Wärmetauscher

Der Wärmeübertrager (umgangssprachlich auch Wärmetauscher) ist ein Apparat, der Wärme bzw. thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt.

Einteilung

Wärmeübertrager sind in eine dreigegliederte Klassifizierung der thermischen Vorgänge hinsichtlich der Wärmeübertragung geordnet:

• Direkte Wärmeübertragung beruht auf dem Vorgang der kombinierten Wärme- und Stoffübertragung bei trennbaren Stoffströmen. Repräsentativer Anwendungsfall ist der Nasskühlturm.

• Indirekte Wärmeübertragung ist dadurch gekennzeichnet, dass Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Wärmeübertrager dieser Klasse werden Rekuperator genannt. In diese Klasse fällt z. B. der Autokühler.

• Halbdirekte Wärmeübertragung nutzt die Eigenschaften eines Wärmespeichers. Dabei werden beide Stoffe zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht. Der Wärmespeicher wird abwechselnd durch das heißere Medium erwärmt und danach durch das kältere Medium abgekühlt, um so thermische Energie vom heißeren auf das kältere Medium zu übertragen. Wärmeübertrager dieser Klasse werden Regenerator genannt. Beispielsweise wird hier das Wärmerad eingeordnet.

Gegenstrom

Gleichstrom

Kreuzstrom

Das Ausmaß der Wärmeübertragung ist im starken Maße von der geometrischen Führung beider Stoffströme zueinander abhängig. Die Führung der Stoffströme ist in drei Grundformen zu unterscheiden.

• Gegenstrom führt die Stoffe so, dass sie entgegenkommend aneinander vorbei strömen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht, das heißt, dass das ursprünglich kalte Medium die Temperatur des ursprünglich heißen Mediums erreicht und umgekehrt. Voraussetzung für diesen Idealfall sind gleiche Wärmekapazitätenströme auf beiden Seiten des Wärmeübertragers. Darüber hinaus müsste der Wärmeübertrager einen Wirkungsgrad von 100 Prozent haben. Aus diesem Grund ist ein Tausch der Temperaturen in der Praxis nur näherungsweise möglich.

• Gleichstrom führt die Stoffe so, dass sie nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen immer zwischen den Ausgangstemperaturen.

• Kreuzstrom führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom.

Auch Kombinationen der Grundformen sind gebräuchlich, da sich dadurch ihre Vorteile ergänzen.

• Kreuzgegenstrom lässt die Stoffe insgesamt entgegenkommend aneinander vorbei strömen, obwohl sie sich auf ihrem Weg immer wieder kreuzen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme wie beim Gegenstrom getauscht.

Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers

Der Wirkungsgrad im Sinne des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für einen Wärmeübertrager ist das Verhältnis von aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener Energie auf der warmen Seite. Da Wärmedämmung die Wärmeabgabe an die Umgebung verringert, aber nicht verhindert, geht ein Teil der nutzbaren Wärme verloren. In Abhängigkeit davon, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen den Medien und der Umgebung ist, kann dieser Verlust mehr oder weniger groß sein.

Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers ist dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Stoffstrom fließt.

Hierzu ein Beispiel:

Man stelle sich zwei Wasserströme vor, von denen der eine eine Temperatur von 50 °C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe. Beide Wasserströme seien gleich groß, beispielsweise 1 kg/s. Mischt man beide Wasserströme, so ergeben sich 2 kg/s Wasser von 30 °C. Die Temperaturerhöhung beträgt 20K.

Dies ist die theoretisch erreichbare Obergrenze für den Gleichstrom-Wärmeübertrager. Die Realität bleibt dahinter zurück, da begrenzte Austauschflächen der Medien nur ein begrenztes Ausschöpfen der Wärmeunterschiede erlauben und die unvollständige Wärmedämmbarkeit der Anlage zu Energieverlusten an die Umgebung führt.

Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstrom-Wärmeübertrager: Hier ist es theoretisch möglich, den Warmwasserstrom bis auf die Kaltwassertemperatur abzukühlen und gleichzeitig den Kaltwasserstrom auf die Warmwassertemperatur aufzuwärmen. Die theoretisch maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt die vollen 40K.

