Wie funktioniert die Luftkühlung?

[Jack Dalton]

Ich hoffe, unser Super-Physiker Benutzername schaut nochmal ab und zu vorbei. Jack Dalton hat mal wieder eine Frage:

Der Motor eines fahrenden Autos wird doch meist durch einen Luftstrom gekühlt, der durch den so genannten Kühler (teilweise über das Kühlwasser) in den Motorraum geleitet wird. D.h. die bewegte Luft hat kühlende Wirkung (sei es nun auf das Wasser, als auch auf den Motor).

Wenn man sich jetzt mal das Spaceshuttle anschaut, das aus dem All wieder in die Luftschicht der Erde eindringt, so hoffen alle, daß die Hitzekacheln den hohen Temperaturen stand halten. D.h. dort hat die bewegte Luft eine erhitzende Wirkung.

Was denn nun? Erzeugt Reibung an Luft nun Hitze oder Kühlung?

Oder entsteht die Hitze am Spaceshuttle gar nicht durch Luft, sondern durch andere Faktoren?

Wer kann Licht in Dunkle bringen?

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[Jano]

Dazu muss man sich die unterschiedlichen Zustände von Erde und Weltall vor Augen führen. Auf der Erde gibt es Luft, das All ist luftleerer Raum.

Wenn ein Gegenstand nun mit hoher Geschwindigkeit (und die Dinger, die aus dem All kommen, haben eine unglaublich hohe Geschwindigkeit http://www.macgyver-forum.de/iB_html/non-cgi/emoticons/wink.gif" border="0" valign="absmiddle" alt=';)'>) in die Atmosphäre eindringt, wird er durch den nun einsetzenden Luftwiderstand abgebremst und verglüht durch die starke Reibung an den Luftmolekülen.

Deshalb müssen Raumschiffe auch aus ziemlich hitzebeständigem Material gebaut werden.

[benutzername]

Ja, so sieht das aus.
Die unglaublich hohe Geschwindigkeit beim Wiedereintritt beträgt etwa MACH 25, das sind ungefähr 30000 km/h. Wenn man mit seinem Auto unterwegs ist, ist man erheblich langsamer, so dass durch Luftreibung noch keine nennenswerte Temperaturerhöhung stattfindet.

Die Luftkühlung funktioniert nach einem einfach Prinzip: Bring zwei Stoffe unterschiedlicher Temperatur zusammen, und es werden sich nach einiger Zeit abhängig von Wärmeleitkoeffizient und Wärmekapazitäten die Temperaturen angleichen.

Wenn wir nun einen Ottomotor nehmen, und mit etwas Luft zusammen in einen gut isolierten Raum bringen, so wird der Motor wenn er läuft die Luft im Raum immer weiter aufheizen und irgendwann kaputt gehen, weil er zu heiß wird und somit sie Schmierung versagt. Dumm gelaufen.
Dieser Aufbau war also eher suboptimal. Das Benzin-Luft Gemisch Verbennt im Motor bei nicht ganz 2000 °C. Ein Teil der Wärme wird in mechanische Arbeit umgewandelt, die Abgastemperatur beträgt nach dem Arbeitstakt nur noch etwa 800 bis 900 °C, je nach Last. Die Wände des Brennraumes sind also in Kontakt mir sehr heißem Gas, und werden sich, da ja nicht nur eine kurze Verbrennung, sondern bei einem 4-Takt Motor bei typischen Drehzahlen ca 600 bis 2500 Verbrennungen pro Zylinder und Minute auftreten, irgendwann auf die mittlere Temperatur des Gases in seinem Inneren aufheizen. Vorher geht der Motor allerdings kaputt.

Man führt die Wärme also ab, damit keine zu hohen Temperaturen auftreten, idealerweise erstmal mit Wasser, es geht aber auch direkt über das Metall. Jetzt muss man die Wärme noch aus dem Wasser oder Metall rausbringen, und da die Umgebungsluft draußen kalt im Vergleich zum Motor ist und so viel davon da ist, eignet sich die Luft ganz gut zum abführen der Wärme. Dazu sollte die Luft am besten strömen, denn so kommt immer neue, noch nicht erwärmte Luft an den Motor bzw. Kühler. Während der Fahrt ist das durch den Fahrtwind gegeben, im Stand sorgt in der Regel ein Lüfter der über den Keilriemen von der Kurbelwelle angetrieben und mit einer Viskosekupplung temperaturabhängig an- und ausgeschaltet werden kann für die nötige Konvektion. Der Kühler vom wassergekühlten Motor (der dann sekundär Luftgekühlt ist) hat zwischen den Kanälen noch Lamellen, der Luftgekühlte Motor am Block Rippen. Damit wird die Oberfläche vergrößert, da man so eine größere Menge Luft mit dem Kühler/Motor in Kontakt bringen kann, also eine größere Wärmemenge über Wärmeleitung abführen kann.

Die Temperaturerhöhung durch Luftreibung wird erst im Überschallbereich ein wirkliches Problem. Interessant ist zum Beispiel http://de.wikipedia.org/wiki/SR_71" target="_blank">das hier.