Konvektion

Die Konvektion ist eine der drei Arten des Wärmetransports. Von den dreien ist sie vermutlich die wirkungsvollste Methode. Wir finden sie in der Natur und sie wird sehr viel auch in der Technik verwendet.

Natürliche Konvektion

Die natürliche Konvektion entsteht dadurch, dass das wärmetransportierende Fluid durch die erhöhte Temperatur eine kleinere Dichte hat, als das gleiche Fluid bei niedrigerer Temperatur. Wir sagen auch ”warme Luft steigt”.

Nach einem heissen Sommertag steigen manchmal die warmen Luftmassen so an, dass grosse Gewitterwolken entstehen.

Als erste Beispiel schauen wir uns den Heizkörper an. Er nutzt das Prinzip der natürlichen Konvektion, um seine Wärme an den Raum abzugeben. Am Fenster kühlt sich die Luft im Winter ab, weil das Fenster schlechter isoliert als die Wand. Die kalte Luft wird schwerer und sinkt ab.

Unter dem Fenster ist deshalb ein Heizkörper installiert. Er gibt seine Wärme an die kalte Luft ab, die dann wieder aufsteigt und sich dann im Raum verteilt. Es entsteht auch ein gewisser Sog von kalter Luft zum Heizkörper hin, denn die Luft muss ja nachfliessen. Sämtliche Luftbewegungen, die für die Verteilung der Wärme des Heizkörpers verantwortlich sind, sind natürlich Bewegungen, die kein Gebläse erfordern. Das ist angenehm leise und auch wartungsarm.

In der Natur gibt es diese Luftbewegungen auch: In einer Gewitterwolke sind die Luftbewegungen sehr stark und deshalb so gefährlich für Kleinflugzeuge. Wir kennen aber auch kalte und warme Meeresströmungen, die natürlich vorkommen. Das sind alles Beispiele von natürlicher Konvektion. Letztlich wird mit einer warmen Strömung, wie z.B. dem Golfstrom auch Wärme transportiert.

Erzwungene Konvektion

Das zweite Beispiel finden wir in der Meteorologie (siehe Titelbild). Warme Luft aus dem Süden lässt die Temperaturen sehr schnell um ein paar Grad anwachsen. Hier transportiert die Luft ihre innere Energie, die sie in warmen Gebieten als Wärme aufgenommen hat. In unseren Breiten kommt der warme Südwind an und gibt hier seine Wärme an die noch kühle Landschaft ab.

Bei der erzwungenen Konvektion wird das Fluid (Gas oder Flüssigkeit) mechanisch angetrieben, meist durch ein Gebläse oder eine Pumpe. In gewissen Lehrbüchern wird diese Art von Wärmetransport als Wärmemitführung oder ähnlich bezeichnet und nicht als Konvektion, da in diesen Quellen nur die natürliche Konvektion als Konvektion akzeptiert wird. Diese engere Auslegung ist letztlich Geschmackssache.

Die erzwungene Konvektion wird dann eingesetzt, wenn keine natürliche Konvektion möglich ist oder diese nicht ausreicht. Natürlich Konvektion ist erzeugt einen Fluss nur nach oben bzw. unten. Die Stärke des einsetzenden Flusses ist limitiert. Mit einem Gebläse oder einer Pumpe kann fast beliebig schnell bewegt werden. Deshalb wird für grosse Energieströme in Kraftwerken und in Heizungs- und Klimaanlagen vor allem die erzwungene Konvektion eingesetzt.

Als erstes Beispiel nehmen wir die Heizungsanlage zu Hause. Sie steht meistens unten im Keller. Dort steht die Wärmequelle, z.B. durch die Verbrennung von Heizöl oder Gas. Wir brauchen die Wärme aber nicht im Keller, weshalb wir sie mit Konvektion transportieren müssen.

Zuerst wird die Wärme in einem Wärmetauscher von den heissen Abgasen an das Wasser übertragen. Einmal aufgeladen, wird das Heizwasser zu den Wohnräumen gepumpt, wo es in den Heizkörpern die Wärme an die Luft abgeben kann. Die Heizkörper sind ebenfalls Wärmetauscher. Das abgekühlte Heizwasser kommt zurück zur Heizung und der Wasserkreislauf ist damit geschlossen. Eine Pumpe sorgt für die Bewegung des Wassers. Die nachfolgende Grafik zeigt den typischen Kreislauf eines solchen Systems, in welchem die Wärme mit Wasser von einem Ort an den anderen transportiert wird.

Wasser ist ein ideales wärmetransportierendes Fluid. Es hat die grösste Wärmekapazität, d.h. es kann pro Kilogramm am meisten Wärme speichern und es ist ausserdem ein unkomplizierter und günstiger Stoff.