Wissen Sie, was die Begriffe
| Wärme |
| Wärmemenge/Wärme-Energie |
| Wärmeübertragung durch Strahlung |
| Wärmeübertragung durch Wärmeleitung |
| konvektive Wärmeübertragung |
| Wärmeübergang |
| Wärmedurchgang |
bedeuten ?
Es soll hier versucht werden, diese technisch-physikalischen Begriffe
verständlich zu machen.
Sie fragen sich: "Wozu brauche ich das ?"
auf jeden Fall nicht wie in folgendem Witz:
http://lustich.de/lustich/witze-witzetexte-x11-2478.html
Meine - und ich hoffe, Sie verkraften das - 'provokant
publikumsbeschimpfende' Antwort lautet: " Komisch - Energiesparer und
Häusles-Isolierer wollt Ihr alle sein, aber das wichtigste dabei
ist wohl, daß man Schafswollematten statt Styropor zur Anwendung bringt,
- aber wenn es darum geht, unumstößliche physikalische Wahrheiten
verstanden zu haben, da seid Ihr doch alle gleich: ein Volk von
überwiegend (die Ausnahmen können jetzt stolz 'weghören' !)
naturwissenschaftlich und technisch ungebildeten Individuen. Und was man nicht
versteht, zu dem entwickelt man einfach ein Feindbild und negiert oder
ignoriert es. Man fällt dabei allerdings dann prompt 'auf die Schnauze',
wenn es ans Eingemachte geht .
Nicht, daß ich erwarte, daß
jeder 'Normalbürger' gleich ein kleiner Professor für
Naturwissenschaften sein soll, das wäre ja furchtbar (lauter
Eierköpfe!). Aber ein ganz ganz klein wenig Grundverständnis
könnte ja wirklich nichts schaden."
Hier drei Beispiele, die zeigen sollen, daß es gut ist, sich ein wenig mit der Wärmelehre (Kalorik) zu befassen:
Beispiel 1:ist Ihnen klar, daß Sie den 'Dachspitz' Ihres Häusles mit 30 cm Styropor und mehr - von mir aus auch mit 90 cm Schafswollematte - isolieren können, - und trotzdem bei 6 Wochen Hitzewelle 'dort oben vor Hitze verkochen' werden ? (wieso ? ich hab doch bombig isoliert !) ----> Isolation 'bremst' den Wärmedurchgang nur zeitlich ein, nicht aber generell !!! Physikalisch gebildete 'Eierköpfe' würden das so formulieren: 'nur bei einem unendlich großen Isolations-Wärmewiderstand - den es in Wirklichkeit nie gibt - würde es keine Übertragung von Wärme von der einen zur anderen Seite geben !! Natürlich kann das im praktischen Fall wirklich auch mal sehr lange Zeit in Anspruch nehmen - nämlich gerade dann, wenn wir eine 'sehr gute Isolation vorliegen haben'. |
Beispiel 2 :Dieses Beispiel soll zeigen, daß man sogar grundsätzlich richtige Statements und Bewertungen mit Vorsicht - also nicht ohne zusätzliche überprüfende Analyse - anwenden sollte. »» " Moderne Thermo-Fensterscheiben sind erstklassig isoliert, es ist einer der wichtigsten energietechnischen Gewinne, alte Fenster gegen neue auszutauschen". »» " Heizkörpernischen in Außenwänden sind wärmetechnisch ein großer Unsinn, weil der Wärmedurchgang durch die (ja auch noch) schmälere Nischenwandung immens ist. Es ist auch überhaupt ein Unsinn, Radiatoren (allgemein Heizquellen) an Außenwänden anzubringen." das sind zwei bedeutende (und richtige) Regeln ! Diese haben mich dann eben auch zu der Annahme verleitet, daß im Falle unserer Wohnzimmerfenster-Außenwand durch die Heizkörpernische mehr Wärme nach außen gelangt als durch das nagelneue Thermofenster. Nun kann ich selbst keine Thermografien anfertigen, bin aber auf die Idee gekommen, an einem kalten Wintertag die betreffenden Außenflächen einmal mit einem berührungslosen Thermometer aus dem Versandhandel (eine Art IR-Pyrometer !) zu messen (empfehlenswerte Vorgehensweise !), - und siehe da, das Fenster war unerwarteterweise ca. 2 Grad wärmer als die Heizkörper-Fensternischen-Außenwand darunter. Das war überraschend. Dies soll nun aber nicht etwa als absolute Regel gefordert werden, sondern nur als 'trauschauwem' (traust Du auch wem)-Effekt. Es sind da ein paar Dinge, die ja auch noch wichtig sind: erstens ist das Fenster als leichter Reflektor kein grauer Strahler und damit die gemessene Temperatur nicht korrekt. Zweitens hängt der Wärmedurchgang durch die Nischenwand von der Potentialdfferenz Δ-T ab, also ganz schlicht gesagt vor allem von der Temperatur des Radiators innen (verstanden? -- nein ---> ein weiterer Grund, das Vorliegende mal durchzugehen !!). Im übrigen könnte die Nischenwand bei unserem Haus recht gut isoliert sein. Oder es könnte gar die laterale (seitliche) Wärmeleitung in der Außenwand so gut sein, daß die Heizkörpernischen-Wärme seitlich 'abgezogen wurde'. Sie sehen, was da alles beachtet werden muß !! Aber auch ganz grob gesehen ist die Beobachtung - wie gesagt - schon etwas überraschend. Man kann daraus trotzdem auf jeden Fall eine richtige Regel herleiten: es ist zumindest genauso oder nicht minder nützlich, an kalten Tagen ( wenigstens über Nacht) die Fenster mit den Rolläden zu verschließen, wie eine aufwendige Isolation der Heizkörpernische durchzuführen (die natürlich trotzdem auch nicht schlecht ist!!). Und schon geht es weiter: Frauen (Entschuldigung für dieses Klischee) schließen fast immer die Rolläden auf 'Sichtspalt' (es soll ja noch etwas Licht und Luft hereinkommen !!!). Damit ist die Hälfte des Effekts schon wieder 'im Eimer', denn die beste Isolationswirkung hat eine 'stagnierende Luftschicht' - das Grundprinzip aller porösen Isolierwerkstoffe (verstanden? -- nein ---> ein weiterer Grund, das Vorliegende mal durchzugehen !!) ---- Und es geht noch weiter: häufig zieht es durch die Rolladenkästen von außen 'wie der Teufel' (durch Fremdeinwirkung erzwungene Konvektion). Da gibt es aber einige technische Möglichkeiten, dies zu vermeiden!! Ich habe z.B. ganz einfach eine 'Besenleiste' wie sie für den unteren Eingangstürenspalt anbeboten werden am Außenspalt zwischen Rolladen und Rolladenkasten angebracht (aber Vorsicht, der Rolladen läuft dann meist etwas schwerer !!!) |
Beispiel 3 :Eine Fassade und Fensterfront unseres Hauses ist ziemlich genau
nach Osten ausgerichtet. Im Sommer an ganz heißen Tagen haben wir die
Rolläden morgens geschlossen und sie dann mittags zur besseren
Belüftung wieder hochgezogen, wenn wirklich keine Sonne mehr herscheint .
