Konvektion: Strömung in Gasen und Flüssigkeiten

Konvektion transportiert thermische Energie  

Geht es in der Physik um Konvektion, können ganz unterschiedliche Transportformen gemeint sein. Allen gemeinsam ist dabei jedoch die Verbindung mit flüssigen oder gasförmigen Medien. Setzen sich diese durch verschiedene Einflussfaktoren in Bewegung, können sie gelöste Stoffe, physikalische Zustandsgrößen oder thermische Energie mitführen. Im Bereich der Heizungstechnik ist dabei vor allem Letzteres von enormer Bedeutung. Denn die thermische Konvektion (Wärmeströmung) ist eine Möglichkeit, Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke zu transportieren.

Unterschiedliche Arten der Wärmeströmung   

Generell unterscheiden Experten die freie und die erzwungene Konvektion. Die freie Konvektion entsteht durch verschiedene natürliche Einflussfaktoren. Dabei setzen sich gasförmige oder flüssige Medien zum Beispiel durch Unterschiede in der Dichte oder der Oberflächenspannung in Bewegung. Bei der erzwungenen Konvektion sorgen technische Hilfsmittel dafür, dass sich Gase oder Flüssigkeiten bewegen. Als Beispiele sind hier Strömungsmaschinen wie Pumpen oder Ventilatoren zu nennen.

Berechnung von Konvektionsvorgängen in Fluiden

Aus verschiedenen Gründen kann es nötig sein, die Konvektion in einem System rechnerisch zu ermitteln. So können Experten die Strömung von Gasen oder Flüssigkeiten vorhersagen und Anlagen entsprechend optimieren. Da die physikalischen Vorgänge jedoch von zahlreichen Wechselwirkungen abhängen, sind genaue Berechnungen kaum möglich. Zum Einsatz kommen daher rechnergestützte Simulationen. Diese berücksichtigen viele Faktoren und können ein Bild der möglichen Strömung entwickeln.

Unterschiede zu Wärmestrahlung und Konduktion  

Geht es um den Transport von Wärme, unterscheidet sich die Konvektion deutlich von der Strahlung und der Konduktion. Die Strahlung (auch Wärmestrahlung) transportiert thermische Energie in Form elektromagnetischer Wellen. Genau wie die Strahlen der Sonne bewegen sich diese dabei ohne Flüssigkeiten, Gase oder feste Stoffe durch den Raum. Anders ist das bei der sogenannten Konduktion (Wärmeleitung). Denn dabei wandert Energie durch die Bewegung kleiner Atome durch feste Körper. Diese sitzen in einer Gitterstruktur und fangen durch Wärme an zu schwingen. Kollidieren sie dabei mit benachbarten Teilchen, versetzen sie auch diese in Schwingung und übertragen thermische Energie.

In der Praxis überlagern sich die unterschiedlichen Formen des Wärmetransports. So sprechen Experten vom Wärmedurchgang, wenn Wärme von einem gasförmigen oder flüssigen Medium auf einen festen Körper und von diesem auf ein anderes Fluid übergeht. Weitere Informationen zu Wärmeleitung und Wärmeströmung finden Sie auch im Beitrag "Wärme - Definition und Grundlagen".

Konvektion an praktischen Beispielen im Haus 

In der Heizungstechnik hat die Konvektion eine ganz besondere Bedeutung. Denn sie ist unerlässlich für die Funktion einer modernen Pumpen-Warmwasserheizung. Dabei treibt eine Pumpe Heizungswasser durch ein geschlossenes Rohrnetz. Dieses nimmt Energie vom Kessel auf und transportiert es durch die erzwungene Konvektion bis zu den Heizflächen. Frühere Schwerkraftheizungen setzten allein auf die Konvektion durch Temperatur- und Dichteunterschiede und kamen dabei ohne eine Heizungspumpe aus. Durch große Rohrdurchmesser war das allerdings nicht effizient.

Konvektion bei  Schichtladespeicher  unerwünscht

Ganz und gar nicht erwünscht ist die Konvektion hingegen in einem  Schichtladespeicher. Dieser bevorratet thermische Energie für Raumheizung und Warmwasser. Durch eine hohe Strömung würde sich das Wasser im Inneren durchmischen. Die Temperatur würde schnell abfallen und der Kessel müsste häufig anspringen. Damit das nicht passiert, kommen spezielle Konstruktionen zum Einsatz. Diese verhindern die Konvektion und damit auch die Vermischung des Heizungswassers. Das Medium lagert sich daraufhin in unterschiedlichen Temperaturschichten an. Auf diese Weise kann sich am oberen Speicherende noch warmes Wasser befinden, während der überwiegende Teil des Pufferspeichers bereits entladen und abgekühlt ist. Die Heizung muss nicht so oft anspringen und verbraucht weniger Brennstoffe.