Natürliche Konvektion: Unterschied zwischen den Versionen

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[[Datei:Convection.gif|mini|Freie Konvektion]]
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Bei '''natürlicher''' oder auch '''freier [[Konvektion]]''' strömt ein [[Fluid]] aufgrund von im System vorhandenen [[Dichte]]<nowiki />unterschieden. Oft kommt es dabei zu einem ganz oder teilweise geschlossenen Kreislauf, der '''[[Schwerkraft]]<nowiki />zirkulation'''.
Bei '''natürlicher''' oder auch '''freier [[Konvektion]]''' strömt ein [[Fluid]] (Gas oder Flüssigkeit) aufgrund von im System vorhandenen [[Druck (Physik)|Druck]]<nowiki />unterschieden, die durch ein [[Schwerkraft]]feld 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 ==
== Grundlagen ==
Eine dauerhafte Zirkulation tritt immer dann auf, wenn eine Wärmequelle ''tiefer'' liegt als eine Wärmesenke ([[Kühlung]]), weil das erwärmte Fluid eine geringere Dichte besitzt und deshalb im Gravitationsfeld einen [[Statischer Auftrieb|statischen Auftrieb]] erfährt. Wird Heizung und Kühlung vertauscht, stoppt die Zirkulation, ebenso bei fehlender Gravitation in [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]]. Eine Ausnahme wird bei der [[Temperaturschichtung]] von Wasser beobachtet, das in der Umgebung von 4&nbsp;°C eine [[Dichteanomalie]] besitzt.
Eine dauerhafte Zirkulation tritt immer dann auf, wenn eine Wärmequelle ''tiefer'' liegt als eine Wärmesenke (''"[[Kühlung]]"''), weil das erwärmte Fluid eine geringere Dichte (d.&nbsp;h. eine geringere Masse pro Volumeneinheit) besitzt und deshalb im Gravitationsfeld einen [[Statischer Auftrieb|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 [[Satellit (Raumfahrt)|Satelliten]] eingeschlossenen Luftvolumen aufgrund der [[Schwerelosigkeit]] zu keiner Zirkulation.
 
Bei der Erwärmung von Wasser von 0&nbsp;°C auf 4&nbsp;°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&nbsp;°C auftritt und eine spezielle [[Temperaturschichtung]] bewirkt.


Da die Transportgeschwindigkeit im Regelfall recht gering ist und für das wärmere Fluid stets von „heiß“ nach „kalt“ erfolgt, kann sie bei [[Erzwungene Konvektion|erzwungener Konvektion]] durch [[Ventilator]]en oder [[Pumpe]]n verstärkt oder auch umgedreht werden.
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 [[Ventilator]]en oder [[Pumpe]]n verwendet, um die [[Erzwungene Konvektion|Konvektion zu steuern]].


== Physikalische Hintergründe ==
== Physikalische Hintergründe ==
Der Dichteunterschied wird durch Erwärmen auf der einen Seite und Abkühlen auf der anderen Seite des Kreislaufes aufrechterhalten. Der daraus resultierende [[Druck (Physik)|Differenzdruck]] wird „treibender Druck“ oder auch „wirksamer Druck“ genannt. Man spricht auch von Schwerkraftwirkung.
Der Dichteunterschied wird durch Erwärmen auf der einen Seite und Abkühlen auf der anderen Seite des Kreislaufes aufrechterhalten. Der daraus resultierende [[Druck (Physik)|Differenzdruck]] wird „treibender Druck“ oder auch „wirksamer Druck“ genannt. Man spricht auch von Schwerkraftwirkung.


Der Differenzdruck <math>\Delta p</math> ist vom Dichteunterschied <math>\Delta \rho</math> und der wirksamen Höhe&nbsp;h abhängig nach der Formel:<br />
Der Differenzdruck <math>\Delta p</math> ist vom Dichteunterschied <math>\Delta \rho</math> und der wirksamen Höhe <math>h</math> abhängig nach der Formel:<br />


:<math>\Delta p =  h \cdot g \cdot ({\rho_2}-{\rho_1}) </math>
:<math>\Delta p =  h \cdot g \cdot ({\rho_2}-{\rho_1}) </math>


