Was ist natürliche Konvektion – Definition

Natürliche Konvektion – Freie Konvektion

Definition der natürlichen Konvektion

Natürliche Konvektion , auch als freie Konvektion bezeichnet, ist ein Mechanismus oder eine Art von Stoff- und Wärmetransport , bei dem die Flüssigkeitsbewegung nur durch Dichteunterschiede in der Flüssigkeit erzeugt wird, die aufgrund von Temperaturgradienten auftreten, nicht durch eine externe Quelle (wie eine Pumpe, Lüfter, Absaugvorrichtung usw.).

Bei der natürlichen Konvektion nimmt die eine Wärmequelle umgebende Flüssigkeit Wärme auf und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt an. Die Wärmeausdehnung des Fluids spielt eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten fallen schwerere (dichtere) Komponenten, während leichtere (weniger dichte) Komponenten ansteigen, was zu einer Bewegung der Flüssigkeitsmenge führt. Natürliche Konvektion kann nur in einem Gravitationsfeld oder bei Vorhandensein einer anderen geeigneten Beschleunigung auftreten , wie zum Beispiel:

• Beschleunigung
• Zentrifugalkraft
• Corioliskraft

Natürliche Konvektion funktioniert im Wesentlichen nicht in der Erdumlaufbahn. Beispielsweise sind in der umlaufenden Internationalen Raumstation andere Wärmeübertragungsmechanismen erforderlich, um eine Überhitzung elektronischer Komponenten zu verhindern.

Erzeugung von Konvektionsströmen

Die Erzeugung von Konvektionsströmen  basiert auf drei physikalischen Annahmen:

• Vorhandensein einer Wärmequelle . Eine Wärmequelle ist erforderlich, da  Konvektionsströme  durch Dichteunterschiede in der Flüssigkeit erzeugt werden, die aufgrund von Temperaturgradienten auftreten. Bei der natürlichen Konvektion erhält die eine Wärmequelle umgebende Flüssigkeit Wärme und wird durch Wärmeausdehnung weniger dicht und steigt auf. Die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit spielt eine entscheidende Rolle. Mit anderen Worten, schwerere (dichtere) Komponenten fallen, während leichtere (weniger dichte) Komponenten ansteigen, was zu einer Bewegung der Flüssigkeitsmenge führt.
• Vorhandensein einer angemessenen Beschleunigung. Natürliche Konvektion kann nur in einem Gravitationsfeld oder in Gegenwart einer anderen geeigneten Beschleunigung auftreten, wie z. B. Beschleunigung, Zentrifugalkraft und Coriolis-Kraft. Natürliche Konvektion funktioniert im Wesentlichen nicht in der Erdumlaufbahn. Beispielsweise sind in der umlaufenden Internationalen Raumstation andere Wärmeübertragungsmechanismen erforderlich, um eine Überhitzung elektronischer Komponenten zu verhindern.
• Richtige Geometrie . Das Vorhandensein und die Größe der natürlichen Konvektion hängen auch von der Geometrie des Problems ab. Das Vorhandensein eines Fluiddichtegradienten in einem Gravitationsfeld gewährleistet nicht die Existenz natürlicher Konvektionsströme. Dieses Problem ist in der folgenden Abbildung dargestellt, in der eine Flüssigkeit von zwei großen horizontalen Platten unterschiedlicher Temperatur (T _oben  ≠ T _unten ) umschlossen ist .
  • Im  Fall A ist  die Temperatur der unteren Platte höher als die Temperatur der oberen Platte. In diesem Fall nimmt die Dichte in Richtung der Gravitationskraft ab. Diese Geometrie induziert die Flüssigkeitszirkulation und die Wärmeübertragung erfolgt über die  natürliche Zirkulation . Die schwerere Flüssigkeit steigt ab und wird dabei erwärmt, während die leichtere Flüssigkeit aufsteigt und sich abkühlt, wenn sie sich bewegt.
  • In  Fall B ist  die Temperatur der unteren Platte niedriger als die Temperatur der oberen Platte. In diesem Fall nimmt die Dichte in Richtung der Gravitationskraft zu. Diese Geometrie führt zu stabilen Bedingungen, einem stabilen Temperaturgradienten und induziert keine Flüssigkeitszirkulation. Die Wärmeübertragung erfolgt ausschließlich über Wärmeleitung.