Wie berechnet man die Biot-Zahl Bi instationäre Wärmeleitung
Biot-Zahl Bi = h*Lc/k_solid Verhältnis äußerer Konvektion zu innerer Wärmeleitung berechnen. Bi<0.1 lumped capacitance Methode gültig (uniform T Festkörper). Bi>0.1 Heisler-Diagramme. Jean-Baptiste Biot 1804 Sorbonne Paris Wärmeleitung.
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Wie man die Biot-Zahl (Bi) berechnet: grundlegende dimensionslose Zahl instationäre Wärmeleitung, Verhältnis äußerer Konvektionswiderstand zu innerem Wärmeleitwiderstand des Festkörpers. Formel: Bi = h*Lc/k_solid. Bi0.1 Heisler-Diagramme (1947). Jean-Baptiste Biot (Frankreich 1774-1862) Paris École Polytechnique 1797 Sorbonne + Collège de France 1804 Paper Bibliothèque Britannique 27:310 Wärmeleitung. Joseph Fourier 1822 'Théorie analytique de la chaleur'. Deutschland Wärmeübertragungsforschung: Max-Planck-Gesellschaft München 1948 86 Institute 24000 Mitarbeiter; Helmholtz-Gemeinschaft Bonn 18 Forschungszentren 43000 Mitarbeiter; DLR Köln 1969 10000 Mitarbeiter; FZJ Jülich 1956 6800; KIT Karlsruhe 1825 erstes Polytechnikum; Universität Heidelberg 1386 älteste; RWTH Aachen 1870; TU München 1868; TU Berlin 1879; TU Darmstadt 1877. Deutschland Lebensmittelindustrie: Nestlé Deutschland Frankfurt Schweizer Zentrale 12000 deutsche Mitarbeiter; Dr. Oetker Bielefeld 1891 16000 Backwaren Pizza; Hipp Pfaffenhofen 1932 Babynahrung; Storck Halle Westfalen 1903 Süßigkeiten;
Bahlsen Hannover 1889 Kekse Hanuta; Haribo Bonn 1920 Goldbären; Maggi Singen 1886 Würzmittel Suppen Nestlé subsidiary; Knorr Heilbronn 1838 Suppen Unilever subsidiary. Deutschland Stahl Wärmebehandlung: thyssenkrupp Steel Europe Duisburg 1999 27000 grösster Europe; Salzgitter 1858 25000; Dillinger Hütte 1685 älteste deutsche Stahlfirma; HKM Duisburg 1990; Buderus Wetzlar 1731. Deutschland Elektronik Cooling: Infineon Technologies München 1999 56000 Halbleiter; NXP Semiconductors Hamburg subsidiary; Bosch Sensortec Reutlingen Sensoren; Siemens München 1847 311000 weltweit; SAP Walldorf 1972 110000 Software; Continental Hannover 1871 200000 Reifen Automotive electronics. Deutschland Automobilindustrie: Volkswagen Wolfsburg 1937 670000 weltweit; Mercedes-Benz Stuttgart 1926 170000; BMW München 1916 150000; Audi Ingolstadt 1909 90000; Porsche Stuttgart 1931 40000; Bosch Stuttgart 1886 420000 Zulieferer Brake Bremsen. Deutschland Luft- und Raumfahrt: DLR Köln 1969 10000; Airbus Defence Space Ottobrunn München 12000 Satelliten; OHB System Bremen 1981 Satelliten; MTU Aero Engines München 1934 11000 Triebwerke.
Deutschland Kernenergie: Atomausstieg 2011 Fukushima alle Reaktoren bis 2023 abgeschaltet; KIT Karlsruhe 1825 historisch; HZDR Dresden-Rossendorf 1992 Kernforschung Strahlenphysik; FZJ Jülich Plasma JUWELS supercomputing.
