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Bei natürlicher Konvektion, freier Konvektion oder Schwerkraftzirkulation zirkuliert ein Fluid aufgrund von im System vorhandenen Dichteunterschieden. Im Gegensatz dazu wird bei erzwungener Konvektion die Strömung durch externe Einwirkungen, wie Ventilatoren oder Pumpen, erzeugt.
Physikalische Hintergründe
Der Dichteunterschied wird durch Erwärmen auf der einen Seite und Abkühlen auf der anderen Seite des Kreislaufes aufrechterhalten. Der daraus resultierende Differenzdruck wird „treibender Druck“ oder auch „wirksamer Druck“ genannt. Man spricht auch von Schwerkraftwirkung.
Der Differenzdruck $ \Delta p $ ist vom Dichteunterschied $ \Delta \rho $ und der wirksamen Höhe h abhängig nach der Formel:
- $ \Delta p=h\cdot g\cdot ({\rho _{2}}-{\rho _{1}}) $
- h: wirksame Höhe h in m
- g: Erdbeschleunigung in m/s²
- $ \rho _{1} $: Dichte bei Temperatur 1
- $ \rho _{2} $: Dichte bei Temperatur 2
Beispiele für freie Konvektion
Gebäudetechnik
In der technischen Gebäudeausrüstung ist die Schwerkraftzirkulation Prinzip jeder Schwerkraftheizung, die allerdings fast vollständig durch die Pumpenheizung ersetzt wurde. Dieses Prinzip wird auch im so genannten "Badestrang" angewendet, der ohne Pumpe parallel zur Warmwasserleitung verläuft und ganzjährig ein warmes Badezimmer bereitstellt. In Thermosiphonanlagen wird die Wärme über den Kollektor zugeführt wo unter nachfolgender Abkühlung und/oder Entnahme des Wassers die Zirkulation einsetzt. Im Kesselbau führen besondere Leitblech-Konstruktionen zur Zirkulation des Kesselwassers zwischen der Kesselwand und den Nachschaltheizflächen. Damit erreicht man eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Kesselmaterial infolge dessen sich die Wärmespannungen verringern.
Nicht erwünscht ist die Schwerkraftzirkulation als „Rückzirkulation“. Diese tritt beispielsweise auf, wenn bei stillstehender Pumpe das Wasser des Rücklaufs in entgegengesetzter Richtung auf die Pumpe drückt und diese in Bewegung versetzt. Betroffen sind davon Pumpenheizungsanlagen und Solarkreisläufe. Um die Pumpen zu schützen, baut man so genannte Schwerkraftbremsen. Das sind Rückschlagventile oder so genannte „Diskoscheiben“ die, vor oder hinter die Pumpe eingebaut, den Rückstrom des Wassers unterbinden.
Meteorologie
In der Erdatmosphäre finden ebenfalls zahlreiche Konvektionsvorgänge statt.[1] In Küstennähe findet man das Land-See-Windsystem. Da sich die Landmasse schneller aufheizt bzw. abkühlt kommt es über dem Land deshalb zu stärkeren tageszeitlichen Schwankungen als über dem Wasser. Daraus resultiert, dass sich die Luft tagsüber über dem Land stärker erwärmt, dort aufsteigt und kühlere Luft vom Meer her nachfließt. Nachts wiederum kühlt die Luft über dem Land stärker ab, d.h. sie sinkt dort zu Boden, strömt auf das Meer hinaus, wo sie wieder erwärmt wird und aufsteigt.
Doch auch auf der Erdoberfläche kommt es aufgrund von Geländeformen und verschiedenen Oberflächen zu unterschiedlich starken Aufheizvorgängen. Warme Luftmassen lösen sich schließlich ab und steigen in Form von Thermik auf. Zusätzlich unterstützt werden können solche Luftbewegungen durch Kondensationsvorgänge, die die aufsteigende Luft zusätzlich aufheizen indem die latente Wärme freigesetzt wird und damit die Aufwärtsbewegung beschleunigen.
