Konvektionsströmungen

Die Wurzeln zu diesem Buch liegen in einer fast 10jiihrigen Tiitigkeit in der Kraftwerks industrie. Das Know-how fUr passive und damit i$lirent sichere Kiihlsysteme mu1l. te erst aufgebaut werden, denn tiber freie Konvektionsstrtimungen, die allein durch Dichte unterschiede verursacht werden, war sowohl in der einschlagigen Fachliteratur als auch in entsprechenden Vertiffentlichungen wenig zu fmden. Insbesondere in den deutsch sprachigen Lehrbiichem fmdet sich immer noch der Kenntnisstand von vor Jahrzehnten oder nahezu nichts. Neuere wissenschaftliche Aktivitaten sind meist auf diffizile Stabili tatsuntersuchugnen geometrisch und thermisch immer komplizierterer Benard-Probleme ausgerichtet, die im gro~n Rahmen der industriellen Fragestellungen jedoch nur eine sehr untergeordnete oder gar keine Bedeutung besitzen. Noch verwunderlicher ist es, d~ man auch ganz grundlegende Dinge - wie etwa die Boussinesq-Approximation, die jedermarm im Munde ftihrt, der sich mit freien Konvektionsstrtimungen beschaftig- in keinem der mir bekarmten Lehrbiicher streng begriindet fmdet. All diese Mangel zu beseitigen, ist das Ziel dieses Buches, das zu schreiben mich mein verehrter Lehrer Pro fessor Dr. E. Becker vor seinem viel zu friihen Tod aufgefordert hat. Anders als in tiblichen Lehrbiichem erfolgt die Einftihrung in die Grundlagen induktiv, urn den Leser von Anfang an am Prozef! . des Verstehens teilhaben lassen zu ktinnen. Ausgehend von einem einftihrenden Beispiel, das jegliches komplizierende Beiwerk bei seite lafl. t, wird mit der , , Problemwelt" der freien Konvektionsstrtimungen vertraut gemacht. Dabei wird auch der zurn Einstieg vorausgesetzte Kenntnisstand (Hydrostatik, Bemoullische Gleichung, Impulssatz fUr stationlire Strtimungen) aufgezeigt, der anhand dreier spezieller Fuf! .

1 Ein einführendes Beispiel. - 2 Eindimensionale freie Konvektionsströmung. - 2. 1 Reibungsfreie stationäre Strömung. - 2. 2 Reibungsbehaftete stationäre Strömung. - 2. 3 Kaminströmungen: Anwendungen und Erweiterungen. - 2. 4 Umlaufströmungen: Anwendungen und Erweiterungen. - 2. 5 Boussinesq-Approximation. - 2. 6 Systemstabilität. - 3 Zweidimensionale freie Konvektionsströmung. - 3. 1 Laminare Schichtenströmungen. - 3. 2 Laminare Grenzschichtströmungen. - 4 Widerstandsgesetze. - 4. 1 Vergleich zwischen freien und erzwungenen Strömungen. - 4. 2 Turbulente Strömungen. - 4. 3 Poröse Medien. - 5 Temperaturen der Heizflächen. - 6 Inhärent sichere Kühlung von Wärmequellen. - 6. 1 Universelle Darstellung des Massenstroms. - 6. 2 Unempfindlichkeit gegen Fehlauslegung. - 6. 3 Konstruktive Gestaltung optimaler Kühlsysteme. - 7 Thermische und hydrodynamische Stabilität. - 7. 1 Einsetzen freier Konvektion. - 7. 2 Umschlag laminar-turbulent. - 7. 3 Temperaturgradient senkrecht zur Strömungsrichtung. - 8 Ähnlichkeit. - 9 Nutzung mechanischer und thermischer Energie aus freien Konvektionsströmungen. - 9. 1 Aufwindkraftwerk. - 9. 2 Sonnenkollektor. - 10 Strömungsseparation, Bypaß- und Rezirkulationsströmung. - 10. 1 Naturumlauf mit verschiebbarer Heizquelle. - 10. 2 Strömung zwischen Behältern unterschiedlicher Dichte mit Nettodurchfluß. - 10. 3 Bioreaktor mit externem und internem Kreislauf. - 10. 4 Natürlich belüftete Halle mit innerer Wärmequelle. - 11 Übungsaufgaben und Lösungen. - 11. 1 Aufgaben. - 11. 2 Lösungen. - Ergänzende und weiterführende Literatur.