Heat Transfer Module

Zum Modellieren von Wärmeübertragung in Festkörpern und Fluiden für alle Anwendungsbereiche

Heat Transfer Module

Temperaturprofil entlang der Mantelseite und entlang einer der Rohre in einem Wärmetauscher.

Erzeugung, Verbrauch und Transport von Wärme

Das Heat Transfer Module bietet Hilfestellung bei der Untersuchung der Auswirkungen von Erwärmungs- und Kühlvorgängen in Geräten, Bauteilen oder Prozessen. Das Modul enthält geeignete Simulations-Tools, mit denen Sie die Mechanismen des Wärmetransports (Leitung, Konvektion, Strahlung) untersuchen können. Diese Tools werden häufig auch zusammen mit anderen physikalischen Bereichen wie Strukturmechanik, Strömungsmechanik, Elektromagnetismus und chemische Reaktionen verwendet. Vor diesem Hintergrund fungiert das Heat Transfer Module als Plattform für alle denkbaren Industriezweige und Anwendungen, bei denen die Erzeugung, der Verbrauch oder der Transport von Wärme oder Energie im Mittelpunkt des untersuchten Prozesses steht oder zumindest wesentlichen Anteil daran hat.

Material- und thermodynamische Daten

Das Heat Transfer Module ist mit einer internen Materialdatenbank ausgestattet, die die Materialeigenschaften diverser gängiger Fluide und Gase sowie eine Vielzahl von thermodynamischen Daten enthält, die für eine genaue Analyse erforderlich sind. Angegeben sind u. a. Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und Dichte. Die Material Library ist ebenfalls eine Quelle für Materialeigenschaften. Sie enthält die Daten oder algebraischen Beziehungen von mehr als 2.500 Feststoffen. Viele dieser Eigenschaften (z. B. E-Modul und elektrische Leitfähigkeit) sind temperaturabhängig. Das Heat Transfer Module unterstützt außerdem den Import von thermodynamischen und anderen Materialdaten aus Excel® und MATLAB®. Über den Schnittstellenstandard CAPE-OPEN lassen sich zudem Verbindungen zu externen thermodynamischen Datenbanken herstellen.


Weitere Bilder

  • Konjugierte Wärmeübertragung: Ein Lüfter mit einem Gitternetz erzeugt einen Luftstrom im Gehäuse eines Computernetzteils, um die innere Wärme abzuführen. Konjugierte Wärmeübertragung: Ein Lüfter mit einem Gitternetz erzeugt einen Luftstrom im Gehäuse eines Computernetzteils, um die innere Wärme abzuführen.
  • Thermischer Kontakt: In einem Schalter mit Kontakten wird durch den elektrischen Strom joulesche Wärme erzeugt. Die thermischen und elektrischen Widerstände am Kontaktpunkt sind mit dem mechanischen Kontaktdruck an der Nahtstelle gekoppelt. Thermischer Kontakt: In einem Schalter mit Kontakten wird durch den elektrischen Strom joulesche Wärme erzeugt. Die thermischen und elektrischen Widerstände am Kontaktpunkt sind mit dem mechanischen Kontaktdruck an der Nahtstelle gekoppelt.
  • Induktionswärme: Die hohen Temperaturen in einem Heißwandofen zur Halbleiterherstellung werden durch Induktionswärme erzeugt. Berücksichtigt sind die Wärmestrahlung des Typs Oberfläche-zu-Oberfläche zwischen der Waferplatte und den Ofenwänden sowie Leitung und Konvektion. Induktionswärme: Die hohen Temperaturen in einem Heißwandofen zur Halbleiterherstellung werden durch Induktionswärme erzeugt. Berücksichtigt sind die Wärmestrahlung des Typs Oberfläche-zu-Oberfläche zwischen der Waferplatte und den Ofenwänden sowie Leitung und Konvektion.
  • Strahlung: Durch Temperaturunterschiede werden Dichteschwankungen verursacht, durch die eine freie Konvektion von Argongas entsteht. Die Temperaturabweichungen werden durch die Kopplung der Wärmestrahlung mit dem Wärmetransport durch Leitung und Konvektion verursacht. Strahlung: Durch Temperaturunterschiede werden Dichteschwankungen verursacht, durch die eine freie Konvektion von Argongas entsteht. Die Temperaturabweichungen werden durch die Kopplung der Wärmestrahlung mit dem Wärmetransport durch Leitung und Konvektion verursacht.
  • Phasenwechsel: Ein länglicher Eisblock wird an einem Ende weiterhin auf Gefriertemperatur gehalten und am anderen Ende auf 80° C erwärmt. Der Graph zeigt das Temperaturprofil über einen gewissen Zeitraum. Berücksichtigt sind die latente Wärme und der Unterschied zwischen Festkörper- und Materialeigenschaften, wie beispielsweise Leitfähigkeit und Wärmekapazität. Phasenwechsel: Ein länglicher Eisblock wird an einem Ende weiterhin auf Gefriertemperatur gehalten und am anderen Ende auf 80° C erwärmt. Der Graph zeigt das Temperaturprofil über einen gewissen Zeitraum. Berücksichtigt sind die latente Wärme und der Unterschied zwischen Festkörper- und Materialeigenschaften, wie beispielsweise Leitfähigkeit und Wärmekapazität.
  • Dünne Schichten: Simulation eines Heizkreises mit Gleichstrom einschließlich joulescher Erwärmung, Wärmetransport und strukturmechanischer Analyse der dünnen resistiven Schicht auf einer festen Glasplatte. Dünne Schichten: Simulation eines Heizkreises mit Gleichstrom einschließlich joulescher Erwärmung, Wärmetransport und strukturmechanischer Analyse der dünnen resistiven Schicht auf einer festen Glasplatte.

