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Konvektion


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Konvektion ist eine Komponente der Wärmeübertragung bei der die Wärme in ein aus einem Fluid übertragen wird indem das Fluid die eines anderen Volumens überströmt und dabei eine erfolgt. Im einfachsten Fall ist das "andere" ein Feststoffkörper dessen Grenzfläche statisch ist und die Konvektion ein reiner Wärmeaustausch ist. Oft das "andere" Volumen aber selbst auch ein was zur Folge hat dass die Grenzflächen ineinander übergehen und in vielen Fällen zu Wärmeaustausch ein Stoffaustausch hinzukommt d. h. dass auch eine Angleichung der Stoffzusammensetzung erfolgt.

Die Konvektion wird bestimmt durch die Grenzschicht " die Schicht zwischen beiden Volumina in sich die physikalischen Parameter von denen der Volumina unterscheiden. Die wesentlichen Parameter sind die und die Zusammensetzung der Stoffe (Konzentration) sowie Strömungsgeschwindigkeit. Jeder dieser Parameter bildet eine eigene Im Falle der Konvektion zwischen Fluiden ist Bestimmung der Grenzschichten meistens sehr schwierig bis da sie meßtechnisch nicht oder schlecht erfaßbar und sich oft mit hoher Frequenz nach Zufallsprinzip ändern.

Man unterscheidet außerdem

  • Freie oder natürliche Konvektion bei der die Überströmung ausschließlich durch bzw. Abtrieb des Fluids infolge der durch Temperaturänderung hervorgerufenen Dichteunterschiede bewirkt wird und
  • Erzwungene Konvektion bei der die Überströmung durch äußere z. B. ein Gebläse oder eine Pumpe wird.

Inhaltsverzeichnis

Konvektion an einem Feststoff ohne Stoffaustausch

Im einfachsten Fall handelt es um Wärmeübertragung von einer festen Oberfläche an z. Luft Wasser oder andere Fluide.

Das Bild zeigt den Temperaturverlauf in festen Wand mit beidseitigem konvektivem Wärmeübergang.

Während im festen Körper eine reine mit linearem Temperaturverlauf stattfindet verläuft der Wärmetransport Fluid innerhalb einer thermischen Grenzschicht . Bedingt durch die lokale Strömungsgeschwindigkeit die an der Wand gleich Null sein muss in Wandnähe zunächst ebenfalls eine Wärmeleitung im Fluid vor die kontinuierlich durch überlagert wird so dass der wandnah lineare in einen nichtlinearen übergeht und zwar unabhängig 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 Richtung der Strömung durch die Gravitation vorgegeben denn die Strömung wird durch und damit Gewichtsunterschiede bewirkt. Für eine optimale ist deshalb eine vertikale Ausrichtung der Oberfläche festen Körpers anzustreben. Bei erzwungener Konvektion dagegen die Ausrichtung im Raum beliebig da die normalerweise konstruktiv so dimensioniert wird daß der der unvermeidbaren freien Konvektion unmaßgeblich ist.

Da sich bei letzterer die den kennzeichnenden Parameter (Temperaturunterschiede Dichteunterschiede Auf-/Abtrieb Strömungsgeschwindigkeiten) gegenseitig ist die Bestimmung der Wärmeübertragung von technischen sehr kompliziert. So muß beispielsweise die Leistungsmessung Raumheizköpern für jeden Typ und jede Größe unterschiedlichen Betriebsbedingungen bei fest vorgegebenen Randbedingungen einzeln ermittelt werden. Eine rechnerische Simulation ist dagegen mit heutigen Hochleistungsrechnern noch aufwendiger und vor ungenauer.

Der Vorteil der freien Konvektion ist daß der Wärmetransport ohne zusätzliche Antriebsenergie und erfolgt allerdings gibt die Gravitation Grenzen in der örtlichen Verteilung vor die Strömung vorzugsweise vertikal ausgerichtet ist. Nachteilig der schlechte Wärmeübergang der durch große Flächen werden muß. Der Wärmetransport mit Fluiden über Entfernungen ist wegen der thermischen Verluste für Arten der Konvektion nachteilig (z. B. Fernwärme).

