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Seite: von 4

Emil Nietlispach
Meister im Astrotreff

Schweiz
475 Beiträge

Erstellt  am: 15.01.2020 :  21:38:39 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Wolfgang

Es geht also im Beispiel 4x schneller mit Föhn bis er 19° erreicht. Ist die Stärke des Luftstroms entscheidend?

Grüsse Emil

Bearbeitet von: am:
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Heljerer
Meister im Astrotreff

Deutschland
303 Beiträge

Erstellt  am: 15.01.2020 :  22:06:16 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Emil!

Zitat:
Original erstellt von: Emil Nietlispach

Ist die Stärke des Luftstroms entscheidend?


Natürlich! Der Luftvolumenstrom ist von den Einflussparametern (Düsendurchmesser, Abstand, Luftvolumenstrom, mal abgesehen von der Spiegeldicke) die wichtigste Größe. Bei den normalen Spiegellüftern ist leider der Volumenstrom nicht bekannt. Den müsste man gezielt messen.

Am besten wäre eine beidseitige Anströmung mit zwei Ventilatoren. Das wäre bei meinem Gitterrohrdobson sogar möglich. Bei mir sieht aber so ein Beobachtungsabend ganz entspannt aus. Daher habe ich es gar nicht eilig.

Der Zweck einer Wärmeaustauschberechnung, so wie ich sie gemacht habe, ist, dass man sehr schnell ein Gefühl dafür entwickelt, wie sich welcher Parameter auswirkt. Man kann z.B. wunderbar die Auskühlzeiten bei verschiedenen Spiegeldicken vergleichen. Der Vorteil der Rechnung gegenüber dem Experiment ist auch, dass man Informationen über die Kerntemperatur - und nicht nur über die Oberflächentemperatur - bekommt.

Ansonsten gilt natürlich wie meistens in der angewandten Wissenschaft: Nicht "Experiment oder Berechnung" sondern "beides Hand in Hand".

Viele Grüße
Wolfgang

Bearbeitet von: am:
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Emil Nietlispach
Meister im Astrotreff

Schweiz
475 Beiträge

Erstellt  am: 15.01.2020 :  23:06:29 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Wolfgang,

was mich interessiert wäre. ob ein schwacher Luftstrom auch schon eine merkliche Verkürzung der Anpassung bewirkt. Man im Beispiel also statt 90m3 Luft/h nur 9m3/h hätte, wie lange ginge es dann, bis er auf 19° wäre?

Ich habe mit meinem 50cm/4cm Spiegel manchmal Anpassungsprobleme. Möchte aber keinen Ventilator einbauen, um die Simplizität des Gerätes zu wahren. Ob es da merklich besser wäre, den Spiegel etwas in den fast immer vorhandenen Wind in den Bergen zu stellen, bevor man ihn zum Beobachten einbaust, weiss ich nicht. Deshalb mein Interesse am obigen Beispiel mit sanftem Luftstrom.

Grüsse Emil

Bearbeitet von: am:
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Kalle66
Forenmeister im Astrotreff

Deutschland
10597 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  00:09:19 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Emil, Wolfgang
denkt daran, im Freien kühlt der Spiegel mit vertikalem Blick gegen einen etwa -30°C kalten Himmel schon per Strahlung. Der begrenzende Faktor dürfte da die Wärmeleitfähigkeit im Glaskörper sein. Lüften tut man da, damit er anschließend nicht unterkühlt und beschlägt.

Kalle - Alles wird gut !
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Bearbeitet von: am:
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Stathis
Forenautor im Astrotreff

Greece
4952 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  04:38:35 Uhr  Profil anzeigen  Besuche Stathis's Homepage  Antwort mit Zitat
Zitat:
Original erstellt von: Kalle66

im Freien kühlt der Spiegel mit vertikalem Blick gegen einen etwa -30°C kalten Himmel schon per Strahlung.