* h: wirksame Höhe in&nbsp;m
* <math>h</math>: wirksame Höhe in&nbsp;m
* g: [[Erdbeschleunigung]] in&nbsp;m/s²
* <math>g</math>: [[Erdbeschleunigung]] in&nbsp;m/s²
* <math>\rho_1</math>: Dichte bei Temperatur&nbsp;1
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In der [[Technische Gebäudeausrüstung|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 [[Umwälzpumpe (Heiztechnik)|Pumpe]] parallel zur Warmwasserleitung verläuft und ganzjährig ein warmes Badezimmer bereitstellt.
In der [[Technische Gebäudeausrüstung|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 [[Umwälzpumpe (Heiztechnik)|Pumpe]] parallel zur Warmwasserleitung verläuft und ganzjährig ein warmes Badezimmer bereitstellt.


In [[Thermosiphonanlage]]n wird die Wärme über den [[Sonnenkollektor]] zugeführt, wo unter nachfolgender Abkühlung und/oder Entnahme des Wassers die Zirkulation einsetzt.
In [[Thermosiphonanlage]]n wird die Wärme über den [[Sonnenkollektor]] zugeführt, in dem unter nachfolgender Abkühlung und/oder Entnahme des Wassers die Zirkulation einsetzt.


Im [[Heizkessel|Kesselbau]] führen besondere Leitblechkonstruktionen zur Zirkulation des Kesselwassers zwischen der Kesselwand und den Nachschalt[[heizfläche]]n. Damit erreicht man eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Kesselmaterial, infolgedessen sich die Wärmespannungen verringern.
Im [[Heizkessel|Kesselbau]] führen besondere Leitblechkonstruktionen zur Zirkulation des Kesselwassers zwischen der Kesselwand und den Nachschalt[[heizfläche]]n. 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 [[Rücklauf]]s 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 [[Schwerkraftbremse]]n. Das sind [[Rückschlagventil]]e oder so genannte „Diskoscheiben“ die - vor oder hinter die Pumpe eingebaut - den Rückstrom des Wassers unterbinden.
Nicht erwünscht ist die Schwerkraftzirkulation als „Rückzirkulation“. Diese tritt beispielsweise auf, wenn bei stillstehender Pumpe das Wasser des [[Rücklauf]]s 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 [[Schwerkraftbremse]]n. Das sind [[Rückschlagventil]]e oder so genannte „Diskoscheiben“ die vor oder hinter die Pumpe eingebaut den Rückstrom des Wassers unterbinden.


=== Energiegewinnung ===
=== Energiegewinnung ===
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=== Meteorologie ===
=== Meteorologie ===
[[Datei:Diagrama de formacion de la brisa-breeze.png|mini|[[Land-See-Windsystem]]<br /> A Seewind<br />B Landwind]]
[[Datei:Thermische Zirkulation.png|mini|[[Zirkulation (Meteorologie)#Prinzip der thermischen Zirkulation|Thermische Zirkulation]]]]
In der [[Erdatmosphäre]] finden ebenfalls zahlreiche Konvektionsvorgänge statt.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.meteomedia.de/index.php?id=335 |titel=Lexikon |autor=Meteomedia |zugriff=2011-06-28 |archiv-datum=2011-07-01 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20110701111447/http://www.meteomedia.de/index.php?id=335}}</ref> In Küstennähe findet man das [[Land-See-Windsystem]]. Da sich die Landmasse schneller aufheizt bzw. abkühlt, kommt es über dem Land zu stärkeren tageszeitlichen Schwankungen als über dem Wasser. Daraus resultiert, dass sich die Luft tagsüber über dem Land stärker erwärmt, dort aufsteigt&nbsp;(A) und kühlere Luft vom Meer her nachfließt. Nachts wiederum kühlt die Luft über dem Land stärker ab, d. h., sie sinkt dort zu Boden&nbsp;(B) und strömt auf das Meer hinaus, wo sie wieder erwärmt wird und aufsteigt.
 
