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minu
Anmeldungsdatum: 08.11.2011
Beiträge: 6
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 minu Verfasst am: 11. Jul 2012 11:27 Titel: Wärmestrom einer Heizplatte |
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Hallo, ich steh grad iwie auf dem Schlauch 
Ich möchte gern den Wärmestrom einer Heizplatte wissen für eine bestimmte Fläche.
Die Formel is ja  )
wenn die oberfläche meiner Heizplatte jez aba konstant auf 20°C geregelt wird, habe ich ja keine Temperaturdifferenz und kann die Formel ja gar nicht anwenden? ich benötige aba den wärmestrom den diese platte abgibt für eine berechnung einer sublimation die direkt an der oberfläch dieser platte abläuft...
oder berechne ich den Wärmestrom einfach über den "Spalt" zwischen der Heizfläche und dem aufliegenden Eisplättchen?aba das liegt ja direkt auf der Platte und die Sublimation findet ja direkt an der Grenzfläche statt... :/ (das plättchen hat ca einen durchmesser von 3 cm und ist ein cm hoch, die benötigte energie zur vollständigen sublimation beträgt 28 kJ (berechnet über Q=m*Delta H(Sub)) |
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franz
Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11583
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| franz Verfasst am: 11. Jul 2012 17:00 Titel: |
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Du willst auf einer Herdplatte irgendein Fitzelchen sublimieren? Außer der Bitte um Brandschutz fällt mir dazu auf die schnelle nichts ein. |
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jarCrack
Anmeldungsdatum: 20.06.2012
Beiträge: 56
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franz
Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11583
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| franz Verfasst am: 11. Jul 2012 18:02 Titel: |
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OT
Vor der Diskussion verschiedener Lösungen scheint es mir sinnvoll, daß erstmal eine Frage sauber formuliert wird: physikalisch, grammatikalisch usw.  |
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magician4
Anmeldungsdatum: 03.06.2010
Beiträge: 914
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| magician4 Verfasst am: 11. Jul 2012 20:39 Titel: |
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in ergaenzung:
der waermestrom bzgl. der heizplattenoberflaeche unterteilt sich in zwei unterstroeme: dem zu/abfluss von waerme in die sonstige umgebung (= der bereich der heizplatte welcher nicht durch dein eisfitzelchen bedeckt ist) - dieser koennte u.u. den loewenanteil ausmachen, sofern wir ueber typische heizplatten-oberflaechentemperaturen (und nicht grad ueber 20°C) reden - und dem waermefluss zwischen deinem objekt und der heizplatte.
sofern wir bei deinem objekt ueber sublimierendes eis reden, ist dieser waerme-teilstromstrom variabel (ein teil der warme geht in die sublimation, ein teil in die erwaermung des eises, ggf. ausserdem in zunaechst auch reines schmelzen; die kontaktflaeche ist variabel bzgl. groesse und waermeleiteigenschaften, da das ausgasen des objekts einen gasfilm zwischen heizplatte und eis bildet --> "leidenfrost-effekt" ) usw. usf.
da was zu rechnen wird aufwendig, sofern es auch nur ansatzweise im ergebnis etwas mit der realitaet zu tun haben soll
@franz:
um brandschutz mach ich mir im zusammenhang mit eis nicht wirklich sorgen
gruss
ingo |
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minu
Anmeldungsdatum: 08.11.2011
Beiträge: 6
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| minu Verfasst am: 12. Jul 2012 12:21 Titel: |
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Ok,Ok, nochmal von vorne und langsam:
Ich möchte gern berechnen wie lang ein Stück Eis (aus dest. Wasser von ca 9-10g) benötigt um vollständig zu sublimieren. Das ganze findet bei einer Temp von ca -28°C in einem Vakuum von ca 0,046kPa statt. Die Heizfläche wird auf 20°C beheizt. Der Löwenanteil der Sublimation findet an der Grenzfläche zwischen Eisstück und Heizfläche statt. Wie kan ich jetzt den Wärmestrom berechnen der von der Heizfläche auf das Eisstück wirkt?