Ein verspiegelter Spiegel mit den üblichen 90% Reflexionsgrad hat folglich einen Emissionsgrad von nur 10% und strahlt nur wenig Wärme in Richtung kalten Himmel. Deswegen unterkühlt der Hauptspiegel auch lange nicht so schnell, wie der Fangspiegel.

Hallo Wolfgang, interessante Rechnung und erstaunliche Übereinstimmung mit Kurts Messung. Ist bei der Rechnung die Wärmestrahlung auch berücksichtigt?
Den VDI Wärmeatlas hatte ich vor gefühlt 80 Jahren in den Fingern. Gibt es den heute in digitaler Form? Aber du schreibst 2002, das ist ja auch schon eine Weile her.

Emil, auch ein 40mm dicker Spiegel ist ja noch relativ dünn. Ich schätze, dass eine leichte Luftbriese ihn wesentlich schneller auskühlen lässt. Das ist ja mit ein Grund, warum die Spiegel in offenen Spiegelzellen im Gitterrohrdobson schneller auskühlen. Hinzu kommt noch die freie Abstrahlung zum Boden. Kann Wolfgang einen Wärmeübergangskoeffizient für "leichte Briese" nennen?

Stathis
http://www.stathis-firstlight.de

Bearbeitet von: Stathis am: 16.01.2020 04:48:44 Uhr
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Kalle66
Forenmeister im Astrotreff

Deutschland
10597 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  07:35:07 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Stathis,
Du hast Recht. Ich hatte da fälschlich einen Rückgang des Reflexionsgrads auf 70% in Erinnerung. Fand jetzt eine Quelle, die einer Aluschicht noch über 90% zuspricht (Gold ist aber noch besser).

http://www.lss.ovgu.de/lss_media/Downloads/Lehre/Vorlesung/Messtechnik/Praktikum/Anleitung_Versuch1_2016_SGA.pdf
Der Artikel behandelt IR-Thermografie

Wenn die Rückseite offen ist, dann sollte eine Rettungsfolie hinterm Teleskop bei 30%-Lage zum Runterkühlen im Dunklen aber auch was bringen. Wenn Nils den Spiegel ausbaut, kann er ihn auch einfach umdrehen.

Kalle - Alles wird gut !
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Bearbeitet von: am:
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Emil Nietlispach
Meister im Astrotreff

Schweiz
475 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  08:35:33 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Kalle,

Zitat:
Wenn die Rückseite offen ist, dann sollte eine Rettungsfolie hinterm Teleskop bei 30%-Lage zum Runterkühlen im Dunklen aber auch was bringen. Wenn Nils den Spiegel ausbaut, kann er ihn auch einfach umdrehen.



Ihn einfach umdrehen,das wäre mir zu gefährlich.Die verspiegelte Fläche darf ja nicht berührt werden, auch mit Handschuhen nicht.
( Ich gehe davon aus, dass du mit "Nils" mich gemeint hast.)

Grüsse Emil

Bearbeitet von: am:
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Heljerer
Meister im Astrotreff

Deutschland
303 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  09:49:46 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Emil!

Zitat:
Original erstellt von: Emil Nietlispach

Ich habe mit meinem 50cm/4cm Spiegel manchmal Anpassungsprobleme. Möchte aber keinen Ventilator einbauen, um die Simplizität des Gerätes zu wahren. Ob es da merklich besser wäre, den Spiegel etwas in den fast immer vorhandenen Wind in den Bergen zu stellen, bevor man ihn zum Beobachten einbaust, weiss ich nicht. Deshalb mein Interesse am obigen Beispiel mit sanftem Luftstrom.


Bei Wärmeübergangsberechnungen hat man oft das Problem, dass die Strömungsverhältnisse nicht wirklich bekannt sind. Im Fall des Föns kennt man die Strömungsverhältnisse. Bei einem Gitterrohr-Dobson, der frei in der Landschaft steht, sieht das schon anders aus. Gleiches gilt für die Wärmeübertragung durch Strahlung. Daher ist man solchen Betrachtungen immer auf eine vereinfachte Modellvorstellung angewiesen.

