Wie vollzieht sich die Wärmeübertragung?
Wärmeübertragung – auch Wärmetransport genannt – zwischen benachbarten thermodynamischen Systemen findet ständig und überall statt. Dabei ist es unerheblich, ob es sich bei diesen Systemen um Festkörper, Flüssigkeiten oder Gase handelt: Thermische Energie fließt immer, und nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in ihrer Gesamtheit, in Richtung der Systeme mit dem niedrigeren Temperaturniveau. Zwar erfolgt auch eine Wärmeübertragung von kälteren auf wärmere Systeme, jedoch nehmen erstere im Austausch immer mehr thermische Energie auf als letztere. Auch bei benachbarten physikalischen Systemen mit demselben Temperaturniveau kommt es zur Wärmeübertragung, allerdings sind abgegebene und aufgenommene Energie hierbei identisch.
Wärmetransport kann sich in Abhängigkeit der Medien, in denen er stattfindet, auf unterschiedliche Arten vollziehen. Unterschieden werden dabei drei Hauptvorgänge:
- Konduktion/Wärmeleitung: Die Wärmeübertragung geschieht durch mechanische Berührung zweier Systemgrenzen und vollzieht sich dabei zwischen Feststoffen und ruhenden Fluiden. Ein Materialtransport findet nicht statt – beide Systeme „verharren“ in ihrer Position.
- Konvektion/Wärmeströmung: Der Wärmetransport findet durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen statt. Ein an einem wärmeren System vorbeiströmendes Medium entzieht diesem dabei einen Teil seiner thermischen Energie und leitet diese dann weiter, etwa an andere kältere Systeme oder durch die Vermischung mit Fluiden oder Gasen in unmittelbarer Umgebung.
- Wärmestrahlung: Thermische Energie verlässt ein physikalisches System über elektromagnetische Wellen (Infrarot, sichtbares Licht, Ultraviolett), welche sie dabei auf sämtliche niedriger temperierte Systeme übertragen, die sie durchlaufen. Wärmestrahlung ist die einzige Form der Wärmeübertragung, die sich auch ohne Medien – also im/durch das Vakuum – vollziehen kann.
Neben diesen drei „Hauptformen“ existieren zudem noch Mischformen des Wärmetransports. Von einem Wärmeübergang wird etwa gesprochen, wenn ein Fluid thermische Energie von der Oberfläche eines Festkörpers aufnimmt. Ein Wärmedurchgang hingegen bezeichnet die Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden oder Gasen durch eine feststoffliche Trennwand. Generell ist es in der Praxis nur selten möglich, einen sich vollziehenden Wärmetransport genau nur einem Mechanismus zuzuordnen, da physikalische Systeme immer mit benachbarten Festkörpern, ihrer Umgebungsluft oder sie umströmenden Flüssigkeiten reagieren und gleichzeitig auch Wärmestrahlung aussenden.
Wie machen wir uns die Wärmeübertragung technisch zunutze?
Die Wärmeübertragung und deren „Manipulation“ wird in vielen technischen Errungenschaften gezielt genutzt, um ein bestimmtes Ziel zu erreichen, etwa Temperaturen zu schaffen oder zu halten. So findet das Prinzip der Wärmeleitung tagtäglich beim Kochen Verwendung: Eine Herdplatte wird erhitzt und überträgt ihre thermische Energie im Anschluss auf die auf ihr befindlichen Töpfe oder Pfannen, welche wiederum selbst die Wärme an Feststoffe (Lebensmittel) oder ruhende Fluide (Wasser, Öl) weiterleiten. Unerwünschte Wärmeleitung hingegen wird von uns mithilfe von Dämmstoffen verhindert – dabei handelt es sich um Materialien, die Wärme nur sehr schlecht physisch übertragen. Häuserwände werden gedämmt, damit die thermische Energie nicht aus beheizten Räumen entweicht, Kühlschränke hingegen, damit die Wärme von außen nicht ins Innere gelangt.
