Verläuft Wärme in engen Räumen anders? Neue Erkenntnisse zu Konvektionswärme und Strömungsmechanik

Eine Suche nach „Rezept für Heißluftfritteuse“ auf den meisten Social-Media-Plattformen liefert wahrscheinlich eine Flut von Kochvideos, die schnelle und einfache Kochideen anpreisen. Der Markt preist diese Geräte als praktische, saubere und schnelle Möglichkeit an, Lebensmittel zu erhitzen und knusprig zu machen, und bietet damit in der Regel eine gesündere Alternative zur Verwendung herkömmlicher Fritteusen.

Die Technologie, die diese modernen Mahlzeitenautomaten antreibt, ist allerdings nicht ganz neu. Sie basiert auf einem einfachen Heizprinzip, das in natürlichen Systemen vorkommt und schon seit Jahrzehnten in Backöfen verwendet wird: Konvektionswärme.

Hugo Ulloa, ein Strömungsdynamiker an der University of Pennsylvania, weist darauf hin, dass Konvektion durch Temperaturgradienten angetrieben wird, die in einem System Dichteunterschiede erzeugen.

„Stellen Sie sich einen Topf mit Wasser vor, der von unten erhitzt wird; der Boden wird wärmer und dünner, wodurch eine Bewegung im gesamten Wasserkörper entsteht. Dieser Prozess findet nicht nur in unseren Küchen statt, sondern auch in unterschiedlichen Umgebungen wie dem Erdmantel, den Ozeanen und sogar auf unserer Haut“, sagt Ulloa.

„Während Konvektion in weiten offenen Räumen wie der Atmosphäre oder den Ozeanen ein gut verstandenes Phänomen ist, ist das Verhalten von Wärme in sehr beengten Räumen ein gewisses Mysterium geblieben, weil dort sowohl in der Strömungsstruktur als auch in der Effizienz erhebliche Veränderungen auftreten“, sagt er.

Nun hat Ulloa zusammen mit Daisuke Noto, einem Postdoktoranden an der School of Arts & Sciences, und Juvenal A. Letelier von der Universität von Chile einen Artikel in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften Erforschung der Konvektion im kleinsten Maßstab. Die Forscher untersuchten, wie sich Flüssigkeiten verhalten und wie Wärme in extrem beengten Umgebungen übertragen wird, und gewannen grundlegende Einblicke in die Regeln der Strömungsmechanik.

„Daisuke hat herausgefunden, dass die Effizienz der Wärmeübertragung je nach Einschlussgrad und den spezifischen Strömungsbedingungen der Flüssigkeit sowohl verbessert als auch beeinträchtigt werden kann“, sagt Ulloa.

„Diese Erkenntnisse befassen sich nicht nur mit seit langem bestehenden Problemen in unserem Bereich, sondern könnten auch den Weg für eine effizientere Nutzung geothermischer Energie ebnen, für biomedizinische Geräte, die eine präzise Wärmekontrolle zum Mischen von Verbindungen benötigen, oder für Computerkühlsysteme, die immer leistungsfähiger werden und daher immer mehr Strom verbrauchen und immer mehr Wärme abgeben.“

Um die Konvektion in diesen neuen Größenordnungen zu erforschen, konzipierten und entwarfen Noto und Ulloa eine Reihe von Experimenten mit einem Gerät namens Hele-Shaw-Zelle. Diese besteht aus zwei vertikal ausgerichteten parallelen Platten mit einem schmalen Spalt dazwischen, deren Flüssigkeit im Inneren von unten erhitzt und von oben gekühlt wird. Die Spaltgrößen variierten von 2 mm bis 4 mm, und die Temperaturgradienten reichten von 1 °C bis 30 °C. Durch Manipulation des Temperaturgradienten und der Spaltgröße konnten die Wissenschaftler beobachten, wie sich Wärme und Flüssigkeitsbewegung mit zunehmender Einschließung ändern.

