Wärmetransportanalyse | Quadco Engineering

Die Wärmeübertragungsanalyse ist zu einem wichtigen Aspekt in vielen modernen Designprozessen geworden. Die meisten Fluidströme, Materialien, Teile und Strukturen weisen temperaturabhängige Eigenschaften auf, die die Festigkeit, Leistung und Temperatur beeinflussen. Werkzeuge wie die Finite-Elemente-Analyse (FEA) und die Computational Fluid Dynamics (CFD) können wichtige Informationen liefern, die mit analytischen Berechnungen oder physikalischen Messungen schwer zu ermitteln sind.

Thermische Analyse

Thermische Simulationen werden für Forschung & Entwicklung, Qualitätskontrolle und Fehleranalyse, aber auch für die reguläre Konstruktion verwendet. Teile, die Wärme erzeugen oder externen Wärmequellen ausgesetzt sind, wie Batterien für Elektrofahrzeuge, elektronische Komponenten auf Leiterplatten oder Solarboiler, profitieren alle von gründlicher Forschung zur effizienten Wärmeabfuhr und Temperaturmanagement.

Die Wärmeübertragungsanalyse umfasst auch die Analyse von Fluidströmen und den Wärmeübergang in und zwischen Fluiden und Feststoffen. Diese Analysen werden häufig zur Bewertung chemischer und pharmazeutischer Prozesse sowie zur Entwicklung innovativer Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien verwendet.

Zwei typische Werkzeuge werden für die thermische Analyse verwendet: Finite-Elemente-Analyse (FEA) und Computational Fluid Dynamics (CFD).

Thermische Analyse einer elektronischen Box mit CFD — Wärmeübertragungsanalyse einer elektronischen Box, durchgeführt mit CFD. Die Stromlinien durch das Gerät sowie die Temperaturen der einzelnen elektronischen Komponenten werden angezeigt.

Wärmeübertragungsanalyse mit FEA

Die thermische Analyse mit FEA ermöglicht die Lösung des Wärmeübergangs in oder zwischen Feststoffen. Wärmeübertragungsmechanismen wie Konvektion, Wärmeleitung und thermische Strahlung können berechnet werden. Konvektion und thermische Strahlung werden jedoch explizit vom Analysten definiert und nicht von der FEA-Software berechnet.

Die Wärmeübertragungsanalyse mit FEA wird hauptsächlich in Fällen verwendet, in denen der Wärmeübergangskoeffizient über die Oberfläche des Teils als konstant angenommen werden kann oder wenn der Koeffizient mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist.

Die Wärmeübertragungsanalyse mit FEA ermöglicht auch die Berechnung der thermischen Ausdehnung und der strukturellen Spannungen aufgrund von Temperaturgradienten im Teil.

Temperaturverlauf in einem Abgaskrümmer durch den Durchfluss heißer Abgase. — Der Temperaturverlauf in einem Krümmer durch den Durchfluss heißer Abgase durch den Krümmer. Die Temperaturen im Durchfluss wurden mit CFD berechnet, während die Temperaturen im Krümmer mit FEA auf Basis der CFD-Ergebnisse berechnet wurden.

Wärmeübertragungsanalyse mit CFD

Wenn Computational Fluid Dynamics zur Durchführung einer thermischen Analyse verwendet wird, kann der Wärmeübergang zwischen einem Fluid und einem Feststoff sowie die Konvektion im umgebenden Fluid selbst berechnet werden.

Die Konvektion zwischen einem Fluid und einem oder mehreren festen Teilen wird von der Software berechnet und kann die Unsicherheit in Bezug auf die Variation des Wärmeübergangskoeffizienten beseitigen, indem eine genaue Analyse des Fluidstroms durchgeführt wird. Die lokalen Geschwindigkeiten entlang der Oberfläche des Teils und das Auftreten von Turbulenzen in Kombination mit temperaturabhängigen Eigenschaften des Fluids haben alle einen Einfluss auf den konvektiven Wärmeübergang und werden mit CFD mit hoher Präzision berechnet.

Wärmeübergangskoeffizient eines Kühlkörpers, berechnet mit CFD — Anzeige des Wärmeübergangskoeffizienten h, berechnet mit CFD. Der Wärmeübergangskoeffizient ist entlang der Oberfläche des Kühlkörpers offensichtlich nicht homogen.
Die roten Zonen haben einen höheren Koeffizienten als die blauen Zonen und sind daher effizienter bei der Wärmeabfuhr. Dieses Detaillierungsniveau des konvektiven Wärmeübergangs kann mit FEA nicht erreicht werden.

Fluid-Struktur-Interaktion (FSI)

Strukturelle Verformungen und Spannungen aufgrund von Temperaturschwankungen in einem Bauteil können mit FEA berechnet werden. Die Temperaturwerte können aus einer Wärmeübertragungsanalyse mit FEA oder aus einer CFD-Analyse stammen. Im letzteren Fall sind die CFD- und FEA-Löser gekoppelt, und Temperatur- (und Fluiddruck-) Ergebnisse werden ausgetauscht. Diese gekoppelte Analyse wird als Fluid-Struktur-Interaktionsanalyse (FSI) bezeichnet.

Stromlinien durch einen Rohrbündel-Wärmeübertrager. Die Stromlinien werden sowohl für den Durchfluss durch die Schale als auch durch die Rohre des Wärmeübertragers angezeigt. Die Stromlinien sind mit der Temperatur des Fluids eingefärbt.

Das Expertenteam von Quadco Engineering ist bereit, Sie zu unterstützen und zu beraten

Das Ingenieurteam von Quadco Engineering verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Durchführung von Wärmeanalysen mit FEA und CFD. Möchten Sie wissen, wie wir Ihnen bei der Lösung Ihrer thermischen Probleme helfen können? Dann kontaktieren Sie uns noch heute über Kontakt für ein Angebot oder um ein Treffen zu vereinbaren, um Ihre Anforderungen zu besprechen.