Wie funktioniert Konvektion?
Bei der Konvektion erfolgt der Wärmetransport in einem oder zwischen verschiedenen Systemen über Teilchen. Diese können über unterschiedliche Kräfte bewegt werden, etwa die Gravitation oder aber Unterschiede in Temperatur, Konzentration, Druck oder Dichte innerhalb der Systeme. Da eine Teilchenbewegung für Wärmeströmung erforderlich ist, findet sie folglich nur in Flüssigkeiten und Gasen statt, jedoch nicht im Vakuum oder in Festkörpern. Dort erfolgt der Wärmetransport lediglich über die Leitfähigkeit der Stoffe (Wärmeleitung) oder aber über Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung).
Konvektion kann auf zwei verschiedene Arten geschehen. Die natürliche oder auch freie Konvektion vollzieht sich dabei ausschließlich durch die Auswirkungen des Temperaturgefälles, welches Dichteunterschiede bewirkt, die einen Auf- oder Abtrieb von Teilchen in einem oder zwischen zwei physikalischen Systemen bedingen. Beispiele hierfür sind etwa:
- die Erwärmung von Luft am Erdboden und der anschließende Aufstieg dieser (Entstehung von Wind) oder
- die Durchmischung des geschmolzenen Gesteins im Erdinnern (welche zu Vulkanismus führen kann).
Auch in technischen Anlagen sind Konvektionsprozesse möglich – etwa wenn ein Heizkessel am tiefsten Punkt des Heizsystems installiert wurde und erwärmtes Wasser mit niedrigerer Dichte selbstständig aufsteigen kann, während erkaltetes wieder nach unten fließt (Schwerkraftheizung).
Erzwungene Konvektion setzt immer eine technische Unterstützung voraus. Diese wird etwa durch eine Pumpe oder ein Gebläse realisiert. Die Anlagen verändern Druck, Dichte oder Temperatur in den Wärmeenergie austauschenden Systemen oder bewegen Teilchen mit „Gewalt“ und bewirken so, dass sich Konvektion vollziehen kann, wenn dies nicht auf natürliche Weise möglich ist. Prominente Beispiele sind:
- die Kühlung von Maschinen oder Räumen mithilfe von Ventilatoren und Lüftern oder
- klassische Heizsysteme mit Umwälzpumpe.
Wo wird Konvektion technisch genutzt?
Konvektion als Prozess zum Wärmetransport ist ein fester und wichtiger Bestandteil unseres alltäglichen Lebens und wir nutzen sie für die verschiedensten Dinge. So findet sie schon morgens nach dem Duschen beim Haareföhnen durch den vom Fön erzeugten Luftstrom statt. Im Anschluss bei der Arbeit am PC stellen Lüfter sicher, dass die Hardware nicht überhitzt. Währenddessen sorgt das Heizsystem mittels Umwälzpumpe dafür, dass die Wärme vom Heizkessel (oder einem anderen Wärmeerzeuger) in die Heizkörper gelangt und die Räume beheizt. Im Sommer hingegen halten Klimaanlagen Haushalte, Büros und Werkhallen kühl.
Besonders wichtig ist Konvektion jedoch bei der Erzeugung bzw. Gewinnung von Energie. In thermischen Kraftwerken (ob diese nun fossile oder nukleare Brennstoffe oder aber regenerative Energien nutzen) treibt erwärmte Luft beim natürlichen Aufstieg Turbinen an, die dann über einen Generator elektrischen Strom bereitstellen. Nahezu alle Energieanlagen arbeiten nach diesem Prinzip, seien es Kohle-, Öl- oder Gaskraftwerke, Atomkraftwerke oder solar- und geothermische Kraftwerke. Sogar Windenergieanlagen beruhen auf Wärmeströmung, denn ohne die sich durch den Teilchentransport vollziehenden Luftströme gäbe es keinen Wind, der die Rotoren antreibt. Lediglich Photovoltaikmodule gewinnen Energie mittels chemischer und anderer physikalischer Prozesse. Wasserkraftwerke nutzen die potentielle Energie von Wasser, die mittels Gravitation in kinetische umgewandelt wird, welche die Turbinen in Bewegung versetzt.
Wärmepumpen sind die zentrale Technik in modernen Heizkreisläufen und setzen verstärkt auf Abwasser als Wärmequelle
Auch Wärmepumpen zur umweltfreundlichen Bereitstellung von thermischer Energie arbeiten mit einer Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion. Während sich die Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie an den Wärmetauschern über das natürliche Temperaturgefälle zwischen Wärmequelle und Kältemittel vollzieht, wird der Transport zum Heizsystem realisiert, indem Pumpen, Turbinen oder Ventilatoren das Medium künstlich zirkulieren lassen – es besteht also eine Zwangskonvektion. So lässt sich vergleichsweise niedrige und im Anschluss durch Verdichtung aufbereitete Umweltwärme für Heizzwecke nutzen und es werden fossile, klimaschädliche Brennstoffe eingespart. Als Umweltwärmequelle können hierbei die Umgebungsluft, die Erd- und Grundwasserwärme sowie das Abwasser dienen. Gerade letzteres wurde in den letzten Jahren als umweltfreundliche Wärmequelle immer interessanter, denn es ist ganzjährig warm (anders als Außenluft) und zudem leicht erschließbar (im Gegensatz zu Erd- oder Grundwasserwärme).
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