Der Hinweis mit dem Stafan Boltzmann Gesetz und auch der Leidenfrosteffekt erscheinen mir dabei schon recht hilffreich, danke dafür
@ingo: das Ganze wird sogar sehr sehr aufwendig, da das ganze zunächst für Eis und dann für ein Produkt modelliert werden soll.. zudem findet die Sublimation ja nicht nur an der Grenzfläche statt... aber ich möchte mich da vorsichtig rantasten... hinzu kommt dass ich nun nicht gerade ein Rechengenie bin :/ ... zumindest hab ich keinen Zeitdruck 
Zuletzt bearbeitet von minu am 13. Jul 2012 10:08, insgesamt einmal bearbeitet |
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magician4
Anmeldungsdatum: 03.06.2010
Beiträge: 914
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| magician4 Verfasst am: 12. Jul 2012 17:39 Titel: |
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| Zitat: | | Ich möchte gern berechnen wie lang ein Stück Eis (aus dest. Wasser von ca 9-10g) benötigt um vollständig zu sublimieren. |
um mal klein anzufangen: wenn du dein eis hauchduenn auf die gesamtflaeche der heizplatte auswalzt wird es sicher schneller gehen, als wenn du deinem eisstueck die form eines wuerfels oder eines kegels usw. gibst, d.h. mit jeweils anderen kontaktflaechen und aussenoberflaechen.
| Zitat: | | Das ganze findet bei einer Temp von ca -28°C in einem Vakuum von ca -0,46kPa statt. |
was bitte soll das sein? ein unterdruck von 0.46 kPa ? oder ein restdruck in gleicher hoehe?
weiterhin (& sofern ich mal von letzterem ausgehe): bei einer temperatur von -28°C hat eis einen dampfdruck von ca. 0.4 mbar (0.04 kPa): sein dampfdruck ist also signifikant kleiner als der umgebungsdruck --> jetzt haengts also vom partialdruck des wasserdampfs in deiner restgas-matrix ab, ob da ueberhaupt was sublimiert (nur wenn der kleiner ist als der saettigungsdamppfdruck passiert da ueberhaupt was, und eben auch nur bis zur saettigung).
einen dampfdruck = deinen umgebungsdruck erreicht man ueber eis bei ca. -4°C , d.h. wenn du kontinuierlich zuheizt und den druck erzwungenermassen dort unten haltst, wird dein eis zunaechst sich auch parallel zum sublimieren soweit erwaermen, um dann bei dieser temperatur konstant weiter zu verdampfen.
--> -28°C /0.46 kPa kann unter den von dir geschilderten bedingungen irgendwie nicht stabiler arbeitspunkt des systems sein.
--> entweder musst du den druck weiter auf ~ 0.04 kPa absenken (und dort halten, z.b. durch konstantes abpumpen): dann kannst du unter diesen bedingungen sublimieren. oder du tust das nicht, dann wird der arbeitspunkt deines systems dir zuegig nach woandershin laufen.
| Zitat: | | Die Heizfläche wird auf 20°C beheizt |
aehm ja....frage eines lesenden praktikers: WO hast du da konstant 20°C (links aussen am PT 100?) , resp. welchen sinn macht eine solche angabe, wenn die oberflaechentemperatur deiner heizplatte irgendwie dynamisch-variabel und oertlich inhomogen sein wird?
| Zitat: |
Der Löwenanteil der Sublimation findet an der Grenzfläche zwischen Eisstück und Heizfläche statt. |
wie kommst du denn darauf?
richtig ist, dass die warememenge durch exakt diese grenzflaeche muss, hauptsaechlich, ja.
aber der korper wird anfangs (d.h. solange er noch auf homogener temperatur ist) von jeder seiner oberflaechen aus "schwitzen", und vermutlich , wenn du volumenstroeme pro oberflaeche vergleichst, just an der kontaktflaeche noch am allerwenigsten, denn dies ist die auflageflaeche (--> selbstgenerierter, sublimationshemmender gegendruck: eismasse pro auflageflaeche! & geometrische abstroembehinderung ).
hat die sublimation einmal begonnen, haengt sodann alles weitere u.a. auch vom waermefluss durch deinen koerper ab (womit wir wieder bei u.a. formfaktoren waeren), und du bekommst lokal unterschiedlich temperierte eisoberflaechen auf deinem objekt
| Zitat: | | Wie kan ich jetzt den Wärmestrom berechnen der von der Heizfläche auf das Eisstück wirkt? |
das wird eine reihe hoechst ekliger differentialgleichungen, selbst wenn du sehr langsam, also bei quasi-konstanten randbedingungen mit homogener koerpertemperatur arbeitest...