Konkret für dein Beispiel:
Außentemperatur: 5 °C
Spiegeltemperatur, Start: 20 °C
Spiegeldurchmesser: 500 mm
Spiegeldicke: 40 mm
Vereinfacht wird der Spiegel als parallel angeströmte Platte betrachtet.
Der Einfluss der Wärmestrahlung wird pauschal mit zusätzlichen 5 W/m²K berücksichtigt. (Üblicher Wert, wie er z.B. im VDI-Wärmeatlas bei der Wärmeübertragung an isolierten Leitungen verwendet wird.)

Damit ergeben sich folgende Wärmeübergangskoeffizienten:
leichte Brise (2,5 m/s): 19 W/m²K
schwache Brise (4,5 m/s): 28 W/m²K
mäßige Brise (7,0 m/s): 38 W/m²K
frische Brise (9,0 m/s): 45 W/m²K
starker Wind (12,0 m/s): 56 W/m²K

Spiegeltemperatur nach 30 min., Oberflächentemperatur / Kerntemperatur:

Innenraum: 14,0 °C / 14,7 °C
leichte Brise (2,5 m/s): 10,9 °C / 11,8 °C
schwache Brise (4,5 m/s): 9,0 °C / 9,9 °C
mäßige Brise (7,0 m/s): 7,7 °C / 8,6 °C
frische Brise (9,0 m/s): 7,1 °C / 7,9 °C
starker Wind (12,0 m/s): 6,4 °C / 7,1 °C

Man sieht an diesen Zahlen: Eine Erhöhung der Luftgeschwindigkeit reduziert die Auskühlzeit erheblich. Der begrenzende Faktor ist nicht die Wärmeleitung innerhalb des Spiegels. Das wird klar, wenn man die Wärmeleitfähigkeit testweise einfach mal auf unendlich setzt. Dann ergibt sich für "starken Wind" nach 30 min. eine Temperatur von 6,0 °C (identisch für Oberfläche und Kern). Das ist gegenüber dem realen Wert für Glas nur geringfügig kälter. Bei dickerem Glas würde das sicherlich etwas anders ausschauen.

Viele Grüße
Wolfgang

Bearbeitet von: Heljerer am: 16.01.2020 10:11:16 Uhr
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Heljerer
Meister im Astrotreff

Deutschland
303 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  10:09:36 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Stathis!

Zitat:
Original erstellt von: Stathis

Ist bei der Rechnung die Wärmestrahlung auch berücksichtigt?
Den VDI Wärmeatlas hatte ich vor gefühlt 80 Jahren in den Fingern. Gibt es den heute in digitaler Form? Aber du schreibst 2002, das ist ja auch schon eine Weile her.



Die Wärmestrahlung ist normalerweise einfach pauschal mitberücksichtigt. Prinzipiell kann man es bei Wärmeaustauschberechnungen, wenn man will, bis zum Erbrechen betreiben. In der Regel hört man aber relativ zeitig mit dem Ausfeilen solcher Berechnungen auf, da man das "allgemeine Grundrauschen der Natur" sowieso nie Simulieren kann. Im vorliegenden Fall geht es ja in erster Linie um die Auskühlzeit des Spiegels. Da passt das. Wenn es um die Unterkühlung und das Tauproblem geht, passt das natürlich nicht. Dann ist ja gerade die Differenz zwischen konvektiver Wärmeübertragung und Wärmeübertragung durch Strahlung der entscheidende Faktor.

Ob es den VDI-WA in digitaler Form gibt, weiß ich nicht. Ich habe hier auf der Arbeit eine lose Blattsammlung und ein gebundenes Buch. Dass das Teil von 2002 ist, macht nichts. Mit den jeweils neuen Auflagen werden immer nur Kapitel ergänzt. Es ist noch nie passiert, dass eine Berechnungsmethode fundamental geändert wurde.

