Konvektion (Wärmeübertragung)

Konvektion (oder konvektive Wärmeübertragung ) ist die Wärmeübertragung von einem Ort zum anderen durch die Bewegung eines Fluids. Obwohl sie oft als eigenständiger Wärmeübertragungsmechanismus betrachtet wird, umfasst die konvektive Wärmeübertragung die kombinierten Prozesse der Wärmeleitung (Wärmediffusion) und der Advektion (Wärmeübertragung durch die Strömung eines Fluids ). Konvektion ist in der Regel die dominierende Form der Wärmeübertragung in Flüssigkeiten und Gasen .

Diese Definition von Konvektion ist ausschließlich im Kontext von Wärmeübertragung und Thermodynamik anwendbar. Sie darf nicht mit dem dynamischen Fluidphänomen der Konvektion verwechselt werden , das in thermodynamischen Kontexten üblicherweise als natürliche Konvektion bezeichnet wird, um die beiden Phänomene zu unterscheiden.

Konvektion kann durch die Bewegung eines Fluids auf andere Weise als durch Auftriebskräfte „erzwungen“ werden ( z. B. durch eine Wasserpumpe in einem Automotor). Auch die thermische Ausdehnung von Fluiden kann Konvektion auslösen. In anderen Fällen sind allein die natürlichen Auftriebskräfte für die Fluidbewegung bei Erwärmung verantwortlich; dieser Prozess wird als „natürliche Konvektion“ bezeichnet. Ein Beispiel hierfür ist der Kaminzug oder der Zug um ein Feuer. Bei der natürlichen Konvektion führt ein Temperaturanstieg zu einer Verringerung der Dichte, was wiederum aufgrund von Druck und Kräften eine Fluidbewegung verursacht, wenn Fluide unterschiedlicher Dichte der Schwerkraft (oder einer anderen g-Kraft ) ausgesetzt sind. Wird beispielsweise Wasser auf einem Herd erhitzt , wird das heiße Wasser vom Boden des Topfes durch die kältere, dichtere Flüssigkeit, die nach unten sinkt, verdrängt (oder nach oben gedrückt). Nach dem Abschalten der Erhitzung führen Vermischung und Wärmeleitung durch diese natürliche Konvektion schließlich zu einer nahezu homogenen Dichte und gleichmäßigen Temperatur. Ohne die Schwerkraft (oder Bedingungen, die eine g-Kraft jeglicher Art verursachen) findet keine natürliche Konvektion statt, sondern es sind nur erzwungene Konvektionsmechanismen aktiv.

Die konvektive Wärmeübertragung umfasst zwei Mechanismen. Neben dem Energietransport durch spezifische Molekularbewegung ( Diffusion ) erfolgt der Energietransport auch durch die makroskopische Bewegung des Fluids. Diese Bewegung beruht darauf, dass sich zu jedem Zeitpunkt eine große Anzahl von Molekülen kollektiv oder als Aggregate bewegt. In Gegenwart eines Temperaturgradienten trägt diese Bewegung zur Wärmeübertragung bei. Da die Moleküle in den Aggregaten ihre zufällige Bewegung beibehalten, ergibt sich die gesamte Wärmeübertragung aus der Überlagerung des Energietransports durch die zufällige Molekularbewegung und durch die makroskopische Fluidbewegung. Üblicherweise wird der Begriff Konvektion für diesen kumulativen Transport und der Begriff Advektion für den Transport durch die makroskopische Fluidbewegung verwendet. ^{[ 1 ]}

Man kann zwei Arten der konvektiven Wärmeübertragung unterscheiden:

• Freie oder natürliche Konvektion : Die Bewegung eines Fluids wird durch Auftriebskräfte verursacht, die auf Dichteänderungen aufgrund von Temperaturänderungen im Fluid zurückzuführen sind. Fehlt eine innere Wärmequelle, trennen sich die Moleküle des Fluids beim Kontakt mit einer heißen Oberfläche und verteilen sich, wodurch die Dichte des Fluids abnimmt. Infolgedessen wird das wärmere Fluid verdrängt, während das kühlere Fluid dichter wird und absinkt. So gibt das wärmere Volumen Wärme an das kühlere Volumen des Fluids ab. ^{[ 2 ]} Bekannte Beispiele sind die Aufwärtsströmung von Luft durch ein Feuer oder einen heißen Gegenstand sowie die Zirkulation von Wasser in einem von unten erhitzten Topf.
• Erzwungene Konvektion : Wenn ein Fluid durch eine interne Quelle wie Ventilatoren, Rührwerke oder Pumpen gezwungen wird, über eine Oberfläche zu strömen, wodurch eine künstlich erzeugte Konvektionsströmung entsteht. ^{[ 3 ]}

