Wärmeübergangskoeffizient durch Konvektion (innen)

Es ist ein Proportionalitätsfaktor α (neues Symbol nach Euronorm : h). Er stellt den Wärmestrom dar, der auf 1 m²Â Wandfläche je Kelvin Temperaturgefälle übergeht. α ist nicht wie λ ein Stoffwert. Er wird von vielen Größen beeinflusst, wie

• von physikalischen Eigenschaften des strömenden Stoffes (Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Zähigkeit, Temperaturleitkoeffizient, Volumenausdehnungskoeffizient),
• von der Art der Strömung (laminar oder turbulent) und der Strömungsgeschwindigkeit,
• von der geometrischen Gestaltung und den geometrischen Abmessungen des um- oder durchströmten Körpers,
• von der geometrischen Oberflächenbeschaffenheit (glatt, rau, gerillt, ..)

Bild Temperaturverlauf beim Wärmeübergang
a) Wärmeübergang vom Medium an die Wand
b) Wärmeübergang von der Wand an das Medium

Unter üblichen technischen Bedingungen kommt α in den Größenordungen vor:
Luft bei freier Strömung α = 3…20 W/(m²K)
Luft bei erzwungener Strömung α = 10…100 W/(m²K)
kondensierender Dampf α = 2000…100.000 W/(m²K)

Beispiel für freie Strömung
– Luftbewegung in der Nähe von Heizkörpern oder am Kachelofen im Zimmer,
– Luftbewegung über einer erhitzten Straße im Sommer bei Windstille,
– Bewegung des Wassers in einem Boden beheizten Kochtopf,
– am Fenster eines geheizten Zimmers im Winter (allerdings in diesem Fall abwärts gerichtet).

Bei der freien Strömung in einem unbegrenzten Raum braucht die Rückströmung nicht berücksichtigt werden, da eine größere Entfernung vorliegt. Bei einem begrenzten Raum, z.B. Luftschichten in Wänden und Decken oder Luftraum zwischen den Scheiben im Doppelfenster, beeinflussen sich die Aufwärtsströmung und die zugehörige Abwärtsströmung wechselseitig und sind für den Wärmeübergang bestimmend. Die Luft strömt an der wärmeren Wandfläche nach oben und an der weniger warmen nach unten. Die Stoffteilchen tragen so die Wärmeenergie von der wärmeren zur kälteren Wand. Ist der Abstand klein, so wirkt sich das hindernd (Reibung oder mehre kleinere Umläufe) auf die freie Strömung aus.

Strömung entlang einer ebenen Fläche
Die Strömungsgeschwindigkeit wird von der Wand nur wenig beeinflusst. In der Grenzschicht (Wandnähe) strömen die Teilchen unter Einfluss der Reibung langsamer. Der Wärmeübergang hängt maßgeblich von der Strömungsform der Grenzschicht ab. Der Wärmeübergang längs der Wand ist örtlich unterschiedlich.
Am Anfang der Fläche ist er hoch, fällt im laminaren Bereich mit zunehmendem Weg x ab und wird dann beim Umschlag in Turbulenz wieder höher.

Bild Strömung über einer Wand
w = Geschwindigkeit, 1 laminare Grenzschicht, 2 turbulente Grenzschicht, 3 laminare Randschicht

Im folgenden Rechenbeispiel wird der Wärmeübergang an einer Wandfläche berechnet.

Wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft verringert, z. B. auf 1 m/s, so entspricht α = 4,8 W/m²K. Eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit kann z.B. durch eine Strahlungsheizung statt einer Konvektionsheizung erreicht werden. (Zum Vergleich sollte »Luftbewegung in Räumen 0,1 m/s nicht überschreiten.)

Vereinfacht wird im Bauwesen mit α = 7,69 m²K/W bzw. 1/α = 0,13 W/m²K gerechnet.