... und wenn du, was der realitaet wohl weitaus naeher kommt, das ganze auch noch im system-ungleichgewicht betreibst [nicht-saettigung im dampfraum, permanentes abpumpen, nicht-homogene temperaturen ueber dein eis-stueck, ggf. lokales anschmelzen (kontakttemperatur: + 20°C !), ggf. "tanzendes eis" (weil dampfaustritt aus der kontaktflaeche spaetestens bei kleinem rest-eisstueck zu raketenartigen effekten fuehrt), variable, eventuell sogar chaotisch veraenderliche kontaktflaeche usw. usf...]
...dann wird das endgueltig nur noch sehr seeeehr schwer berechenbar, und zu fuss schon mal allemal nimmer
vorschlag des praktikers: mach den admirals-test unter variation der randbedingungen und miss die zeit die es braucht. aus der total-sublimationsenthalpie des objekts (die ja easy zugaenglich ist) ist der waermefluss sodann ja berechenbar, ggf. auch zeitaufgeloest (unterbrechen, waegen)
nimm einen zweiten stoff , z.b. trockeneis, mit anderer verdampfungsenthalpie, anderen waermeleiteigenschaften
und nen dritten, vierten , fuenften... : napthalin, benzol, campher...
= was immer du unter ~ deinen randbedingungen sublimieren kannst in nennenswertem umfang.
versuch eine datenmatrix hinzubekommen, bei der du die abhangigkeit von den beiden (meiner ansicht nach hauptrelevanten) parametern waermeleitfaehigkeit, sublimationsenthalpie irgendwie herauslesen kannst, und mach dir ein darauf aufbauendes einfaches inkrementalsystem
oder schau mal tief in die literatur, ob nicht genau sowas schonmal gemacht wurde (ist ja immerhin ein fast standardproblem industrieller prozessfuehrung: da sollte es wohl also auch literatur zu geben)
alles andere treibt dich mit an sicherheit grenzender wahrscheinlichkeit in den wahnsinn, besonders weil:
| Zitat: | | ... hinzu kommt dass ich nun nicht gerade ein Rechengenie bin :/ ... |
... und ausserdem: um das schreiben eines prograemmmchens um das ganze mit rechenknecht's hilfe mal zu modellieren kommst du wohl zusaetzlich auch nicht herum, denn zu fuss ist das wirklich ziemlich aussichtslos meiner ansicht nach
good luck
ingo |
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minu
Anmeldungsdatum: 08.11.2011
Beiträge: 6
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| minu Verfasst am: 16. Jul 2012 11:23 Titel: |
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Also zunächst einmal: vielen dank für die ausführliche antwort und sorry für den tippfehler - es waren natürlich um die 0,046 kPa gemeint..
zu: "Die Heizfläche wird auf 20°C beheizt"
Die Temperatur wird durch einen Fühler der auf der Heizfläche aufliegt bestimmt. Es ist leider auch nicht möglich die Temperatur exakt und konstant auf 20° zu regeln, Schwankungen sind nicht vermeidbar, allerdings habe ich ein Temperaturprotokoll über die gesamte Versuchszeit. Ich denke für den Anfang wäre es nun aber einfach ein erster Schritt diese als konstant anzunehmen. Es geht ja nun erstmal um eine Annäherung der Sublimationszeit.
dann zu: "Der Löwenanteil der Sublimation findet an der Grenzfläche zwischen Eisstück und Heizfläche statt."
