Wärmeübertragung aufgrund des Kühlmittelflusses

Die Wärmeübertragung wird effizienter, wenn der Kühlmittelfluss von der laminaren zur turbulenten Phase übergeht.

In der laminaren Strömungsphase kann die Wärme nur durch Wärmeleitung von Schicht zu Schicht übertragen werden. In der turbulenten Strömungsphase ermöglicht der Massentransfer in radialer Richtung dagegen eine Wärmeübertragung sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Konvektion. Dadurch erhöht sich die Effizienz der Wärmeübertragung erheblich.

Links: Laminarer Fluss, Rechts: Turbulente Strömung

Nachdem der Kühlmittelfluss die turbulente Phase erreicht hat, steigert sich die Wärmeübertragung nur noch langsam. Deshalb muss die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels nicht erhöht werden, wenn die Reynoldszahl höher als 10.000 ist. Andernfalls stünde die geringe Verbesserung der Wärmeübertragung in keinem angemessenen Verhältnis zu dem höheren Druckverlust in den Kühlkanälen und dem Bedarf an höherer Pumpenleistung.

Sobald der Kühlmittelfluss turbulent ist, gilt Folgendes: Eine Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels führt nur noch zu geringen Verbesserungen des Wärmeflusses und der Abkühlzeit, wogegen Druckverlust und erforderliche Pumpenleistung drastisch zunehmen. Dieses Konzept wird in der folgenden Abbildung veranschaulicht.

Fließgeschwindigkeit

Dabei gilt: M = maximale Wärmestromgeschwindigkeit, C = Abkühlzeit, F = Wärmestromgeschwindigkeit und P = Druckverlust.

Anmerkung: Es muss sichergestellt werden, dass das Kühlmittel in allen Bereichen des Kühlsystems die turbulente Phase erreicht. Mit Autodesk Simulation Moldflow-Analysen lassen sich diesbezügliche Probleme ermitteln und beheben. Beispielsweise können hohe Druckverluste in Kühlkreisläufen erkannt werden, und Sie können feststellen, ob das Kühlmittel bestimmte Kühlkanäle nicht erreicht hat oder in anderen Kühlkanälen stagniert ist.

Durchflussbegrenzer

Das Kühlmittel nimmt stets den Weg des geringsten Widerstands. Bestimmte Kühlkanäle sollten mit Durchflussbegrenzern versehen werden, um den Kühlmittelfluss in andere Kühlkanäle mit hoher Wärmebelastung umzuleiten.