„Was wir gefunden haben, ist faszinierend“, sagt Noto. „Wenn wir das System komprimieren, sehen wir die Entstehung von thermischen Federn – winzige pilzartige Strukturen, die sich von den Grenzen der Basis lösen und für die Konvektion von grundlegender Bedeutung sind – die durch die Seitenwände eingedämmt werden können.“

Diese Studie baut auf der früheren Arbeit der Teammitglieder auf, in der sie erfolgreich Strömungsstrukturen in weniger beengten Umgebungen visualisierten und quantifizierten. „Unsere früheren Experimente lieferten die erste fundierte experimentelle Quantifizierung dieser Strömungsstrukturen, allerdings in offeneren Umgebungen“, sagt Ulloa. „Diese grundlegenden Experimente ermöglichten es uns, die Methoden und theoretischen Modelle zu entwickeln, die wir nun auf diese beengteren Systeme anwenden.“

Zur Erläuterung der aktuellen Forschungsergebnisse sagt er, dass die Federbüsche je nach ihrer Größe im Verhältnis zur Lücke entweder dreidimensional frei wachsen oder auf eine zweidimensionale Strömung beschränkt sein können.

„Das war eine lange Diskussion und Daisuke kam mit der endgültigen brillanten Formulierung“, sagt Ulloa. „Dieser Übergang zwischen dreidimensionaler und zweidimensionaler Strömung beeinflusst die Wärmeübertragung dramatisch. Als die Lückengröße kleiner wurde, wurden die Wärmewolken komprimiert, was zu zweidimensionalen Strömungen führte, die die verfügbare Energie zur effizienten Wärmeübertragung nutzten.“

„Wenn der Abstand jedoch größer war als die natürliche Größe der Federn, wuchsen die Federn frei dreidimensional, was zu einer höheren, aber weniger effizienten Wärmeübertragung führte. Diese Veränderung resultiert aus winzigen und lokalisierten Wirbelstrukturen, die von den Federn an den Grenzen erzeugt werden. Das Faszinierende ist, dass diese kleine dreidimensionale Struktur an den Grenzen zu großen Veränderungen in der Wärmeübertragung führt. Wir haben dies experimentell beobachtet und eine Theorie für diesen Zustand aufgestellt.“

Diese Erkenntnis ermöglichte es dem Team, eine neue Messgröße zu entwickeln, den Einschlussgrad Λ (Lambda), der das Ausmaß des Einschlusses und seine Auswirkungen auf die Strömungsdynamik und Wärmeübertragung quantifiziert.

„Diese Forschung schließt eine erhebliche Wissenslücke“, sagt Ulloa. „Wir haben jetzt ein besseres Verständnis davon, wie sich Wärmeübertragung in Umgebungen verhält, die weder vollständig dreidimensional noch vollständig begrenzt sind wie poröse Medien. Dieses Verständnis ist für eine Reihe von Anwendungen von entscheidender Bedeutung, von der Gewinnung geothermischer Energie bis hin zur Entwicklung nachhaltigerer Technologien.“

Mit Blick auf die Zukunft planen Ulloa und sein Team ihre nächste Studie, die auf den Erkenntnissen aufbaut, die sie über Konvektion in diesem neuen Maßstab gewonnen haben. Dabei konzentrieren sie sich auf die Frage, wie Konvektionsprozesse in geschlossenen Systemen die Vermischung physikalischer Eigenschaften wie Wärme und anderer Substanzen innerhalb der Flüssigkeit, etwa Mineralien, Nährstoffe oder Gase wie Sauerstoff und Methan, beeinflussen.

„Der nächste Schritt besteht darin, nicht nur zu verstehen, wie sich Wärme bewegt, sondern auch, wie andere Partikel und Verbindungen in diesen begrenzten Umgebungen transportiert und vermischt werden“, sagt Ulloa.

Ziel der neuen Forschung ist es, zu untersuchen, wie die Vermischung gelöster oder suspendierter Stoffe unter unterschiedlichen Einschlussgraden erfolgt und wie sich diese Prozesse auf Umwelt- und technische Anwendungen auswirken.

„Dies ist insbesondere wichtig, um die Verteilung wichtiger Nährstoffe in hydrothermalen Umgebungen oder die Effizienz von Wärme in industriellen Prozessen zu verstehen“, sagt Ulloa.