Kühlungsproblem

Wissenschaft Naturwissenschaften allgemein
#1

Hallo zusammen,
ich habe im Rahmen meiner Diplomarbeit ein kleines Problem. Es geht darum, dass ein Kameratubus gekühlt werden muss. Mein Gedanke ist, um den Tubus ein Rohr mit entsprechend großen Innengewinde zu legen und durch das Gewinde Wasser zur Kühlung strömen zu lassen. Es muss eine Temperaturdifferenz von 350 K gehalten werden. Jetzt habe ich die Formel:

. 2\* pi \*L\* delta T
Q= ----------------------------------------------
 1/alpha1/r1 + 1/lambda\*ln(r2/r1) + 1/alpha2/r2

gefunden. Mit den Werten alpha1= 580W/m²k (Wasser um Rohr + ein wenig für die Strömungsgeschwindigkeit); alpha2= 35W/m²K(Luft senkrecht zur Metallwand); lamdba= 220W/(m*K)(Alu) r1= 60mm r2=65mm. Zur Vereinfachung, habe ich nicht die größere Wärmeübertragungsfläche des Gewindes genommen, sondern einfach ein Rohr angenommen. Die Werte habe ich aus dem Kuchling, sind diese Werte ansatzeweise zuverlässig?

 .
Damit folgt: Q=1240W

Komibiniert man dies mit der Formel:
. .
Q= c\*m\*deltaT,

kürzt sich die Temperaturdifferenz interessanterweise heraus. Die Rechnung soll nur Näherungsweise sein. Für den Massenstrom bekomme ich 79g/s.
Sind diese Werte realistisch, oder bin ich mit meiner ganzen Rechnung auf dem Holzweg?

Besten Dank,

MFG
Dirk.

PS:
Q soll der Wärmestrom und m der Massenstrom sein. Die Punkte auf den Buchstaben sind mir nur verrutscht.

Hallo Dirk, ich war so frei einen pre-Tag einzubauen, damit die Formatierung stimmt (Gandalf MOD)

#2

Hallo,

ich habe im Rahmen meiner Diplomarbeit ein kleines Problem. Es
geht darum, dass ein Kameratubus gekühlt werden muss. Mein
Gedanke ist, um den Tubus ein Rohr mit entsprechend großen
Innengewinde zu legen und durch das Gewinde Wasser zur Kühlung
strömen zu lassen. Es muss eine Temperaturdifferenz von 350 K
gehalten werden. Jetzt habe ich die Formel:

(Hervorhebung von mir)

350K Temperaturdifferenz? Wasser?
Irgend was passt da nicht.
Wasser ist nur von 0° bis 100° flüssig.
Wenn das ganze System so heiß wird, dass das Wasser verdampft, kannst du deine ganze Rechnung in die Tonne klopfen, weil der Energieverbrauch beim verdampfen mit eingerechnet werden muss. Und das zusätzliche Volumen, das durch den Wasserdampf eingenommen wird, auch.

Also rede mal Klartext: Welches Bauteil hat welche Temperatur?

Grüße,
Moritz

#3

Hallo,

Wasser ist nur von 0° bis 100° flüssig.

Das Wasser braucht ja auch eine gewisse Zeit, um die Temperaturdifferenz aufzunehmen und wenn das Wasser so schnell strömt, dass es keine Zeit hat, zu verdampfen, sollte das Problem nicht auftreten.
Der Kameratubus hat zu Beginn Raumtemperatur (20°C). Dann wird die Umgebungsluft auf 370°C aufgeheizt.

Dank und Gruß,
Dirk.

MOD: Vollzitat gekürzt.

#4

Hallo Dirk,
eibe Zeichnung/Skizze sagt mehr als tausend Worte, wäre für das Verständnis der Anordnung hilfreich.
Wie dick ist die Wandung zwischen Luft und Wasser ?
Worauf beziehen sich die 370°C ? Sollen die beständig sein, nicht überschritten werden ? Auf welche Temperatur willst du herunterkühlen ?
Was ist die Eintrittstemperatur des Kühlwassers ?

