Wärmeerzeugung aufgrund des elektrischen Stroms

Voraussetzung: Ein Edelstahldraht leitet einen Strom von 200 A. Der Draht ist 1 m lang und hat einen Durchmesser von 3 mm. Der Draht wird in eine Flüssigkeit mit 110 °C eingetaucht. Der Konvektionskoeffizient zwischen der Flüssigkeit und dem Draht beträgt 0.004 W/(mm 2 °C)

Materialeigenschaften:

Wärmeleitfähigkeit: 0.019 W/(mm°C)

Leitungswiderstand: 0.0007 W mm

Gesucht: Die Temperatur in der Mitte des Drahts.

Dieses Beispiel deckt nur das Einrichten und Durchführen der Analyse ab. Anweisungen zum Erstellen des Modells finden Sie unter Wärmeerzeugung aufgrund des elektrischen Stroms - Modell. Wenn Sie das Modell nicht erstellt haben, können Sie die Datei heatgen_input.ach im Modell-Unterordner des Autodesk Simulation Installationsverzeichnisses öffnen.

Entwurfsszenario 1 ist die elektrostatische Analyse zur Bestimmung des Stromflusses und Entwurfsszenario 2 ist die Wärmeübertragungsanalyse, um die Temperaturverteilung zu bestimmen.

