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Hallo liebe Experten,
ich wollte fragen, ob jemand Erfahrung zu folgendem Thema hat.

Gesucht ist der Wärmeleitkoeffizient einer Probe !

Gegeben : konventioneller Ofen ca.(0,5x 0,5x 0,5 Meter) mit Heizspulen,zylindrische Probe mit Thermoelementen bestückt,Software:Ansys

Vorgehen: Probe wird erwärmt im Ofen->Aufheizkurfen von Ofen und Probe liegen aufgrund Meßaufbau( Thermometer,Thermoelemente)vor.

Wie könnte ich mithilfe einer Simulation in Ansys nun den Wärmeleitkoeffizienten approximativ bestimmen?

Die Frage ist sehr allgemein gestellt, ich wollte erstmal prüfen, ob hier jemand überhaupt ähnliche Problemstellungen hatte und wollte erstmal allgemein Ideen sammeln.
An einer konkret, durchdaten Vorgehensweise arbeite ich noch.Schließlich muss ich sozusagen den Versuch bzw. das Verfahren selbst "entwerfen",d.h. Anordung/Versuchsaufbau,Berücksichtigung bzw.Vernachlässigung von Konvektion und Wärmestrahlung ....
Für Tipps wäre ich sehr dankbar.
Viele Grüße

[Diese Nachricht wurde von 00student00 am 15. Mrz. 2013 editiert.]

[Diese Nachricht wurde von 00student00 am 15. Mrz. 2013 editiert.]

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Was ist es denn für ein Material und für welchen Temperaturbereich soll die Wärmeleitfähigkeit ermittelt werden.
Bei vielen Materialien ist die Wärmeleitfähigkeit von der Temperatur abhängig!

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Es ist überhaupt kein Problem, mit ANSYS die Aufheizung eines homogenen Zylinders zu berechnen.
Noch viel einfacher kann der stationäre Zustand bei vorgegebenem Wärmestrom und einer Temperatur ermittelt werden.

Das Problem wird sein, die Gegebenheiten eines praktischen Versuchsaufbaues zu erfassen, um sie als Randbedingungen für eine Rechnung vorzugeben.
(Für die stationäre Betrachtung braucht man den Wärmestrom und für die dynamische die Wärmekapazität und die Dichte.)

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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die erste Probe die ich habe ist ein zylindrischer Betonblock.Durchmesser etwa 10cm, Höhe etwa 20 cm.
Die genauen Daten des Ofens habe ich noch nicht, ich schätze er kann bis zu 1000 Grad heizen.
Was wäre denn die ideale einzustellende Temperaturdifferenz für solch einen Versuch?Ich denke auf der einen Seite 100 Grad zuführen und auf der anderen Seite der Probe vielleicht auf 20 Grad halten wäre ein Anfang, oder?
Viele Grüße

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Zeichnung1.pdf

Hallo und ein frohes neues Jahr 
Nun  wollte ich mein Vorhaben einigermaßen konkretisieren und hätte gerne mal eure Expertenmeinung dazu.

Vorhaben:
Wie im angehängten Bild ersichtlich wird eine Probe im Ofen erwärmt. Beide Temperaturkurven (Ofen und Probe)sollen gemessen werden. Hierbei läuft die Kurve der Probe der Ofenkurve hinterher und sollte idealerweise irgendwann die eingestellte Ofentemperatur erreichen(stationärer Zustand dann erreicht).

Ansys:
Nun soll in Ansys das Experiment "nachgebaut"werden.
D.h. die gemessenen, aufgenommenen realen Temperaturverläufe möchte ich in Ansys nachbauen bzw. erhalten.

Überlegung: Wenn die Kurvenverläufe der Probe, aus Simulation und realer Messung übereinstimmen müssten cp und Lambda somit bekannt (bestimmt) sein, denn dieses sind die einzigen freien Parameter in der Simulation (Ansys)

Vorgehen:
die Parameter: cp und Lambda in der Simulation solange verändern bis Kurvenverläufe aus Simulation und realer Messung übereinstimmen.