Wenn du Al zur Wasserführung einsetzen willst, dann denke dass kein „Fatz“ Cu im Kreislauf sein darf. Und auch Al mit niedrigstem Cu-Gehalt verwenden. Sonst kommt’s zu Lochfraß.

Gruß
Karl

#5

Hallo Karl,
wenn ich wüsste, wie ich hier eine Skizze reinsetzte, würde ich das auch tun:frowning: Also muss ich es leider doch mit Worten umschreiben:
ich habe ein inneres Rohr, in dem sich Luft befindet (optischer Strahlengang). Außen habe ich ein weiteres Rohr. Zwischen den beiden Rohren soll das Kühlwasser fließen.
Die Rohre befinden sich in einer 400°C heißen Kammer(d.h. das äußere Rohr ist dieser Temperatur ausgesetzt).
Innen (innerhalb des inneren Rohres) darf die Temperatur nicht 80°C (wegen der optischen Elemente)übersteigen. (Sorry die 370K waren ein Tippfehler). Somit besteht zwischen Außen und Innen eine Temperaturdifferenz von 320K.
Die Eintritttemperatur des Wassers kann gegebenfalls den Anforderungen angepasst werden. Allerdings ist es natürlich wünschenswert Raumtemperatur annehmen zu können.
Die Wandung des inneren Rohr beträgt 2 mm. Das äußere Rohr sollte nicht viel dicker sein (Gewicht), kann aber noch den Anforderungen angepasst werden.
DEr Hinweis mit dem Lochfras ist gut. Bis jetzt habe ich zwar noch kein Cu bzw. Alu mit hoher Cu-Legierung verwendet, aber ich werde ein Auge drauf werfen, dass auch in den Zuführungen kein Cu auftaucht.

Gruß,
Dirk.

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

#6

Hallo Dirk,

wenn ich wüsste, wie ich hier eine Skizze reinsetzte, würde ich das auch tun:frowning:

Dem Manne kann geholfen werden : Lass dir zB bei Flickr.de ein kostenloses Account geben. Dann kannst du dort Bilder einstellen und den Link zu der entsprechenden Seite in deine www-Antwort hineinkopieren.

Also muss ich es leider doch mit Worten umschreiben:

Das ist dir verständlich genug gelungen.
Ich hoffe der Lösungsweg unter http://www.flickr.com/photos/21428871@N04/2315119156/ ist für dich verständlich genug.
Wenn du einen geschlossenen Kühlwasserkreislauf hast, must du dafür Sorge tragen, dass die Wärmemenge von der abgeleitet werden kann.
Auch sollte ein handelsüblicher Kühlmittelzusatz (meistens unvollständigerweise als Frostschutzmittel bezeichnet) im Wasser sein, um Kavitation u. Korrosion vorzubeugen.
Gut wäre es, wenn die Temperatur an der Innenwandung des Außenrohres genügend unterhalb des Siedepunktes bleibt.

Gruß
Kar

#7

Hallo Dirk: Wenn Du Wasser zum kühlen eines Rohres verwendest das aussen 370°C heiss ist verdampft das Wasser schlagartig. D.h. heisst Du kannst kein geschlossenes System verwenden da der Druck ca. 220 bar erreicht. Die kritische Temperatur von Wasser ist 374,1°C (647,3 K) und der kritische Druck 221,2 bar bei 647,3 K. Unter diesen Verhältnissen wirst Du auch keine gleichmässige Kühlung des Rohres erreichen. Also kein Wasser verwenden (ist zu gefährlich!), sondern ein Wärmeträgeröl mit einem Siedepunkt über 400°C in einem offenen System verwenden. Das zirkulierte Wärmeträgeröl kannst Du ja dann mit einer Kühlschlange mit Wasserkühlung kühlen, damit das Wärmeträgeröl eine Temperatur unterhalb 80°C behält. Gruss. Paul

