Natürliche Konvektion

Definition und Grundprinzip

Natürliche Konvektion, auch freie Konvektion genannt, ist die Strömung eines Fluids – also eines Gases oder einer Flüssigkeit – aufgrund von Druckunterschieden, die in einem Schwerkraftfeld durch Bereiche unterschiedlicher Dichte entstehen. Ein Fluidbereich mit geringerer Dichte erfährt im Gravitationsfeld statischen Auftrieb und steigt auf; dichtere Bereiche sinken ab. Kommt es zu einem geschlossenen Kreislauf, spricht man von Schwerkraftzirkulation. Ein bekanntes Beispiel dafür ist der Kamineffekt.

Eine dauerhafte Zirkulation entsteht, wenn eine Wärmequelle tiefer liegt als eine Wärmesenke, also ein Bereich, in dem das Fluid abgekühlt wird. Durch die Erwärmung nimmt die Dichte des Fluids meist ab, sodass es aufsteigt. An der höher gelegenen Wärmesenke kühlt es ab, wird dichter und sinkt wieder. Werden Heizung und Kühlung vertauscht, kommt die Zirkulation zum Erliegen.

Die Strömungsgeschwindigkeit hängt vom Temperaturunterschied ab. Für das erwärmte Fluid kann die Strömung grundsätzlich nur nach oben erfolgen. Das Gegenstück zur natürlichen Konvektion ist die erzwungene Konvektion, bei der technische Hilfsmittel wie Ventilatoren oder Pumpen die Strömung antreiben oder steuern.

Eine Ausnahme bildet Wasser bei der Erwärmung von 0 °C auf 4 °C. In diesem Bereich erhöht sich seine Dichte, sodass das Wasser absinkt. Ursache ist die Dichteanomalie des Wassers in der Umgebung von 4 °C. Dadurch entsteht eine besondere Temperaturschichtung. Im Weltraum findet keine solche Zirkulation statt, weil dort sowohl Materie als auch ein Schwerkraftfeld beziehungsweise normale Schwerkraftbedingungen fehlen. Das gilt beispielsweise auch für ein eingeschlossenes Luftvolumen im Inneren eines Satelliten.

Treibender Druck und Berechnung

Der für die natürliche Konvektion notwendige Dichteunterschied wird durch Erwärmung auf der einen und Abkühlung auf der anderen Seite des Kreislaufs aufrechterhalten. Aus diesem Dichteunterschied entsteht ein Differenzdruck. Er wird als „treibender Druck“ oder „wirksamer Druck“ bezeichnet; dabei spricht man auch von Schwerkraftwirkung.

Der Differenzdruck Δp hängt vom Dichteunterschied, der Erdbeschleunigung und der wirksamen Höhe h ab. Die Formel lautet:

Δp = h · g · (ρ₂ − ρ₁)

Dabei gilt:

• h ist die wirksame Höhe in m.
• g ist die Erdbeschleunigung in m/s².
• ρ₁ ist die Dichte bei Temperatur 1.
• ρ₂ ist die Dichte bei Temperatur 2.

Je nach Dichteunterschied und wirksamer Höhe entsteht somit ein unterschiedlich großer Druckunterschied, der die Strömung antreibt.

Anwendungen in der Gebäudetechnik

In der technischen Gebäudeausrüstung ist die Schwerkraftzirkulation das Grundprinzip jeder Schwerkraftheizung. Diese Heizungsform wurde allerdings fast vollständig durch Pumpenheizungen ersetzt. Nach demselben Prinzip arbeitet der sogenannte „Badestrang“: Er verläuft ohne Pumpe parallel zur Warmwasserleitung und sorgt ganzjährig für ein warmes Badezimmer.

In Thermosiphonanlagen wird Wärme über einen Sonnenkollektor zugeführt. Wenn das Wasser anschließend abgekühlt wird und/oder Wasser entnommen wird, setzt eine natürliche Zirkulation ein.

Im Kesselbau können besondere Leitblechkonstruktionen eine Zirkulation des Kesselwassers zwischen der Kesselwand und den Nachschaltheizflächen bewirken. Dadurch verteilt sich die Temperatur im Kesselmaterial gleichmäßiger. Die entstehenden Wärmespannungen werden dadurch verringert.

Unerwünscht ist die sogenannte Rückzirkulation. Sie kann beispielsweise auftreten, wenn bei stillstehender Pumpe Wasser aus dem Rücklauf in entgegengesetzter Richtung auf die Pumpe drückt und diese dadurch in Bewegung versetzt. Betroffen sein können Pumpenheizungsanlagen und Solarkreisläufe. Zum Schutz der Pumpen werden Schwerkraftbremsen eingebaut. Dabei handelt es sich um Rückschlagventile oder „Diskoscheiben“, die vor oder hinter der Pumpe den Rückstrom des Wassers unterbinden.

Konvektion in Energiegewinnung und Atmosphäre

Bei der Energiegewinnung wird natürliche Konvektion unter anderem im Aufwindkraftwerk genutzt. Der Artikel verweist für dieses Beispiel auf den entsprechenden Hauptartikel.

Auch in der Erdatmosphäre treten zahlreiche Konvektionsvorgänge auf. Eine Wärmequelle, etwa die durch Sonnenstrahlung erwärmte Erdoberfläche, lässt Luftmassen aufsteigen. Dadurch können sie in eine kreisförmige Bewegung geraten. Erfolgt die Bewegung auf zwei oder mehreren Seiten, spricht man von Konvektion beziehungsweise thermischer Zirkulation.

Geländeformen und unterschiedlich beschaffene Oberflächen führen dazu, dass sich verschiedene Bereiche der Erdoberfläche unterschiedlich stark aufheizen. Warme Luftmassen lösen sich ab und steigen als Thermik auf. Kondensationsvorgänge können diese Bewegung verstärken: Bei der Kondensation von Wasserdampf wird Kondensationsenthalpie freigesetzt. Dadurch wird die aufsteigende Luft erwärmt und die Aufwärtsbewegung beschleunigt. Eine mögliche Folge ist Konvektionsregen.

An Meeresküsten und großen Binnenseen entsteht durch den Wechsel von Tag und Nacht das Land-See-Windsystem. Dabei findet je nach Tageszeit natürliche Konvektion über der Land- oder der Wasserfläche statt.