Mit freier Konvektion ist auch ein möglich wenn eine Wärmequelle und eine -senke einem geschlossenen Raum vorhanden sind (Beispiel: Raumheizung das in gewissen Grenzen selbstregelnd wirkt da ansteigender Temperaturdifferenz die Zirkulation zunimmt und umgekehrt.

Der Wärmeübergang kann auch bei freier erheblich effektiver sein wenn das Fluid im einen Siedepunkt hat z. B. der Kondensator Kältemaschine (die Rohrschlange außen an der Rückseite Haushaltskühlschranks in der auf der Innenseite das kondensiert). Hinzu kommt der Vorteil dass der auf dieser Seite fast vollständig isotherm verläuft h. die Temperaturdifferenz zur Raumluft im ganzen nahezu gleich ist.

Sonderfall freier Konvektion an einer horizontalen

Ein über einer temperierten horizontalen Fläche Fluid (Beispiel: Luft über erwärmter Erdoberfläche Wasser Kochtopf) überströmt die Fläche im Normalfall nicht bildet auch keine Grenzschicht weil die Auftriebskräfte zur Oberfläche stehen. Man kann auch sagen ganze Fluid besteht aus Grenzschicht da sich Temperatur nach oben bis zur Oberfläche ändert. führt dazu dass erwärmte Moleküle aufsteigen und absinken. Dabei findet eine Durchmischung und gleichzeitiger statt bis eine stabile Temperaturschichtung erreicht wird. gezielter Strömungsführung kann aber auch die Oberfläche überströmt werden und die Konvektion beschleunigt werden Fußbodenheizung Aufwindkraftwerk) was zu einer Zirkulationsströmung führt.

Konvektion an einem Feststoff mit Stoffaustausch

Überströmt das Fluid einen Feststoff oder Stoffgemisch mit einem niedrigeren Dampf - oder Sublimationsdruck so führt dies zu einem Stoffaustausch der Stoff dessen Dampf- oder Sublimationsdruck überschritten in das Fluid diffundiert (Beispiel: Trocknung). Dazu eine Temperaturdifferenz nicht unbedingt erforderlich aber förderlich. stellt sich in der Regel schon dadurch dass der Stoff der verdampft oder sublimiert seine Verdampfungswärme seiner eigenen festen oder Phase entzieht und diese damit abkühlt.

Natürliche Konvektion kann in diesem Fall dadurch entstehen dass infolge des Stofftransports das seine Dichte verändert und damit den Auf- Abtrieb erhält wenn die Temperaturdifferenz dazu zu ist.

Der Vorgang ist dadurch gekennzeichnet dass Wärme- von einem Stofftransport überlagert wird. Beide der gleichen Gesetzmäßigkeit die als die "Analogie Wärme- und Stoffaustausch" bezeichnet wird. Dies drückt auch in der mathematischen Beschreibung aus: der wird durch das Fourier sche der Stofftransport durch das Fick sche Gesetz beschrieben (siehe Wärmeleitung Diffusion ) die formal gleich sind sich lediglich die Variablen Temperatur bzw. Konzentration und die Übergangswiderstände unterscheiden.

Das heißt dann auch dass sich zu dem Temperaturverlauf im Bild innerhalb des ein Konzentrationsverlauf mitsamt einer entsprechenden Grenzschicht einstellt.

Konvektion zwischen Fluiden

Konvektive Vorgänge zwischen zwei Fluiden sind genommen immer mit einem Stoffaustausch verbunden da Flüssigkeit einen endlichen Dampfdruck besitzt und somit ihre Dämpfe in gasförmige oder flüssige Grenzschicht diffundieren. Die Diffusion erfolgt allein durch Partialdruckdifferenzen . Sie kann überlagert werden von einer oder Durchmischung wenn zusätzlich eine Strömumg vorliegt entsteht. Im Gegensatz zu einer festen Wand die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche nicht zwingend Null so dass eine reine Wärmeleitung hier werden kann.