Hallo zusammen,
ich habe im Rahmen meiner Diplomarbeit ein kleines Problem. Es
geht darum, dass ein Kameratubus gekühlt werden muss. Mein
Gedanke ist, um den Tubus ein Rohr mit entsprechend großen
Innengewinde zu legen und durch das Gewinde Wasser zur Kühlung
strömen zu lassen. Es muss eine Temperaturdifferenz von 350 K
gehalten werden. Jetzt habe ich die Formel:…
Die Rechnung soll nur Näherungsweise sein. Für den Massenstrom
bekomme ich 79g/s.
Sind diese Werte realistisch, oder bin ich mit meiner ganzen
Rechnung auf dem Holzweg?

Besten Dank,

MFG
Dirk.

PS:
Q soll der Wärmestrom und m der Massenstrom sein. Die Punkte
auf den Buchstaben sind mir nur verrutscht.

Hallo Dirk, ich war so frei einen pre-Tag einzubauen, damit
die Formatierung stimmt (Gandalf MOD)

#8

Hallo,

Innengewinde zu legen und durch das Gewinde Wasser zur Kühlung
strömen zu lassen. Es muss eine Temperaturdifferenz von 350 K
gehalten werden. Jetzt habe ich die Formel:

. 2* pi *L* delta T
Q= ----------------------------------------------
1/alpha1/r1 + 1/lambda*ln(r2/r1) + 1/alpha2/r2

gefunden. Mit den Werten alpha1= 580W/m²k (Wasser um Rohr +
ein wenig für die Strömungsgeschwindigkeit); alpha2=
35W/m²K(Luft senkrecht zur Metallwand); lamdba=
220W/(m*K)(Alu) r1= 60mm r2=65mm.

Ich weiß jetzt nicht, was die Formel eigentlich soll?
Ist das bloß eine Wärmedurchgangsberechnung incl. Konvektion,
oder was?
Ich sehe da aber keinen Strahlungsanteil, oder?

Strahlung wird aber bei der Einsatztemp. den Hauptanteil bei der
Wärmeübertragung ausmachen (P_strahlung ist proport. zu T^4)!
http://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz
Gruß Uwi

#9

Hallo,

Wenn Du Wasser zum kühlen eines Rohres verwendest
das aussen 370°C heiss ist verdampft das Wasser schlagartig.
D.h. heisst Du kannst kein geschlossenes System verwenden da
der Druck ca. 220 bar erreicht.

Das ist so eigentlich Quatsch. Mit der Begründung dürfte Wasser
in keinem Verbrennungsmotor als Kühlmittel verwendet werden.
Da haben die Verbrennungsgase regelmäßig Temperaturen weit über 400°C.

Die kritische Temperatur von
Wasser ist 374,1°C (647,3 K) und der kritische Druck 221,2 bar
bei 647,3 K. Unter diesen Verhältnissen wirst Du auch keine
gleichmässige Kühlung des Rohres erreichen. Also kein Wasser
verwenden (ist zu gefährlich!),

Wasser wird in der Technik seit Jahrzehnten in allerlei Wärmekraft-
maschinen als Wärmeträger verwendet, ganz ohne dass es zu den beschriebenen Problemen kommt.

sondern ein Wärmeträgeröl mit
einem Siedepunkt über 400°C in einem offenen System verwenden.

Es will eine Temp. von unter 80°C im gekühlten Gehäuse erreichen!
Nix von verdampfen und Hochdruckleitungen.

Das zirkulierte Wärmeträgeröl kannst Du ja dann mit einer
Kühlschlange mit Wasserkühlung kühlen, damit das Wärmeträgeröl
eine Temperatur unterhalb 80°C behält.

Klasse, dann hat er zwar am Ausgang irgend einen Wärmeträger mit
Temp. unter 80°C. Aber was nützt ihm das?

Gruß Uwi