Wärmeübertragung

Wärmeübertragung ist der Transport von Energie infolge eines Temperaturunterschiedes über mindestens eine Thermodynamische Systemgrenze hinweg. Diese transportierte Energie wird als Wärme bezeichnet und ist eine Prozessgröße. Die Wärmeübertragung erfolgt in Richtung der Orte mit tieferen Temperaturen.

Es gibt drei Arten von Wärmetransportvorgängen:

• Wärmeleitung
• Konvektion und
• Wärmestrahlung.

Die Wärmeübertragung zwischen der Oberfläche eines Festkörpers und einem Fluid bezeichnet man als Wärmeübergang. Der Wärmeübergang wird durch den Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben.

Von Wärmedurchgang wird gesprochen, wenn Wärmeleitung durch eine Wand verbunden mit Wärmeübergängen an der Oberfläche betrachtet wird.

Eine physikalische Größe der Wärmeübertragung ist der Wärmestrom.

Arten

Bezüglich der Gesamtenergie erfolgt die Wärmeübertragung immer von "warm" zu "kalt" auf drei unterschiedliche Arten:

1. 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. Typische Beispiele:

   • Beim elektrischen Lötkolben wird die Wärmeenergie des Heizelementes einige Zentimeter weit zur Lötspitze übertragen.
   • Jeder Kühlschrank wird durch Dämmstoffe „eingepackt“, um die Wärmeleitung des Gehäuses gering zu halten.
   • Ein Heizkörper muss aus Metall gefertigt werden, um die Wärmeenergie des heißen Wassers nach außen an die Luft zu leiten.
   • Eine Türklinke aus Metall fühlt sich kalt an, weil sie die Körperwärme gut ableitet.

2. 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 – bei detaillierter Betrachtung – nicht nur eine Wärmeübertragung von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm, weil es keine nichtstrahlenden Oberflächen gibt (Das würde den Emissionsgrad = 0 erfordern). 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. Typische Beispiele:

   • Die Sonne erwärmt die Erde durch Strahlungswärme.
   • Ein leistungsstarker Kohlendioxidlaser kann durch sein sehr helles Licht Metalle schmelzen. Dabei handelt es sich aber nicht um Wärmestrahlung.
   • Thermoskannen werden innen verspiegelt, damit der Inhalt wenig Energie durch Wärmestrahlung verliert.

3. Bei der Konvektion oder Wärmeströmung wird Wärme von einem strömenden Fluid als innere Energie oder Enthalpie mitgeführt. Konvektion tritt immer dann auf, wenn ein strömendes Fluid Wärme von einer Oberfläche aufnimmt oder an sie abgibt. Das typische Kennzeichen der Konvektion ist dabei die konvektive Zelle, bei der das Fluid in einem Kreislauf zwischen Wärmequelle und -senke zirkuliert. Konvektive Zellen können sehr klein oder auch sehr groß sein, große Zellen können viele kleinere Zellen enthalten. Typische Beispiele:

   • Das Metall eines Heizkessels gibt Wärmeenergie an die vorbeilaufende Flüssigkeit ab. In einer sehr dünnen Grenzschicht der Flüssigkeit direkt am Metall dominiert die Wärmeleitung, darüber hinaus verteilt sich die Wärme in der vorbeilaufenden Flüssigkeit durch Konvektion. Die durch Konvektion in die Flüssigkeit übertragbare Wärmemenge wird stark von der Turbulenz der Strömung und damit von der Geometrie der Oberfläche und der Geschwindigkeit der Strömung bestimmt. Die Zellen sind dabei millimetergroß.
   • Die erwärmte Flüssigkeit des Heizkessels kann allein durch natürliche Konvektion zu den Heizkörpern transportiert werden. Die Zellen haben die Größe des Heizkreislaufes. Heutzutage werden allerdings Pumpen eingesetzt, da dadurch kleinere Rohrquerschnitte möglich sind.
   • Der Wind und damit das Wetter werden durch die konvektive Planetarische Zirkulation bestimmt. Die größten Zellen sind tausende Kilometer lang und breit und einige Kilometer hoch.

   Sobald das Fluid zwangsweise bewegt wird, stützen sich Berechnungen nicht mehr auf die Konvektion, sondern auf den ihr zugrundeliegenden Massentransport, da die Förderleistung der Pumpe bzw. des Lüfters und die Wärmekapazität des beförderten Mediums bekannt sind. Diese Art des von außen induzierten Wärmetransports funktioniert ebenso gut mit bewegten Festkörpern, wird dann aber allgemein nicht mehr als Wärmeübertragung angesehen.

   • Bei einer Heizungsanlage mit Pumpen wird das Heizwasser im Kessel aufgewärmt (dominant ist die lokale Konvektion), dann mit der durch die Pumpe vorgegebenen Geschwindigkeit zu den Heizkörpern gepumpt (dominant ist der erzwungene Massentransport), dort an der inneren Oberfläche des Heizkörpers wieder abgekühlt (dominant ist erneut die lokale Konvektion) und wieder zurück zum Heizkessel gepumpt.
   • Im Haarfön transportiert warme Luft Wärmeenergie. In diesem Fall erfolgt die Hinführung der Strömung zum Haar zwangsweise durch den vom Lüfter induzierten Massentransport, die Rückführung der erkaltenden Luftströmung zum Haarfön hingegen durch die Konvektion im Zimmer.

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, weshalb sich die Temperatur nicht ändert.

Abgrenzung

Obwohl bei dielektrischer Erwärmung und induktiver Erwärmung Gegenstände erhitzt werden, handelt es sich nicht um Wärmeübertragung, weil die jeweiligen "Sender" die Energie weder auf Grund ihrer jeweiligen Temperatur abgeben noch diese mit zunehmender Temperatur steigt.

Beispiel: 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.

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: 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 des Heizsystems auf das beheizte Raumvolumen, und stellt den benötigten Heizenergiebedarf dar (Thermischer Anteil der Energiebedarfsberechnung).

Die Wärmeverluste des Gebäudes werden allgemein über die Wärmeübertragung durch Bauteile nach EN ISO 6946 berechnet (für unbeheizte Gebäudeteile u. a. nach EN 832). Die Vorgänge bei der Raumheizung sind außerordentlich komplex, denn Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung überlagern sich und verlaufen in der Regel instationär. Je nachdem 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.

Literatur

• John H. Lienhard IV, John H. Lienhard V: A Heat Transfer Textbook. 4. Auflage. 2000-2011 (online).
• Norbert Elsner, Siegfried Fischer, Jörg Huhn: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. Band 2, Wärmeübertragung. Akademie Verlag, Berlin 1993, ISBN 3055013891.

• Walter Wagner: Wärmeübertragung. Vogel, Würzburg 1998, ISBN 3802317033.

• VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen: VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang. 11. Auflage. Springer Vieweg, Berlin 2013, ISBN 978-3-642-19980-6.