Periodische Fluidtemperaturmodulation und Verfahren zur Bestimmung von Wärmeübergängen

Abstract

Erste Untersuchungen zur experimentellen Bestimmung des Phasenversatzes wurden durchgeführt. Im ersten Schritt wurden schnelle Thermoelemente auf der umströmten Plattenoberfläche zur Oberflächentemperaturerfassung verwendet. Die Ergebnisse und eine physikalische Überlegung zeigen, dass diese Methode zur Oberflächentemperaturbestimmung ungeeignet ist. Im weiteren Schritt wurde eine Wärmebildkamera zur Erfassung der Oberflächentemperatur verwendet. Mit der Wärmebildkamera kann der tatsächliche zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur richtig erfasst werden. Die darauf aufbauende korrekte Bestimmung des Phasenversatzes konnte auf Grund der eingeschränkt zur Verfügung stehenden Messtechnik noch nicht nachgewiesen werden. Das Problem lag in der korrekten Erfassung eines Referenzsignals. Die verwendete optische Methode stellte sich als nicht geeignet heraus. Die über das Messsignal ermittelte Phase und Frequenz des Referenzsignals entstanden zufällig. Die Kurven waren somit mit einem Offset gegeneinander verschoben. Die Tendenz, dass der absolute Phasenversatz und somit der Wärmeübergangskoeffizient stromabwärts entlang der ebenen Platte abnimmt, stimmt jedoch mit der Theorie überein.

Die Herleitung des funktionalen Zusammenhangs zwischen Phasenversatz bzw. Amplitudenverhältnis und Wärmeübergangskoeffizient bei sinusförmiger Fluidtemperaturmodulation wurde gezeigt. Der Zusammenhang resultiert aus der analytischen Lösung des Wärmeleitproblems bei konvektiver, periodischer Randbedingung. Der Wärmeübergangskoeffizient ist neben dem Phasenversatz bzw. Amplitudenverhältnis eine Funktion der Dichte, der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit des umströmten Körpers sowie der Frequenz der Fluidtemperaturmodulation. Die physikalische Plausibilität dieses Zusammenhangs wurde beschrieben.

Anhand einer theoretischen Analyse wurde der Einfluss verschiedener Parameter auf das Verfahren untersucht. Daraus und anhand von physikalischen Überlegungen und Literaturrecherche wurden verschiedenste Aspekte genannt, die zur erfolgreichen Anwendung des Verfahrens beachtet werden müssen.