Wärmeaustausch

Wärmeübertragung ist der Transport Thermischer Energie (Wärmeenergie) in Folge eines Temperaturunterschiedes über mindestens eine Systemgrenze hinweg. Diese transportierte Energie wird als Wärme bezeichnet und ist eine Prozessgröße. Der Wärmeübergang erfolgt in Richtung des Temperaturgradienten. Damit verbunden ist ein Wärmeausgleich über die Systemgrenzen hinweg. Die Wärmeübertragung wird charakterisiert durch den Wärmeübergangskoeffizienten.

Die Wärmeübertragung kann auf drei Arten erfolgen:

• Bei der Wärmeleitung wird kinetische Energie zwischen benachbarten Atomen oder Molekülen ohne Materialtransport übertragen. Diese Art der Wärmeübertragung ist irreversibel und transportiert die Wärme, bilanzmäßig gesehen, immer vom höheren Energieniveau (mit höherer absoluter Temperatur) auf das niedrigere Niveau (mit niedrigerer Temperatur).
• Die Wärmestrahlung 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 festen System auf ein strömendes Fluid übertragen und als innere Energie oder Enthalpie mitgeführt oder es wird umgekehrt ein fester Körper von einem wärmeren Fluid angeströmt und 'aufgeheizt'.

Meist wirken bei realen Systemen mehrere Übertragungsarten zusammen. Innerhalb von Festkörpern findet nur Wärmeleitung statt, in Flüssigkeiten und Gasen Wärmeleitung gekoppelt mit Wärmeströmung und Wärmestrahlung. Wärmestrahlung findet (vorzugsweise) zwischen Oberflächen, aber v.a. auch im Vakuum, statt, wobei ein- und zweiatomige Gase für die Strahlung praktisch durchlässig (diatherman) sind.

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

Beispiel: Wärmeübertragung im Kühlsystem eines Verbrennungsmotors

In flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotoren wird die beim Verbrennungsprozess anfallende Wärme vom Zylinder durch Wärmeleitung auf das Wärmetransportmittel Wasser übertragen und durch erzwungene Konvektion an den Kühler abtransportiert (Wasserkühlung).

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 und Reibung. 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 Teilchen-Geschwindigkeiten 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 dessen Wärmeleitung der Wärmetransport maßgeblich bedingt ist.

Siehe auch

• Wärmeübertrager
• Strahlungsaustausch
• Wärmeleitung
• Wärmestrahlung
• Konvektion
• Wärmerohr
• Strömung
• Kühlung
• Rußbläser

Weblinks

A Heat Transfer Textbook (englisch, pdf)