E12 Wärmekonvektion

Thema

Die Zirkulation eines Fluids, sei es Wasser oder Luft, um das Gargut herum führt dazu, dass Wärmekonvektion der vorherrschende Mechanismus der Wärmeübertragung auf dessen Oberfläche ist. Beim Garen tritt diese Wärmekonvektion entweder durch das kochende Wasser um das Gargut herum auf – eine natürliche Konvektion, die durch die Dichtegradienten beim Erhitzen des Wassers selbst hervorgerufen wird – oder durch die zirkulierende Luft in einem Umluftofen – eine erzwungene Konvektion, die durch einen externen Ventilator erzeugt wird. Die erhöhte Intensität des umgebenden Fluids macht diese Wärmekonvektion effizienter bei der Wärmeübertragung auf die Oberfläche des Garguts.

Das Newtonsche Gesetz quantifiziert den Wärmestrom, den diese Konvektion auf die Oberfläche des Garguts überträgt, mithilfe eines Konvektionskoeffizienten. Dieser Koeffizient hängt stark von den Eigenschaften des umgebenden Fluids und der Strömungsform ab. Wasser mit seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und einer charakteristischen Prandtl-Zahl von etwa sieben erreicht deutlich höhere Konvektionskoeffizienten als Luft. Dieser Unterschied zwischen den beiden Konvektionskoeffizienten erklärt, warum das Garen von Lebensmitteln in Wasser wesentlich schneller geht als im Umluftofen. Die Tatsache, dass es sich bei dem umgebenden Fluid um Wasser und nicht um Luft handelt, führt zu einem deutlich höheren Konvektionskoeffizienten. Folglich erfolgt der Wärmeaustausch mit der Oberfläche des Lebensmittels durch Konvektion wesentlich schneller.

Daher berechnet dieses Modell, basierend auf der ursprünglich verwendeten Wärmekonvektion und dem Konvektionskoeffizienten, für die jeweilige Geometrie und das jeweilige Lebensmittel denselben Konvektionskoeffizienten mithilfe dimensionsloser Kennzahlen: der Nusselt-Zahl, der Grashof-Zahl, der Reynolds-Zahl und der Prandtl-Zahl. Diese Kennzahlen beschreiben die physikalischen Eigenschaften der Fluidbewegung und des Wärmeaustauschs universell durch empirische Korrelationen, die die Nusselt-Zahl bei erzwungener Konvektion mit der Reynolds-Zahl und der Prandtl-Zahl bzw. bei natürlicher Konvektion mit der Grashof-Zahl und der Prandtl-Zahl verknüpfen. Bei natürlicher Konvektion, beispielsweise in einem Topf mit heißem Wasser, treibt die Dichtedifferenz, die durch den Temperaturunterschied zwischen Fluid und Lebensmitteloberfläche entsteht, die Fluidströmung an. Bei erzwungener Konvektion, wie beispielsweise in einem Umluftofen oder einem Schweißbrenner, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids die treibende Kraft. Das von außen zugeführte Fluid bestimmt diesen Konvektionskoeffizienten. Wird dieses Fluid, ob natürlich oder erzwungen, um das Gargut herum stärker bewegt, ist der Konvektionskoeffizient folglich höher, und das Gargut gart schneller und gleichmäßiger, bevor sich die durch die Konvektion an die Oberfläche des Garguts abgegebene Wärme gemäß der Wärmeleitung, die in einem anderen Modell dieses Systems detaillierter beschrieben wird, nach innen ausbreitet.

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