Konvektion: Bildung einer Gewitterwolke
Bildung einer Gewitterwolke durch aufsteigende warme Luft (natürliche Konvektion)
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Die Konvektion ist eine von drei Arten des Wärmetransports. Sie ist der Transport von thermischer Energie indirekt durch den Transport eines Stoffs (typischerweise ein Gas oder eine Flüssigkeit), der die Energie als innere Energie gespeichert hat. Mit dem Stofftransport wird die thermische Energie mitgeführt.

Wir unterscheiden die natürliche Konvektion, deren Bewegung durch die temperaturbedingte Dichtedifferenz entsteht (”warme Luft steigt”) und die erzwungene Konvektion, wo das wärmetransportierende Fluid mit einer Pumpe oder einem Gebläse mechanisch in Bewegung gebracht wird.

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.

Als erstes Beispiel möchte ich einem altes Brauverfahren nehmen. Bei der Bierherstellung ist es wichtig, den Braukessel auf die richtige Temperatur zu heizen, ohne zu überhitzen, denn sonst würden wertvolle Enzyme zerstört, die für den Brauvorgang benötigt werden. Ein altes Verfahren dazu war das Erwärmen von Steinen in einem Feuer. Die heissen Steine wurden dann in den Braukessel geworfen, wo sie ihre Wärme an die Flüssigkeit abgeben konnten. Durch das Zählen oder Wägen der Steine konnte die Wärme, die dem Braukessel zugeführt wurde, sehr genau dosiert werden.

Es ist ein sehr anschauliches, wenn auch untypisches Beispiel für die Konvektion. Die Energie ist die in den Steinen gespeicherte innere Energie. Mit dem Transport der Steine vom Feuer in den Braukessel wird auch diese thermische Energie vom Feuer in den Braukessel transportiert. Das Beispiel ist aber deshalb untypisch, weil in der Konvektion im Normalfall eine Flüssigkeit oder ein Gas die innere Energie transportiert.

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.

Natürliche Konvektion

Natürliche Konvektion (Thermik)
Natürliche Konvektion (Thermik), Image by Nicolas Tissot, shared on Unsplash

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”.

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

Erzwungene Konvektion
Erzwungene Konvektion: Lüfter, Gebläse, Image by Picdream

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.

Konvektion (Wärmekreislauf)
Einfacher Wärmekreislauf. Die Wärme wird beim Wärmetauscher links von der Wärmequelle aufgenommen, mit dem Fluid transportiert und im Wärmetauscher rechts an eine Wärmesenke abgegeben.

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.

Beispiel

Finde die Wärmequellen und die Wärmesenken, wie auch die Wasserkreisläufe im Funktionsdiagramm eines Kernkraftwerks.


Konvektion in einem Kernkraftwerk
Konvektion in einem Kernkraftwerk: Wärme wird in verschiedenen Kreisläufen mit Hilfe von Pumpen transportiert (erzwungene Konvektion). Die Brennstäbe sind die Wärmequelle, der Kühlturm und das Wasserreservoir bilden die Wärmesenken. Im Kühlturm wirkt v.a. die natürliche Konvektion (Kamineffekt). (Image by Steffen Kuntoff, licensed under CC BY-SA 2.0)

Die Wärmequelle sind die Brennstäbe in welchen eine physikalische Reaktion stattfindet: Urankerne werden gespalten, was sehr viel Energie freisetzt. Diese Energie wird in Form von Wärme in einem Wärmetauscher dem Wasser des Primärkreislaufs übergeben. Durch die Wärmeaufnahme verdampft das Wasser und gelangt als Wasserdampf in die Dampfturbine, die ausserhalb des Reaktorgebäudes steht. In der Dampfturbine entspannt der Dampf, d.h. er verrichtet Arbeit an der Turbine, die diese Arbeit weiterleitet und woraus schliesslich elektrischer Strom generiert wird.

Der entspannte Dampf muss jetzt wieder zu Wasser kondensiert werden, damit wir beim nächsten Durchgang wieder Wärme aufnehmen können. Das passiert im wassergekühlten Kondensator, der als Wärmesenke fungiert. In ihm hat es einen Wärmetauscher, wo der Dampf Wärme abgibt und dadurch kondensiert. Das Wasser auf der anderen Seite gehört zum Sekundärkreislauf. Das Wasser tritt wieder in das Reaktorgebäude, wo es auf ein Neues Wärme aufnehmen wird.

Der Sekundärkreislauf hat seine Wärmequelle im eben erwähnten Kondensator. Das dadurch erwärmte Wasser gelangt zum Kühlturm, wo es im Inneren ausgesprüht und so mit Umgebungsluft gekühlt wird. Das erkaltete Wasser fliesst zurück zur Speisung des Sekundärkreislaufs. Die erwärmte (und nun feuchte) Luft steigt mit dem Kamineffekt auf und tritt oben aus dem Kühlturm heraus. Das ist die ultimative Wärmesenke für das Kraftwerk. Mehr als ein Drittel der gesamten Energie des Kraftwerks tritt über den Kühlturm an die Umgebung aus.

Aufgabensammlung

  • Heizkörper (0127)