Kamineffekt

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Druckverhältnisse in einem Schornstein

Der Kamineffekt ist ein physikalischer Effekt, der vertikal gerichtete Luftströmungen verursacht. Der Kamineffekt beruht auf der natürlichen Konvektion. Er wird technisch genutzt, um Abgase von Feuerungen durch Schornsteine abzuführen (Naturzugfeuerung).

Prinzip

Die aufsteigende Luft kühlt sich ab, bis sie Luftschichten mit gleicher Temperatur erreicht, wo der Auftrieb endet.

Feuchte Luft besitzt geringere Dichte als trockene Luft

Warme Luft hat eine geringere Dichte als kalte Luft, wodurch eine thermische Konvektion entsteht und Luft durch die obere Öffnung austritt. Im Inneren entsteht Unterdruck und der Außendruck drückt Luft durch die untere Öffnung in den Kamin, die ebenfalls erwärmt wird. Das führt zu einer Selbsterhaltung des Effekts.

In den meisten Fällen steigt in einem Kamin warme Luft nach oben, Kamineffekte können aber auch durch „herabfallende“ kalte Luft entstehen (Fallwindkraftwerk).

Durch ein vertikales Rohr wird die Luftströmung gerichtet und ggf. beschleunigt, eine Beimischung von leichtem Wasserdampf in Kühltürmen oder in Wasserhosen steigert den Auftrieb enorm. Am Ende des Rohres setzt sich der Auftrieb zunächst fort, wobei die Temperatur adiabatisch sinkt. Erreicht diese das Niveau der Umgebungsluft, endet die Auftriebswirkung.

Auch ohne ein Kaminrohr treten in der Natur ähnliche Phänomene auf (siehe Feuersturm und Thermik).

Physikalischer Hintergrund

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 $: Schwerebeschleunigung in m/s²
• $ \rho _{1} $: Dichte bei Temperatur $ T_{1} $ in kg/m³
• $ \rho _{2} $: Dichte bei Temperatur $ T_{2} $ in kg/m³

Der Druckunterschied verursacht einen Luftstrom der Geschwindigkeit $ v $:^[1]

$ v={\sqrt {2\cdot g\cdot h\cdot {\frac {T_{1}-T_{2}}{T_{2}}}}} $

Herkunft der Bezeichnung

Im Schornstein, auch als „Kamin“ bezeichnet, wird die durch ein Feuer erwärmte Luft nach oben außen abgeführt. Mit dem Sog werden schädliche Gase und Rauch abgezogen und unten an der Luftöffnung der Feuerstelle in der Nähe des Kamins frische Luft angezogen. Die Frischluft enthält neuen Sauerstoff, welcher das Feuer weiter anfacht. Dadurch steigt die Brandtemperatur, mehr Luft wird erwärmt und steigt auf. Es kommt zu einer positiven Rückkopplung.

Gefahren

Die bei Kamineffekten entstehenden Strömungen und Drücke und die positive Rückkopplung können gefährlich sein und müssen bei Planung und Bau von Gebäuden berücksichtigt werden. Tunnel und Treppenhäuser sind hier besonders gefährdet. Bei der Brandkatastrophe der Gletscherbahn Kaprun 2 verstärkte der Kamineffekt im ansteigenden Tunnel das Feuer und führte auch durch die Rauchgase zu einer Vielzahl von Toten oberhalb des Brandherdes. Die nach unten Flüchtenden überlebten.

Nutzen

Zunutze gemacht wird der Kamineffekt neben der Nutzfeuerung und Schornsteinen auch bei Aufwindkraftwerken, bei denen unter einem Dach erwärmte Luft durch einen Turm nach oben steigt und hierbei Turbinen antreibt sowie in Naturzugkühltürmen, in denen die durch Kühlwasser erwärmte Luft ohne weitere Hilfsmittel nach oben steigt. Darüber hinaus findet dieser Vorgang an allen erwärmten Flächen wie Heizkörpern, Kühlrippen (von Motoren oder elektrischen Bauteilen), Hausfassaden usw. statt, wenn die geometrische Form und die Maßverhältnisse einem Kamin ähneln. Anzündkamine basieren auf diesem Effekt, um Holzkohle schneller anzufeuern.

Der Effekt wird teilweise auch schon lange im Hausbau genutzt, traditionelle arabische Häuser etwa werden so gekühlt.^[2] Der persische Windturm Bādgir nutzt den Kamineffekt seit Jahrhunderten zur Belüftung und Kühlung von Gebäuden.

Einzelnachweise