Frage:
Ist dieses Vorhaben grundsätzlich richtig und möglich?
Wo liegen die Schwierigkeiten?
Ist mit der händischen Änderung der Parameter die reale Temperaturkurve approximierbar?Könnte man die Anpassung an die reale Temperaturkurve in Ansysy automatisieren? Stichwort: Kalmanfilter?
Gibt es bereits Arbeiten, Literatur auf diesem Gebiet, das ihr empfehlen könntet?

Verständnisfrage:
Es handelt sich hierbei doch um ein transientes Problem, d.h. ich suche die Temperaturkurve(änderung) eines Punktes der Probe über der Zeit.Und nicht etwa bezüglich einer Richtung!
Reicht dann nicht eigentlich ein Meßpunkt(Thermoelement) an der Probe bereits aus?
Ist ein genaueres Ergebnis zu erzielen, wenn ich z.B. 3 Meßpunkte hätte, z.B. angeordnet in verschiedenen Ebenen längs der zylindrischen Probe (würde also 3 Temperaturkurven erhalten)? Darf man dann aus diesen eine Durchschnittskurve bilden?

Ihr seht ich habe noch große Schwirigkeiten und vielleicht habt ihr ja paar Antworten und hilfreiche Tipps und Informationsquellen für mich.
Vielen lieben Dank, viele Grüße

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kxx_beton.jpg

Zitat:

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Überlegung: Wenn die Kurvenverläufe der Probe, aus Simulation und realer Messung übereinstimmen müssten cp und Lambda somit bekannt (bestimmt) sein, denn dieses sind die einzigen freien Parameter in der Simulation (Ansys)

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Wenn das so wäre, könnte es vielleicht so gehen, aber:
Die Wärmeleitfähigkeit irgendeines Betons sieht beispielsweise so aus. (Siehe Anhang)
Welcher Wert soll denn da bestimmt werden?
(Die Dichte und damit die spez. Wärmekapazität ist auch temperaturabhängig.)
Hauptproblem wird die Wärmezufuhr sein. Sie erfolgt durch Strahlung und Konvektion. Die Bedingungen dafür lassen sich kaum ordentlich ermitteln.
Hinzu kommen die Messunsicherheiten bei den Einbaugegebenheiten für die Thermoelemente im Inneren des Betonblocks.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zitat:

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Original erstellt von 00student00:
Überlegung: Wenn die Kurvenverläufe der Probe, aus Simulation und realer Messung übereinstimmen müssten cp und Lambda somit bekannt (bestimmt) sein, denn dieses sind die einzigen freien Parameter in der Simulation (Ansys)

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Wie Wolfgang schon sagt, sind deine Randbedingungen auch Parameter, die die Simulation beeinflussen.

Zitat:

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Original erstellt von 00student00:
Ist mit der händischen Änderung der Parameter die reale Temperaturkurve approximierbar?Könnte man die Anpassung an die reale Temperaturkurve in Ansysy automatisieren? Stichwort: Kalmanfilter?
Gibt es bereits Arbeiten, Literatur auf diesem Gebiet, das ihr empfehlen könntet?

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Eine Automatisierung kann mit Standardverfahren zur Optimierung (kleinste-Quadrate-Probleme) realisiert werden.

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Zitat:

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Original erstellt von wosch:

Wenn das so wäre, könnte es vielleicht so gehen, aber:
Die Wärmeleitfähigkeit irgendeines Betons sieht beispielsweise so aus. (Siehe Anhang)
Welcher Wert soll denn da bestimmt werden?
(Die Dichte und damit die spez. Wärmekapazität ist auch temperaturabhängig.)
Hauptproblem wird die Wärmezufuhr sein. Sie erfolgt durch Strahlung und Konvektion. Die Bedingungen dafür lassen sich kaum ordentlich ermitteln.
Hinzu kommen die Messunsicherheiten bei den Einbaugegebenheiten für die Thermoelemente im Inneren des Betonblocks.

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Hallo,
vielen Dank für den Hinweis. Würde ich bei stationärer Betrachtung das Problem der Ermittlung der Wäremezufuhr umgehen?(sihe Vorschlag1)

Also ich hab nochmal zum Verständnis eine kleine Zeichnung angefertigt 
Hauptbestandteil der Wärmeübetragung kommt über die Strahlung der Heizelemente die sich an den vier Wänden des Ofens befinden.Konvektion soll erstmal vernachlässigt werden, da zu gering.
Die Dichte wird als bekannt vorausgesetzt.

