Bei der Kühlung von Elektronik oder der Entwicklung energieeffizienter Gebäude ist das Prinzip des Wärmeübergangs entscheidend. Es beschreibt, wie Wärme von einem Material in ein anderes fließt – wie bei einem Kochtopf, der Wärme von der Herdplatte ins Wasser überträgt. In Windkanälen – große Geräte, die Luftströme um Objekte, wie Flugzeuge, simulieren – wird der Wärmeübergang genau untersucht. Solche Messungen helfen dabei, Probleme wie die Überhitzung oder die Vereisung von Tragflächen zu lösen und Kühlsysteme in Fahrzeugen zu optimieren.
Einen langjährig erprobten Windkanal besitzt die der Akademie der Wissenschaften der Tschechischen Republik (CAS). Durch Förderung der Bayerisch-Tschechischen Hochschulagentur konnte Claudia Hofmann, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Hochschule Landshut, im letzten halben Jahr Grundlagenuntersuchungen von Wärmetransportvorgängen gemeinsam mit der CAS in Prag durchführen. Mit an der Hochschule Landshut entwickelter Technik konnte der Wärmeübergang berechnet werden.
Was brauchen wir, um den Wärmeübergang zu bestimmen?
Bei den Messungen des Wärmeübergangs kam zum einen die an der Hochschule Landshut weiterentwickelte Atomic Layer Thermopile (ALTP) Sensorik zum Einsatz, die es ermöglicht, den Wärmeübergang mit hoher zeitlicher Auflösung zu messen. Dies bedeutet, dass dieser Sensor Wärmeübergänge selbst bei sehr schnellen Strömungen aufzeichnen kann.
Im Rahmen ihrer Doktorarbeit entwickelt Claudia Hofmann an der Fakultät Maschinen- und Bauwesen eine Schaltung, die zusätzlich zur Wärmestrommessung eine Temperaturmessung mit nur einem ALTP-Sensor ermöglicht. Mit der Kenntnis dieser beiden physikalischen Größen ist die Berechnung des Wärmeübergangs möglich.
Messungen eröffnen neue Forschungsgebiete
Die Windkanalexperimente zur Wärmeübergangserfassung werden an einem umströmten Zylinder durchgeführt. Mittels eines Motors kann der Zylinder in verschiedene Positionen gebracht werden. Durch die Rotation des Zylinders wird auch die Position des Sensors auf verschiedene Winkel variiert. Der Wärmeübergang kann damit sowohl winkelabhängig als auch bei verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten bestimmt werden. Je nach Winkel und Strömungsgeschwindigkeit ändert sich der Wärmeübergang.
Zu dieser Grundlagengeometrie gibt es bereits in der Literatur bekannte Daten – insbesondere solche, die anhand von Simulationen erhoben wurden. Eine Grundlagenmessung mithilfe eines ALTP-Sensors ist in der Literatur aber bislang einzigartig und eröffnet neue Forschungsgebiete.
Die Doktorarbeit findet in Kooperation mit der TU München, Lehrstuhl für Schaltungsentwurf (Prof. Ralf Brederlow) im Labor für Strömungsmechanik und Wärmeübertragung (Prof. Tim Rödiger) der Hochschule Landshut statt.
Foto: Claudia Hofmann
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