Biot-Formel
Bi = h*Lc/k_solid. h Wärmeübergang (W/m²K); Lc charakteristische Länge (m); k_solid Wärmeleitfähigkeit Festkörper (W/m·K). Deutschland: Max-Planck München 1948; DLR Köln 1969; FZJ Jülich 1956; KIT Karlsruhe 1825; RWTH Aachen 1870.
Geschichte und Kontext
Jean-Baptiste Biot (Frankreich 1774-1862) Paris École Polytechnique 1797 Sorbonne 1800 + Collège France 1800-1862. 1804 Paper Bibliothèque Britannique 27:310 Wärmeleitung Festkörper preceded Fourier 1822. Joseph Fourier 1822 'Théorie analytique de la chaleur' Wärmeleitungsgleichung Fourier-Reihen Fourier-Transformation. Heisler 1947 ASME 69:227 charts dimensionless transient. Biot polymath: Biot-Savart Magnetismus 1820; Biot-Fresnel Optik 1812; Biot Krater Mond. Deutschland Forschung Wärmeübertragung: Max-Planck-Gesellschaft München 1948 86 Institute 24000 Mitarbeiter MPI Plasmaphysik Garching IPP fusion ITER Wendelstein 7-X stellarator + ASDEX-Upgrade tokamak; MPI Strömungsphysik Selbstorganisation Göttingen; Helmholtz-Gemeinschaft Bonn 18 Forschungszentren 43000 Mitarbeiter; DLR Deutsches Zentrum Luft- und Raumfahrt Köln 1969 10000 Mitarbeiter Luftfahrt Raumfahrt + Windkanäle TWG Trisonischer Göttingen + DNW Marknesse + Stuttgart Lampoldshausen Triebwerke; FZJ Forschungszentrum Jülich 1956 6800 Mitarbeiter Plasma Energie supercomputing JUWELS; KIT Karlsruhe Institut Technologie 1825 erstes Polytechnikum chemische Verfahrenstechnik; HZDR Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 1992 Kernforschung Strahlenphysik. Deutschland Universitäten Maschinenbau Wärmeübertragung: Heidelberg 1386 älteste; Humboldt Berlin 1809; LMU München 1472; TU München 1868; RWTH Aachen 1870 chemische Verfahrenstechnik + Maschinenbau;
KIT Karlsruhe 1825 erstes Polytechnikum chemische Verfahrenstechnik; TU Berlin 1879 Strömungsmechanik; TU Darmstadt 1877 Maschinenbau; TU Stuttgart 1829 Daimler Cooperation; TU Braunschweig 1745 Schlichting Boundary Layer; TU Dresden 1828 Energietechnik; Universität Hannover 1831 Thermodynamik. Deutschland Lebensmittelindustrie: Nestlé Deutschland Frankfurt schweizer Zentrale 12000 deutsche Mitarbeiter; Dr. Oetker Bielefeld 1891 fondata August Oetker 16000 Mitarbeiter weltweit Backpulver Pudding Pizza Tiefkühl; Hipp Pfaffenhofen 1932 Babynahrung Joseph Hipp Familie 3500 Mitarbeiter; Storck Halle Westfalen 1903 Süßigkeiten Werther's Original; Bahlsen Hannover 1889 Kekse Leibniz Hanuta; Haribo Bonn 1920 fondata Hans Riegel Goldbären worldwide leader gummy bears; Maggi Singen 1886 fondata Julius Maggi Schweiz Würzmittel Suppen Nestlé subsidiary; Knorr Heilbronn 1838 fondata Carl Heinrich Knorr Suppen Unilever subsidiary; Henkel Düsseldorf 1876 Persil; Beiersdorf Hamburg 1882 Nivea cosmetics; Tchibo Hamburg 1949 Kaffee. Deutschland Stahl Wärmebehandlung: thyssenkrupp Steel Europe Duisburg 1999 fusion thyssen + Krupp 27000 Mitarbeiter Europe largest steel plant 11 million tonnen/Jahr; Salzgitter AG Salzgitter 1858 25000 Mitarbeiter integrated steel + Mannesmann tubes; Dillinger Hütte AG Dillingen 1685 fondata älteste deutsche Stahlfirma heavy plate; HKM Hüttenwerke Krupp Mannesmann Duisburg 1990 fusion;