Das praktischste Beispiel für die Wärmeströmung findet sich im Prinzip in jeder herkömmlichen Heizanlage. Das Heizsystem (Brennkessel, Heizstab, Wärmepumpe, etc.) gibt die thermische Energie, die es über eine bestimmte Energiequelle generiert, dabei an ein vorbeiströmendes Fluid ab – das Heizwasser. Über dieses wird die Wärme schließlich überall in das Gebäude transportiert, zum Beispiel an die Heizkörper oder in die Fußbodenheizung. Diese Verteiler geben die Wärme schließlich ebenfalls über Konvektion an die Raumluft ab und das Zimmer heizt sich auf.
Wärmestrahlung nimmt eine Sonderstellung ein, da sie sich immer und überall vollzieht, auch im Vakuum. So gelangt die gesamte Solarenergie, die auf unseren Planeten trifft, über Strahlung zu uns. Infrarotstrahlung kommt beispielsweise auch in Heizsystemen oder bei der medizinischen Anwendung zum Einsatz. Und letztendlich haben wir auch Mittel und Wege gefunden, Wärmestrahlung zu unterbinden. In Thermoskannen befindet sich neben einem Vakuum zwischen zwei Wänden zur Verhinderung von Konvektion und Konduktion etwa auch eine Verspiegelung, die die Temperaturverluste durch Strahlung minimiert.
Eine der wichtigsten Einsatzgebiete der Beeinflussung der Wärmeübertragung stellt jedoch die Energiegewinnung mittels Wärmepumpen dar. Mit diesen ist es möglich, über ein Kältemittel auf vergleichsweise niedrig temperierte Wärmequellen zuzugreifen, welches diesen aufgrund seiner eigenen geringen Temperaturen einen Teil der thermischen Energie entziehen und diese dann mittels Kompression aufbereiten kann. Im Anschluss lässt sich das unter dem hohen Druck erreichte Temperaturniveau für Heizzwecke oder andere Prozesse nutzen. Dabei lässt sich unter dem Einsatz recht geringer Mengen Strom zum Betrieb der technischen Komponenten viel Wärmeenergie gewinnen – bei der Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom arbeiten die Systeme sogar völlig emissionsfrei. Als Umweltwärmequellen können dabei die Umgebungsluft, Bodenschichten und das Grundwasser „angezapft“ werden. In den letzten Jahren trat jedoch auch das Energierecycling von industrieller Abwärme sowie dem Abwasser verstärkt in den Vordergrund.
Die Therm-Liner-Module von UHRIG machen sich die Wärmeübertragung beim Abwasser zunutze
Je besser Wärmeenergie verwertet wird, in umso geringerem Maße muss sie neu – und möglicherweise umweltschädlich – bereitgestellt werden. Die Therm-Liner-Module von UHRIG sind hocheffiziente Wärmetauscher, die eine unkomplizierte Wärmeübertragung vom Abwasser auf einen Kältemittelkreislauf ermöglichen. Wärmepumpen können die so gewonnene thermische Energie im Anschluss aufbereiten und sie erneut für die Beheizung von Gebäuden sowie andere Prozesse nutzbar machen. Durch den Ausbau der Technologie an allen wirtschaftlich sinnvollen Standorten ließen sich ganze 14 Prozent des deutschlandweiten Wärmebedarfs decken, was eine immense Einsparung bei der Wärmeerzeugung durch fossile Brennstoffe ermöglicht. Und Abwärme bzw. Abwasser entsteht immer wieder neu. Es handelt sich also um regenerative Energiequellen.
Haben auch Sie Interesse, umweltfreundlich Wärmeenergie aus dem Abwasser zu beziehen, dann nehmen Sie einfach Kontakt zu uns auf, entweder telefonisch oder per Mail. Wir beraten Sie gern bezüglich des Einsatzes unserer patentierten Therm-Liner zur Abwasserwärmerückgewinnung. Die Systeme funktionieren im Übrigen nach dem Zwei-Wege-Prinzip. Mit ihnen lässt sich also nicht nur Heizen, sondern auch Kühlen.
