Ein Wärmeübertrager, auch Wärmetauscher oder seltener Wärmeaustauscher, ist eine Vorrichtung, die thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt.
Während die Bezeichnung Wärmetauscher weit verbreitet ist, findet der Fachbegriff Wärmeübertrager zunehmend Resonanz.
Einteilung Bearbeiten
Wärmetauscher lassen sich hinsichtlich der Wärmeübertragung in drei Klassen ordnen:
Neben den Materialeigenschaften wird die Wirksamkeit der Wärmeübertragung von der geometrischen Führung der Stoffströme zueinander bestimmt. Hier sind fünf Grundformen zu unterscheiden.
Ausführung Bearbeiten
Allgemeines Bearbeiten
Für eine gute Effizienz muss das Bauteil, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitfähigkeit und große Oberfläche aufweisen. Für guten Wärmeübergang ist eine turbulente Strömung günstig. Diese findet vor allem bei hoher Reynolds-Zahl statt. Deshalb sollte die Strömungsgeschwindigkeit hoch und die Viskosität der Medien gering sein. Hohe Geschwindigkeit und große benetzte Oberfläche verlangen allerdings auch einen hohen Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmetauscher zu pumpen.
Bei Wärmetauschern, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas (meist Luft) ist, unterscheiden sich die Wärmekapazitäten je Volumen der Medien stark. Es muss viel mehr Gas als Flüssigkeit durchströmen, und die Fläche für den Wärmeübergang muss auf der Gasseite vergrößert werden. 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 Bearbeiten
Wärmetauscher bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch aus Emaille, Kunststoff, Glas, Graphit oder Siliciumcarbid. Im Klimabereich werden überwiegend Kupfer und Aluminium wegen der guten Wärmeleitfähigkeit verwendet. In Industrieanlagen werden wegen ihrer Beständigkeit vor allem Stahl, besonders Edelstahl eingesetzt. Heizkörper hingegen bestehen heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss.
Kunststoff, emaillierter Stahl, technisches Glas oder Siliciumcarbid werden für Wärmetauscher in der chemischen Industrie eingesetzt, wenn die Aggressivität der Fluide den Einsatz metallischer Werkstoffe nicht erlaubt. Siliciumcarbid kann aufgrund seiner extremen Temperaturbeständigkeit (Zersetzungstemperatur oberhalb von 2200 °C) auch bei Wärmetauschern eingesetzt werden, deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen. Solche keramischen Hochtemperatur-Wärmetauscher sind allerdings noch in der Entwicklung.
Bauformen Bearbeiten
Es werden hier nur die Bauformen von Wärmetauschern für flüssige und gasförmige Medien behandelt:
Wärmetauscher für direkte Wärmeübertragung Bearbeiten
- Nasskühltürme werden für Rückkühlaufgaben in Kraftwerken eingesetzt. Dabei wird warmes Wasser in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft gekühlt.
Rekuperatoren Bearbeiten
Rekuperatoren besitzen für die beiden Medien je einen getrennten Raum.
- Plattenwärmeübertrager: Zahlreiche parallele Platten, die Zwischenräume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen.
- Spiralwärmeübertrager als Sonderform des Plattenwärmetauschers, bei dem statt ebener Platten ein spiralförmig aufgewickeltes Blech verwendet wird.
- Rohrwärmetauscher 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 größeren Rohr oder Kessel, durch den ein anderes Medium fließt.
- U-Rohr-Wärmetauscher, 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).
- Wärmerohre sind an beiden Enden verschlossen und beinhalten ein Medium zur Wärmeübertragung, welches durch kontinuierliche Kondensation und Wieder-Verdunstung selbsttätig innerhalb des geschlossenen Rohres zirkuliert.
- Hybrid-Tubular-Plattenwärmeübertrager sind eine Mischform aus Platten- und Rohrbündelwärmeübertragern. Sie bestehen aus sandwichartig übereinander gelegten und miteinander vollverschweißten geprägten Edelstahlplatten. Diese sind so angeordnet, dass sie auf der einen Seite einen rohrförmigen (tubularen) Querschnitt bilden und auf der anderen Seite einen – wie bei Plattenwärmeübertragern üblichen – wellenförmigen Querschnitt besitzen. Die Medien werden im Kreuzgegenstrom aneinander vorbei geführt.
- Mantelrohrwärmeübertrager 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 Innenrohr.
- Heizregister bzw. Kühlregister sind eine Kombination von Rohren (für das flüssige Medium) und daran befestigten Lamellen (für das gasförmige Medium).