--> es macht tastächlich den Anschein als ob, das konnte man sehr gut erkennen als ich ein eisstück mit hilfe einer kleinen stütze schräg aufgelegt habe, und sich die form des eisstücks an die heizoberfläche anpasste (ist schwer zu erklären). ich habe dementsprechend aba auch einen versuch geplant, um diese vermutung nochmals zu überprüfen. zudem ist das eis die ganze zeit am "tanzen" und es sind auch nur geringe durchmesser des eisstücks möglich, da diese sonst leider zerspringen, durch den druck des dampfes der an der grenzfläche entsteht.
dann: "Wie kan ich jetzt den Wärmestrom berechnen der von der Heizfläche auf das Eisstück wirkt?"
"das wird eine reihe hoechst ekliger differentialgleichungen, selbst wenn du sehr langsam, also bei quasi-konstanten randbedingungen mit homogener koerpertemperatur arbeitest... "
ist denn der vorschlag des stefan-boltzmann gesetzes nicht ein erster ansatz dafür? ich fand die idee gar nicht so verkehrt.
zu: "um das schreiben eines prograemmmchens um das ganze mit rechenknecht's hilfe mal zu modellieren kommst du wohl zusaetzlich auch nicht herum, denn zu fuss ist das wirklich ziemlich aussichtslos meiner ansicht nach"
ok, damit habe ich leider noch gar keine erfahrung.. meinstu z.B. ein excel sheet für diese Modellierung anzufertigen? |
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magician4
Anmeldungsdatum: 03.06.2010
Beiträge: 914
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| magician4 Verfasst am: 16. Jul 2012 22:18 Titel: |
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| Zitat: | | Die Temperatur wird durch einen Fühler der auf der Heizfläche aufliegt bestimmt. (...)Ich denke für den Anfang wäre es nun aber einfach ein erster Schritt diese als konstant anzunehmen. |
wie kommst du darauf, dass die temperatur an der kontaktflaeche fuehler-heizplatte auch nur annaehernd (bzgl. deines versuchs, versteht sich) gleich der temperatur deiner heizplatte direkt unter dem eis ist?
--> schon hier treten erste massive, relevante messtechnische probleme auf
| Zitat: | | es macht tastächlich den Anschein als ob, das konnte man sehr gut erkennen als ich ein eisstück mit hilfe einer kleinen stütze schräg aufgelegt habe, |
ist dir klar, dass in dem moment wo du den "kontakt" (egal jetzt mal ob mit Leydenfrost-effekt oder ohne) zwischen eis und heizplatte unterbrichst, sich deine waermeleit-situation allerdramatischtens aendert? kontaktwaermefluss ist in der regel >> als strahlungswaermefluss, und zwar um mehrere groessenordnungen
dass du also bei "schraegstellung" irgendwas beobachtest, erlaubt keinesfalls rueckschluesse darauf wie die sache aussieht, wennn du vollkontakt hast
| Zitat: | | zudem ist das eis die ganze zeit am "tanzen" (...) |
... womit du dann in dem von mir befuerchteten teil des chaotischen verhaltens waerst, in dem selbst die ekligeren unter den diffentialgleichungen dir nimmer weiterhelfen
| Zitat: | | ist denn der vorschlag des stefan-boltzmann gesetzes nicht ein erster ansatz dafür? |
stefan-bolzmann ist ausschliesslich fuer strahlungs-waermeuebertragung ne gute idee.
die ist in deinem setup jedoch der kleinere bis vernachlaessigbarere teil, mithin eher sekundaer bis irrelevant
hinzu kommt, dass man die heizplatte als schwarzkoerperstrahler ja noch mit viel gutem willen durchgehen lassen koennte, ein eisstueck jedoch... nein, nein und nochmals nein: eine badewanne ist kein ozean, punkt.
| Zitat: | | meinstu z.B. ein excel sheet für diese Modellierung anzufertigen? |
eher nein
ich dachte eher an eine rechenanweisung fuer nen grossrechner, also ungefaehr sowas was man heute einsetzt um tubulenzen, wetter usw. irgendwie naeherungsweise in den griff zu bekommen
gruss
ingo |
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