Trotzdem wurde es immer wärmer in den Räumen. Zunächst war die
Meinung, daß noch zu viel warme Luft hereinkommt. Dann hätte aber
ein Schließen der Fenster eine Änderung bringen müssen, - was
nicht der Fall war. Bis wir endlich bemerkt haben, daß hier noch eine
beträchtliche Menge Strahlungswärme vorhanden war, einmal aus
diffuser Einstrahlung, zum anderen aber viel mehr vom Nachbarhaus kommend,
dessen weiße Fassade wie ein Reflektor wirkt. Ein längeres
Beschatten der Einstrahlungsfläche durch die Rolläden hat dann
Abhilfe geschaffen. |
| Ich würde mich freuen, wenn ich Sie soweit gebracht habe, dass Sie alle wärmetechnischen Belange, die ihnen 'so über den Weg laufen' sachlich kritisch betrachten und versuchen, die ablaufenden Vorgänge zu begreifen und dann selbst zu bewerten. Kritisch sollten Sie auch Anpreisungen und Statements in Werbung und Presseinformationen betrachten. So ist die fast religionsmässige Anpreisung von Isoliermassnahmen bei Immobilien hin und wieder schon sehr fragwürdig. Es geht dabei ja nicht darum, dass Energie-Einsparung und Wärmedämmung wichtig sind, es ist nur zu bewerten, mit welchem Aufwand das betrieben wird und was es letztlich im diskreten Fall bringt (siehe z.B. folgenden Artikel, pdF 74k). Sehr aufschlussreich ist da zum Beispiel folgende Website, die Sie mal 'durchstöbern' sollten. |
So, das sollte als Motivation genügen. Natürlich ist es auch gleichzeitig Zielsetzung dieses online-Info-Kurses, Schülern und Studierenden einmal eine andere Perspektive zum Verstehenlernen des Metiers 'Kalorik' zu bieten. Lassen Sie sich auch nicht entmutigen, wenn Sie im folgenden manche Formalismen oder gar echten Formeln nicht verstehen, das ist mehr für solche Leser gedacht, die besser in derartigen Kategorien denken können. Halten Sie sich dann lieber an die modellhaften oder bildhaften Beschreibungen, das bleibt eh besser 'hängen'. Es kann auch sein, daß Ihnen das Gebiet 'Strahlungswärme' etwas zu kompliziert ist, dann versuchen Sie zunächst mal nur, die anderen Kapitel zu lesen !
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Für Leser, die im weiteren Sinne mit Chemie befasst sind, hier eine Literaturempfehlung, die hinsichtlich Wärmelehre durchaus parallel zum Vorliegenden durchgesehen werden kann. Es handelt sich dabei um ein Cartoon-Buch (The Cartoon Guide to Chemistry). Ich habe das Buch erst längere Zeit nach der Verfassung des Vorliegenden angschafft und musste zu meinem Erstaunen feststellen, daß viele Dinge dort sehr ähnlich erklärt werden, -natürlich ausschließlich im Sinne der Bedeutung der Wärmelehre in der Chemie. |
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Wir Menschen sagen zwar: "es/das ist sehr warm/kalt", - aber wir haben
im Grunde keine 'Sensorik' für Wärme eingebaut, - wenn wir
'solches' sagen, meinen wir nämlich genau genommen "es/das hat eine
'hohe/niedrige' Temperatur". Wir Menschen messen also mit
'unseren Sinnen' die Temperatur. Wärme ist dagegen ein 'Zustand' der
Stoffe, der sich nach außen hin erkennbar 'nur' in der
'Potentialgröße' Temperatur äußert, - und diese ist ja
bekanntlich und Gott sei dank 'gut' messbar.