Viele Grüße
Wolfgang

Bearbeitet von: am:
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Emil Nietlispach
Meister im Astrotreff

Schweiz
475 Beiträge

Erstellt  am: 16.01.2020 :  17:27:53 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Wolfgang,

Sehr eindrücklich, wie man das rechnen kann. Fehlt fast nur noch das Programm dazu zum Spielen . Ich hätte nicht gedacht, dass im gemachten Beispiel bereits eine leichte Briese die Temperaturanpassung um 3° verbessert.

Da mein Spiegel in einer flachen Holzkiste ist, die unten offen ist, werde ich künftig das Teleskop vor der Beobachtung in Windrichtung möglichst horizontal stellen, statt senkrecht wie bis anhin.

Vielen vielen Dank.

Grüsse Emil

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Gerhard_S
Anbieter im Astrotreff

Deutschland
276 Beiträge

Erstellt  am: 17.01.2020 :  09:27:54 Uhr  Profil anzeigen  Besuche Gerhard_S's Homepage  Antwort mit Zitat
Hallo Emil,

schaumal hier, vielleicht ist das was.

Einige der Parameter kann man eingeben, auch die Glasart. Das Programm zeigt über den Zeitverlauf die Temperatur des Spiegels für Vor- Rückseite und Kern.
Auch eine sich verändernde Umgebungstemperatur kann man vorgeben.

http://www.cruxis.com/scope/mirrorcooling.htm

Viele Grüße
Gerhard

Bearbeitet von: am:
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Heljerer
Meister im Astrotreff

Deutschland
303 Beiträge

Erstellt  am: 17.01.2020 :  12:46:58 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Gerhard!

Gutes Programm. Hätte ich das Programm vorher gekannt, hätte ich mir Arbeit sparen können. Die Crux ist aber trotzdem nach wie vor die Abschätzung der Wärmeübergangskoeffizienten. Bei definierter Strömung (z.B. im Fall "Fön" oder im Fall "parallel angeströmte Platte") lässt sich der Wärmeübergangskoeffizient sehr gut berechnen. Bei undefinierten Bedingungen (z.B. wenn der Spiegel durch die Wände der Spiegelbox abgeschirmt wird o.ä.) kann man allerdings nur grobe Schätzungen machen.

Viele Grüße
Wolfgang

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Emil Nietlispach
Meister im Astrotreff

Schweiz
475 Beiträge

Erstellt  am: 17.01.2020 :  20:57:13 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Gerhard,

ja das Programm bringt mir etwas:
Bei leichter Brise benötigt der Spiegel nur 70 Min. statt 100 Min. um sich bis auf 2° der Umgebungsluft anzupassen. So die Modellrechnung des Programms.

Gruss Emil

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Kalle66
Forenmeister im Astrotreff

Deutschland
10597 Beiträge

Erstellt  am: 22.01.2020 :  04:46:06 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Wolfgang,
Strahlungstransport von Wärme geht eigentlich recht simpel:

Jede Oberfläche strahlt Wärme abhängig von seiner Oberfläche ab und nimmt Wärme abhängig von der Umgebungstemperatur (strahlungsrelevant) auf. Und zwar in vierter Potenz zur Temperatur.
Kürzel:
e = Emissionsgrad Oberfläche (bis auf Alufolie und Spiegelflächen (0,1) kannst du hier den Rest mit 0,9 pauschalieren)
s = 5,67E-8 (W/(m²K^4) (Stefan-Boltzmann-Konstante)
Q = Wärmemenge
dQ/dt = Wärmestrahlungsleistung (in Watt)
A = Fläche in m²
Ta = Temperatur Gegenstand in Kelvin
Tu = Temperatur Umgebung in Kelvin

dQ/dt = e*s*A*(Ta^4 - Tu^4)

