Konvektiver Wärme- und Stoffübergang. Einphasige Strömungen

Im ersten Kapitel waren der Wärmeübergangskoeffizient durch

$$ \dot q = \alpha \Delta \vartheta $$

und der Stoffübergangskoeffizient für einen Stoff

A

durch

$$ \dot n_A = \beta \Delta _{C_A } $$

definiert worden. Der so eingeführte Stoffübergangskoeffizient galt für verschwindenden Konvektionsstrom und mußte für endlichen Konvektionsstrom noch korrigiert werden. Diese Gleichungen beschreiben zwar den konvektiven Wärme- und Stoffübergang, sie sind jedoch weiter nichts als Definitionsgleichungen für den Wärmeübergangskoeffizienten α und den Stoffübergangskoeffizienten β, keinesfalls aber als Gesetze des Wärme- oder Stoffübergangs anzusehen. Der naturgesetzliche Ablauf des Vorgangs der Wärme- und Stoffübertragung ist vielmehr in dem Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten verborgen. Beide sind im allgemeinen nicht konstant, sondern lokal und bei instationären Vorgängen auch zeitlich veränderlich. Sie hängen außerdem von der Strömung, von Stoffeigenschaften des Fluids und der geometrischen Gestalt der Wärme oder Stoff übertragenden Oberflächen ab. Die obigen Definitionsgleichungen für den Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten sind somit nicht geeignet, den Mechanismus der Wärme- und Stoffübertragung zu beschreiben. Das ist nur über ein eingehendes Studium der Strömung möglich und soll Gegenstand der folgenden Ausführungen sein.

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen erzwungener und freier Strömung. Eine erzwungene Strömung wird durch äußere Kräfte hervorgerufen, beispielsweise dadurch, daß die Strömung durch eine Pumpe oder ein Gebläse zustande kommt. Eine freie Strömung wird durch Dichteunterschiede angefacht, die ihrerseits auf Temperatur-, Druck- oder Konzentrationsunterschiede zurückzuführen sind. Im folgenden soll zuerst der Wärme- und Stoffübergang bei erzwungener, anschließend der bei freier Strömung behandelt werden.