  1. Da der Widerstand des Materials und die Länge und die Querschnittsfläche des Drahts bekannt ist, können wir den Widerstand aus der Gleichung R= (ρL)/A berechnen. Für unseren 10 mm langen Abschnitt ist dieser Wert 9.9 x 10 -4 ω. Anhand des Ohmschen Gesetzes können wir bestimmen, dass es einen Unterschied von 0.198 V über den Draht hinweg gibt. Wir fügen an den Enden des Drahts anliegende Knotenspannung hinzu, um diese Spannungsdifferenz zu erstellen.
  2. Verwenden Sie Auswahl Form Rechteck und Auswahl Auswählen Punkte, um die Knoten entlang der oberen Kante des Modells auszuwählen. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Hinzufügen Angelegte Spannungen an Knoten aus. Geben Sie 0.198 im Feld Größe ein, 1e8 in das Feld Steifigkeit, und klicken Sie im Modell auf OK. Wählen Sie die Knoten entlang der unteren Kante des Modells aus. Klicken Sie mit der rechten Maustaste, und wählen Sie Hinzufügen Angelegte Spannungen an Knoten aus. Geben Sie 0 im Feld Größe ein, 1e8 in das Feld Steifigkeit, und klicken Sie im Modell auf OK.
  3. Klicken Sie in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementtyp für Teil 1, und wählen Sie den Befehl 2D aus.
  4. Klicken Sie in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementdefinition für Teil 1, und wählen Sie den Befehl Elementdefinition bearbeiten aus. Wählen Sie die Option Achsensymmetrisch in der Dropdown-Liste Geometrietyp aus, und klicken Sie auf OK.
  5. Klicken Sie in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Material für Teil 1, und wählen Sie den Befehl Material bearbeiten aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Eigenschaften bearbeiten. Die elektrische Leitfähigkeit ist die Umkehrung des Widerstands. Geben Sie 1428.57 in das Feld Elektrische Leitfähigkeit ein, und klicken Sie zweimal auf OK.
  6. Verwenden Sie Analyse Analyse Simulation ausführen, um das Modell zu analysieren und die Ergebnisse in der Ergebnisanzeige anzuzeigen.
  7. Verwenden Sie Ergebniskonturen Spannung und Strom Spannung, um sicherzustellen, dass die Spannungen linear von 0 bis 0.198 V variieren. (Wenn nicht, muss die Steifigkeit der angewendeten Spannungen erhöht werden.)
  8. Um uns zu vergewissern, dass wir die Entsprechung von 200 A Durchfluss durch diesen Draht modellieren, lassen wir den Strom anzeigen. Wählen Sie Ergebniskonturen Spannung und Strom StromStromfluss durch Fläche aus. Wählen Sie Ergebniskonturen Einstellungen Ergebnisse glätten zum Deaktivieren der Glättung aus. Verwenden Sie Auswahl Auswählen Flächen und Auswahl Form Rechteck, um die untere Kante des Modells auszuwählen. (Zeichnen Sie die Rechteckauswahl kleiner als die Hälfte des unteren Elements; andernfalls wird die Ablauffläche der unteren Elemente mit einem Netzstrom von 0 ausgewählt). Wählen Sie Ergebnisse abfragen Abfragen Aktuelle Ergebnisse aus, und aktivieren Sie die Option Summe im Dropdown-Feld Zusammenfassung. Die Ergebnisse sollten etwa 200 A ergeben.
  9. Verwenden Sie Werkzeuge Umgebungen FEM-Editor, um zum FEM-Editor zurückzukehren.
  10. Anschließend führen Sie die Wärmeübertragungsanalyse aus, um zu sehen, welche Auswirkungen der Strom auf die Temperaturergebnisse hat. Führen Sie dies in einem separaten Entwurfsszenario aus. Eine schnelle Möglichkeit, um ein neues Entwurfsszenario und eine Analyseart in einem Schritt zu erhalten, ist das Ändern der Analyseart für das aktuelle Entwurfsszenario 1. Klicken Sie also mit der rechten Maustaste in der Strukturansicht auf Analyseart, und wählen Sie Aktuelle Analyseart festlegen Thermisch Stationäre Wärmeübertragung aus. Sie werden gefragt, ob Sie zuerst Ihr Entwurfsszenario in ein Neues kopieren möchten. Klicken Sie auf Ja. Dadurch wird Entwurfsszenario 2 erstellt und auf stationäre Wärmeübertragungsanalyse eingestellt, mit einer Kopie des gesamten Netzes.
  11. Klicken Sie in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Elementdefinition für Teil 1, und wählen Sie den Befehl Elementdefinition bearbeiten aus. Wählen Sie die Option Achsensymmetrisch in der Dropdown-Liste Geometrietyp aus.
  12. Klicken Sie in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Material für Teil 1, und wählen Sie den Befehl Material bearbeiten aus. Klicken Sie auf die Schaltfläche Eigenschaften bearbeiten. Geben Sie 0.019 in das Feld Wärmeleitfähigkeit ein, und klicken Sie zweimal auf OK. (Massendichte und spezifische Wärme sind in einer stationären Wärmeübertragungsanalyse nicht erforderlich, es sei denn, das Bauteil ist eine Flüssigkeit.)
  13. Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift für Bauteil 1, und wählen Sie Hinzufügen Wärmeerzeugung. Geben Sie 1 in das Feld Interne Wärmeerzeugung ein. Dies wird als Markierung verwendt, um dem Prozessor mitzuteilen, dass die Wärmeerzeugungswerte aus der elektrostatischen Analyse für dieses Bauteil verwendet werden. Klicken Sie auf OK.
  14. Klicken Sie auf das Pluszeichen (+) neben der Überschrift Fläche, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Fläche 2. Wählen Sie Hinzufügen Konvektion an Fläche aus.
  15. Geben Sie 0.004 in das Feld Temperaturunabhängiger Konvektionskoeffizient ein, geben Sie 110 in das Feld Temperatur ein, und klicken Sie auf OK.
  16. Geben Sie die zu verwendende Datei für die Joule-Erwärmung an. Klicken Sie in der Strukturansicht mit der rechten Maustaste auf die Überschrift Analyseart, und wählen Sie den Befehl Analyseparameter bearbeiten aus. Aktivieren Sie auf der Registerkarte Elektrisch das Kontrollkästchen Elektrostatische Ergebnisse zum Berechnen der Joule-Effekte benutzen, und klicken Sie auf Durchsuchen. Navigieren Sie zur .efo-Datei aus der elektrostatischen Analyse, die sich im Modellordner ds_data\1 befindet und ds.efo heißt. Klicken Sie auf die Schaltfläche Öffnen. Klicken Sie auf OK, um die Analyseparameter abzuschließen.
  17. Verwenden Sie Analyse Analyse Simulation ausführen, um das Modell zu analysieren und die Ergebnisse in der Ergebnisanzeige anzuzeigen.
  18. Die theoretische Lösung von 231.6 Grad in der Mitte liegt gut im Vergleich mit dem berechneten Ergebnis von 232.2 Grad.

Ein Archiv des Modells heatgen.ach befindet sich im Modellunterverzeichnis des Autodesk Simulation Installationsverzeichnisses. Um das Modell zu analysieren, rufen Sie die Registerkarte Elektrisch des Dialogfeldes Analyseparameter auf und navigieren zum Verzeichnis der .efo-Datei.

Referenz:

J. P. Holman, Heat Transfer 7th Edition. McGraw Hill. Beispiel 2 bis 4, S. 42.

Übergeordnetes Thema: Elektrostatischer Strom und elektrostatische Spannung