Einheitlicher Workflow

Das Heat Transfer Module ist ein spezielles Tool für die Simulation thermischer Effekte in Fertigungsprozessen und Produktkonstruktionen. Für die Erstellung des Modells und die Simulationen im Bereich des Wärmetransports und allen anderen physikalischen Phänomenen in Ihren Anwendungen verwendet COMSOL einen einheitlichen Ansatz. Dadurch sind Sie mit einem Standardtool ausgerüstet, mit dem Sie mit anderen Ingenieuren und Konstruktionsabteilungen, die andere Phänomene untersuchen, kommunizieren können. Ungeachtet der physikalischen Bereiche, mit denen Sie oder Ihre Kollegen bei einer bestimmten Anwendung arbeiten, bleibt der Workflow einheitlich und überschaubar:

  • Importieren oder Zeichnen des betreffenden Geräts oder der Systemgeometrie
  • Auswählen der Materialdaten oder Beziehungen aus den gleichen Dateien unter Verwendung von konstanten oder temperaturabhängigen Eigenschaften
  • Festlegen der optimalen Beschreibung des Wärmetransports in Ihrem Systems mithilfe diverser individueller Interfaces, ggf. in Abhängigkeit von anderen mit dem System gekoppelten physikalischen Bereichen
  • Einbeziehen eventueller weiterer physikalischer Effekte, die mit den Wärmetransporteffekten gekoppelt sind
  • Definieren von Bedingungen und Nebenbedingungen für die Systemränder
  • Vernetzen des Systems und Verwendung dieses Netzes oder abgeleiteter Netze für weitere Simulationen
  • Ausführen des Berechnungsprozesses mit einem geeigneten Löser und Einstellungen für die Analyse
  • Verarbeiten und Visualisieren der Ergebnisse in Diagrammen und Abbildungen, ggf. auch gemeinsames Darstellen mit Ergebnissen aus anderen Simulationen

Einheitliche Plattform für die Simulation thermischer Effekte bei Fertigungsprozessen und Produktkonstruktionen

Mit COMSOL Multiphysics und den zahlreichen Zusatzmodulen stellt COMSOL ein einheitliches Tool für alle Facetten Ihrer Prozesse und Konstruktionen bereit. Ihnen bleibt es überlassen, welche physikalischen Phänomene Sie untersuchen möchten. Heute modellieren Sie zum Beispiel die joulesche Erwärmung Ihrer Systemgeräte. Morgen untersuchen Sie die Kühlung des Systems durch Luftströme und übermorgen die thermischen Spannungen, die dadurch auf Ihre Geräte wirken. Oder Sie modellieren alle Effekte an einem Tag.

Der Wärmetransport ist ein wichtiger physikalischer Effekt, der meist im Zusammenhang mit anderen physikalischen Effekten untersucht wird. Temperaturfelder verursachen thermische Spannungen, elektromagnetische Felder erzeugen Wärme durch Widerstand, Induktion, Mikrowellen und Hochfrequenzen. Ein Fluid, das über verschiedene Komponenten und Bauteile strömt, ist für deren Kühlung äußerst wichtig. Temperaturabweichungen haben erhebliche Auswirkungen auf Eigenschaften und physikalisches Verhalten von Materialien, wenn diese thermisch verarbeitet werden (z. B. beim Gießen oder Schweißen). Für die problemlose Modellierung des Wärmetransports in Kombination mit anderen Phänomenen enthält das Heat Transfer Module zahlreiche anwenderfreundliche Interfaces. Dieses Modul lässt sich auch in alle anderen Modulen der COMSOL®-Produktpalette integrieren.