Wärme ist physikalisch gesehen eine Größe, die den (wärmetechnischen=thermischen) Energie-Inhalt des Stoffes charakterisiert, - also eine energetische Zustands-Größe und für uns deshalb etwas abstrakter als die von uns Menschen 'erfühlbare' Potentialgröße 'Temperatur'. |
Etwas verständlicher als 'nur so' Wärme sind vielleicht die Begriffe Wärmeinhalt eines Körpers oder Wärme-Energie, die in einem Körper 'steckt', weil da schon dessen Masse und Oberfläche neben seiner Temperatur als Einflußgrößen 'erahnt' werden können. Betrachten Sie einmal das folgende Schema. Es sollen lauter Quaderklötze aus beispielsweise Eisen betrachtet werden. Die Wärme, oder besser des Wärmeinhalt des Klotzes mit 100 oC wird bei den beiden gleichgroßen Klötzen oben in der Abbildung größer sein. Die beiden Klötze unten in der Abbildung haben die gleiche Temperatur, hier wird aber der größere Klotz einen größeren Wärmeinhalt aufweisen (denken Sie nur z.B. an die Verwendung als 'Bettflasche', oder kennt man das heute womöglich gar nicht mehr !!). Man könnte das Beispiel noch erweitern um Materialeigenschaften (Polystyrolklotz, Bleiklotz) und um äußere Oberflächen, denken Sie selbst darüber nach, wenn Sie schon entsprechend 'sattelfest' sind !.
Modellvorstellung mit Eisenklötzen
| Das kann man vergleichen mit der Elektrizitätslehre: dort ist die Potentialgröße die Spannung U (entspricht der Temperatur T), die Energiegröße N hingegen das Produkt aus Spannung U und Strom I (N=U × I). |
Wenn nun Wärme ein energetischer Zustand der Materie ist, wovon hängt ihre Größe dann eigentlich ab ? Die Wärme oder auch 'der Wärmeinhalt' eines Körpers ( 'Blockvolumen' eines beliebigen Stoffes) ist proportional zu seiner Masse, seiner Temperatur und zu einem spezifischen 'Stoffkonstanten-Wert' = 'spezifische Wärme'. Leider können wir praktisch gesehen mit einem derartigen ' sozusagen alleinstehenden' Energieinhalt eines Körpers - charakterisiert durch seine Temperatur - eigentlich gar nichts anfangen. Wir 'sehen' diesen erst, wenn wir von unserem betrachteten Körper Wärmeenergie 'abziehen' oder ihm Wärmeenergie 'zuführen' (ihn abkühlen und erwärmen), das heißt: Wärme übertragen.
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In der Elektrizitätslehre ist das ähnlich: Eine Spannung von 220 V können wir zwar mit dem Voltmeter messen, - die mit diesem Potential verbundene Energie 'sehen' wir aber eigentlich nicht. Erst, wenn wir eine Glühbirne anschließen und ein Strom fließt, dann 'tut sich sichtbar etwas' (-- oder, wenn wir mit den Fingern beide Drähte berühren und 'eine gewischt kriegen', -- oder, wenn wir zu viel Strom ziehen, haut es die Sicherung hinaus, weil wir die Steckdose energetisch überfordert haben). |
Wärmeübertragung formelmässig erfassen: Kalorik-Formel für etwas Interessiertere, eine globale Berechnung der übertragenen Wärme, zum Beispiel für Bilanzierungszwecke. Grundlage kalorimetrischer Messungen
4 skizzenhafte Beispiele für Wärmeübertragung:
Fest/Fluid-Kontakt mit Schmelzvorgang, Festkörperkontakt, Flüssigkeitskontakt, Strahlungswärme
Die Wärme(-menge) oder der Wärmeinhalt eines Körpers ist eine physikalische Zustandsgröße, die von der Masse, der Stoffart und vor allem von der thermischen Potentialgröße Temperatur abhängt. Wärme-Energien sind vor allem bei ihrer Übertragung auf andere Körper oder Systeme 'erfassbar/erkennbar'. Bei der Übertragung von Wärme-Energie spielt die Temperaturdifferenz als treibende Kraft eine wesentliche Rolle. |
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Da Wärme eine Form von Energie ist, ist Wärmeübertragung
eine Energieübertragung. Energieübertragungen können allgemein
gesagt dann stattfinden, wenn Potentialunterschiede vorliegen. Dies wurde
für die Wärme schon im vorhergehenden Abschnitt gezeigt: Wärme
wird übertragen, wenn eine Temperaturdifferenz (Δ-T) vorliegt und
zwar 'freiwillig ablaufend' von einem wärmeren Körper auf einen
kälteren (Unter ' immenser Energie-Aufwendung' kann Wärme auch von
einem kälteren Körper zu einem wärmeren 'hinaufgeschaufelt'
werden. Um das zu verstehen, benötigt man aber 'die höheren Weihen
der Thermodynamik' und die alte Bauernregel: 'von nichts kommt nichts').
Es gibt nun verschiedene Formen der Wärmeübertragung, je
nachdem, welches 'System' vorliegt. Übergeordnet unterscheiden wir:
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Die zweite Form der Wärmeübertragung mit Hilfe elektromagnetischer Srahlung ist etwas komplizierter, sie soll in diesem Info-Kurs zum Schluß in Kap. 4.) behandelt werden. Dies heißt aber nicht, daß diese Übertragungsform unbedeutend wäre, ganz im Gegenteil !
Bei der Übertragung durch direkte stoffliche Ankopplung gibt es folgende 'Erscheinungsformen' oder besser Übertragungs-Mechanismen:
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Welcher Mechanismus vorliegt, hängt sehr stark vom stofflichen
System ab. In der Technik (hauptsächlich) unterscheidet man zwischen
festen und fluiden Medien, - man fasst also das 'flüssig' und
'gasförmig' der Naturwissenschaften begrifflich zu 'fluid' zusammen. Fluid
kann dann zum Beispiel aber auch eine 'Wirbelschicht' sein oder ein
Fördergut der pneumatischen Förderung (Feststoff in Gas
suspendiert!!) oder eine Suspension (flüssig/flüssig) u.a.