In der [[Erdatmosphäre]] finden ebenfalls zahlreiche Konvektionsvorgänge statt.<ref>{{Internetquelle |url=http://www.meteomedia.de/index.php?id=335 |titel=Lexikon |autor=Meteomedia |zugriff=2011-06-28 |archiv-datum=2011-07-01 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20110701111447/http://www.meteomedia.de/index.php?id=335}}</ref> Eine Wärmequelle wie durch  [[Sonnenstrahlung]] aufgewärmte Erde bringt die Luftmassen zum Aufsteigen und infolgedessen in eine kreisförmige Bewegung. Wenn die Bewegung auf zwei oder mehreren Seiten erfolgt, spricht man von Konvektion.  


Auch auf der Erdoberfläche kommt es aufgrund von [[Geländeform]]en und verschiedenen Oberflächen zu unterschiedlich starken Aufheizvorgängen. Warme [[Luftmasse]]n lösen sich ab und steigen in Form von [[Thermik]] auf. Unterstützt werden können solche Luftbewegungen durch [[Wolkenbasis #Konvektionskondensationsniveau|Kondensationsvorgänge]], die die aufsteigende Luft aufheizen, indem sie [[latente Wärme]] freisetzen, und damit die Aufwärtsbewegung beschleunigen.
Auf der Erdoberfläche kommt es aufgrund von [[Geländeform]]en und verschiedenen Oberflächen zu unterschiedlich starken Aufheizvorgängen. Warme [[Luftmasse (Meteorologie)|Luftmassen]] lösen sich ab und steigen in Form von [[Thermik]] auf. Unterstützt werden können solche Luftbewegungen durch [[Wolkenbasis #Konvektionskondensationsniveau|Kondensationsvorgänge]], die die aufsteigende Luft aufheizen, indem sie [[latente Wärme]] freisetzen, und damit die Aufwärtsbewegung beschleunigen.
 
An [[Küste|Meeresküsten]] und an großen [[Binnensee]]n findet man das [[Land-See-Windsystem]], bei dem mit dem Wechsel von Tag und Nacht jeweils über der Landfläche oder über der Wasserfläche eine natürliche Konvektion erfolgt.


== Siehe auch ==
== Siehe auch ==
*[[Thermophorese]], bei der die Gravitation keine Rolle spielt
* [[Thermophorese]], bei der die Gravitation keine Rolle spielt
*[[Mantelkonvektion]]
* [[Mantelkonvektion]]


== Einzelnachweise ==
== Einzelnachweise ==
<references />
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[[Kategorie:Strömungsmechanik]]
[[Kategorie:Strömungsmechanik]]
[[Kategorie:Heiztechnik]]
[[Kategorie:Heiztechnik]]
[[Kategorie:Meteorologisches Konzept]]
[[Kategorie:Meteorologisches Konzept]]

Aktuelle Version vom 25. November 2021, 05:02 Uhr

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Freie Konvektion

Bei natürlicher oder auch freier Konvektion strömt ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) 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

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

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 $ \Delta p $ ist vom Dichteunterschied $ \Delta \rho $ und der wirksamen Höhe $ h $ abhängig nach der Formel:

$ \Delta p=h\cdot g\cdot ({\rho _{2}}-{\rho _{1}}) $
  • $ h $: wirksame Höhe in m
  • $ g $: Erdbeschleunigung in m/s²
  • $ \rho _{1} $: Dichte bei Temperatur 1
  • $ \rho _{2} $: Dichte bei Temperatur 2

Beispiele

Gebäudetechnik

Datei:Schwerkraftzirkulation.PNG
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

siehe Aufwindkraftwerk

Meteorologie

Thermische Zirkulation

In der Erdatmosphäre finden ebenfalls zahlreiche Konvektionsvorgänge statt.[1] Eine Wärmequelle wie durch Sonnenstrahlung aufgewärmte Erde bringt die Luftmassen zum Aufsteigen und infolgedessen in eine kreisförmige Bewegung. Wenn die Bewegung auf zwei oder mehreren Seiten erfolgt, spricht man von Konvektion.

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.

An Meeresküsten und an großen Binnenseen findet man das Land-See-Windsystem, bei dem mit dem Wechsel von Tag und Nacht jeweils über der Landfläche oder über der Wasserfläche eine natürliche Konvektion erfolgt.

Siehe auch

  • Thermophorese, bei der die Gravitation keine Rolle spielt
  • Mantelkonvektion

Einzelnachweise

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