Wärmeübertragung

Wärmeübertragung ist der Transport thermischer Energie infolge eines Temperaturunterschiedes über mindestens eine Thermodynamische Systemgrenze hinweg. Diese transportierte Energie wird als Wärme bezeichnet und ist eine Prozessgröße. Der Wärmeübergang erfolgt in Richtung kälterer Bereiche. Damit verbunden ist ein Wärmeausgleich über die Systemgrenzen hinweg.

Physikalische Größe der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom $ {\dot {Q}} $ (oder $ \Phi _{\mathrm {th} } $). Wärmeübertragung an einer Grenzfläche wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten.
Ein Bauteil oder Anlage, die für einen hohen Wärmedurchgang konzipiert ist, nennt man Wärmetauscher.

Arten der Wärmeübertragung

Die Wärmeübertragung kann auf drei Arten erfolgen:

• Bei der Wärmeleitung oder Konduktion wird kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen ohne Materialtransport übertragen. Diese Art der Wärmeübertragung ist ein irreversibler Prozess und transportiert die Wärme im statistischen Mittel vom höheren Energieniveau (mit höherer absoluter Temperatur) auf das niedrigere Niveau (mit niedrigerer Temperatur). Auch der Wärmetransport durch die Bewegung freier Elektronen im Metall wird als Wärmeleitung bezeichnet.
• Die Wärmestrahlung nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist ein Teil der elektromagnetischen Wellen. Meist wird die Energie durch infrarote Wellen, die ein Teil des elektromagnetischen Spektrums sind, transportiert. Im kosmischen, aber auch im submolekularen Bereich, sind auch andere Wellenlängen bzw. Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums am Energietransport in prozentual nennenswertem Umfang beteiligt. Bei der Wärmestrahlung gibt es nicht nur eine Wärmeübertragung von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm. Der Wärmestrom von warm nach kalt ist aber immer größer als umgekehrt, so dass die Resultierende von beiden Wärmeströmen immer von warm nach kalt zeigt. Mit anderen Worten: Der Temperaturunterschied wird insgesamt immer weiter verringert. Wärmestrahlung ist die einzige Wärmeübertragungsart, die auch das Vakuum durchdringen kann.
• Bei der Konvektion oder Wärmeströmung wird Wärme von einem strömenden Fluid als innere Energie oder Enthalpie mitgeführt.

Meist wirken bei realen Systemen mehrere Übertragungsarten zusammen. Innerhalb von Festkörpern findet vor allem Wärmeleitung, aber ggf. auch Wärmestrahlung statt. In Flüssigkeiten und Gasen ist zusätzlich Wärmeströmung möglich. Ob Wärmeströmung stattfindet, hängt von der Geometrie ab. Wärmestrahlung findet (vorzugsweise) zwischen Oberflächen, aber vor allem im Vakuum statt. Auch Gase sind für die Wärmestrahlung weitgehend durchlässig (diatherman).

Auch im Gleichgewichtszustand (gleiche Temperatur) tauschen Systeme Wärme aus. Allerdings sind abgegebene und aufgenommene Wärme gleich groß, so dass sich die Effekte kompensieren.

Beispiel: Wärmeübertragung im Kühlsystem eines Verbrennungsmotors

In wassergekühlten Verbrennungsmotoren geht ein Teil der beim Verbrennungsprozess anfallenden Wärme auf die Wand über, wird durch Wärmeleitung auf das Wärmetransportmittel Wasser übertragen, durch erzwungene Konvektion zum Kühler transportiert, dort an die Luft und mit dieser aus dem Motorraum an die Umgebung abgegeben.

Unter erzwungener Konvektion versteht man den Wärmetransportmechanismus in Flüssigkeiten und Gasen, bei dem durch makroskopische Strömungsvorgänge (z. B. mechanischer Antrieb durch Propeller von Pumpen oder Ventilatoren) Wärme in Form von innerer Energie von einem Ort zum anderen befördert wird.

Der Wärmeübergang an das Fluid ist dabei maßgeblich von der Strömungsform abhängig. In laminaren Strömungen erfolgt der Wärmetransport durch die fehlenden Querbewegungen der Teilchen überwiegend durch Wärmeleitung. In turbulenter Strömung hingegen übersteigt der Wärmeaustausch durch Mischbewegung wesentlich den durch Wärmeleitung. Da sich an der benetzten Oberfläche eines angeströmten Festkörpers durch Reibung immer eine laminare Grenzschicht ausbildet, ist der Wärmeübergang maßgeblich von der Dicke dieser Grenzschicht abhängig.

Nachfolgendes Bild veranschaulicht die Teilchengeschwindigkeiten und die mittlere Temperatur eines Fluids bei erzwungener Konvektion an einer heißen Wand und einem kühlen Fluid.

Wärmeübertragung einer heißen Wand an ein kühles Fluid. Die thermische Grenzschicht entspricht in diesem Fall der laminaren Unterschicht.

Nach der Übertragung der Wärme an das Fluid wird diese vom Stoffstrom aus dem Verbrennungsmotor zum Kühlmittelkühler transportiert. Die Wärmeübertragung im Kühler erfolgt nach dem gleichen physikalischen Prinzip, wie im Verbrennungsmotor. Die Wärme fließt über die Rohrwände an die Kühllamellen und wird von dort vom Luftmassenstrom aufgenommen und abtransportiert.

An den Kühllamellen des Kühlers bildet sich ebenfalls eine laminare Grenzschicht der Kühlluft aus, durch deren Wärmeleitung der Wärmetransport maßgeblich bedingt ist.

Beispiel: Wärmeübertragung im Bauwesen

Die Heizung eines Gebäudes, allgemein das Konstanthalten der Innentemperatur auf einem Richtwert, beruht auf der Energiebilanz zwischen Wärmeübertragung des Gebäudes an die Umgebung (Wärmeverlust) und Wärmeübertragung der Heizsystems auf das beheizte Raumvolumen, und stellt den benötigten Heizenergiebedarf dar (Thermischer Anteil der Energiebedarfsberechnung).

Die Wärmeverluste des Gebäudes wird allgemein über die Wärmeübertragung durch Bauteile nach EN ISO 6946 berechnet (für unbeheizte Gebäudeteile nach EN 832 ua.). Die Vorgänge bei der Raumheizung sind außerordentlich komplex, denn Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung überlagern sich und verlaufen in der Regel instationär. Je nach dem welche Anteile überwiegen, spricht man beispielsweise von einer Konvektionsheizung oder einer Strahlungsheizung, wobei die Heizflächen in die Umfassungen integriert oder als frei stehende Heizkörper angeordnet sein können. Dazu verwendet man wärmetechnische Raummodelle.^[1]

Literatur

• John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V: A Heat Transfer Textbook. 4. Auflage. 2000-2011 (online).

Einzelnachweise