Impuls- und Energietransport in solarthermischen Systemen - Thermische Solarenergie: Grundlagen, Technologie, Anwendungen - page 278

ist, werden Ansätze und Verfahren diskutiert, die eine numerische Berechnung erlauben.
Dies wird anhand einiger Beispiele skizziert. Bei der Berechnung ist es entscheidend, ob
das Modell den im Problem auftretenden physikalischen Effekten in geeigneter Weise
Rechnung trägt, was im letzten Abschnitt beleuchtet werden soll.
Zunächst aber soll in diesem Zusammenhang mit einer heuristischen Betrachtung be-
gonnen werden.
In einem strömenden Fluid ist die makroskopische Bewegung von Fluidpaketen der
mikroskopischen Zufallsbewegungen der einzelnen Atome und Moleküle überlagert. In
einem Temperaturfeld tragen beide Bewegungen zum Wärmetransport bei. Bei geringer
Dichte und/oder kleinen Strömungsgeschwindigkeiten sowie bei guten Wärmeleiteigen-
schaften des Fluids dominiert die Wärmeleitung den konvektiven Wärmetransport. Mit
zunehmender Wärmekapazität des strömenden Fluids übersteigt der Wärmetransport
durch die makroskopische Fluidbewegung die molekularen Prozesse der Wärmeleitung,
bis diese schließlich vollständig vernachlässigt werden können. Häufig wird unter einem
konvektiven Wärmeübergang nur der Wärmetransport durch ein bewegtes Fluid verstan-
den.
Meist interessiert der Wärmeübergang zwischen einem strömenden Fluid und einer
festen Wand, wenn beide unterschiedliche Temperaturen besitzen. Durch die Wechselwir-
kung des an der Wand vorbei strömenden Fluids entsteht im Fluid eine dünne wandnahe
Grenzschicht, die sogenannte „hydrodynamische“ Grenzschicht, in der die Geschwindig-
keit von Null an der Wand, künftig mit y = 0 notiert, bis fast zu dem Wert der ungestör-
ten Strömung ansteigt. Bei Strömungen in Rohren ist letztere die Geschwindigkeit in der
Kernströmung u 0 . Die Dicke dieser viskosen Grenzschicht wird mit δ v bezeichnet. Ebenso
ändert sich die Fluidtemperatur über die wandnahe Zone, die als thermische Grenzschicht
bezeichnet wird, ausgehend von der Wandtemperatur T = T W bei y = 0 bis fast zur Tempe-
ratur T = T 0 in einem größeren Abstand von der Wand. Die wandnormale Dicke dieser
thermischen Grenzschicht wird mit δ th gekennzeichnet. Bei Rohrströmungen wird an Stel-
le T 0 die über den Rohrquerschnitt gemittelte Temperatur T F verwendet. Die wandnormale
Erstreckung der hydrodynamischen und thermischen Grenzschicht kann sich erheblich
voneinander unterscheiden.
Ursache der Fluidbewegung kann eine erzwungene Strömung durch einen äußeren An-
trieb etwa eine Pumpe, Wind etc. sein. Außer der erzwungenen Konvektion gibt es die
durch Auftriebskräfte erzeugte freie Konvektion oder Naturkonvektion. Die Auftriebskräf-
te entstehen durch Dichteunterschiede als Folge von Temperaturdifferenzen, unterschied-
licher Phasenverteilung, z. B. Dampfgehalte, oder voneinander abweichender Konzent-
rationen beispielsweise in Lösungen. In der Praxis treten häufig Überlagerungen beider
Konvektionsformen auf. Wenn die Auftriebsströmung das Fluid senkrecht zur Richtung
der Hauptströmung bewegt, kann die freie Konvektion beträchtliche Anteile am gesamten
konvektiven Wärmeübergang ausmachen. Der konvektive Wärmetransport muss nicht auf
den Transport von fühlbarer Wärme beschränkt bleiben. Bei einer Dampfbildung oder
Kondensation kommt der Transport von Latentwärme hinzu. Die Entstehung von Dampf-
blasen an einer Wand erzeugt zusätzliche Fluidbewegungen. Diese durchmischen die