Wärmebelastungen

Wärmebelastungen bezeichnen Belastungen, die durch Temperatur oder Temperaturgradienten in Materialien, Bauteilen oder Systemen entstehen. Sie beeinflussen den Stoff- und Formzustand sowie die Lebensdauer von Bauteilen und wirken in verschiedenen Domänen wie Maschinenbau, Bauwesen, Elektronik und Energietechnik.

Arten und Ursachen: Thermische Belastungen können statisch auftreten, wenn eine konstante Temperatur vorliegt, oder zyklisch bzw. transient sein, wenn Temperaturen sich wiederholt oder rasch ändern. Zentral ist die thermische Ausdehnung: Unterschiedliche Materialien oder Bauteilbereiche dehnen sich bei Erwärmung unterschiedlich stark aus, wodurch innere Spannungen entstehen. Weitere Ursachen sind Umgebungswärme, Prozesswärme, Sonneneinstrahlung oder Abwärme aus elektrischen oder chemischen Prozessen.

Wirkungen: Thermische Spannungen können zu Verformungen, Rissen, Ermüdung und vorzeitiger Alterung führen. Langzeitspezifische Effekte wie Dauerfestigkeit, Cracking oder Versprödung treten besonders bei hohen oder stark wechselnden Temperaturen auf. In sensiblen Bereichen, etwa Elektronik, beeinflusst Temperaturverteilung die Leistung und Lebensdauer.

Analyse und Design: Die Bewertung thermischer Lasten erfolgt durch Temperaturmessungen, Bestimmung des Wärmeflusses und der relevanten Materialdaten wie Koeffizient der Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität. Numerische Methoden, insbesondere Finite-Elemente-Analysen, unterstützen die Vorhersage von Spannungen aus Temperaturfeldern. Zur Minderung dienen Werkstoffwahl mit passenden Ausdehnungskoeffizienten, Fugen, Lagerungen, Isolierung und kontrollierte Temperaturführung.

Anwendungsbezug: In der Arbeitswelt kann Wärmebelastung auch Hitzestress für Personen bedeuten, weshalb Messgrößen wie Temperatur, Strahlung und Luftfeuchtigkeit erfasst und Schutzmaßnahmen getroffen werden.