Konvektion
Konvektion ist eine Komponente der Wärmeübertragung, bei der die Wärme in ein oder aus einem Fluid übertragen wird, indem das Fluid die Oberfläche eines anderen Volumens überströmt und dabei eine Temperaturangleichung erfolgt. Im einfachsten Fall ist das "andere" Volumen ein Feststoffkörper, dessen Grenzfläche statisch ist und infolgedessen die Konvektion ein reiner Wärmeaustausch ist. Oft ist das "andere" Volumen aber selbst auch ein Fluid, was zur Folge hat, dass die Grenzflächen fließend ineinander übergehen und in vielen Fällen zu dem Wärmeaustausch ein Stoffaustausch hinzukommt, d. h. dass hier auch eine Angleichung der Stoffzusammensetzung erfolgt.Die Konvektion wird bestimmt durch die "Grenzschicht", die Schicht zwischen beiden Volumina, in der sich die physikalischen Parameter von denen der beiden Volumina unterscheiden. Die wesentlichen Parameter sind die Temperatur und die Zusammensetzung der Stoffe (Konzentration) sowie die Strömungsgeschwindigkeit. Jeder dieser Parameter bildet eine eigene Grenzschicht. Im Falle der Konvektion zwischen Fluiden ist die Bestimmung der Grenzschichten meistens sehr schwierig bis unmöglich, da sie meßtechnisch nicht oder schlecht erfaßbar sind und sich oft mit hoher Frequenz nach einem Zufallsprinzip ändern.
Man unterscheidet außerdem
- Freie oder natürliche Konvektion, bei der die Überströmung ausschließlich durch Auf- bzw. Abtrieb des Fluids infolge der durch die Temperaturänderung hervorgerufenen Dichteunterschiede bewirkt wird, und
- Erzwungene Konvektion, bei der die Überströmung durch äußere Einwirkung, z. B. ein Gebläse oder eine Pumpe, hervorgerufen wird.
Table of contents |
2 Konvektion an einem Feststoff mit Stoffaustausch 3 Konvektion zwischen Fluiden 4 Beispiele für Konvektion 5 Links: |
Im einfachsten Fall handelt es um eine Wärmeübertragung von einer festen Oberfläche an z. B. Luft, Wasser oder andere Fluide.
Das Bild zeigt den Temperaturverlauf in einer festen Wand mit beidseitigem konvektivem Wärmeübergang.
Während im festen Körper eine reine Wärmeleitung mit linearem
Temperaturverlauf stattfindet, verläuft der Wärmetransport im Fluid innerhalb einer thermischen Grenzschicht. Bedingt durch die lokale Strömungsgeschwindigkeit, die direkt an der Wand gleich Null sein muss, liegt in Wandnähe zunächst ebenfalls eine Wärmeleitung im Fluid vor, die kontinuierlich durch Mischungsvorgänge überlagert wird, so dass der wandnah lineare Temperaturverlauf in einen nichtlinearen übergeht, und zwar unabhängig davon, in welcher Richtung die Wärme strömt.
Der Wärmestrom wird beschrieben durch die Wärmeübergangszahl α oder die dimensionslose Nusseltzahl Nu.
Naturgemäß ist bei der freien Konvektion die Richtung der Strömung durch die
Gravitation vorgegeben, denn die Strömung wird durch Dichte- und damit Gewichtsunterschiede bewirkt. Für eine optimale Nutzung ist deshalb eine vertikale Ausrichtung der Oberfläche des festen Körpers anzustreben. Bei erzwungener Konvektion dagegen ist die Ausrichtung im Raum beliebig, da die Strömung normalerweise konstruktiv so dimensioniert wird, daß der Anteil der unvermeidbaren freien Konvektion unmaßgeblich ist.
Da sich bei letzterer die den Wärmestrom kennzeichnenden Parameter
(Temperaturunterschiede, Dichteunterschiede, Auf-/Abtrieb,
Strömungsgeschwindigkeiten) gegenseitig beeinflussen, ist die Bestimmung der Wärmeübertragung von technischen Bauteilen sehr kompliziert. So muß beispielsweise die Leistungsmessung an Raumheizköpern für jeden Typ und jede Größe unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen bei fest vorgegebenen Randbedingungen einzeln meßtechnisch ermittelt werden. Eine rechnerische Simulation ist dagegen selbst mit heutigen Hochleistungsrechnern noch aufwendiger und vor allem ungenauer.