Vorschläge:
Alternative 1 (stationärer Betrachtung) :
Ofen wird auf bestimmte Temperatur erwärmt. Temperaturgefälle stellt sich ein und dies wird über die Thermoelemente gemessen.
Somit kann Temperaturverteilungsfunktion über den Weg(also über die Positionen der Thermoelemente)annährend "bestimmt" werden.Annährend weil die Anzahl der Thermoelente sehr klein und diskret ist,daher bedarf es hier einer geeigneten Durchschnittsbildung zwischen den diskreten Werten( ich hoffe Ansys kann?).

Für die Wärmeleitungsgl. in der Simulation würde gelten: symmet.Randbedingungen, hier konstante Oberflächentemperatur, da Betrachtung im stationären Fall,keine Wäremequellen,konst.Lambda!
-> WLG muss nun gelöst werden, wobei cp und Lambda Parameter sind -> liefert Temperaturverteilungsfunktion
Stimmen die Temperaturverteilungsfunktionen nun überein,sind cp und Lambda in der Simulation richtig vermutet worden und somit gefunden.
Wenn nicht müsste man sich mit der Methode der kleinsten Quadrate möglicherweise annähren.

Frage:
a1)
Ist das bisher beschriebene Vorhaben nun mit dieser Versuchskonfiguration möglich unter nun diesen Bedingungen?
a2)
Somit hat man dann auch keine Probleme, wenn Lambda temperaturabhängig ist oder?
a3)
Ausserdem ändern sich doch dann auch nicht die Randbedingungen, da stationärer Fall betrachtet wird oder?
a4)sind die Vereinfachungen legitim und okey=?

b1)
Alternative 2, tansiente Betrachtung
Habt ihr hier einen Vorschlag wie man in diesem Fall mithilfe des Versuchsaufbaus und Ansys, ähnlich zu oben , cp und Lambda "bestimmen" könnte?

b2)
Welchen Fehler mache ich in folgender Überlegung:
Ofen wird von z.B.20 Grad bis 1000 Grad aufgewärmt.
Die Thermoelemente messen nun jemweils die Temperatur über der Zeit und Weg, d.h. ich erhalte keine Kurve, sondern ein Berg(3.dimensional).
Müsste ich dann nicht folglich, ganz analog zu Alternative 1 , nun durch Variation von cp und Lambda versuchen den 3D Berg aus der Messung mit dem 3D (Ergebnis)Berg der Simulation in Übereinstimmung zu bringen?
Ich bin nun völlig durcheinander ;(

Zu welcher Alternative ratet ihr mir, ist denn überhaupt eine realistisch?
Wünsche euch ein schönes Wochenende
viele Grüße
00student00

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Stationärer Zustand (heißt also: es ändert sich nichts) ist der Zustand nach unendlich langer Zeit.
(Wenn der Ofen auf 1000°C heizt, hat alles Gut im Ofen auch 1000°C. Es gibt also keine Temperaturunterschiede.)

Was ist zu raten?
Mal die Literatur bemühen, sehen wie es die Kollegen machen. Es wird Gründe geben, dass die andere Strategien verfolgen.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zitat:

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Original erstellt von wosch:
Stationärer Zustand (heißt also: es ändert sich nichts) ist der Zustand nach unendlich langer Zeit.
(Wenn der Ofen auf 1000°C heizt, hat alles Gut im Ofen auch 1000°C. Es gibt also keine Temperaturunterschiede.)

Was ist zu raten?
Mal die Literatur bemühen, sehen wie es die Kollegen machen. Es wird Gründe geben, dass die andere Strategien verfolgen.

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Aber ist der Versuch denn nich annährend als stationär betrachtbar, wenn ich den Ofen auf eine bestimmte Temperatur aufheize z.B. 200 Grad und an den Thermoelementen der Probe dann warte bis sich nichts mehr ändert, also sich ein Temperaturfeld eingestellt hat? Also wie in Alternative 1 oben beschrieben? Mache ich hier einen Gedankenfehler?