Buderus Wetzlar 1731 fondata Stahl Bosch Thermotechnik subsidiary; Saarstahl Völklingen 1985; SHS Saarstahl Hütte Saar; Outokumpu Krefeld stainless steel German subsidiary Finnish. Deutschland Elektronik cooling Halbleiter: Infineon Technologies München 1999 spinoff Siemens 56000 Mitarbeiter Halbleiter Power Automotive Industrial; NXP Semiconductors Hamburg subsidiary niederländisch; Bosch Sensortec Reutlingen Sensoren MEMS; Siemens München 1847 311000 weltweit; SAP Walldorf 1972 110000 Software ERP; Continental Hannover 1871 200000 Reifen Automotive electronics; ZF Friedrichshafen 1915 165000 Antriebstechnik; Brose Coburg 1908 Automotive parts. Deutschland Automobilindustrie: Volkswagen AG Wolfsburg 1937 fondata 670000 weltweit grösste Automobilfirma Europa Volkswagen Group Audi Skoda SEAT Porsche Lamborghini Bentley Bugatti Ducati MAN; Mercedes-Benz AG Stuttgart 1926 Daimler-Benz 170000 weltweit; BMW AG München 1916 150000 Mitarbeiter; Audi Ingolstadt 1909 90000 Volkswagen Group; Porsche Stuttgart 1931 40000 Volkswagen Group; Opel Rüsselsheim 1862 36000 Stellantis Group; Bosch Robert Bosch GmbH Stuttgart 1886 420000 Mitarbeiter weltgrösster Automobilzulieferer Bosch Power Tools Bosch Hausgeräte Bosch Mobility; ZF Friedrichshafen 1915 165000 Antriebstechnik Getriebe Lenksysteme; MAN Truck Bus München 1758 Volkswagen Group truck bus; MAN Diesel Turbo Augsburg Diesel motori.
Deutschland Luft- und Raumfahrt: DLR Köln 1969 + Stuttgart Lampoldshausen + Braunschweig + Göttingen + Oberpfaffenhofen 10000 Mitarbeiter Luftfahrt Raumfahrt; Airbus Defence Space Ottobrunn München 12000 Mitarbeiter; OHB System Bremen 1981 fondata 3000 Satelliten ESA Galileo; Rheinmetall Düsseldorf 1889 28000 Defense; MTU Aero Engines München 1934 11000 Triebwerke turbofan turboprop; Diehl Aerospace Frankfurt 1902.
Biot-Werte-Tabelle
- Bi = h*Lc/k_solid: Definition
- Bi < 0.1: lumped gültig
- Bi > 0.1: Heisler-Diagramme
- Tau lumped: rho*cp*V/(h*A)
- Slab Lc: halbe Dicke
- Zylinder Lc: R/2
- Kugel Lc: R/3
- Stahl k: 50 W/m·K
- Kupfer k: 400 W/m·K
- Aluminium k: 240 W/m·K
- Ziegel k: 0.7 W/m·K
- Lebensmittel k: 0.4-0.6 W/m·K
- Biot 1804 Paper: Bibliothèque Britannique
- Fourier 1822: Théorie analytique chaleur
- Heisler 1947: ASME charts
- Deutschland Max-Planck München 1948: 86 Institute
- Deutschland DLR Köln 1969: 10000 Mitarbeiter
- Deutschland FZJ Jülich 1956: 6800 Mitarbeiter
- Deutschland KIT Karlsruhe 1825: erstes Polytechnikum
- Deutschland Dr. Oetker 1891: 16000 Backwaren
- Deutschland Haribo Bonn 1920: Goldbären worldwide
- Deutschland Bahlsen Hannover 1889: Kekse
- Deutschland Hipp 1932: Babynahrung
- Deutschland thyssenkrupp Duisburg 1999: 27000 Stahl
- Deutschland Salzgitter 1858: 25000 Stahl
- Deutschland Dillinger Hütte 1685: älteste Stahl
- Deutschland Infineon München 1999: 56000 Halbleiter
- Deutschland Siemens München 1847: 311000 weltweit
- Deutschland VW Wolfsburg 1937: 670000 weltweit
- Deutschland Mercedes-Benz 1926: 170000
- Deutschland BMW München 1916: 150000
- Deutschland Bosch Stuttgart 1886: 420000 Zulieferer
- Deutschland DLR Köln 1969: 10000 Luft- Raumfahrt
- Deutschland MTU München 1934: 11000 Triebwerke
- Deutschland Atomausstieg 2011: alle Reaktoren bis 2023
Numerische Beispiele
Beispiel 1 - Stahl-Kugel Luftkühlung. R=0.05 h=25 k=50. Lc=0.017 Bi=0.0083 very low. Deutschland: thyssenkrupp Duisburg 1999 27000; Salzgitter 1858 25000.
