Gesamtwärmeübergang

Gesamtwärmeübergang ist ein Begriff aus der Wärmeübertragung und beschreibt den gesamten Wärmestrom, der zwischen zwei Medien durch eine Trennschicht oder eine Folge von Schichten übertragen wird. Er berücksichtigt die Beiträge der Wärmeübertragung durch Konvektion an den Grenzflächen sowie die Wärmeleitung durch das Trennmaterial. In der Praxis wird der Gesamtwärmeübergang oft durch den sogenannten Gesamtwärmeüber­gangskoeffizienten U beschrieben und zusammen mit der Fläche A zur Bestimmung der Wärmeleistung genutzt.

Die übliche Dimensionierung eines Wärmeübertragers erfolgt über die Gleichung Q = U A ΔTlm. Hier ist Q die Wärmeleistung (W), A die übertragende Fläche, ΔTlm das logarithmisch mittlere Temperaturgefälle und U der gesamte Wärmeübergangskoeffizient in W/(m²K). Der Koeffizient U ergibt sich aus dem Gesamtwärmewiderstand pro Fläche R''tot, der die einzelnen Widerstände in Reihe vereint: R''tot = R''conv,h + R''cond + R''conv,c. Die einzelnen Terme stehen für den konvektiven Widerstand an der heißen Seite, die Wärmeleitfähigkeit des Trennmaterials und den konvektiven Widerstand an der kalten Seite. Konkrete Ausdrücke lauten R''conv,h = 1/h_h, R''cond = δ/k, R''conv,c = 1/h_c, wobei h die Wärmeübergangszahl (W/(m²K)) am jeweiligen Rand, δ die Dicke des Wandmaterials und k die Wärmeleitfähigkeit des Materials ist. Aus R''tot ergibt sich U = 1/R''tot.

ΔTlm hängt von der Anordnung der Strömungen ab (Gegenstrang- oder Parallelstrangfluss) und wird aus den Randtemperaturen bestimmt. Bei Gegenstrang gilt ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2) mit ΔT1 = T_h,in − T_c,out und ΔT2 = T_h,out − T_c,in. Bei Parallelimfluss ergeben sich entsprechende, angepasste Ausdrücke.

Anwendungen finden sich in der Auslegung von Wärmeübertragern, Gebäudedämmung, Elektronik‑ oder Prozesstechnik. Hinweise zur Praxis umfassen die Berücksichtigung temperaturabhängiger Materialeigenschaften und mehrschichtiger Geometrien.