Die Mechanismen des Wärmetransports

Die grundlegende Aufgabe des Heat Transfer Module ist es, Berechnungen in Bezug auf die Erhaltung von Wärme vorzunehmen oder Energiebilanzen zu berechnen. Dazu sind eine Reihe von Phänomenen wie mechanische Verluste, latente Wärme, joulesche Wärme oder Reaktionswärme verfügbar. Das Heat Transfer Module enthält einsatzbereite Interfaces, die sogenannten Physikinterfaces, die für die Eingabe von Modelldaten über die Benutzeroberfläche konfiguriert sind. Diese Eingaben werden anschließend zum Aufstellen der Energiebilanz verwendet. Wie bei allen Physikinterfaces der COMSOL Produktpalette können Sie auch hier die zugrunde liegenden Gleichungen bearbeiten. So ist bei der Modifizierung der Transportmechanismen, der Definition bestimmter Wärmequellen oder der Kopplung mit anderen Physikinterfaces die notwendige Flexibilität gewährleistet.

Leitung

Das Heat Transfer Module enthält Funktionen für den Wärmetransport durch Konvektion in Festkörpern und Fluiden oder einer Kombination beider Arten. Durch den uneingeschränkten Zugriff auf die thermische Leitfähigkeit lässt sich diese auch in Abhängigkeit von Variablen, z. B. als Funktion der Temperatur selbst, definieren. Durch die automatische Berechnung von krummlinigen Koordinaten auf beliebiger Geometrie und der Möglichkeit, anisotrope Materialeigenschaften zu definieren, lassen sich thermische Effekte in anisotropen Strukturen wie etwa Verbundwerkstoffen sehr genau darstellen.

Strahlung

Im Heat Transfer Module wird auch die Modellierung der Wärmestrahlung für diverse Szenarien unterstützt. Zu diesem Zweck sind spezielle Löser verfügbar, mit denen Sie das Phänomen modellieren und mit Konvektion und Leitung koppeln können. Mit den Tools im Heat Transfer Module können Sie in transparenten, undurchsichtigen und teiltransparenten Medien verschiedene Strahlungsformen (Oberfläche-zu-Umgebung, Umgebung-zu-Oberfläche und Oberfläche -zu- Oberfläche) modellieren.

Zum Modellieren einer Strahlung des Typs Oberfläche -zu- Oberfläche verwendet das Modul die Radiosity-Methode und erfasst dabei auch die Abhängigkeit der Oberflächeneigenschaften von der Wellenlänge. In ein und demselben Modell können bis zu fünf Spektralbänder berücksichtigt werden. Diese Methode eignet sich zur Modellierung der Sonnenstrahlung, bei der sich das Absorptionsvermögen der Oberfläche für kurze Wellenlängen (Spektralband für Sonnenstrahlung) von dem Emissionsvermögen der Oberfläche von längeren Wellenlängen (Spektralband für Umgebungsstrahlung) unterscheidet. Für jedes Spektralband können zudem Transparenzeigenschaften definiert werden. Das Heat Transfer Module modelliert außerdem die Übertragung von Strahlungswärme in teiltransparente Medien und berücksichtigt dabei Absorption, Emission und Streuung der Wärmestrahlung.

Konvektion

Bei der Anwesenheit von Fluiden kommt es in der Wärmetransportanwendung unweigerlich zu Konvektion und zu Energiebeiträgen aufgrund von Druckarbeit und viskosen Effekten. Im Heat Transfer Module werden diese Prozesse – und zwar sowohl die erzwungene als auch die freie bzw. natürliche Konvektion – optimal unterstützt. Das Modul enthält ein spezielles Physikinterface für konjugierten Wärmetransport, sodass in einem System Festkörper- und Fluidmaterialien modelliert werden können. Zur Berücksichtigung der Fluidströmung enthält das Heat Transfer Module spezielle Physikinterfaces, über die Sie laminare und turbulente Strömungen modellieren können. Dabei kommen die k-ε-Turbulenzmodelle mit hoher und niedriger Reynoldszahl zum Einsatz. Bei allen Strömungsanwendungen werden durch Annahme einer nicht-isothermen Strömung die natürlichen Auftriebskräfte berücksichtigt, die aufgrund von Temperaturunterschieden entstehen. Durch eine Integration Ihrer Wärmetransportmodelle in das CFD Module lassen sich Fluidströmungen noch genauer simulieren. Hier finden Sie alternative Turbulenzmodelle und können Strömungen in porösen Medien oder Zweiphasenströmungen analysieren.

