Wärmeübertragung: Arten, praktische Beispiele & Berechnung

Wärmeübertragung Hände am Heizkörper
Wärme überträgt sich durch Flüssigkeiten, Gase und Körper. Physikalisch benötigt Wärme jedoch zur Bewegung und Vermehrung einen Wirt, auf dem sie „aufsatteln“ kann.

Diese Bedingung gilt für alle drei möglichen Arten der Wärmeübertragung, die sich in Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung unterscheiden. Nähere Informationen dazu, gibt es im Folgenden:

Arten der Wärmeübertragung im Überblick

Wärmeleitung:

Wärme überträgt sich durch feste Körper. Diese thermische Energie ist vom Zustand und der Leitfähigkeit des genutzten Überträgers abhängig. In der Physik basiert diese Art der Wärmeübertragung auf dem Temperaturunterschied, der durch die Beteiligung von unterschiedlichen Stoffen entsteht.

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Beispiel:

Ein Kochtopf steht auf dem Herd und erwärmt sich über die Herdplatte. Nach einiger Zeit ist der Kochtopf und sogar der Griff heiß bzw. erwärmt. Zu den guten Wärmeleitern zählen insbesondere Metalle.

Konvektion (Wärmeströmung):

Der zweite Weg, den Wärme nehmen kann, ist das Strömen. Dies kommt in Flüssigkeiten und Gasen vor. Bewegliche und bewegte Transportmedien nehmen die Wärme „mit“. Die bekannteste und typischste Umsetzung ist die Wärmeübertragung bei Konvektion. Hierbei dient strömende Luft als Vehikel. 

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Beispiel:

Warme Luft aus dem Heizkörper steigt nach oben und erwärmt den Wohnraum.

Wärmestrahlung

Bei der Wärmestrahlung ist keine unmittelbare Transporthilfe erforderlich. Elektromagnetische Wellen bewegen sich der Lichtstrahlung ähnlich durch den Raum. Die Wärmeübertragung beginnt erst durch das Auftreffen der Wellen auf feste Körper. Diese Umwandlung gleicht dem Prinzip eines Wärmetauschers. Physikalische Energie wird aus einem primär nicht nutzbaren Zustand durch Festkörper zu nutzbarer Wärme umgewandelt.

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Beispiel:

Infrarotheizungen erwärmen mithilfe von Infrarotstrahlen Decken, Wände und Möbel. Diese geben die so aufgenommene Wärme an den Raum ab.

Wärmeübertragung mit Strahlungswärme Infografik

Wonach richtet sich der Transportumfang?

Bei jeder Wärmeübertragung entscheidet der Übergabezeitpunkt zwischen unterschiedlichen Medien beziehungsweise Wirten über den energetischen Ausnutzungsgrad und die Wärmemenge. Er setzt sich bei allen Wärmeübertragungsarten aus mehreren Faktoren zusammen, die einen Wärmeübertragungskoeffizient bilden. Er wird auch als Wärmeübergangskoeffizient bezeichnet. In diesem Wert sind die stofflichen Eigenschaften von Ausgangsenergie, Wirten und Wärmetauschern zusammengefasst:

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Wärmeleitfähigkeit der beteiligten Stoffe

  • Dichte der beteiligten Stoffe
  • Spezifische Wärmekapazitäten
  • Strömungsverhalten bei fluiden Stoffen
  • Größe und Fläche von Wärme tauschenden Oberflächen
  • Art und Beschaffenheit der beteiligten Oberflächen und Elemente

Während einzelne Medien, Stoffe und Wirte feste Werte wie Leitfähigkeit und Verluste mitbringen, handelt es sich bei dem Wärmeübertragungskoeffizient um eine Variable. Er lässt ich mittels fester Werte errechnen. Das Ergebnis gibt wieder, wie viel der transportierten oder angekommenen Energie in Wärme umgewandelt wird. Die Proportion beschreibt den Umfang einer Wärmeübertragung an stofflichen Übergängen. Ein anschauliches Bild bildet die Oberfläche eines Heizkörpers. Der Koeffizient beschreibt die in der vorbei streichenden Luft angekommene Wärme an der Stelle der „Übergabe“.

Berechnungsarten und Formeln

Für alle drei Wärmeübertragungsarten gibt es Grundberechnungsformeln. Jede „nackte“ Formel muss im alltäglichen Einsatz allerdings ergänzt werden, um den spezifischen Wegen der Wärmeübertragung gerecht zu werden.

Zur Grundberechnung wird die Größe der Kontaktflächen zwischen den Medien oder Wirten einbezogen. Dazu kommen die Temperaturen der beteiligten Stoffe und der Zeitfaktor. Für fließende und thermische Übertragungswege sind die Leitfähigkeit des Wirts, die Oberflächentemperatur und Größe der abgebenden Energiequelle und die Dichte des strömenden Stoffes zu berücksichtigen. Ähnliche Faktoren gelten für Konvektionswärmeübertragung. Für die Berechnung enthält die anwendbare Formelsammlung einzelne Rechenfaktoren und Werte, die zu Annäherungswerten führen. Beweglichkeit führt immer zu Schwankungen, sodass ein absoluter Wert nur unter unrealistischen Laborbedingungen möglich wäre. Der Koeffizient kann genau genommen nur einen Mittelwert wiedergeben.

Praktische Anwendungen in der Heiztechnik

Eine effiziente und gelungene Wärmeübertragung braucht in der praktischen Anwendung ein gutes Übergabeverhältnis der Energie zwischen den beteiligten Stoffen.

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Gängige und typische Arten der Wärmeübertragung sind Beispiele, wie in der Heizungstechnik dieses Verhältnis optimiert wird:

  • Ventilation beschleunigt die Luft, um die „eingespeiste“ Wärme schneller zu verbreiten
  • Großflächige Heizkörper „berühren“ größere Mengen vorbei streichender Luft
  • Flachheizkörper besitzen mehrere hintereinander montierte Platten und vervielfachen die Auftreffflächen der Umgebungsluft
  • Mit Wärme bestrahlte Flächen und Körper werden mit ideal reflektierenden und/oder Wärme speichernden Oberflächen versehen
  • In hohen Räumen verhindert eine Übertragung von Strahlungswärme an der Decke den Wärmeverlust beziehungsweise die Verschwendung durch aufsteigende Wärme

Ein entscheidender Aspekt bei allen Konstruktionen, ist Geschwindigkeit und Dauer des Bedarfs.