Natürlich bemühe ich mich um Literatur, aber da hab ich bisher gesehen wie die Standardverfahren sind d.h. unter Laborbedingungen mit sehr teueren Apparaturen. Es geht ja genau darum zu prüfen, ob es auch mit solch einer Alternative geht und einigermaßen korrekte Ergebnisse rauskommen.
Was sagt ihr unter diesen Gesichtspunkten zu Alternative 1 und 2 ?

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Zitat:

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Aber ist der Versuch denn nich annährend als stationär betrachtbar, wenn ich den Ofen auf eine bestimmte Temperatur aufheize z.B. 200 Grad und an den Thermoelementen der Probe dann warte bis sich nichts mehr ändert, also sich ein Temperaturfeld eingestellt hat?

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Es ändert sich solange etwas, bis alles auf 200 Grad ist. (Erst dann gibt es ein stationäres Feld.)

Ein hier gewünschtes stationäres Temperaturfeld stellt sich nur dann ein, wenn eine Seite geheizt und eine Seite gekühlt wird. Dann gibt es dann einen stationären Wärmestrom. Dabei hat dann auch die spezifische Wärmekapazität keinen Einfluss mehr.
Eine solche Anordnung wäre gut geignet, die Wärmeleitfähigkeit aus der Temperaturdifferenz zu ermitteln.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Zitat:

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Original erstellt von wosch:

Es ändert sich solange etwas, bis alles auf 200 Grad ist. (Erst dann gibt es ein stationäres Feld.)

Ein hier gewünschtes stationäres Temperaturfeld stellt sich nur dann ein, wenn eine Seite geheizt und eine Seite gekühlt wird. Dann gibt es dann einen stationären Wärmestrom. Dabei hat dann auch die spezifische Wärmekapazität keinen Einfluss mehr.
Eine solche Anordnung wäre gut geignet, die Wärmeleitfähigkeit aus der Temperaturdifferenz zu ermitteln.

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Oh ich seh den Wald vor lauter Bäumen nicht  
Vielen Dank für den Hinweis,es war ein Fehler in meiner Annahme, dass sich ein Temperaturgefälle auch ohne aktive Kühlung in der Probe einstellt.Ich hatte die Definition der spezif.Wärmekapazität missverstanden.
Also unter diesen Umständen muss ich Vorschlag 1 wohl komplett über Bord werfen, da ich somit keine Temperaturverteilungsfunktion (Temperaturgefälle)erhalte,da sich diese stetig bis zur Erreichung der Ofentemperatur ändert. ;(   --> Fazit: Unter dieser Versuchkonfiguration (Ofen,Ansys) ist ein Erzwingen eines stationären gewünschten Temperaturgefälles nicht möglich(da ich im Ofen ja schlecht kühlen kann   )

Also dann möglicherweise doch Alternative 2 :
Betrachtung im nichtstationären Fall, somit Aufnahme der Temperaturkurven über der Zeit!

Wenn zugeführte Wärme bekannt, kann ich doch "relativ problemlos" auf cp schließen oder?
Das größere Problem ist wohl die Bestimmung von lambda.

Gibt es eine Möglichkeit lambda zu bestimmen ohne die Verwendung(Kenntnis) der örtlichen Temperaturverteilung??
Denn sonst müsste ich erstmal einen wohldefinierten Wärmetransport durch die Probe mittels geeignetem Versuchsaufbau(z.B. 1-dimensional)garantieren oder etwa nicht?
Wie würdet ihr vorgehen bzw. was würdet ihr vorschlagen?

[Diese Nachricht wurde von 00student00 am 15. Mrz. 2013 editiert.]

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Zeichnung1.pdf

Hallo liebe Experten,
ich hätte nochmalfolgende Frage zu Ansys und zum oben beschriebenem Problem:

I.d.R. ist es ja so, dass Ansys anhand von gegebenen Parametern (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität,Dichte) die komplette Lösung eines Aufwärmvorgangs über die Zeit berechnen kann. (Anfangs- und Randwertproblem)

Nun kenne ich die Lösung durch Messung (wenn auch nur an gewissen Stellen,nämlich da wo die Thermoelemente angeordnet sind) und suche die Parameter Lambda und cp.

