Thermische Simulation

Entdecken Sie die Vorteile der thermischen Simulation

Die thermische Simulation ermöglicht eine präzise Analyse der Wärmeübertragung und Temperaturverteilung in einem Design. Die Vorteile der thermischen Simulation sind vielfältig. Die Temperatursimulation ermöglicht es, die zu erwartende Temperaturverteilung ohne einen Prototyp zu berechnen und bei Bedarf zu optimieren. Zusätzlich lässt sich die aus der Temperaturverteilung resultierende mechanische Bauteilbelastung, die thermische Spannung berechnen. Die Ergebnisse der thermischen Simulation zeigen, ob eine Verbesserung der Konstruktion notwendig ist. Durch gezielte thermische Berechnungen lässt sich die Konstruktion bereits in einem frühen Entwicklungsstand verbessern. Die thermische Simulation hilft dabei, Zeit und Kosten zu sparen und gleichzeitig die Sicherheit zu verbessern.

Anwendungsbereiche der thermischen Simulation

Thermische Simulationen können in vielen Branchen und Bereichen sinnvoll eingesetzt werden. Egal, ob es sich um die Entwicklung von elektronischen Geräten, Maschinen, Fahrzeugen, Gebäuden oder um industrielle Prozesse handelt – die thermische Simulation kann dazu beitragen, effiziente und zuverlässige Designs zu entwickeln. Einige der wichtigsten Anwendungsbereiche der thermischen Simulation sind:

Elektrotechnik / Elektronikentwicklung (thermische Simulation Elektronik)

Die thermische Simulation von Elektronik ist im Prozess der Elektronikentwicklung von zentraler Bedeutung. Elektronische Bauteile erzeugen während des Betriebs Wärme. Um Überhitzung zu verhindern, ist es wichtig, Wärme abzuführen. Die thermische Simulation berechnet die Temperaturverteilung in der Luft, auf Leiterplatten und im Gehäuse. Elektronische Bauteile müssen unterhalb der zulässigen Junction-Temperatur Tj bleiben. Im Simulationsmodell werden elektronische Bauteile wie ICs, Chips, Prozessoren und Transistoren oft nicht im Detail abgebildet. Die Junction-Temperatur Tj kann trotzdem analytisch berechnet werden. Dies geschieht durch die Temperatursimulation in Kombination mit dem Wärmewiderstand Rth des elektronischen Bauteils.

Maschinen- und Anlagenbau, Druckgeräte, industrielle Prozesse

Bei vielen Maschinen und Anlagen ist die thermische Simulation ein entscheidender Faktor. Die Kenntnis der Temperaturverteilung ist in unterschiedlichsten Bereichen wichtig, dies können beispielsweise temperierte Druckbehälter, Anlagen in der Lebensmittelindustrie, sowie unterschiedlichste Maschinen und Anlagen aus verschiedensten Branchen sein.
Die thermische Spannung zu berechnen ist in vielen Bereichen ebenfalls sehr wichtig. Ein typisches Beispiel, bei dem thermischen Spannungen zu einem Bauteilversagen führen können, ist ein Thermoschock. Bei einem Thermoschock wird ein Bauteil schnell erhitzt oder abgekühlt. Dadurch stellt sich ein hoher Temperaturgradient und somit sehr hohe thermische Spannung im Bauteil ein.

Fahrzeugentwicklung / Fahrzeugtechnik

Die thermische Simulation ist bei Optimierung von Motor- und Kühlungssystemen von großer Wichtigkeit. Die Kenntnis der Temperaturverteilung im Innenraum durch eine thermische Berechnung ist für die Innenraumklimatisierung relevant. Thermische Simulationen leisten auch bei der Elektromobilität einen entscheidenden Beitrag, beispielsweise durch die thermische Simulation von Batteriesystemen oder Elektromotoren.