Konvektion tritt mehr bei fluiden Systemen auf. Wärmeleitung dagegen in
beiden Systemen, aber häufiger in festen Systemen !
Wärmeübertragung durch Wärmeleitung |
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|---|---|---|---|---|
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Den Vorgang der Wärmeleitung haben wir vorliegen, wenn feste Körper mit festen Körpern in (vollständig spaltfreiem) Kontakt miteinander sind. Das könnte zum Beispiel so skizziert werden:
Wir können für diesen Fall zwar leicht aus der Kalorikformel für die globale Wärmeübertragung die Mischtemperatur berechnen, die nach Wärmeausgleich erreicht wird: (nicht Formelbegeisterte können das überspringen und sich nur merken: man kann da die Mischtemperatur nach der Kalorikformel berechnen!) , - den dynamischen Prozess der Wärmeleitung zwischen den Blöcken (sprich: den Wärmefluß vom warmen in den kalten Block hinein) können wir aber hier leider nicht so leicht beschreiben, deshalb wenden wir uns einer alternativen Anordnungsmöglichkeit zu, die für uns einfach 'informativer und verständlicher' ist!! Man könnte nämlich auch folgende Anordnung 'zusammenbasteln':
Das könnte man als 'Feststoff-Wärmebrücke' bezeichnen.
Theoretisch hätten wir übrigens auch dann den Vorgang der Wärmeleitung vorliegen, wenn als 'Kontaktpartner' echt mechanisch unbewegte Fluide ( Flüssigkeiten oder Gase) vorliegen. Dies ist aber in der Praxis nicht so einfach zu realisieren. Es spielt aber bei der anschließenden modellhaften Betrachtung von Wärmeübergängen und Wärmedurchgängen bei Vorliegen fester Wände mit fluider Umgebung ein Rolle. Für die formelmäßige Beschreibung des Wärmeleitvorgangs und für die experimentelle Ermittlung von Wärmeleitzahlen ist es vernünftig, folgende Anordnung zu wählen, sie ist eigentlich identisch mit der Abbildung 'Wärmeleitbrücke' oben, nur sozusagen etwas 'eleganter':
hiermit können wir das Fourier'sche Gesetz zur Wärmeleitung herleiten: Q/t = F × 1/L × λ × ΔT mit: F = Querschnittsfläche des 'Leiters', L = Länge des Leiters, λ = Wärmeleitzahl, ΔT = Temperaturdifferenz
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Wärmeübertragung durch Konvektion |
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Wärmeübertragung durch Konvektion kann in fluiden Medien
beobachtet werden. Konvektion bedeutet, daß im fluiden Medium eine
Umschichtungs- oder Umwälzungsbewegung stattfindet, die von
fluidmechanischen Prozessen ausgeht und nicht von molekularen oder atomaren
Bewegungen. So ist die Segelfliegern wohlbekannte Thermik ein konvektiver
Vorgang, es liegt hier freie Konvektion vor, die durch den
Wärmeschichtungseffekt hervorgerufen wird. Freie Konvektion hat man auch
in einem Topf oder Becherglas in dem eine Flüssigkeit am Boden
erwärmt wird. Warme Fluidelemente steigen aufgrund ihrer geingeren Dichte
auf, kalte sinken ab, es tritt eine Umschichtungsbewegung ein. Im Unterschied
zur freien Konvektion werden bei der erzwungenen
Konvektion strömungsmechanisch Fluidbewegungen erzeugt, ganz
'brutal deutlich' zum Beispiel durch ein Umwälzorgan (Pumpe, Ventilator)
hervorgerufen. |
In der allgemeinen und technischen Praxis (z.B. Bau-Physik, thermische Verfahrenstechnik etc.) liegen eigentlich immer Systeme vor, bei denen Fluidbereiche durch Wandungen getrennt sind (Haus-/Zimmerwände, Wärmetauscher, Fahrzeugkühler, Klima- und Kältegeräte, Heizkessel, Radiatoren .....)
Bei der genaueren Betrachtung derartiger Vorgänge begegnet man fast immer einem 'Teilschritt' des Gesamtvorgangs, bei dem Wärme aus einem Fluid an eine feste Wand oder Wärme von einer festen Wand an ein Fluid übertragen wird:
Wärmeübergang schematisch ( die Strömung im
Fluid kann turbulent, laminar oder völlig stagnierend sein, - ihr
Einfluß ist allerdings enorm)
diesen Vorgang nennt man Wärmeübergang
Bevor wir diesen Vorgang näher betrachten, gehen wir gleich einen Schritt weiter. In der Praxis begenen wir bei weitem öfters einer Anordnung, bei der der angesprochene Wärmeübergang nur einen Teilschritt darstellt. Häufig befindet sich hinter der festen Wand auf der anderen Seite wieder ein Fluid. Den Vorgang der Wärmeübertragung aus einem Fluid an eine Wandung und weiter von dieser an ein zweites Fluid wird Wärmedurchgang genannt.