Der Temperaturwirkungsgrad, in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt, vergleicht die vom realen Wärmeübertrager-Apparat erreichte Temperaturänderung mit der theoretisch möglichen. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10 °C) am Austritt des Wärmeübertragers bis auf 48 °C erwärmt ist, also um 38K wärmer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 bzw. 95 %. Erhöht man nun die Wassermenge, die sekündlich durch den Wärmeübertrager fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet, dass der Temperaturwirkungsgrad von den Einsatzbedingungen abhängig ist. Damit ist eine Feststellung wie „Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 95 %.“ ohne weitere Angaben unvollständig und stellt für sich allein keine verwertbare Aussage dar.

Generell gilt, dass ein Gegenstrom-Wärmeübertrager bei ansonsten gleichen Bedingungen mehr Wärme überträgt als ein Gleichstrom-Wärmeübertrager. Der Grund liegt in der höheren mittleren Temperaturdifferenz des Gegenstrom-Wärmeübertrager längs der Fläche, welche für den höheren Wärmestrom entscheidend ist.

In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 geprägt, um die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers zu charakterisieren.

Ausführung

Allgemeines

Für eine gute Effizienz muss das Material, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitung und große Oberfläche aufweisen. Weiter muss der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und strömenden Medien möglichst gut sein, dafür ist eine turbulente Strömung günstig; diese findet vor allem bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten statt, bzw. bei einer hohen Reynoldszahl, zu der eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine niedrige kinematische Viskosität des Mediums in gleichem Maße beitragen. Allerdings erhöht sich im Wärmeübertrager mit der Strömungsgeschwindigkeit auch der Strömungswiderstand, und die Effizienz reduziert sich wieder. Erhöhter Strömungswiderstand bedeutet erhöhter Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmeübertrager zu pumpen.

Bei Wärmeübertragern, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas (meist Luft) ist, unterscheidet sich die Wärmekapazität je Volumen der Medien sehr stark. Daher muss viel mehr Gas als Flüssigkeit durchströmen, und es ist notwendig, die Fläche für den Wärmeübergang an das Gas zu erhöhen. Dies erfolgt oft durch Rippen oder Bleche, z. B. bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage und dem Kühler des Autos.

Materialien

Emaillierter Rohrbündelwärmeübertrager für die chemische Industrie

Wärmeübertrager bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch aus Email, Kunststoff, Glas oder Siliciumcarbid. Im Klimabereich kommt überwiegend Kupfer und Aluminium aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz. In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Beständigkeit der Materialien benötigt wird. Heizkörper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss hergestellt. Kunststoff, Email, Glas oder Siliciumcarbid werden für Wärmeübertrager in der chemischen Industrie eingesetzt, wenn die Aggressivität der Fluide nicht den Einsatz metallischer Werkstoffe erlaubt. Siliciumcarbid kann aufgrund seiner extremen Temperaturbeständigkeit (Zersetzungstemperatur oberhalb von 2200 °C) auch bei Wärmeübertragern eingesetzt werden, deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen. Solche keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager sind allerdings noch in der Entwicklung.

Bauformen

Es werden hier nur die Bauformen von Wärmeübertragern für flüssige und gasförmige Medien behandelt:

Wärmeübertrager für direkte Wärmeübertragung

• Nasskühltürme werden für Rückkühlaufgaben in Kraftwerken eingesetzt. Dabei wird warmes Wasser in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft gekühlt.

Rekuperatoren

Rekuperatoren besitzen für die beiden Medien je einen getrennten Raum.

• Plattenwärmeübertrager: Zahlreiche parallele Platten, die Zwischenräume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen. Eine Sonderform des Plattenwärmeübertragers ist der
• Spiralwärmeübertrager, bei dem statt ebener Platten ein spiralförmig aufgewickeltes Blech verwendet wird.
• Rohrwärmeübertrager bzw. Rohrbündelwärmeübertrager: Durch die Rohre („Rohrraum“; meist eine Vielzahl von parallelen Rohren) wird ein Medium gepumpt bzw. anderweitig gefördert. Die Rohre befinden sich im sogenannten Mantelraum, einem Kessel, durch den ein anderes Medium fließt. Vor allem Rohrbündelwärmeübertrager mit einer großen Anzahl paralleler Rohre sind in der Herstellung relativ aufwändig (viele Schweißstellen).
• U-Rohr-Wärmeübertrager, bei dem die Rohre U-förmig gebogen sind. Vorteil ist, dass das Rohrbündel leichter in den Kessel eingesetzt und herausgenommen werden kann, weil es nur auf einer Seite befestigt ist (z. B. in den Deckel des Kessels eingeschweißt).
• Mantelrohrwärmetauscher bestehen aus zwei konzentrischen Rohren; das Medium im inneren Rohr wird durch das Medium im äußeren Rohr (meist Wasser) erhitzt oder gekühlt. Diese Bauform wird bei hochviskosen oder feststoffbeladenen Medien (z. B. Suspensionen, Schlämme) eingesetzt, weist jedoch eine geringe Wärmeübergangsoberfläche und damit einen geringen Wirkungsgrad auf. Sie ist besonders gut geeignet für hohe Drücke im innen Rohr.
• Heizregister bzw. Kühlregister sind eine Kombination von Rohren (für das flüssige Medium) und daran befestigten Lamellen (für das gasförmige Medium).
• Gegenstrom-Schichtwärmetauscher (GSWT) ist ein rekuperativer Wärmeübertrager, der aus mehreren Lamellen-Wärmeübertragerschichten zusammengesetzt ist.