Klimatisierung von Gebäuden und Containern

Bei Gebäuden, Serverräumen und Containern ist die thermische Simulation ebenfalls ein wichtiges Werkzeug, um die Geschwindigkeits- und Temperaturverteilung mit einer Strömungssimulation zu berechnen. In Serverräumen ist es wichtig, dass die Luft alle Server-Racks gleichmäßig durchströmt und diese effektiv kühlt. Bei starker Wärmeentwicklung in einem Container, wie zum Beispiel in einem Batteriecontainer oder einem Container mit Aggregaten, die viel Abwärme erzeugen, kann eine thermische Simulation wichtige Erkenntnisse liefern. Bei Gebäuden und Containern ist es zudem wichtig, Wärmebrücken oder Kältebrücken zu vermeiden. Die thermische Simulation hilft dabei, den Wärmedurchgangskoeffizienten zu bestimmen und so die Effizienz zu steigern.

Grundlagen der Wärmeübertragung

Eine thermische Simulation berücksichtigt alle Arten der Wärmeübertragung, um eine umfassende Analyse zu ermöglichen. Die Wärmeübertragung kann durch folgende Arten erfolgen:

Wärmeleitung (Konduktion)

Wärmeleitung beschreibt den Wärmefluss aufgrund von Temperaturunterschieden. Wärme fließt dabei immer in Richtung der geringeren Temperatur. Wie gut ein Material (Feststoff, Fluid oder Gas) die Wärme leitet, hängt von der Wärmeleitfähigkeit des Materials ab. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit sorgt für eine effektive Wärmeabfuhr. Zum Beispiel verwendet man bei einem Kühlkörper Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer oder Aluminium, um Wärme abzuleiten. Bei einem Wohngebäude hingegen setzt man Dämmstoffe mit möglichst niedriger Wärmeleitfähigkeit ein, um eine gute thermische Isolierung zu gewährleisten.

Konvektion

Durch Konvektion findet eine Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und einer strömenden Flüssigkeit oder einem Gas statt. Der Wärmeübergangskoeffizient gibt an, wie viel Wärme pro Quadratmeter und Grad Temperaturdifferenz zwischen einem Fluid und einem Festkörper übertragen wird. Der Wärmeübergangskoeffizient ist keine reine Materialkonstante, sondern er hängt von den Stoffwerten des Mediums und stark von der Strömungsgeschwindigkeit, bzw. der Art von der Strömung (laminar oder turbulent) ab.

Wärmestrahlung

Bei der Wärmestrahlung übertragen elektromagnetische Wellen die Wärmeenergie. Diese Art der Wärmeübertragung benötigt kein Medium und kann daher auch im Vakuum stattfinden. Ein Beispiel für Wärmestrahlung aus dem Alltag ist die Sonne, die Wärme und Licht bis zur Erde sendet.
Der Emissionsgrad beschriebt dabei, wie gut ein Material Wärmestrahlung aufnimmt und aussendet. Ein Material mit einem hohen Emissionsgrad absorbiert Wärmestrahlung effektiv, während ein Material mit einem niedrigen Emissionsgrad weniger Wärmestrahlung aufnimmt und mehr reflektiert.

Begrifflichkeiten zur thermischen Simulation

Nachfolgend werden eine Schlüsselbegriffe erklärt, die oft bei thermischen Berechnungen genannt werden.

Thermischer Ausdehnungskoeffizient

Wenn Materialien unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, dehnen sie sich bei Wärme aus und ziehen sich bei Kälte zusammen. Der thermische Ausdehnungskoeffizient gibt an, wie stark sich die Abmessungen eines Materials ändern, wenn sich seine Temperatur ändert.

Thermische Spannungen

Thermische Spannungen sind Belastungen, die im Material aufgrund thermischer Ausdehnung entstehen. Liegen die Spannungen über einem Grenzwert, kann ein Bauteilversagen eintreten.