Der Vorteil der freien Konvektion ist der, daß der Wärmetransport ohne zusätzliche Antriebsenergie und -apparate erfolgt, allerdings gibt die Gravitation Grenzen in der örtlichen Verteilung vor, da die Strömung vorzugsweise vertikal ausgerichtet ist. Nachteilig ist der schlechte Wärmeübergang, der durch große Flächen kompensiert werden muß. Der Wärmetransport mit Fluiden über große Entfernungen ist wegen der thermischen Verluste für beide Arten der Konvektion nachteilig (z. B. Fernwärme).
Mit freier Konvektion ist auch ein Zirkulationssystem möglich, wenn eine
Wärmequelle und eine -senke in einem geschlossenen Raum vorhanden sind (Beispiel: Raumheizung, Wärmerohr), das in gewissen Grenzen selbstregelnd wirkt, da bei ansteigender Temperaturdifferenz die Zirkulation zunimmt und umgekehrt.
Der Wärmeübergang kann, auch bei freier Konvektion, erheblich effektiver sein,
wenn das Fluid im Arbeitstemperaturbereich einen Siedepunkt hat, z. B. der
Kondensator einer Kältemaschine (die Rohrschlange außen an der Rückseite eines
Haushaltskühlschranks, in der auf der Innenseite das Kältemittel kondensiert).
Hinzu kommt der Vorteil, dass der Wärmeübergang auf dieser Seite fast
vollständig isotherm verläuft, d. h. die Temperaturdifferenz zur Raumluft im
ganzen Rohr nahezu gleich ist.
Ein über einer temperierten horizontalen Fläche stehendes Fluid (Beispiel: Luft über erwärmter Erdoberfläche, Wasser im Kochtopf) überströmt die Fläche im Normalfall nicht und bildet auch keine Grenzschicht, weil die Auftriebskräfte senkrecht zur Oberfläche stehen. Man kann auch sagen, das ganze Fluid besteht aus Grenzschicht, da sich die Temperatur nach oben bis zur Oberfläche ändert. Dies führt dazu, dass erwärmte Moleküle aufsteigen und kältere absinken. Dabei findet eine Durchmischung und gleichzeitiger Wärmeaustausch statt, bis eine stabile Temperaturschichtung erreicht wird. Mit gezielter Strömungsführung kann aber auch die Oberfläche horizontal überströmt werden und die Konvektion beschleunigt werden (Beispiel: Fußbodenheizung, Aufwindkraftwerk), was zu einer Zirkulationsströmung führt.
Überströmt das Fluid einen Feststoff oder ein Stoffgemisch mit einem niedrigeren Dampf- oder Sublimationsdruck, so führt dies zu einem Stoffaustausch, indem der Stoff, dessen Dampf- oder Sublimationsdruck überschritten wird, in das Fluid diffundiert (Beispiel: Trocknung). Dazu ist eine Temperaturdifferenz nicht unbedingt erforderlich, aber förderlich. Diese stellt sich in der Regel schon dadurch ein, dass der Stoff, der verdampft oder sublimiert, seine Verdampfungswärme seiner eigenen festen oder flüssigen Phase entzieht und diese damit abkühlt.
Natürliche Konvektion kann in diesem Fall auch dadurch entstehen, dass infolge des Stofftransports das Fluid seine Dichte verändert und damit den Auf- bzw. Abtrieb erhält, wenn die Temperaturdifferenz dazu zu gering ist.
Der Vorgang ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme- von einem Stofftransport überlagert wird. Beide folgen der gleichen Gesetzmäßigkeit, die als die "Analogie zwischen Wärme- und Stoffaustausch" bezeichnet wird. Dies drückt sich auch in der mathematischen Beschreibung aus: der Wärmetransport wird durch das Fouriersche, der Stofftransport durch das Ficksche Gesetz beschrieben (siehe Wärmeleitung, Diffusion), die formal gleich sind, sich lediglich durch die Variablen Temperatur bzw. Konzentration und die jeweiligen Übergangswiderstände unterscheiden.
Das heißt dann auch, dass sich analog zu dem Temperaturverlauf im Bild innerhalb des Fluids ein Konzentrationsverlauf mitsamt einer entsprechenden Grenzschicht einstellt.
Konvektive Vorgänge zwischen zwei Fluiden sind streng genommen immer mit einem Stoffaustausch verbunden, da eine Flüssigkeit einen endlichen Dampfdruck besitzt und somit ihre Dämpfe in eine gasförmige oder flüssige Grenzschicht diffundieren. Die Diffusion erfolgt allein durch Partialdruckdifferenzen. Sie kann überlagert werden von einer Ver- oder Durchmischung, wenn zusätzlich eine Strömumg vorliegt oder entsteht. Im Gegensatz zu einer festen Wand ist die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche nicht zwingend gleich Null, so dass eine reine Wärmeleitung hier ausgeschlossen werden kann.