Beispiel menschlicher Körper in einem 20°C-Zimmer. Mit
e= 0,9
A=1,5m²
Ta= 37°C
dQ/dt = 0,9*5,67E-8*1,5*(310^4-293^4) = 143 Watt

Bei Gegenständen unter freiem (klarem) Himmel kannst du für die obere Hälfte der Oberfläche ruhig -25°C bis -30°C unter der Umgebungstemperatur annehmen. Für die untere Hälfte herrscht dafür dann Strahlungsgleichgewicht. Beim Raustragen eines Teleskops kommt die Temperaturdifferenz als Offset erst mal hinzu.

Kalle - Alles wird gut !
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Heljerer
Meister im Astrotreff

Deutschland
303 Beiträge

Erstellt  am: 22.01.2020 :  11:04:51 Uhr  Profil anzeigen  Antwort mit Zitat
Hallo Kalle,

das ist schon klar, wie der Wärmeaustausch durch Strahlung berechnet wird. Das "Problem" ist aber etwas tiefergehend. Die Lösung der partiellen Differentialgleichung für den instationären Wärmetransport geht von einem konstanten Wärmeübergangskoeffizienten an der Plattenoberfläche aus. Selbstverständlich könnte man diese Voraussetzung auch fallen lassen. Dann gibt es aber keine analytische Lösung mehr. In solchen Fällen müsste man dann mit Differenzenverfahren oder mit finiten Elementen an die Sache rangehen. Die analytischen Verfahren (teils auch als Näherungslösungen) haben der Charme, dass man in der täglichen Ingenieurspraxis innerhalb kürzestes Zeit zu einem Ergebnis kommt. Notfalls macht man geeignete Abschätzungen und Vereinfachungen. (Z.B. kann man die Kochdauer für ein weichgekochtes Ei gut berechnen, indem man dessen kleinsten Durchmesser nimmt und dann die instationäre Wärmeleitung für eine entsprechende Kugel rechnet. Genauso kann man ein Stück Fleisch beim Sous-Vide-Garen als Mittelding zwischen Platte und Kugel vereinfachen und so - sogar ziemlich präzise - die Kerntemperatur berechnen.)

Da die analytische Lösung für die Abkühlung der Platte einen konstanten Wärmeübergangskoeffizienten voraussetzt, ist es sinnvoll den Strahlungswärmeaustausch einfach in Form eines zusätzlichen (temperaturunabhängigen) Wärmeaustauschkoffizienten zu berücksichtigen. Das ist der von mir schon angegebene Wert von 5 W/m²K, der einfach zum konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten addiert wird.

Man kann sich leicht klarmachen, dass dieser Wert für moderate Oberflächentemperaturen und Umgebungstemperaturen als mittlere Näherung sehr gut passt. Es gilt:

a = s (ea Ta^4 - eu Tu^4)/(Ta - Tu)

a: Wärmeübergangskoeffizient
e: Emissionskoeffizient; ea für Oberfläche, eu für Umgebung
s: Stefan-Bolzmann-Konstante
Ta: Oberflächentemperatur
Tu: Umgebungstemperatur

Mit e = 0,9 bis 1 und moderate Umgebungs- und Oberflächentemperaturen ergibt sich für a stets ein Wert von 5 W/m²K +/- 1 W/m²K. Der Fehler von +/- 1 W/m²K spielt in der Praxis für die Berechnung der Plattenabkühlung gar keine Rolle.

In der normalen Ingenieurspraxis z.B. bei der Wärmeabgabe von Behältern und Rohrleitungen geht man genauso vor. 5 W/m²K für Strahlung plus Wert für Konvektion - fertig. Bei höheren Oberflächentemperaturen geht das natürlich nicht mehr. Aber das ist ein anderes Thema.


Viele Grüße
Wolfgang


Bearbeitet von: Heljerer am: 22.01.2020 11:07:31 Uhr
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