Natürliche Konvektion

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Freie Konvektion

Bei natürlicher oder auch freier Konvektion strömt ein Fluid aufgrund von im System vorhandenen Druckunterschieden, die durch ein Schwerkraftfeld hervorgerufen werden, wenn es im Fluid Bereiche unterschiedlicher Dichte gibt. Wenn es dabei zu einem geschlossenen Kreislauf kommt, spricht man von Schwerkraftzirkulation (siehe Kamineffekt).

Das Gegenteil der freien Konvektion ist die durch technische Hilfsmittel erzwungene Konvektion.

Grundlagen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine dauerhafte Zirkulation tritt immer dann auf, wenn eine Wärmequelle tiefer liegt als eine Wärmesenke ("Kühlung"), weil das erwärmte Fluid eine geringere Dichte (d. h. eine geringere Masse pro Volumeneinheit) besitzt und deshalb im Gravitationsfeld einen statischen Auftrieb erfährt. Werden Heizung und Kühlung vertauscht, kommt die Zirkulation zum Erliegen.

Im Weltraum kommt es aufgrund fehlender Materie und in einem im Inneren eines Satelliten eingeschlossenen Luftvolumen aufgrund der Schwerelosigkeit zu keiner Zirkulation.

Bei der Erwärmung von Wasser von 0 °C auf 4 °C tritt ausnahmsweise der umgekehrte Fall ein, seine Dichte erhöht sich und es sinkt ab. Das liegt an der Dichteanomalie von Wasser, die in der Umgebung von 4 °C auftritt und eine spezielle Temperaturschichtung bewirkt.

Die Strömungsgeschwindigkeit hängt vom Temperaturunterschied ab und kann für das erwärmte Fluid immer nur in der Richtung von „warm“ nach „kalt“ erfolgen. Für technische Prozesse werden daher häufig Ventilatoren oder Pumpen verwendet, um die Konvektion zu steuern.

Physikalische Hintergründe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Dichteunterschied wird durch Erwärmen auf der einen Seite und Abkühlen auf der anderen Seite des Kreislaufes aufrechterhalten. Der daraus resultierende Differenzdruck wird „treibender Druck“ oder auch „wirksamer Druck“ genannt. Man spricht auch von Schwerkraftwirkung.

Der Differenzdruck ist vom Dichteunterschied und der wirksamen Höhe abhängig nach der Formel:

  • : wirksame Höhe in m
  • : Erdbeschleunigung in m/s²
  • : Dichte bei Temperatur 1
  • : Dichte bei Temperatur 2

Beispiele[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gebäudetechnik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Prinzip der Schwerkraftzirkulation

In der technischen Gebäudeausrüstung ist die Schwerkraftzirkulation Prinzip jeder Schwerkraftheizung, die allerdings fast vollständig durch die Pumpenheizung ersetzt wurde. Dieses Prinzip wird auch im so genannten "Badestrang" angewendet, der ohne Pumpe parallel zur Warmwasserleitung verläuft und ganzjährig ein warmes Badezimmer bereitstellt.

In Thermosiphonanlagen wird die Wärme über den Sonnenkollektor zugeführt, in dem unter nachfolgender Abkühlung und/oder Entnahme des Wassers die Zirkulation einsetzt.

Im Kesselbau führen besondere Leitblechkonstruktionen zur Zirkulation des Kesselwassers zwischen der Kesselwand und den Nachschaltheizflächen. Damit erreicht man eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Kesselmaterial, infolgedessen sich die Wärmespannungen verringern.

Nicht erwünscht ist die Schwerkraftzirkulation als „Rückzirkulation“. Diese tritt beispielsweise auf, wenn bei stillstehender Pumpe das Wasser des Rücklaufs in entgegengesetzter Richtung auf die Pumpe drückt und diese in Bewegung versetzt. Betroffen sind davon Pumpenheizungsanlagen und Solarkreisläufe. Um die Pumpen zu schützen, baut man so genannte Schwerkraftbremsen. Das sind Rückschlagventile oder so genannte „Diskoscheiben“ die – vor oder hinter die Pumpe eingebaut – den Rückstrom des Wassers unterbinden.

Energiegewinnung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

siehe Aufwindkraftwerk

Meteorologie[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Land-See-Windsystem
A Seewind
B Landwind

In der Erdatmosphäre finden ebenfalls zahlreiche Konvektionsvorgänge statt.[1] In Küstennähe findet man das Land-See-Windsystem. Da sich die Oberfläche der Landmasse schneller aufheizt bzw. abkühlt als die des Wassers, kommt es über dem Land zu stärkeren tageszeitlichen Schwankungen der Lufttemperatur, während die Seeluft näher am Tagesmittelwert bleibt. Daraus resultiert, dass sich die Luft tagsüber über dem Land stärker erwärmt, wodurch der Luftdruck mit der Höhe schwächer abnimmt. Daher strömt die Luft in der Höhe in Richtung See ab, während der Druck nahe über der Landfläche geringer ist als über dem Wasser und deshalb Seeluft einströmt (A). Nachts wiederum kühlt die Luft über dem Land stärker ab, was den umgekehrten Prozess in Gang setzt. Die Luft konzentriert sich über dam Land in tieferen Schichten (B), hat in geringer Höhe also höheren Druck als die Seeluft und strömt aufgrund der Druckdifferenz zum Wasser.

Auch auf der Erdoberfläche kommt es aufgrund von Geländeformen und verschiedenen Oberflächen zu unterschiedlich starken Aufheizvorgängen. Warme Luftmassen lösen sich ab und steigen in Form von Thermik auf. Unterstützt werden können solche Luftbewegungen durch Kondensationsvorgänge, die die aufsteigende Luft aufheizen, indem sie latente Wärme freisetzen, und damit die Aufwärtsbewegung beschleunigen.

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Meteomedia: Lexikon. Archiviert vom Original am 1. Juli 2011; abgerufen am 28. Juni 2011.