Ein typischer Fall ist eine Flamme, bspw. einer Kerze oder eines Feuerzeugs. Durch die Konvektion der aufströmenden Gase saugt sie ihre eigene Vebrennungsluft von unten an. Vom Flammenkern nach außen entsteht ein starkes Temperaturgefälle, durch das die Flammgase aufsteigen, die umgebende Luft ansaugen und nach oben "mitführen". Auch oberhalb der Flamme setzt sich dieser Effekt fort, der allerdings stark abklingt, da hier keine Wärme mehr erzeugt wird. Auf diese Weise entsteht ein natürlicher Kamin, also ohne feste Begrenzung, der Luft vertikal von unten und horizontal von allen Seiten ansaugt und vertikal nach oben fördert.
Sind beide Fluide im gleichen Aggregatzustand, wie bei der Flamme, so findet schon bei relativ geringen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen in der Grenzschicht eine Verwirbelung und daraus folgend eine Vermischung statt. Die Grenzfläche ist dann nicht mehr klar definiert und die Wärmeübertragung wird, insbesondere bei Gasen und Dämpfen, die in jedem Verhältnis miteinander mischbar oder ineinander löslich sind, von der Vermischung dominiert.
Die Verwirbelung wird gut sichtbar, wenn man eine brennende Kerze löscht. Der aufströmende Dampf des nun unverbrannten Kerzentalgs kondensiert schnell und ist als Strom feinster Tröpfchen sichtbar, die sich unmittelbar stark im Kontakt mit der Luft verwirbeln und letztendlich weit verteilen, wodurch sie unsichtbar werden.
Um- oder überströmt ein Gas eine Flüssigkeit, so kommt es, solange der Dampfdruck der Flüssigkeit im Gas unter dem Sättigungsdruck liegt, zu einer Diffusion der Flüssigkeit in die Gasphase. Auch wenn das Gas wärmer ist als die Flüssigkeit, kühlt sich die Flüssigkeit dabei ab, da ihr die Verdampfungswärme entzogen wird. Beispiel: Luft und Wasser. In diesem Fall spricht man auch von Verdunstung, weil die Gasphase nicht aus reinem Dampf der Flüssigkeit besteht.
Bei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Öl) sind die Vorgänge bei geringen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen mit denen an einer festen Wand vergleichbar, bei höheren kann eine Tropfenbildung auftreten, die zu einer Emulgation führt. Diese wiederum führt zu einer erhöhten Wärmeübertragung infolge einer Vergrößerung der Grenzflächen an den Tropfen.
Die Erdatmosphäre und die Ozeane und Meere bilden ein gigantisches System
freier Konvektion mit einem Zweiphasensystem Luft/Wasser, mit Verdampfung/Kondensation und Mischung/Entmischung (Wolken/Regen) sowie Wärmequellen (solar beheizte Flächen auf dem Festland und den Meeren) und -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Regionen), Zirkulation (Golfstrom) usw.
Warmwasserheizung: luftseitig mit freier Konvektion mit Zirkulation, wasserseitig mit erzwungener Konvektion
Solarturm, Aufwindkraftwerk: Gewinnung von elektrischer Energie aus
freier Konvektionsströmung
Segelflug: Flugenergie aus Aufwind an geneigten solarbeheizten
Erdoberflächen (Hänge)
Kamin (Schornstein): stellt sicher, dass, solange das Feuer brennt,
infolge des dadurch entstehenden Auftriebs die Verbrennungsabgase immer nach
außen abgeführt werden (Kamineffekt). Der Kamin muß so dimensioniert sein, dass
trotz Wärmeabgabe an die Innenwand eine ausreichende Auftriebsströmung erhalten
bleibt, was durch entsprechende Höhe und lichte Weite erreicht wird.
Haartrocknung (Fön): erzwungene Konvektion mit Verdampfung (hier genauer:
Verdunstung)
Wäschetrocknung (Leine): wie Haartrocknung, jedoch freie Konvektion
Kühlung von Prozessoren: zeigt die Leistungsdichte zur Abführung der
Verlustleistung::
Konvektion an einem Feststoff ohne Stoffaustausch
Sonderfall freier Konvektion an einer horizontalen Oberfläche
Konvektion an einem Feststoff mit Stoffaustausch
Konvektion zwischen Fluiden
Beispiele für Konvektion
Links:
Siehe auch: Diffusion, Aufwind, Hangwind