- Ein Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager ist aus zwei oder mehr Lamellen-Wärmeübertragerschichten (Heiz- oder Kühlregistern) zusammengesetzt.
Regeneratoren Bearbeiten
Der speicherfähige Grundkörper von Regeneratoren wird abwechselnd vom heißen und vom kalten Medium durchströmt. Die Länge des Intervalls zwischen der Umkehr der Strömungsrichtung ist abhängig vom Massenstrom des Medium und der Wärmekapazität der Speichermasse.
- Regeneratoren werden vor allem für Gase 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 (Luftvorwärmer) und Stirlingmotor.
- ortsfeste Speichermassen wie beim industriellen Winderhitzer oder kleinen Lüftungsgeräten mit alternierender Luftführung durch Reversierventilatoren, die zur dezentralen Belüftung von einzelnen Räumen eingesetzt werden.
In Rotationswärmespeichern werden z. B. Aluminiumbleche, für Regeneratoren in Stirlingmotoren Kupfergeflechte und für Winderhitzer feuerfeste Steine bzw. keramische Speichermassen eingesetzt.
Berechnung und Bewertung von Rekuperatoren Bearbeiten
Ideale Energiebilanz Bearbeiten
Ein Wärmetauscher wird in seiner Grundfunktion jeweils von zwei Fluiden durchströmt, um diese auf vorgegebene thermodynamische Zustände zu bringen. Die von dem heißen Strom (Index: H) abgegebene und gleichzeitig von dem kalten Strom (K) aufgenommene thermische Leistung wird dabei über die folgende Energiebilanz bestimmt:
Die Leistung , in Abhängigkeit vom Massenstrom , der spezifischen Wärmekapazität, sowie der Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt (Index: E) und dem Austritt (A), entspricht der transportierten Energie zwischen den beiden Fluiden aufgrund von Wärme:
Dabei ist der Wärmedurchgangskoeffizient, die Wärmeübertragungsfläche und die (effektive) mittlere Temperaturdifferenz. Die mittlere Temperaturdifferenz ist wiederum abhängig von den beiden Eintrittstemperaturen, der übertragenen Leistung, sowie insbesondere von der Strömungsführung beider Fluide durch den Apparat, wie z. B. eine Parallelstrom- oder Kreuzstromführung. Die Verknüpfung der Bilanzen über die Leistung und dividieren durch die maximal mögliche Temperaturdifferenz der beiden Eintrittstemperaturen liefert weiterhin
als dimensionslose Transportgleichung.
Dimensionslose Kennzahlen Bearbeiten
Die dimensionslose Transportgleichung liefert folgende Wärmetauscher-Kennzahlen:
- Dimensionslose Leistung bzw. Betriebscharakteristik:
Die Kennzahl gibt die tatsächliche Leistung im Verhältnis zur theoretischen Grenzleistung (aufgrund des Temperaturausgleichs) eines Gegenstrom-Wärmetauschers an. Sie ist somit eine dimensionslose Größe, deren Zahlenwert zwischen und liegt. Die Betriebscharakteristik lässt sich aufgrund des Leistungsverhältnisses auch als Wärmewirkungsgrad deuten.
- Dimensionslose Heizfläche, je nach Theorie und Anwendung auch als Zahl der Übertragungseinheiten bzw. als NTU-Wert bezeichnet:
Die Betriebscharakteristik lässt sich in einem Diagramm als Ordinate über der dimensionslosen Größe als Abszisse (mit dem Verhältnis der Wärmekapazitätsströme) darstellen. Mit zunehmender dimensionsloser Heizfläche (Bauaufwand durch die Fläche) steigt dabei auch die dimensionslose Leistung, bis im Grenzfall unendlicher Wärmeübertragungsfläche die theoretische Grenzleistung erreicht wird.
- Dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz:
Die Arbeitspunkte eines Wärmetauschers liegen im --Diagramm auf einer Geraden durch den Ursprung mit der Steigung .
- Verhältnis der Wärmekapazitätsströme:
Diese Größe charakterisiert abschließend die Aufgabenstellung des Wärmetauschers. Sie dient zur Umrechnung der Größen für den heißen und kalten Strom.
