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Heat Transfer

Autor: Nellis, Gregory; Klein, Sanford

„Heat Transfer“ von Nellis/Klein ist das vermutlich beste Buch über Wärmeübertragung, das ich kenne. Mir ist unklar, weshalb es im deutschen Sprachraum so unbekannt ist.

Prof. Gregory Nellis und Prof. Sanford Klein von der University of Wisconsin-Madison sind von Hause aus Experten für die Thermodynamik von Energiesystemen und haben zahlreiche Publikationen zu den Themenbereichen Solartechnik, Energiespeicherung aber auch Kältetechnik verfasst. Während ihrer Forscherkarriere haben sie ebenfalls umfangreiche Finite-Differenzen- resp. Finite-Elemente-Codes entwickelt, um Wärmeübertragungsprobleme zu lösen.

Dieses Buch ist entsprechend umfangreich. Auf fast 1200 Seiten enthält „Heat Transfer“ vermutlich mehr Wissen über Wärmeübertragung als die deutschsprachigen Klassiker zu dem Thema zusammen. Es fängt natürlich bei den absoluten Grundlagen an, und die ersten fast 500 Seiten befassen sich nur mit Wärmeleitung. Wie füllt man 500 Seiten mit dem Thema Wärmeleitung? Indem man nicht nur alle Spezialfälle, 1D, 2D, 3D, stationär und transient mit unterschiedlichen Randbedingungen behandelt, sondern auch sehr ausführliche Beispiele vorrechnet. Aus meiner Sicht als Inhaber eines Ingenieurbüros für Thermodynamik, Strömungsmechanik und Chemische Reaktionstechnik kann ich sagen, dass diese Beispiele Gold wert sind und teilweise sehr nah an dem sind, was wir in Projekten an Aufgaben lösen. Beispielsweise behandeln Nellis und Klein den Fehler in der Temperaturmessung durch ungünstige Montage und Selbsterwärmung. Andere Beispiele umfassen das Löten, thermoelektrische Wärmequellen, die Optimierung von berippten Wärmetauschern und die thermischen Ansprechzeit einer Behälterwand. Die Beispiele werden im Detail erklärt und sehr oft mit Matlab gelöst. Dabei wird auch der Matlab-Code angegeben.

Mein Lieblingsbeispiel ist die Wärmeleitung in einem Halter. Dieser muss aufgrund seiner Geometrie offensichtlich mit einem mehrdimensionalen numerischen Programm gerechnet werden (wir würden dies mit Comsol Multiphysics tun). Der Autor ermutigt den Leser jedoch, mit einer einfachen Abschätzungsrechnung anzufangen. Diese führt er durch, und als Ergebnis erhält er einen Wert von 1,8 Watt. Dann berechnet er die Aufgabenstellung mit einem 2D-FEM-Code. Als Ergebnis erhält er 2,5 Watt. Seine Schlussfolgerung begrüße ich dann sehr: natürlich sind die 2,5 Watt genauer am tatsächlichen Wert, aber für eine Abschätzungsrechnung reicht die Handrechnung oft. Genau so arbeiten wir als Ingenieurbüro auch, und ich verstehe nicht, weshalb diese Art von Ansatz an deutschen Hochschulen nicht viel mehr gelehrt wird.

Die Kapitel 4, 5 und 6 behandeln die erzwungene und freie Konvektion. Die Autoren erklären natürlich die grundsätzlichen Zusammenhänge, die Grenzschichttheorie, die Dimensionsanalyse und die klassischen Beispiele wie eine überströmte Platte und ein durchströmtes Rohr. Auch in diesen Kapiteln gibt es wieder Weltklasse-Beispiele, die vielfach mit Matlab gelöst werden: Verdunstungskühlung, teilweise eingetauchte Platte, Obst im Kühlhaus oder das Design von Wärmesenken.

Kapitel 7 erklärt auf etwa 45 Seiten die Vedampfung und die Kondensation. Hier werden Beispiele angeführt wie Elektronikkühlung mit Blasensieden oder die Wasserdestillation.

Kapitel 8 erklärt die Auslegung von Wärmetauschern. Hier werden die klassischen Designs wie Gleichstrom-, Gegenstrom- und Kreuzstromwärmetauscher erklärt. Die mathematischen Verfahren sind ebenfalls die Klassiker: mittlere logarithmische Temperaturdifferenz, NTU-Methode, Pinch-Point-Analyse.

Kapitel 9 gibt es „nur“ als PDF mit 64 Seiten auf der Internetseite der Autoren, die dort auch sämtliche Matlab-Files bereitstellen. Hier wird der Stoffaustausch erklärt. Im Buch sind „nur“ die Übungsaufgaben dargestellt. Auch die Webseite ist ein Riesen-Schatz für alle, die sich für das Thema interessieren.

Im Kapitel über Strahlung (Kapitel 10) erklären die Autoren auf weiteren 100 Seiten alles, was man zu diesem Thema wissen muss. Von den Grundgleichungen über Schwarze Körper bis hin zur Charakterisierung von realen Oberflächen und zur Monte-Carlo-Simulation ist alles dabei, was der Thermodynamiker benötigt.

Summa summarum ist das Buch „Heat Transfer“ schlicht Weltklasse! Klare Kaufempfehlung.

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