Das Heat Transfer Module enthält außerdem Funktionalitäten, mit denen sich die Modellierung der Konvektion für Fälle vereinfachen lässt, bei denen eine umfassende Modellierung der Strömungsdynamik keine höhere Genauigkeit ergibt oder aber computertechnisch zu aufwändig ist. Die Funktionalitäten werden über eine integrierte Bibliothek mit Wärmeübergangskoeffizienten bereitgestellt. Mit ihnen können Sie den Wärmetransport durch erzwungene oder natürliche Konvektion zwischen Systemumgebung und Rändern simulieren. Das Modul enthält außerdem Beziehungen für verschiedene geometrische Konfigurationen, wie beispielsweise Kamine oder Platten (vertikal, geneigt oder horizontal) und verschiedene externe Fluide (Luft, Wasser und Öl).

Wärmeübertragung in porösen Medien

Die Konzepte des Wärmetransports in frei fließenden Fluidströmungen (laminare und turbulente Strömungen) sind ausreichend bekannt. Das Heat Transfer Module enthält jedoch auch zuverlässige Interfaces für die Modellierung des Wärmetransports in porösen Medien, bei der sowohl Leitung als auch Konvektion in festen und offenporigen Phasen der porösen Matrix berücksichtigt werden. Zur Definition effektiver Wärmetransporteigenschaften können Sie verschiedene Näherungsansätze auswählen. Die Berechnung erfolgt dann automatisch anhand der jeweiligen Eigenschaften des Festkörper- und Fluidmaterials. Verfügbar ist auch eine vordefinierte Funktion für die Wärmeausbreitung in porösen Medien, die durch den gewundenen Weg der Fluide durch die Poren verursacht wird.

Biowärme

Für die Biowärmegleichung steht im Heat Transfer Module ein eigenes Physikinterface zur Verfügung. Das Biowärmetransport-Interface ist ein perfektes Tool zum Simulieren der thermischen Effekte im menschlichen Gewebe und in anderen biologischen Systemen, die durch Mikrowellen, Widerstand, chemische Reaktion oder Strahlung entstehen. Wie in der COMSOL-Umgebung üblich, können Sie auch hier die Temperaturänderungen auf die Materialeigenschaften in anderen Physikinterfaces zurückführen, wie beispielsweise die elektrischen Materialeigenschaften bei einer stark gekoppelten multiphysikalischen Simulation. Die Biowärmeerzeugung kann mit einer Vielzahl von Phasenwechselphänomenen (bis hin zur Gewebenekrose) kombiniert werden.

Phasenwechsel

Der Phasenwechsel ist bei Wärmetransportanalysen eine diskontinuierliche Eigenschaft. Auftreten können schwer voraussagbare Umformungen der transienten geometrischen Grenzfläche zwischen den Phasen, aber auch plötzliche Änderungen von Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit, Wärmekapazität oder Fließverhalten. Diese können sich um Größenordnungen zwischen der festen, flüssigen und gasförmigen Phase unterscheiden. Beim Phasenwechsel entsteht zudem latente Wärme, die in vielen Wärmebilanzen dominiert. Dank vieler unterschiedlicher Funktionen und Benutzerinterfaces können Sie mit COMSOL Multiphysics und dem Heat Transfer Module diesen Diskontinuitäten Rechnung tragen. Mithilfe von beweglichen Netzen können Sie sogar Volumenänderungen modellieren. Unterstützt wird auch die automatische Definition von thermodynamischen Eigenschaften. Damit können Sie nicht nur plötzliche Änderungen von Materialeigenschaften berücksichtigen, sondern durch die Steuerung des Intervalls zwischen den Phasenwechseln auch die Kontinuität gewährleisten.

Thermischer Kontaktwiderstand

Wenn zwei Festkörperobjekte miteinander verbunden sind, hängt der Widerstand gegenüber dem Wärmetransport häufig davon ab, wie gut sie zusammengepresst sind und der entsprechenden Oberflächenrauigkeit. Durch die Rauigkeit entstehen zwischen den Flächen schmale Lücken, die eine Wärmeübertragung verhindern. Je fester die Flächen zusammengepresst sind, desto mehr nimmt die Anzahl der schmalen Lücken ab. Im Heat Transfer Module sind Physikinterfaces verfügbar, mit denen Sie den Kontakt-Wärmedurchgangskoeffizienten simulieren können, der von der angewandten Spannung und der spezifischen Leitfähigkeit in der Lücke, aber auch von der Strahlung zwischen den durch Lücken getrennten Flächen abhängt. Eine Integration der Wärmetransportmodelle in das Structural Mechanics Module ermöglicht eine direkte Kopplung von thermischen und mechanischen Aspekten des Kontakts (einschließlich thermische Ausdehnung).