Ideale Strömungsführung Bearbeiten
Gleich- und Gegenstrom Bearbeiten
Für die Berechnung von Wärmetauschern gibt es eine Reihe von Methoden, die sich hinsichtlich des Rechenaufwandes und der Genauigkeit unterscheiden. Zur Bestimmung der thermischen Leistung ist es meistens ausreichend, eine von der Strömungsführung abhängige mittlere Temperaturdifferenz des Gesamtapparates zu verwenden. Wärmetauscher mit paralleler Strömungsführung finden in der Praxis häufig Verwendung. Je nachdem, ob sich hierbei die beiden Stoffströme in derselben oder entgegengesetzten Richtung bewegen, herrscht:
- Gleichstrom:
- Gegenstrom:
Die mittlere Temperaturdifferenz bei Parallelstrom lässt sich auch durch den logarithmischen Mittelwert angeben (die Herleitung folgt aus dem Zusammenhang , wenn man für die Kennzahlen jeweils die Temperaturen einsetzt):
Der Mittelwert liegt zwischen den Temperaturdifferenzen der Medien auf beiden Seiten des Wärmetauschers. Beim Gleichstrom sind dies die Temperaturdifferenzen auf der Eintrittsseite sowie auf der Austrittsseite und beim Gegenstrom sind dies die Temperaturdifferenzen jeweils zwischen Eintritt des einen Mediums und Austritt des anderen Mediums.
Kreuzstrom Bearbeiten
Eine weitere idealisierte Strömungsführung bei Rohrbündel- oder Plattenwärmetauschern stellt der Kreuzstrom dar. Die beiden Stoffströme verlaufen beim reinen Kreuzstrom senkrecht zueinander und sind jeweils in Strömungsrichtung, im Vergleich zum Parallelstrom, nicht quervermischt.
- Reiner Kreuzstrom (ohne Quervermischung):
Hierbei ist die Fakultät von . Bei vorgegebenen apparateseitigen Ein- und Austrittstemperaturen benötigt der Gegenstrom die kleinste Wärmeübertragungsfläche, während der Gleichstrom bezüglich der thermischen Leistung eine sehr ungünstige Stromführung darstellt. Der reine Kreuzstrom liegt hinsichtlich der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Werten für den Gegen- und Gleichstromapparat. Weitere Strömungsformen:
- Kreuzstrom, einseitig quervermischt:
- Kreuzstrom, beidseitig quervermischt:
Kreuzgegenstrom Bearbeiten
Neben der reinen Gestalt tritt der Kreuzstrom zudem in Verbindung mit Parallelstrom auf. Eine solche Schaltung erhält man z. B. durch Kombination mehrerer Plattenelemente übereinander. Jedes Element wird weiterhin kreuzdurchströmt, durch wiederholte Umlenkung findet die Hauptbewegung der Strömungen jedoch über der Höhe statt. Bei einer entgegengesetzten Strömung herrscht in diesem Sinne wieder Gegenstrom. Die mittlere Temperaturdifferenz einer solchen Kreuzgegenstrom-Schaltung liegt schließlich zwischen den Werten für den Gegenstrom und dem reinen Kreuzstrom.
- Kreuzgegenstrom (ohne Quervermischung):
Jeder der -Bereiche wird weiterhin rein kreuzstromgeführt. Bei Kreuzstromwärmetauschern mit mehreren Durchgängen ist die thermische Leistung von der Stromführung der beiden Fluide über den gesamten Apparat (Hauptströmungsrichtung) und ggf. von dem Grad der Quervermischung innerhalb jedes Durchgangs, sowie den Bereichen dazwischen, abhängig. Hierdurch entstehen weitere Varianten unterschiedlichster Schaltungen mehrgängiger Kreuzstromwärmetauscher.
- Kreuzgegenstrom, einseitig quervermischt:
Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei Rohrbündelwärmetauschern erhalten.
- Mehrgängige Kreuzstromwärmeübertrager:
Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei mehrgängigen Plattenwärmetauschern erhalten.
Wärmeübertragung mit Phasenübergang Bearbeiten
Bei der Phasenänderung eines reinen Fluids (Einstoffsystem) in einem Wärmetauscher bleibt die Temperatur des betreffenden Fluids konstant. Für die Betriebscharakteristik gilt:
Der angegebene Wert gilt sowohl für den Verdampfungs- als auch Kondensationsprozess.
Anwendungen Bearbeiten
Beide Medien gasförmig Bearbeiten
- Abgaswärmenutzung zum Vorwärmen der angesaugten Verbrennungsluft in industriellen Anlagen, z. B. Rotationswärmeübertrager und Winderhitzer.
- Abluftwärmenutzung zur Wärmerückgewinnung, also Erwärmung der Zuluft bei der Belüftung klimatisierter Gebäude oder für Passivhäuser, sog. Luft-Luft-Wärmetauscher.
- Luft/Luft-Wärmetauscher zu Schaltschrankkühlung.
- Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren
Ein Medium gasförmig, eines flüssig Bearbeiten
- 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-Wärmetauscher zu Schaltschrankkühlung.
- Wärmeübertragung zur Warmwassergewinnung in Gasthermen.
- Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren bei indirekter Ladeluftkühlung
Ein Medium gasförmig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig Bearbeiten
- Kondensation bei Dampfturbinen.
- Verdampfung in Dampfkesseln von Kohlekraftwerken sowie Dampferzeugern in Kernkraftwerken mit gasgekühlten Reaktoren.
- Verdampfung und Kondensation des Kältemittels bei Klimaanlagen.
- Wärmeübertragung von Luft an das Kältemittel im Verdampfer von Wärmepumpen für die Gebäudeheizung.
- Wärmeabgabe über Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
- Wärmerohr (Heatpipe)
- Wärmeübertragung in Kondensationswäschetrocknern (ohne Abluftanschluss).
Ein Medium flüssig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig Bearbeiten
- Verflüssiger von Wärmepumpen in Heizungsanlagen
- Dampferzeuger in Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor
- Dampfbetriebene Erhitzer für Pumpen-Warmwassersysteme in großen Heizungsanlagen
Beide Medien flüssig Bearbeiten
- Grundwasserwärmeübertragung für Wärmepumpen.
- Wärmeübertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken (Meereswärmekraftwerk).
- Wärmeübertragung in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen.
- Wärmeübertragung in einer Frischwasserstation.
- Wärmeübertragung zwischen Seewasser und Kühlwasser von Schiffsdieselmotoren.
- Wärmeübertragung in Fernwärmenetzen
- Aus der Biologie: Um den Wärmeverlust bei Berührung des kalten Bodens zu minimieren, verlaufen die Adern in Pinguinfüßen wie bei einem Gegenstromwärmetauscher.
Andere Bearbeiten
Folgende Anwendungen gehören eigentlich nicht zu den Wärmetauschern, da hier die Wärme nicht zwischen zwei fließenden Medien übertragen wird: Erdwärmeübertrager, Halbrohrschlange, Kühlkörper, Radiator.
Siehe auch Bearbeiten
Literatur Bearbeiten
- H. Schnell: Wärmeaustauscher, Energieeinsparung durch Optimierung von Wärmeprozessen. 2. Auflage. Vulkan-Verlag, Essen 1994, ISBN 3-8027-2369-4.
- Herbert Jüttemann: Wärme- und Kälterückgewinnung. 4. Auflage. Werner Verlag, Düsseldorf 2001, ISBN 3-8041-2233-7.
- Eberhard Wegener: Planung eines Wärmeübertragers: Ganzheitliche Aufgabenlösung bis zur Instandsetzung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers. 1. Auflage. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-33304-2.
- Hartmut Kainer: Keramische Wärmeaustauscher. In: Jahrbuch Technische Keramik. 1. Auflage. Vulkan-Verlag, Essen 1988, S. 338–344.
Weblinks Bearbeiten
Einzelnachweise Bearbeiten
- Hans Dieter Baehr, Karl Stephan: Wärme- und Stofftransport. 7. neu bearbeitete Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-05500-3, S. bspw. Kapitel 1.3.
- Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC): VDI-Wärmeatlas. 11. bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer Vieweg, 2013, ISBN 978-3-642-19980-6, S. Abschnitt C.
- Hartmut Kainer u. a.: Keramische Rekuperatoren für Hochtemperaturprozesse. Abschlussbericht zum BMFT-Forschungsvorhaben 03E-8658 A, Didier Werke AG. Eigenverlag, Wiesbaden, April 1991.
- 50 Jahre und immer noch "heiß": Warum verschweißte Hybrid-Plattenwärmetauscher noch Potenzial haben. Abgerufen am 1. April 2021.
- ↑ Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verf: VDI-Wärmeatlas. 11. bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-10743-0.
- ↑ T. Möller, O Strelow: Ein Matrix-Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz mehrgängiger Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager. In: Forschung im Ingenieurwesen. Vol 81, Issue 4, 2017, S. 357–369.
- E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, S. 328.
- T. Möller: Modelling and simulation of block-type multi-pass plate heat exchangers. 49. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Okt 2017.
- ↑ E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, S. 330–333.
- W. Nußelt: Eine neue Formel für den Wärmedurchgang im Kreuzstrom. In: Technische Mechanik und Thermodynamik. Vol 1, Issue 12, 1930, S. 417–422.
- H. Hausen: Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom. 2. Auflage. Springer Verlag, 1976.
- E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, S. 337.