Konvektive Wärme- und Stoffübertragung

Zusammenfassung

Das Kapitel Konvektive Wärme- und Stoffübertragung ist Teil des Lehrbuches und Nachschlagewerkes H. Oertel jr. (Hrsg.) Prandtl-Führer durch die Strömungslehre. Es werden die Grundlagen der freien und erzwungenen Konvektionsströmungen bereitgestellt und die Instabilitäten der Rayleigh-Bénard Konvektion mit der linearen Stabilitätsanalyse, die freie Konvektionsströmung der beheizten vertikalen Platte und des waagrechten Zylinders sowie die erzwungene Konvektionsströmung der ausgebildeten Rohrströmung behandelt.

Die Konvektionsströmung mit Stoffaustausch gibt einen Einblick in die Diffusions-Instabilitäten und deren Stabilitätsanalyse sowie dem Anwendungsbeispiel der erzwungenen Konvektionsströmung einer längs angeströmten Platte mit Stoffaustausch.

Das Kap. 8, „Konvektive Wärme- und Stoffübertragung“ geht von Prandtls ursprünglichem Kapitel Wärmeübergang bei strömenden Flüssigkeiten aus. Es werden freie Konvektionsströmungen behandelt, die durch Temperatur- bzw. Konzentrationsgradienten bedingte Dichteunterschiede im Fluid verursacht werden. Diese haben im Schwerefeld einen Auftrieb zur Folge, der Konvektionsströmungen hervorruft. Beispiele freier Konvektionsströmungen an beheizten Zylindern und Platten wurden im einführenden Kap. 1, „Grundlagen der Strömungsmechanik“, Abb. 1.6 gezeigt. Auch die Rayleigh-Bénard-Konvektion des Kap. 1, „Grundlagen der Strömungsmechanik“, Abb. 1.5 und die Diffusions-Konvektion sind Beispiele freier Konvektionsströmungen.

Von erzwungenen Konvektionsströmungen spricht man, wenn der Strömung zusätzlich eine äußere Kraft, z. B. ein Druckgradient aufgeprägt wird. Ein Beispiel dafür sind beheizte oder gekühlte Rohrleitungen wie sie z. B. in Wärmetauschern benutzt werden.

Wärme- und Stoffaustauschvorgänge findet man z. B. im Ozean oder bei zahlreichen Prozessen der chemischen Verfahrenstechnik, wie Absorption, Adsorption, Extraktion und Destillation. Verdunstet Wasser an der Oberfläche der Ozeane, so verbleibt eine hohe Salzkonzentration und es entsteht eine instabile Dichteschichtung, die zu einer Diffusions-Instabilität führt. Die Ausbreitung von Substanzen in Lösungsmitteln oder das Trennen von Substanzen in Zentrifugen sind weitere Beispiele. Beispiele für biologische Stoffaustauschvorgänge sind die Versorgung des Bluts mit Sauerstoff und die Nahrungsaufnahme im Körper.