Dünne Schichten und Schalenelemente

Ihre Geräte oder Prozesse bestehen häufig aus Materialien oder Bereichen, die geometrisch erheblich kleiner sind als die anderen Systemelemente. Dazu zählen dünne Kupferschichten auf Leiterplatten, die Wandung eines Druckkessels oder dünne Isolierungsschichten. Für die Simulation dieser Elemente stehen im Heat Transfer Module spezielle Modellierwerkzeuge zur Verfügung, die zudem die Computerressourcen schonen. In Situationen, in denen der Gradient der Wärmeübertragung nur in tangentialen Richtungen einer Schicht oder Wandung (und nicht über deren Dicke) von Bedeutung ist, kommen hochleitfähige Schalenelemente zum Einsatz. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die ganze Dicke der Schicht oder des Schalenelements zu vernetzen. Trotzdem werden die Lösungsergebnisse mit den 3D-Entitäten gekoppelt, mit denen die Schicht oder das Schalenelement verbunden ist. Hierbei kann es sich entweder um eine dünne Wand zwischen zwei größeren Bereichen, einen Bereich und seine Umgebung oder eine in die Oberfläche eines anderen Festkörpers eingebettete Schicht handeln. In vergleichbarer Weise bieten die Physikinterfaces für dünne wärmewiderstandsbehaftete Schichten eine einfache Möglichkeit, schlecht leitende Materialien darzustellen.

Multiphysik-Knoten zum Thermoelektrischen Effekt

Thermoelektrische Materialien sind in der Lage, Temperaturdifferenzen in elektrische Potentiale umzuwandeln. Dies geschieht dadurch, dass Ladungsträger im Wärmefluss mit bewegt werden. Umgekehrt bewirkt das Anlegen einer Spannung an diesen Materialien einen thermischen Gradienten. Thermoelektrische Bauteile werden oft im Bereich elektronische Kühlung und in mobilen Kühlaggregaten eingesetzt, aber auch die thermoelektrische Stromerzeugung ist ein verbreitetes Anwendungsgebiet.

Das Multiphysik Interface Thermoelektrischer Effekt kombiniert die Interfaces Elektrische Ströme und Wärmetransport in Feststoffen. Damit stehen einem die vielfältigen Möglichkeiten des Heat Transfer Moduls im Bereich des Wärmetransports zur Verfügung, wie z.B. die erweiterten Randbedingungen und Wärmestrahlung. Wie in COMSOL üblich, kann das Thermoelektrischer Effekt Interface ohne Einschränkung mit allen anderen Interfaces kombiniert werden, z.B. mit dem Festkörpermechanik Interface. Materialdaten von den zwei gebräuchlichen thermoelektrischen Materialien Bismut-Tellurit und Blei-Tellurid sind verfügbar, natürlich können auch eigene thermoelektrische Materialien einfach hinzugefügt werden.

Numerical Simulation-Based Topology Optimization Leads to Better Cooling of Electronic Components in Toyota Hybrid Vehicles

Multiphysics Simulation Helps Miele to Optimize Induction Stove Designs

Switching Made Easy

Battery Simulation Propels Electric Cars in China

Cluster Simulation of Refrigeration Systems

Conjugate Heat Transfer

Around the Clock Solar Power

COMSOL Assists Master Chef in Winning International Competition

When it’s Impossible to Take Actual Measurements, Multiphysics Provides the Answers

Keeping LEDs Cool Gets More Manageable Through Simulation

Multiphysics Software, a Versatile, Cost-Effective R&D Tool at Sharp

Understanding the Origin of Uncertainty in Thermometer Calibration

Simulation-Based Engineering Fosters Innovation and Invention

Optimization Slashes Energy Consumption in Silicon-Based MEMS CO2 Detectors

Multiphysics Analysis of a Burning Candle

Heat Sink

Heating Circuit

Electronic Enclosure Cooling

Tin Melting Front

Convection Cooling of Circuit Boards - 3D Natural Convection

Parameterized Shell-and-Tube Heat Exchanger Geometry

Phase Change

Thermo-Photo-Voltaic Cell

Fluid-Structure Interaction in Aluminum Extrusion

Heat Sink with Fins