 mm Da = 33,7 mm
WÜ4 L = 800 mm
di = 29,7 mm da = 33,7 mm Di = 44,3 mm Da = 48,3 mm
WÜ6 L = 400 mm
di = 17,3 mm da = 21,3 mm Di = 29,7 mm Da = 33,7 mm
Anhang 2: Messstellenliste
Bezeichnung
Messgröße
TI 1...12 (außer 3) Lufttemperaturen
Messgerät
NTC
Anz.fehler
 0,01 K
Luftstrom
Schwebekörperdurchflussmesser
 4 % v. MBE
Wasserstrom
Turbinenzähler
 2,0 % v. MBE
Überdruck vor
U-Rohr
 1 mm WS
Luftdurchflussmesser
Eine Umrechnung der angezeigten Volumenströme der Luft von Kalibrierbedingungen des
Messgerätes auf Betriebsbedingungen ist mit der idealen Gasgleichung notwendig.
FI
FI
PDI
Anhang 3: Stoffwerte
Luft im Bereich 10 ... 60 °C
Gaskonstante
spezifische Wärmekapazität
kinematische Viskosität (m²/s)
Wärmeleitfähigkeit (kJ/m h K)
0,29 kJ/kg K
1,005 kJ/kg K
 = 1,3323  10-5 + 8,71  10-8 T+ 1,02  10-10 T²
 = 0,0876 +2,4610-4 T + 1,1210-7 T ²
Wasser im Bereich 20 ... 60 °C
Dichte (kg/m³)
 = 1005,7 - 0,375 . T
spezifische Wärmekapazität
4,185 kJ/kg K
kinematische Viskosität (m²/s)  =exp (-13,2883-0,02806 T + 1,123  10-4 T²)
Wärmeleitfähigkeit (kJ/m h K)  = 2,0107 + 0,00761 T - 3,347  10-5 T²
Legierter Stahl XBCrNiMoTi18.11
Wärmeleitfähigkeit (kJ/m h K)  = 56
X:\Praktika\Thermische VT\WUK_alpha_BAC.doc
T in (°C)
T in (°C)
T in (°C)
T in (°C)
T in (°C)

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