Beispiel 2 - Ziegel Wasser. Lc=0.1 h=500 k=0.7. Bi=71.4 high Heisler. Deutschland: Ziegelindustrie + Bauindustrie; KfW Förderbank Frankfurt 1948.
Beispiel 3 - Kupfer Öl. Lc=0.01 h=200 k=400. Bi=0.005 very low. Deutschland: Infineon München 1999 56000 Halbleiter; Siemens München 1847; SAP Walldorf 1972 110000; Bosch Sensortec Reutlingen.
Beispiel 4 - Lebensmittel Dampf. Lc=0.02 h=5000 k=0.5. Bi=200 extreme. Deutschland: Dr. Oetker Bielefeld 1891 16000 + Haribo Bonn 1920 + Bahlsen Hannover 1889 + Hipp Pfaffenhofen 1932 + Maggi Singen 1886 + Knorr Heilbronn 1838.
Beispiel 5 - Aluminium Wasser Zeitkonstante. Lc=0.005 h=100 k=200 rho*cp=3.5e6. Bi=0.0025 low. tau=175 s. Deutschland: heat sinks Infineon Halbleiter Power Automotive; Bosch Stuttgart Mobility brake.
Praktische Anwendungen
- Elektronik-Kühlung: Deutschland Infineon München 1999 56000 + Siemens München 1847 + SAP Walldorf 1972.
- Lebensmittelindustrie: Dr. Oetker 1891 + Haribo Bonn 1920 + Bahlsen Hannover 1889 + Hipp 1932 + Maggi 1886 + Knorr 1838 + Storck Halle 1903.
- Stahl Wärmebehandlung: thyssenkrupp Duisburg 1999 27000 + Salzgitter 1858 25000 + Dillinger Hütte 1685 älteste.
- Bremsscheibe Automobil: VW Wolfsburg 1937 + Mercedes-Benz Stuttgart 1926 + BMW München 1916 + Audi Ingolstadt 1909 + Porsche Stuttgart 1931 + Bosch Stuttgart 1886 420000 Mobility.
- Luft- und Raumfahrt Wiedereintritt: DLR Köln 1969 10000 + Airbus Defence Ottobrunn 12000 + MTU München 1934 11000 + OHB Bremen 1981.
- Gebäude Wärmespeicher: Deutschland EnEV Energieeinsparverordnung; Passivhaus Institut Darmstadt 1996.
- Körperabkühlung Hypothermie: Survival.
- Glas Härtung: Glas Tempering Saint-Gobain Deutschland subsidiary.
- Kernbrennstäbe: Atomausstieg 2011 Fukushima alle bis 2023; HZDR Dresden-Rossendorf 1992 historisch; KIT Karlsruhe 1825.
- Zahnimplantate: Titan biomedical; Charité Berlin 1710 Universitätsklinik.
Aktualisiert im Juli 2026
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