Wärmedurchgang schematisch: 1. Übergang,
Wärmeleitung, 2.Übergang
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Befassen wir uns nun zunächst etwas gründlicher mit dem ('Teilschritt') Wäremeübergang:
| der Wärmeübergang |
|---|
wie schon im vorhergehenden Abschnitt erwähnt, ist der
Wärmeübergang zwischen einer Wand und einem Fluid, oder umgekehrt,
deshalb ein relativ komplizierter Vorgang, weil neben den wichtigen
Einflußgrößen (Temperatur, Fläche, Stoffdaten) vor allem
der Strömungszustand eine wesentliche Rolle spielt. Um nun formal eine
einfache Beziehung aufstellen zu können, 'tut man so', als ob zwischen der
Temperatur an der Wandoberfläche und der Temperatur im 'Kern' des Fluids
einfach ein 'linearer' Temperatursprung bestünde. Dies ist bei turbulenter
Strömung 'fast' schon gut erfüllt. Man setzt dann, einmal etwas
vereinfacht gesagt, die Beziehung der 'problemlosen' Größen an und
'packt' die 'Ungereimtheiten' der Strömungs- und Stoffabhängigkeit in
einen Koffizienten (Wärmeübergangskoeffizient α). Gott sei dank
kann aber gezeigt werden, daß sich dieser Koeffizient doch recht gut aus
Kennzahlzusammenhängen herleiten
läßt ( unter Verwendung der Kennzahlen Nu = Nusselt, Pr = Prandtl,
Re = Reynolds und Gr = Grashof). Vereinfacht modellierter Temperaturverlauf beim Wärmeübergang (dλ1 = Dicke der laminaren Grenzschicht an der festen Wand) Die Formel können wir dann eigentlich wie beim Fourier-Gesetz der Wärmeleitung rein 'intuitiv' herleiten: die pro Zeiteinheit übertragene Wärme hängt von der Temperaturdifferenz zwischen der Kerntemperatur des Fluids und der Temperatur an der Wandoberfläche ab (denn das ist ja die treibende Kraft = das Potential). Ebenso hängt sie von der Wandfläche ab (je größer, desto ...). Die Stoff- und Strömungseigenschaften 'packen' wir in α. Damit haben wir: Q/t = F × α × (Tfl - Tw) ---- für den Fall, daß das Fluid wärmer ist als die Wand und: Q/t = F × α × (Tw - Tfl) ---- für den Fall, daß das Fluid kälter ist als die Wand dabei sind: F = Wandfläche, α = Wärmeübergangskoeffizient, Tw = Wandtemperatur, Tfl = Kerntemperatur des Fluids |
| der Wärmedurchgang | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
Wie bereits erwähnt, liegt beim Wärmedurchgang im Prinzip eine Hintereinanderschaltung folgender Prozesse statt: ein Wärmeübergang, ein Wärmeleitvorgang und nochmals ein Wärmeübergang.  Wärmedurchgang: reales Temperaturprofil und modellmäßig angenommener Verlauf mit T-Sprung in der laminaren Grenzschicht da wir die Formeln und Randbedingungen (Vereinfachungen im Temperaturprofil etc.) für alle Prozesse jetzt schon kennen, brauchen wir eigentlich nur noch das Puzzle der Serienschaltung dem Bild entsprechend zusammenfügen: Für die beiden Wärmeübergänge 'heiße / kalte Seite" gilt: Q/t = F × α1 × (Tfl1 - Tw1) für die 'heiße Seite' und Q/t = F × α2 × (Tw2 - Tfl2) für die 'kalte Seite' dabei sind: F = Wandfläche, α1/2 = Wärmeübergangskoeffizienten für Fluid 1 oder 2, Tw1 = Wandtemperatur an der 'heißen Seite', Tw2 = Wandtemperatur an der 'kalten Seite', Tfl1/2 = Kerntemperatur in den Fluiden 1 oder 2. dazwischen liegt nun 'nur noch' die Wärmeleitung in der Wand: Q/t = F × 1/L × λ × (Tw1 - Tw2) Aus diesen 3 Formeln können wir uns nun eine 'neue' Formel herleiten, in der die Größen der Wandtemperaturen Tw1 und Tw2 eliminiert sind und damit nur noch die Temperaturen in den Fluidkernen Tfl1 und Tfl2 vorkommen:
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So, jetzt haben wir das Rüstzeug für Isolier-Diskussionen etc. Es ist vielleicht gut, hier nochmals ein paar ausgewählte Beispiele zu besprechen.
Beginnen wir mit dem weitgespannten Gebiet der
Wärmeübertragung mit stofflicher Ankopplung bei Vorliegen
stagnierender Gas- (vorzugsweise Luft-) Schichten und der sich
daraus ergebenden Isolierwirkung poröser Stoffe.
Liegt bei einem
Wärmeübertragungs-Teilschritt eines Vorgangs eine schmale, z.B.
spaltförmige 'gas-(luft-)gefüllte' Lücke vor, so wird der
Wärmeleitprozess an dieser Stelle durch einen schlechten Leiter
'unterbrochen', - oder besser: ein schlechter Leiter ist in der
Serien-Widerstandsschaltung dazwischengeschaltet.
| Das Kühlkörper-Problem |
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Denken wir einmal an das bereits angesprochene Halbleiter-Kühlkörper-Problem. Wenn wir (vor allem Leistungs-) Halbleiter auf Kühlkörper montieren, erwarten wir, daß die produzierte Wärme durch Wärmeleitung im direkten Kontakt an den Alukühlkörper abgegeben wird und daß dieser die Wärme wiederum über die große Tauschfläche der Kühlrippen an vorbeiströmende Luft abgegeben wird. Die Luft wird durch freie oder gar erzwungene Konvektion (denken Sie an den lauten Ventilator in Ihrem Computer) bewegt. Auf der Abgabeseite liegt also ein üblicher Wärmeübergang Feststoff/Fluid vor. Im Kontaktspalt haben wir dagegen eine dünne
stagnierende Luftschicht, die sozusagen 'unbeweglich eingesperrt' ist. Nun
werden Sie sagen: "und der dünne Spalt soll die Wärmeleitung gleich
so dramatisch 'ausbremsen' ??". Und ich muß Ihnen ehrlich sagen, ich
kann's manchmal auch fast nicht glauben: "das soll soviel ausmachen, daß
der Halbleiter 'durchbrutzeln' kann ??" Na ja, schaun' wir uns einmal die
Wärmeleitzahlen an. In einem Physik- oder Tabellenbuch finden wir: Also: die Wärmeleitfähigkeit von stagnierender Luft ist
ca. 10000 mal schlechter, als die vom Aluminium des Kühlkörpers und
der Halbleiter-Grundplatte. Wenn man z.B. fünf hundertstel Millimeter
Luftspalt nimmt, dann ist das bei ca. 50 mm Leitungsweg zwar nur 1/1000 -
Anteil am Widerstand, durch das lamda von Luft wird die Leitfähigkeit aber
um das 10000 - fache eingebremst. Die Wärmeleitfähigkeit wird also
mindestens ca. 10 mal schlechter. |
| das Leidenfrost'sche Phänomen |
| Hand aufs' Herz, wissen Sie was das ist ?