In vielen praktischen Anwendungen (z. B. Wärmeverluste bei Solarzellen oder Kühlung von Photovoltaikmodulen) treten natürliche und erzwungene Konvektion gleichzeitig auf ( Mischkonvektion ). ^{[ 4 ]}

Konvektion lässt sich auch in interne und externe Strömung unterteilen. Interne Strömung tritt auf, wenn ein Fluid von einer festen Begrenzung umschlossen ist, beispielsweise beim Durchströmen eines Rohres. Externe Strömung entsteht, wenn sich ein Fluid unbegrenzt ausbreitet, ohne auf eine feste Oberfläche zu treffen. Beide Konvektionsarten, natürliche wie erzwungene, können intern oder extern auftreten, da sie voneinander unabhängig sind. Die mittlere Fluidtemperatur dient als praktischer Bezugspunkt zur Bewertung von Eigenschaften im Zusammenhang mit konvektiver Wärmeübertragung, insbesondere bei Anwendungen in Rohren und Kanälen.

Eine weitere Klassifizierung ist anhand der Glätte und Unebenheit der festen Oberflächen möglich. Nicht alle Oberflächen sind glatt, obwohl sich ein Großteil der verfügbaren Informationen mit glatten Oberflächen befasst. Wellige, unregelmäßige Oberflächen treten häufig in Wärmeübertragungsvorrichtungen wie Solarkollektoren, regenerativen Wärmetauschern und unterirdischen Energiespeichersystemen auf. Sie spielen eine wichtige Rolle bei den Wärmeübertragungsprozessen dieser Anwendungen. Da sie aufgrund der Oberflächenunebenheiten eine zusätzliche Komplexität mit sich bringen, müssen sie mit mathematischer Präzision und eleganten Vereinfachungstechniken behandelt werden. Zudem beeinflussen sie die Strömungs- und Wärmeübertragungseigenschaften und verhalten sich daher anders als gerade, glatte Oberflächen. ^{[ 5 ]}

Um die natürliche Konvektion anschaulich zu demonstrieren, kann man ein mit heißem Wasser und etwas roter Lebensmittelfarbe gefülltes Glas in ein Aquarium mit kaltem, klarem Wasser stellen. Die Konvektionsströme der roten Flüssigkeit steigen und fallen in verschiedenen Bereichen, bevor sie sich schließlich beruhigen. Dies veranschaulicht den Prozess des Wärmeabbaus.

Die Konvektionskühlung wird manchmal vereinfacht als durch das Newtonsche Abkühlungsgesetz beschrieben angenommen. ^{[ 6 ]}

Das Newtonsche Gesetz besagt, dass die Wärmeverlustrate eines Körpers proportional zur Temperaturdifferenz zwischen dem Körper und seiner Umgebung ist, wenn ein Luftzug weht . Die Proportionalitätskonstante ist der Wärmeübergangskoeffizient . ^{[ 7 ]} Das Gesetz gilt, wenn der Koeffizient unabhängig oder relativ unabhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Objekt und Umgebung ist.

Bei der klassischen natürlichen Konvektion ist der Wärmeübergangskoeffizient temperaturabhängig. Das Newtonsche Gesetz beschreibt die Realität jedoch nur annähernd, wenn die Temperaturänderungen relativ gering sind, sowie bei erzwungener Luft- und Flüssigkeitskühlung, wo die Strömungsgeschwindigkeit mit zunehmender Temperaturdifferenz nicht ansteigt.

Die grundlegende Beziehung für die Wärmeübertragung durch Konvektion lautet:

${\displaystyle {\dot {Q}}=hA(T-T_{f})}$

Dabei ist die pro Zeiteinheit übertragene Wärme, A die Fläche des Objekts, h der Wärmeübergangskoeffizient , T die Oberflächentemperatur des Objekts und T_{_f} die Fluidtemperatur. ^{[ 8 ]}${\displaystyle {\dot {Q}}}$

Der konvektive Wärmeübergangskoeffizient hängt von den physikalischen Eigenschaften des Fluids und der jeweiligen Strömungssituation ab. Werte für h wurden für häufig vorkommende Fluide und Strömungssituationen gemessen und tabellarisch erfasst.

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