Für das Auftreten von thermischen Spannungen gibt es unterschiedliche Ursachen:

1. Thermische Spannungen entstehen, wenn sich die Temperatur des Bauteils verändert und es so gelagert ist, dass sich das Bauteil bei einer Erwärmung nicht ausdehnen kann.
2. Wenn bei in einer Konstruktion Werkstoffe mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eingesetzt werden, dehnen sich diese bei einer Temperaturänderung unterschiedlich aus. Es gibt also unterschiedliche Längenänderungen der Teile bei einer Temperaturänderung. Wenn die Teile miteinander verbunden sind, gibt es aufgrund der unterschiedlichen Längenänderungen Zwänge und es treten thermische Spannungen auf
3. Temperaturgradienten in einem Bauteil:
   Wenn sich ein einem Bauteil hohe Temperaturunterschiede einstellen, führt dies zu unterschiedlichen thermischen Dehnungen, was wiederum zu thermischen Spannungen führt. Insbesondere bei einem Thermoschock ist dies der Fall

thermische Trägheit

Bei Aufheiz- oder Abkühlvorgängen wird entsprechen Wärme zu oder abgeführt. Die thermische Trägheit beschreibt, wie schnell oder langsam das System mit einer Temperaturänderung reagiert. Die thermische Trägheit hängt von der Masse und der spezifischen Wärmekapazität ab.

transiente thermische Simulation

Bei einer transienten thermischen Simulation wird der Aufheiz- oder Abkühlvorgang berechnet. Bei der Simulation wird die thermische Trägheit (Wärmekapizität, Masse bzw. Dichte) berücksichtigt. Als Ergebnis der Simulation liegt die Temperaturverteilung in Abhängigkeit der Zeit vor.

stationäre thermische Simulation

Das stationäre Temperaturfeld ist die Temperaturverteilung, die sich im Dauerbetrieb einstellt. Bei einer transienten thermischen Simulation liegt der zeitliche Verlauf der Temperaturverteilung vor. Nach einer gewissen Zeit liegt auch bei einer transienten thermischen Simulation der stationäre Endzustand vor. Bei einer stationären thermischen Simulation liegen keine zeitlichen Informationen vor, sondern ausschließlich Ergebnisse des stationären Endzustandes (Dauerbetrieb).

Thermoschock

Ein Thermoschock ist eine schnelle, schockartige Veränderung der Temperatur an einem Bauteil. Die Temperaturveränderung findet so schnell statt, dass sich zunächst nur Bauteiloberflächentemperaturen ändern, die Temperaturen im Bauteilinneren sind jedoch aufgrund der thermischen Trägheit zunächst unverändert. Aus dem hohen Gradienten im Temperaturfeld resultieren meist auch sehr hohe thermische Spannungen.
Beispiel: Ein dickwandiges Rohr hat anfänglich Raumtemperatur und wird schlagartig mit flüssigem LNG, welches eine Temperatur von -167°C hat, durchströmt. Zu Beginn des Thermoschocks kühlt sich dann die Innenseite des Rohres stark ab, die Außenseite des Rohres hat jedoch immer noch Raumtemperatur. Es liegt also ein hoher Temperaturgradient – innen sehr kalt, außen Raumtemperatur – vor. Das Material auf der Innenseite zieht sich aufgrund der thermischen Ausdehnung zusammen und es entstehen thermische Spannungen.

Thermische Simulation: FEM oder CFD

Temperaturfelder lassen sich mit FEM-Simulation und mit CFD-Strömungssimulation berechnen. Bei einer thermischen FEM-Simulation werden nur Festkörper einbezogen, ohne das Strömungsfeld zu berechnen. Der Wärmeübergang (Konvektion) wird bei der FEM Simulation als Randbedingung beschrieben und es wird eine Wärmeübergangzahl und eine Fluidtemperatur definiert. Die Wärmeübergangszahl wird analytisch berechnet oder ist näherungsweise bekannt. Fluidtemperaturen werden als konstante Temperatur angenommen.

Bei der Strömungssimulation berücksichtigt man das Fluid oder Gas, wodurch die Fluidtemperaturen variabel und nicht konstant sind. Die Wärmeübergangszahlen sind ein Ergebnis der Simulation. Die Temperaturfelder einer Strömungssimulation sind i.d.R. genauer als die Ergebnisse einer FEM-Simulation. Jedoch ist die Strömungssimulation mit etwas mehr Aufwand verbunden.

Man kann thermische Spannungen ausschließlich mittels FEM-Simulation berechnen. Dabei definiert man das zuvor per FEM-Simulation oder Strömungssimulation bestimmte Temperaturfeld als Randbedingung