In einem Lexikon findet man:   Ich habe mal gehört, man könne sogar eine nasse Hand für kurze Zeit flach auf so eine Platte legen (natürlich nicht fest draufdrücken !!), aber ich würde mich das nicht trauen, Sie vielleicht ? ( 'Gell', da läßt die Begeisterung für die Naturwissenschaften auch bei uns 'etwas' nach!) Vielleicht ist das auch der Trick beim 'Fakir-über-glühende-Kohlen-laufen' ?? Womöglich braucht der Fakir dazu kräftige 'Schweißfüsse', oder er wäscht die Füße zu dieser Gelegenheit vorher, - sozusagen 'einmal im Jahr' !! |
| poröse Wärmeisolatoren |
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Im Grunde genommen ist der Isoliereffekt von porösen Werkstoffen dasselbe Phänomen. In porösen Werkstoffen haben wir Feststoffzellen mit dünnen Wandungen aus einem Feststoff, in denen eine stagnierende 'Miniluftblase eingesperrt' ist. Es ist klar, daß der Anteil der Feststoffleitbrücken (die ja zur Stabilisierung der porösen Struktur und zum 'Einsperren' des Gases nunmal notwendig sind) minimal sein sollte und daß der Wärmeleitfähigkeitskeoffizient λ des Feststoffes möglichst klein sein sollte. Ein Metallschaumstoff (das gibt es !!) wird ein schlechterer Isolator sein als Styropor, weil einmal ein guter metallischer Wärmeleiter und zum anderen der mäßig leitende Kuststoff als Leitbrücken vorliegen. Mehr wäre dazu eigentlch nicht zu sagen, den Rest 'sprechen' die Stoffdaten -Tabellen !! |
Zum etwas allgemeineren Gebiet Wärmedurchgang folgende Beispiele:
| Verschiedenes: Hauswandisolation, Wärmebrücken , Kälteschutz-Kleidung, wind-chill |
| Wind-Chill: das kennen Sie sicher schon - zumindest vom Wetterbericht (wenn von 'gefühlter Kälte' o.ä. gesprochen wird). Wenn Sie die Abschnitte Wärmeübergang und Wärmedurchgang einigermassen 'verinnerlicht' haben, dürften Sie keine Verständnisprobleme haben. Wird bei einem Wärmeübergang Luft/'feste' Wandung das Strömungsbild im Fluid Luft immer turbulenter, dann wird auch die laminare Grenzschicht immer dünner, d.h. der Wärmeleit-Widerstand durch eine stagnierende Luft-Grenzschicht wird immer stärker reduziert. Damit ist der Wärmetransport (hier dann:) von 'innen nach außen' vergrößert. Dies führt objektiv zu einer Abnahme des Wärmeinhalts der warmen Seite (innen) und damit auch zu einer echt messbaren Temperatur-Erniedrigung. Subjektiv entsteht 'mehr Kältegefühl', weil die Außentemperatur 'mehr hereindringt' als im windstillen Fall, d.h. der Körper spürt den Wärmeabfluß und die Temperaturerniedrigung und setzt das in Kältegefühl um. Wind-Chill spielt bei den folgenden Punkten: Hauswandisolation und Kälteschutzkleidung eine wichtige Rolle. weiterer Text folgt! |
| Wärmetauscher |
| Bei der technischen Konzeption, Auslegung und Berechnung von
Wärmetauschern spielt der Wärmedurchgang die Hauptrolle (in manchen
Fällen muß aber auch Strahlungswärme berücksichtigt
werden) Eigentlich können wir es uns auch hier jetzt ziemlich leicht machen: für ebene Platten können wir zur Berechnung und Auslegung die obigen Formeln und die näheren Angaben in den Links zu Detaillierterem verwenden. Ernsthafte Absichten gelingen natürlich sicherlich nur unter Verwendung von Tabellenwerken, wie dem VDI-Wärmeatlas. Für Röhren- bzw. konzentrische Rohr-Wärmetauscher müssen andere Kennzahlenzusammenhänge angewendet werden, auch hier benötigt man Tabellenwerke. Für 'Normalverbraucher' ist es eigentlich nur nötig die erwähnten Grundlagen einmal grundsätzlich 'der Spur nach' begriffen zu haben. Mit genauen Berechnungen soll sich dann der Ingenieur 'herumschlagen'. Es sollen deshalb im weiteren Text nur einige Skizzen für Tauscher-Anordnungen aufgezeigt werden. Dieser Text mit Abb. folgt in kürze! Aber eine Sache erscheint mir doch noch wichtig: die Temperaturgradienten