Frage:
Besteht die Möglichkeit eine Temperaturkurve über Zeit und Ort,( aus einer Messung direkt mit der Lösung eines Randwertproblems zu vergleichen ?
Im Anhang habe ich mal eine Skizze beigefügt wie ich mir das vostelle.Also ich erhalte durch Messung der Temperatur an 4 verschiedenen Orten des Zylinders die Temperaturkurven über der Zeit.Approximiert man die örtlichen Zwischenwerte z.B. linear würde man doch ein Temp./Weg/Zeit-Diagramm erhalten.
Dieses würde ich doch auch bei einer Simulation des Aufwärmvorgangs erhalten, wenn ich Lambda,cp,Dichte,Randbed. vorgebe.
Wenn cp,Dichte als bekannt vorausgesetzt sind, würde ich gern nun die "Diagramm-Gebirge"aus Simulation und approximierten Messdaten durch Variation von Lambda("Brute Force Methode") versuchen soweit es geht in Übereinstimmung zu bringen, also Lambda richtig "dosieren".
Frage:
1)Ist das mathematisch möglich?
2) Kann Ansys selbst wie ein Matheprogramm Funktionen(aus Simulation und Messung) vergleichen? oder zu welchem Programm würdet ihr mir dazu raten.

Desweiteren wird Konvektion vernachlässigt.
Dichte aus Volumen und Masse der Probe errechnet.
Cp wird berrechnet durch einen zusätzlichen Versuch: d.h. Probe wird solange bei konst.Ofentemp.erwärmt bis Oberflächetemp.=Kerntemp. ist.  Dann wird die Probe aus dem Ofen genommen und in ein Wasserbad gestellt.Aus der Mischtemp. und den Massen wird cp(Probe) berrechnet.
Fazit: Nur Lambda bleibt als freier Parameter, der in der Simulation durch Trial and Error zu finden ist.

Ist diese Überlegung annährend realistisch?

Wie würdet ihr an meiner Stelle vorangehen? Ich bitte um jeden Rat 
Bitte nicht einfach sagen dass es unmöglich ist, ich muss es leider im Rahmen meiner Arbeit wenigstens mit annährend wissenschaftlichen Mitteln versuchen.
Vielen Dank
Viele Grüße

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Da hier mit wirklichkeitsfremden temperaturunabhängigen Materialwerten gerechnet werden soll und das Problem eindimensional axialsymmetrisch ist, liegen die Lösungszeiten unter einer Sekunde. Deshalb kann intuitiv mit vielen Lösungsläufen probiert werden.
Dazu lassen sich die Messergebnisse durch eine Funktion approximiert in ANSYS in der gleichen Grafik wie die Rechenergebnisse darstellen und die Übereinstimmung subjektiv bewerten.

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Viel Erfolg wünscht
Wolfgang Schätzing

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Hallo Wosh,
ich habe folgendes Verständnisproblem, hoffe du kannst mir da helfen.
Brauche ich die Wäremezufuhr als Wärmestromdichte, bei der Simulation der Aufheizung eines Zylinders im Ofen?
Denn dann müsste ich ja tatsächlich die von den Heizstrahlern des Ofens abgestrahlte Wärme und auch noch Konvektion im Ofen berücksichtigen.
Aber in diesem Fall kenne ich ja bereits aus der gemessenen Aufheizkurve die Oberflächentemperatur der Probe.
Kann man diese nicht als Funktion(über der Zeit) als Randbedingung vorgeben.Also als Randbedingung keinen stationäre Temperatur vorgeben, sondern halt die Auheizfunktion der Probenoberfläche.
Mache ich einen Gedankenfehler oder würde das ausreichen?Dann würde ich doch,Strahlung und Konvektion eigentlich nicht brauchen bei der Modellierung oder???
Gibt es so eine Funktion in Ansys dass ich eine Funktion als Randbedingung vorgebe?
Muss die Funktion als mathematische Funktion vorliegen oder kann ich auch direkt die Tabellenwerte aus der Messung vorgeben.Die Messdaten liegen ja in einer Tabelle bereits vor.
Was würdest du vorschlagen?
Vielen Dank und viele Grüße

[Diese Nachricht wurde von 00student00 am 15. Mrz. 2013 editiert.]