Ein typischer Fall ist eine Flamme einer Kerze oder eines Feuerzeugs. Durch die der aufströmenden Gase saugt sie ihre eigene von unten an. Vom Flammenkern nach außen ein starkes Temperaturgefälle durch das die Flammgase die umgebende Luft ansaugen und nach oben Auch oberhalb der Flamme setzt sich dieser fort der allerdings stark abklingt da hier Wärme mehr erzeugt wird. Auf diese Weise ein natürlicher Kamin also ohne feste Begrenzung Luft vertikal von unten und horizontal von Seiten ansaugt und vertikal nach oben fördert.

Sind beide Fluide im gleichen Aggregatzustand bei der Flamme so findet schon bei geringen Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen in der Grenzschicht eine Verwirbelung daraus folgend eine Vermischung statt. Die Grenzfläche dann nicht mehr klar definiert und die wird insbesondere bei Gasen und Dämpfen die jedem Verhältnis miteinander mischbar oder ineinander löslich von der Vermischung dominiert.

Die Verwirbelung wird gut sichtbar wenn eine brennende Kerze löscht. Der aufströmende Dampf nun unverbrannten Kerzentalgs kondensiert schnell und ist Strom feinster Tröpfchen sichtbar die sich unmittelbar im Kontakt mit der Luft verwirbeln und weit verteilen wodurch sie unsichtbar werden.

Um- oder überströmt ein Gas eine so kommt es solange der Dampfdruck der im Gas unter dem Sättigungsdruck liegt zu Diffusion der Flüssigkeit in die Gasphase . Auch wenn das Gas wärmer ist die Flüssigkeit kühlt sich die Flüssigkeit dabei da ihr die Verdampfungswärme entzogen wird. Beispiel: Luft und Wasser. diesem Fall spricht man auch von Verdunstung weil die Gasphase nicht aus reinem der Flüssigkeit besteht.

Bei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten (z. Wasser und Öl) sind die Vorgänge bei Strömungsgeschwindigkeitsdifferenzen mit denen an einer festen Wand bei höheren kann eine Tropfenbildung auftreten die einer Emulgation führt. Diese wiederum führt zu erhöhten Wärmeübertragung infolge einer Vergrößerung der Grenzflächen den Tropfen.

Beispiele für Konvektion

Die Erdatmosphäre und die Ozeane und Meere bilden ein gigantisches System freier Konvektion einem Zweiphasensystem Luft / Wasser mit Verdampfung / Kondensation und Mischung/Entmischung ( Wolken / Regen ) sowie Wärmequellen (solar beheizte Flächen auf Festland und den Meeren) und -senken (der Sonne abgewandte Seite der Erde oder polnahe Zirkulation ( Golfstrom ) usw.

Warmwasserheizung : luftseitig mit freier Konvektion mit Zirkulation mit erzwungener Konvektion

Solarturm Aufwindkraftwerk : Gewinnung von elektrischer Energie aus freier

Segelflug : Flugenergie aus Aufwind an geneigten solarbeheizten (Hänge)

Kamin (Schornstein) : stellt sicher dass solange das Feuer infolge des dadurch entstehenden Auftriebs die Verbrennungsabgase nach außen abgeführt werden (Kamineffekt). Der Kamin so dimensioniert sein dass trotz Wärmeabgabe an Innenwand eine ausreichende Auftriebsströmung erhalten bleibt was entsprechende Höhe und lichte Weite erreicht wird.

Haartrocknung (Fön) : erzwungene Konvektion mit Verdampfung (hier genauer:

Wäschetrocknung (Leine) : wie Haartrocknung jedoch freie Konvektion

Kühlung von Prozessoren : zeigt die Leistungsdichte zur Abführung der

  1. 8088: horizontal ausgerichtete glatte Oberfläche freie
  2. 80486: Kühlkörper mit vertikal durchströmten Oberflächen Ventilator freie Konvektion
  3. Pentium: wie 80486 jedoch mit Ventilator Konvektion
  4. div. neuere Prozessoren oder Großrechner: Wassergekühlt luftgekühlt dadurch besserer Wärmeübergang erzwungene Konvektion
  5. Zukunft (?): Kühlung durch Verdampfung/Verdunstung

Links:

Siehe auch: Diffusion Aufwind Hangwind



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