und Tauschgeometrien etc. mögen noch so kompliziert sein, für alle Tauscher gilt - abgesehen von Verlustwärmen (z.B. Strahlung) - die kalorische Formel als 'Over-All-Bilanz': Q1 = m.1× c1 × (T1ein - T1aus) und Q2 = m.2× c2 × (T2aus - T1ein) Q1 = Q2 wobei: index 1 = wärmeabgebendes Fluid, 2 = wärmeaufnehmendes Fluid, m. = Massenströme, T = Temperaturen, c = spezifische Wärmen Man kann mit dieser Bilanz immerhin bei sonst bekannten Größen eine fehlende Größe berechnen, ohne tauscherspezifische Berechnungen durchzuführen, also z.B. die Auslauftemperatur des Heizmediums |
| Was ist ein WLD (Gaschromatogrphie!!) und wie funktioniert er ? |
| WLD =
Wärmeleitfähigkeitsdetektor Für den Normalverbraucher ist das ein etwas exotisches Ding. Aber Sie haben sicher schon von Gaschromatographischen Analysen im Umweltmesstechnik-Bereich o.ä. gehört. WLDs waren bei dieser Analysen methode Detektoren der 'ersten Generation' und finden auch heute noch breite Anwendung (neben emfindlicheren 'neueren' Typen, wie z.B der Flammenionisationsdetektoren). Hierbei wird die Tatsache ausgenützt, daß bei einer 'Beimischung' gasförmiger Stoffe in ein als Grundstrom vorhandenes Gas (häufig Helium) eine deutliche Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Mischung gegenüber dem reinen Grundstrom (z.B nur Helium) verursacht wird. Man kann diesen Effekt in einer 'geschickt ausgeklügelten' Anordnung mit Hilfe einer Temperaturänderung, bzw. der damit verknüpften elektr. Widerstandsänderung messen. Für Interessierte: Text mit Skizze zur Funktionsweise folgt! |
Jeder Körper tauscht mit seiner Umgebung Wärme aus. Das geschieht auch dann, wenn keine direkte stoffliche Ankopplung stattfindet und z.B. ein evakuierter Raum 'dazwischen' liegt. Die Energieübertragung erfolgt in diesem Fall durch Emission und Absorption von Strahlung, die je nach Temperatur des Körpers oder seiner Umgebung infrarotes, sichtbares und ultraviolettes Licht enthält. Nur diesem Umstand verdanken wir, daß die Sonne unser 'großer Ofen' ist.
Besteht zwischen einem betrachteten Körper und seiner Umgebung eine Temperaturdifferenz, so wird durch die Strahlung ein Temperaturausgleich bewirkt. Im Temperaturgleichgewicht ist die ausgestrahlte Energie gerade gleich der aus der Umgebung aufgenommenen. Im Gegensatz zur Wärmeübertragung durch stoffliche Ankopplung besteht Wärme-Strahlung nicht nur, solange die Temperatur des Strahlers höher als die Umgebung ist, - einem Körper wird auch Wärmestrahlung von solchen Körpern seiner Umgebung 'zugestrahlt', deren Temperatur tiefer ist.
Dies liegt alles in der Natur elektromagnetischer Energieausbreitung (Strahlung) begründet. Man könnte den Unterschied zur Wärmeübertragung mit stofflicher Ankopplung einfach so darstellen: " Bei der stoffliche Ankopplung ist der Übertragungsweg vorgeschrieben, die Wärme weiß sozusagen, wo sie hin muß. Ein wärmeabstrahlender Körper strahlt ganz einfach - ohne Rücksicht auf Verluste - in den Raum hinaus, 'ganz wurscht (egal)', ob da einer 'empfängt' und ob er 'warm oder kalt' ist. " (das ist ein wenig wie bei Radio, TV und Handy ?!!)
In der Praxis ist es nun häufig so, daß im Bereich stofflicher Ankopplung (bei 'christlichen Temperaturen', so etwa unter 300 oC) die Bedeutung der Strahlungswärme nicht ganz so groß ist. Anders ist es im Bereich der direkten Beheizung z.B. bei Brennern in Kesseln und glühenden elektrischen Heizwendeln in Heizvorrichtungen. In gleicher Weise ist die solare Wärmeeinstrahlung sehr bedeutend, z.B. in der Bauphysik oder bei solaren Wärmekollektoren. In allen Temperaturbereichen kann die möglichst effiziente 'Unterbindung' von Wärmeübertragung durch Strahlung (im Sinne einer Isolation) aber von nicht zu vernachlässigender Bedeutung sein.
