Die Wärmestrahlung ist der in der Thermalanalyse am häufigsten vernachlässigte Mechanismus — und derjenige, dessen Vernachlässigung den größten Fehler verursacht. Der Grund: Anders als die Konvektion lässt sie sich schwer anschaulich vorstellen. Die Entscheidung ist dennoch keine Gefühlsfrage; sie braucht ein paar Zeilen Rechnung [1].
Ein einfacher Test
Die Strahlungswärmestromdichte steigt mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur. In der Praxis:
- Unter 60 °C mit erzwungener Konvektion ist sie meist vernachlässigbar
- Zwischen 100 und 200 °C erreicht sie die gleiche Größenordnung wie die natürliche Konvektion; sie wegzulassen bedeutet 20–40 % Fehler
- Über 300 °C dominiert sie, und sie wegzulassen entwertet die Analyse
Der praktische Weg: Strahlungs- und Konvektionswärmestrom von der Oberfläche von Hand ausrechnen und ins Verhältnis setzen. Über 0,1 gehört die Strahlung ins Modell.
Erzwungene Konvektion rettet nicht immer
„Da ist ein Ventilator, also spielt die Strahlung keine Rolle" ist eine verbreitete und gefährliche Annahme. In den Totzonen, die der Ventilator nicht erreicht, fällt der örtliche Wärmeübergangskoeffizient, und dort wird die Strahlung bestimmend. Hotspots treten meist genau in diesen Zonen auf.
Der Emissionsgrad wiegt so schwer wie das Modell
Der Emissionsgrad der Oberfläche bleibt oft auf dem Vorgabewert, und das Ergebnis skaliert unmittelbar mit ihm.
| Oberfläche | Ungefährer Emissionsgrad |
|---|---|
| Poliertes Aluminium | 0,05 |
| Oxidiertes Aluminium | 0,2 – 0,3 |
| Lackierte Oberfläche (Farbe spielt keine Rolle) | 0,85 – 0,95 |
| Eloxierte Oberfläche | 0,8 – 0,9 |
Zwischen blankem Metall und einer lackierten Oberfläche liegt ein Faktor fünfzehn. Einen Kühlkörper zu lackieren kann wirksamer sein, als Rippen hinzuzufügen.
Die Wahl des Modells
Oberfläche-zu-Oberfläche-Strahlung (transparentes Fluid): Ansätze über Sichtfaktoren sind angemessen und in geschlossenen Räumen notwendig.
Absorbierendes Medium (Verbrennungsprodukte, Wasserdampf, Ruß): Die Gasstrahlung muss berücksichtigt werden; in Brennkammern bestimmt sie die Wandwärmestromdichte.
Solarlast: Bei Außenanlagen sollten direkter und diffuser Anteil getrennt definiert werden.
Was in den Bericht gehört
Ob die Strahlung berücksichtigt wurde, die Begründung, falls nicht, und die verwendeten Emissionsgrade. „Die Strahlung wurde vernachlässigt" genügt für sich nicht; warum sie vernachlässigt werden durfte, muss dastehen.
Referenzen
- Modest, M. F. & Mazumder, S. (2021). Radiative Heat Transfer, 4th ed. Academic Press. ISBN 978-0-323-98406-5.
- ASHRAE Technical Committee 9.9 (2021). Thermal Guidelines for Data Processing Environments, 5th ed. ASHRAE, Atlanta.