Regeneratoren

Regeneratoren werden abwechselnd vom heißen und vom kalten Medium durchströmt und funktionieren aufgrund ihrer Wärmekapazität.

• Regeneratoren werden vor allem für Luft eingesetzt; die Wärmeenergie wird in einem Festkörper zwischengespeichert und später von derselben Oberfläche an den anderen Luftstrom abgegeben. Man unterscheidet
  • bewegliche Speichermassen wie beim Rotationswärmeübertrager und
  • ortsfeste Speichermassen wie beim Winderhitzer oder dem Stirlingmotor.

In Rotationswärmespeichern werden z. B. Aluminiumbleche, für Regeneratoren in Stirlingmotoren Kupfergeflechte und für Winderhitzer feuerfeste Steine eingesetzt.

Anwendungen

Beide Medien gasförmig

• Abgaswärmenutzung zum Vorwärmen der angesaugten Verbrennungsluft in industriellen Anlagen, z. B. Luvo und Winderhitzer.
• Abluftwärmenutzung zur Wärmerückgewinnung, also Erwärmung der Zuluft bei der Belüftung klimatisierter Gebäude oder für Passivhäuser, sog. Luft-Luft-Wärmeübertrager.
• Luft/Luft-Wärmeübertrager zu Schaltschrankkühlung.
• Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren.

Ein Medium gasförmig, eines flüssig

• Lufterhitzung bzw. -kühlung zur direkten thermischen Behandlung der Zuluft in Klimaanlagen
• Raumlufterwärmung über Heizkörper als Konvektor: Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, wodurch große Oberflächen erzielt werden.
• Regenerative Wärmerückgewinnung zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft in klimatisierten Gebäuden.
• Speisewasservorwärmung von Dampfkesseln („Economiser“).
• Luft/Wasser-Wärmeübertrager zu Schaltschrankkühlung.
• Wärmeübertragung zur Warmwassergewinnung in Gasthermen.
• Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren.

Ein Medium gasförmig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig

• Kondensation bei Dampfturbinen.
• Verdampfung in Dampfkesseln von Kohle- und Kernkraftwerken.
• Verdampfung und Kondensation des Kältemittels bei Klimaanlagen.
• Luftwärmeübertragung von Wärmepumpen.
• Wärmeabgabe über Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
• Wärmerohr (Heatpipe)
• Wärmeübertragung in Kondensationswäschetrocknern (ohne Abluftanschluss).

Beide Medien flüssig

• Grundwasserwärmeübertragung für Wärmepumpen.
• Wärmeübertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken („Meereswärmekraftwerk“).
• Wärmeübertragung in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen.
• Wärmeübertragung zwischen Seewasser und Kühlwasser von Schiffsdieselmotoren.

Andere

Folgende Anwendungen gehören eigentlich nicht zu den Wärmeübertragern, da hier die Wärme nicht zwischen zwei fließenden Medien übertragen wird: Erdwärmeübertrager, Halbrohrschlange, Kühlkörper, Radiator

Siehe auch

• Wärmeübertragung
• Wärmeträger

Literatur

H. Schnell: Wärmeaustauscher, Energieeinsparung durch Optimierung von Wärmeprozessen., 2.Ausgabe., Vulkan-Verlag Essen 1994, ISBN 3-8027-2369-4

Herbert Jüttemann: Wärme- und Kälterückgewinnung., 4. Auflage., Werner Verlag Düsseldorf 1999, ISBN 3-8041-2229-9