| Phänomene und Gesetze der Strahlungswärme |
Das Emissionsvermögen Eist die Wärmemenge, die ein Körper pro Zeiteinheit und Flächeneinheit ausstrahlt. Es ist von der absoluten Temperatur (K) und der 'Art' des Körpers abhängig, welche sich in einem Koeffizienten, der Stahlungszahl 'niederschlägt'. Das Emissionsvermögen eines sogenannten 'idealen schwarzen Körpers' ist unter sonst gleichen Bedingungen am höchsten. Man kann nämlich durch einfache praktische Versuche feststellen, daß schwarze Körper am besten emittieren (z.B. Leslie-Versuch). Dieser Zusammenhang für den schwarzen Strahler ist das Stefan-Boltzmann'sche Gesetz: Es = Cs × (T/100)4 die Verteilung der Strahlungsenergie auf die verschiedenen elektromagnetischen Wellenlängen beschreibt das Plack'sche Strahlungsgesetz, hierbei spielt die Annahme der Energie-Quantelung und damit das Planck'sche Wirkungsquantum h eine Rolle. Interessierte und Fortgeschrittene mögen sich hierzu in Lehrbüchern der Physik gründlich informieren. Mit dem Verlauf der Energieverteilungskurven befaßt sich das Wien'sche Verschiebungsgesetz (siehe weiter unten) Umgekehrt versteht man unter Absorptionsvermögen A eines Körpers das Verhältnis zwischen absorbierter und auffallender Strahlungsenergie:A = (absorbierte Strahlungsenergie) / (auffallende Strahlungsenergie) Das Absorptionsvermögen eines ideal schwarzen Körpers ist 1 (As = 1). In Versuchen zeigt sich, daß das Verhältnis des Emissionsvermögens zum Absorptionsvermögen für einen Körper konstant ist , auch wenn er kein ideal schwarzer Körper ist. Darüberhinaus gilt sogar noch, daß dieses konstante Verhältnis dem Betrage nach gleich ist mit dem Emissionsvermögen eines ideal schwarzen Körpres bei der betrachteten Temperatur: Ex / Ax = Es = f(λ,T) wobei hier λ = Wellenlänge ist (nicht mit Wärmeleitfähigkeit verwechseln!!), und die Indizes x = beliebiger Körper und s = ideal schwarzer Körper sind !!! Dies ist das Kirchhoff'sche Gesetz. In der Praxis ist häufig noch von 'grauen Strahlern' die Rede. Ganz allgemein ist die Farbtemperatur eines Körper, der sichtbares Licht aussendet, die Temperatur, die ein schwarzer Körper hat, wenn er Licht der gleichen Farbe aussendet wie der betrachtete Körper. Graue Strahler sind solche, deren Absorptionsvermögen Agr von der Wellenlänge des Lichts unabhängig ist, ihre Farbtemperatur muß mit der wahren Temperatur (also der des betrachteten grauen Strahlers) übereinstimmen. Aus Kirchhoff'schem und Stefan-Boltzmann'schem Gesetz leitet sich dann für den grauen Strahler her: Egr = Cs × f × (T/100)4 = Cgr × (T/100)4 wobei die Indizes s = schwarz und gr = grau bedeuten. Im allgemeinen werden wirkliche Körper keine grauen Strahler sein, sondern ihr Emissionsverhalten wird von der Wellenlänge abhängen. In diesem Fall wird die Temperaturabhängigkeit nicht mehr genau durch die obenangegebene Beziehung wiedergegeben. Dennoch genügt es in der Regel für technische Berechnungen, die strahlenden Körper als grau aufzufassen (wenn es nicht gerade richtiggehende Reflektoren sind, - diese sind dann aber ja auch nicht gerade als Emitter oder Absorber geeignet) Im Bereich 'theoretische Grundlagen' bleibt uns jetzt eigentlich nur noch das Wien'sche Verschiebungsgesetz zur Erläuterung übrig. Betrachtet man die Kurven für die Energieverteilung der schwarzen Strahlung bei verschiedenen Temperaturen in Abhängigkeit von der Wellenlänge, so sieht man, daß es für jede Temperatur bei einer bestimmten Wellenlänge ein Energie-Maximum gibt. Dieses Maximum verschiebt sich mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen. Diese Beobachtung nennt man das Wien'sche Verschiebungsgesetz. 
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Beispiel für die direkte Beheizung durch Strahlungsaustausch zwischen 2 Platten, Formel entnommen aus: Patat-Kirchner "Praktikum der Technischen Chemie"
| thermische Solarkollektoren | |
was ist wichtig?
nein, eigentlich nicht ! (oder ? --- z.B. können Marder Temperatur-Sensor-Leitungen durchnagen)
Bei der ganzen Sparerei das Legionellen-Problem nicht vergessen ---> 'Legionellen-Zyklus' einlegen !!! Das 'Wie lange und Wie oft' ist dabei von den Eigenarten des Warmwasserleitungs-Systems abhängig --> Totwasserzonen, Verbrauchsverhalten u.v.a. aber -- mein Fazit: nützliche, dauerhaft vernünftige - zusätzliche - alternative Energiequelle, -- im Gegensatz zu photovoltaischen Anlagen und Windrädchen. Deren Kernprobleme sind nämlich zumindest im Moment: Energiespeicherung und 'passende' Verwendung des anfallenden Stroms. Wärmeenergie ist - physikalisch - die 'niedrigwertigste' Energie, es ist fast zu schade, Strom in Wärme umzuwandeln, der einzige Vorteil ist bei Elektrowärme die 'perfekte' Regelbarkeit. Und, falls es nicht klar sein sollte: Stromeinspeisung ins E-Netz nach dem Stromeinspeisungsgesetz ist Subvention !! Also: wenn schon Förderung, dann würde ich mir bei Photovoltaik eine einmalige Investitionsförderung gefallen lassen !!! (Ich glaube übrigens, man ist immer mehr auf dem Wege, dies zu realisieren !!!) Wenn jetzt der Eindruck entstanden ist, ich hätte etwas gegen die Photovoltaik-Technik, dann möchte ich eindeutig widersprechen. Wenn ich z.B. an die Solaraufladung von Akkus denke, - das ist eine elegante Sache. Es geht hier nur um die Tatsache, dass eine wirtschaftliche Versorgung mit Solarstrom sich selbst tragen sollte und nicht mit Hilfe von Subvention, - denn es ist halt leider immer noch so, dass die zeitlche Verfügbarkeit der Energie auch eine Rolle spielt, und wenn das E-Netz da als Puffer herhalten soll, dann muss sich das halt einfach auch rentieren. |
| Literatur: Patat-Kirchner, Praktikum der Technischen Chemie, deGruyter-Verlag Daten und Formeln: VDI-Wärmeatlas und: div. Tabellentaschenbücher der Physik speziell für Chemiker oder an Chemie Interessierte: Larry Gonick & Craig Criddle, The Cartoon Guide to Chemistry HarperCollinsPublishers ISBN 0-06-093677-0, erhältlich z.B. über Amazone oder Fachbuchhandel, hier alle Kapitel zu Thermochemie und Chemischer Thermodynamik Link: Verein zur Förderung energieeffizienter wirtschaftlicher Bausysteme (FEWB) e.V. |
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