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Wenn man einen Gegenstand erwärmt, dann dehnt er sich aus und wenn man ihn abkühlt, dann zieht er sich zusammen. Aus vielen Bereichen des täglichen Lebens ist diese Veränderung bekannt. Will man diese Veränderungen kontrolliert nutzen, so muss man sich ein wenig mit der Wärmelehre aus dem Bereich Physik beschäftigen und Wärmebilanzen betrachten. Denn wenn einem Stoff Wärme zugeführt wird, so werden die Moleküle in Schwingungen versetzt und das Material dehnt sich aus. Umgekehrt, entzieht man die Wärme, dann erreicht man eine Bewegungseinschränkung, eine Kontraktion, die bis zur Bewegungslosigkeit beim absoluten Nullpunkt 0 k oder anders – 273 oC führt.

Sie möchten Kälte nutzen um Bauteile zu verbinden? Dann ist das Kaltdehnen oder Kaltschrumpfen mit flüssigem Stickstoff der richtige Weg.

Im Vorfeld entstehen aber meist viele Fragen. Antworten auf diese Fragen finden Sie bei uns. IES betrachtet Ihren Anwendungsfall individuell, sucht nach einer Lösung für Ihre spezielle Aufgabe und zeigt Ihnen, nachdem die technische Realisierung geprüft und die wirtschaftlichen Vorteile ermittelt wurden, einen Lösungsweg.

Theorie zum Download: infos-zum-kaltdehnen.pdf [1.082 KB]

Mit Stickstoff kühlen


Eine Abkühlung erfolgt, wenn sich zwei Stoffe gegenüberstehen und ein Potentialausgleich stattfindet, d.h. eine bestimmte Wärmemenge einem Bauteil entzogen wird, gleichzeitig erwärmt sich der andere Stoff oder verändert seinen Aggregatzustand.
Ein einfaches Beispiel ist die Kühlung eines Getränkes. Fügt man der Flüssigkeit ein Stück Eis hinzu so entzieht das Eis der Flüssigkeit die Wärme, indem es seinen festen Zustand aufgibt und schmilzt. Das Eis hat eine bestimmte Kältemenge gespeichert und entzieht entsprechend diesem Energieanteil der Flüssigkeit die Wärme, die sich somit abkühlt.

Die Wärmekapazität fordert also einen direkten Ausgleich der Potentiale, solange eine Temperaturdifferenz vorliegt und kein thermisches Gleichgewicht erreicht ist. Damit steht die Wärme Q direkt mit der Temperaturveränderung in Verbindung: Q=Cv*dT.

Da die Masse einen direkten proportionalen Einfluss nimmt ergibt sich Q = Cv*M*dT

Berechnung Kälteenergie

Die Berechnung der erforderlichen Kältemenge ergibt sich aus dem Wärmebedarf des abzukühlenden Bauteils, der zu erreichenden Temperatur, der zwangsläufigen Kühlung des Tauchgefäßes und der Restmenge des Kühlmittels, das nach der Kühlung im Behälter verbleibt und verdampft.

Zunächst ist die Welle zu berücksichtigen: Qw = cw · mw · t* t*= ta - te

Wird die Welle nur teilweise in den Stickstoff eingetaucht, ist auch nur die anteilige Masse zu berücksichtigen, wobei Korrekturfaktoren bei einer Vollwelle von k= 1,1 bzw bei einer Hohlwelle von k= 1,2 notwendig sind also: Qw = cw · mw · t* · k

Die Masse des Kühlbehälters ist teilweise je nach Kontakt mit dem Kühmittel wie folgt zu berücksichtigen: QB = cB · mB · t*

Die spez. Wärme kann für Baustahl mit 0,40 kJ/kg K und für den kaltzähen Stahl mit 0,45 KJ/kg,- Aluminium mit 0,92 kJ/kg K und Kupfer mit 0.39 kJ/kg K berücksichtigt werden.

Damit ergib sich ein Stickstoffbedarf von: LN2 (Menge) = (Qw + QB ) / r r= 198 kJ/kgK

Der Kälteinhalt von flüssigem Stickstoff ergibt sich aus: QN= QV + QS

QV = verdampfender Stickstoff QS= sensitiver Kälteinhalt QV= r · m QS = Cs · m · (te – ta)

Berechnung des Schrumpfes

Die größte Schrumpfung erreicht man natürlich mit Stickstoff – flüssig -196 oC. Als ein Richtwert für das Übermaß der Bohrung hat sich ein Wert von 1 Zehntel mm bei 100 mm Durchmesser heraus gestellt.

Bei der Ermittlung des Schrumpfwertes kann folgende Formel, die einen Temperaturverlust von 6 % berücksichtigt wird verwendet werden:
t= t*-6/100*t*

Somit kann man folgende einfache Formel zur Schrumpfung ansetzen: S = α · t* · d

α = mittlere Ausdehnungszahl 1/oC
t*=Temperaturdifferenz absolut
d= Durchmesser (mm)

Die Berechnung des Übermaßes mit den auftretenden Spannungen und Ermittlung ob die Werte im Bereich der Elastizitätsgrenzen liegen ist etwas umfangreicher, kann aber von uns als Dienstleistung übernommen werden.