Wärmetauscher

Einfacher Wärmeübertrager

Ein Wärmeübertrager ist ein Apparat, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt.

Ein Wärmeübertrager wird auch Wärmetauscher oder Wärmeaustauscher genannt.

Einteilung

Wärmeübertragung beim Gegenstromprinzip

Wärmeübertragung beim Gleichstromprinzip

Kreuzstrom

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 auch Rekuperator genannt. In diese Klasse fallen z. B. Heizkörper.

Halbindirekte 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 sind Regeneratoren. Beispielsweise wird hier das Wärmerad eingeordnet.

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 vorbeiströmen. 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 diesen Gründen ist ein Tausch der Temperaturen in der Praxis nur näherungsweise möglich. Ein Anwendungsfall ist die Wärmerückgewinnung.

Gleichstrom

führt die Stoffe so, dass sie nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen immer zwischen den Ausgangstemperaturen. Genutzt wird der Gleichstrom beispielsweise falls eine schnelle, sichere Kühlung notwendig ist. Nachteilig kann die Belastung des Materials wegen der Temperaturunterschiede sein.

Kreuzstrom

führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom. Der Kreuzstrom wird benutzt, wenn man zum Beispiel mittels eines Wärmeübertragers den einen Strom auf eine spezielle Temperatur bringen möchte.

Wirbelstrom

verwirbelt zwei verschieden heiße Stoffströme mit der Option des Trennens nach dem Prinzip des Wirbelrohrs, auch bekannt als Ranque-Hilsch-Wirbelrohr, als eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt. Das Wirbelrohr wurde 1933 vom französischen Physiker Georges J. Ranque erfunden. Der deutsche Physiker Rudolf Hilsch verbesserte die Konstruktion und publizierte seine stark beachteten Ergebnisse.

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.

Ausführung

Allgemeines

Rohrbündel-Wärmeübertrager

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 einer hohen Reynolds-Zahl statt. Das bedeutet, dass die Strömungsgeschwindigkeit hoch und die Viskosität des Mediums gering sein sollte. Eine erhöhte Geschwindigkeit und eine große benetzte Oberfläche bedeutet allerdings auch einen erhöhten 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 Emaille, 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, Emaille, 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).
• 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).
• Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager 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 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 Winderhitzer

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

Berechnung und Bewertung von Rekuperatoren

Ideale Energiebilanz

Ein Wärmeübertrager 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:

${\dot {Q}}={\dot {m}}_{H}\,c_{p}\,(T_{H}^{E}-T_{H}^{A})={\dot {m}}_{K}\,c_{p}\,(T_{K}^{A}-T_{H}^{E})$

Die Leistung ${\dot {Q}}$, in Abhängigkeit des Massenstroms ${\dot {m}}$, 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:

${\dot {Q}}=k\,A_{q}\,\Delta T_{m}$

Dabei ist $k$ der Wärmedurchgangskoeffizient, $A_{q}$ die Wärmeübertragungsfläche und $\Delta T_{m}$ 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 zudem

$\Phi _{H}=N\,\vartheta$

als dimensionslose Transportgleichung.

Dimensionslose Kennzahlen

Die dimensionslose Transportgleichung liefert folgende Wärmeübertrager-Kennzahlen:

• Dimensionslose Leistung bzw. Betriebscharakteristik:

$\Phi _{H}={\frac {T_{H}^{E}-T_{H}^{A}}{T_{H}^{E}-T_{K}^{E}}}$

Die Kennzahl gibt die tatsächliche Leistung im Verhältnis zur theoretischen Grenzleistung (aufgrund des Temperaturausgleichs) eines Gegenstrom-Wärmeübertragers an. Sie ist somit eine dimensionslose Größe, deren Zahlenwert zwischen $0$ und $1$ liegt. Die Betriebscharakteristik lässt sich damit auch als Wärmewirkungsgrad deuten.

• Dimensionslose Heizfläche, je nach Theorie und Anwendung auch als Zahl der Übertragungseinheiten bzw. als NTU-Wert bezeichnet:

$N={\frac {k\,A_{q}}{{\dot {m}}_{H}\,c_{p}}}$

Die Betriebscharakteristik lässt sich in einem Diagramm als Ordinate über der dimensionslosen Größe $N$ als Abzisse (mit dem Verhältnis der Wärmekapazitätsströme) darstellen. Mit zunehmender dimensionsloser Heizfläche steigt dabei auch die dimensionslose Leistung, bis im Grenzfall unendlicher Wärmeübertragungsfläche die theoretische Grenzleistung $\Phi =1$ erreicht wird.

• Dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz:

$\vartheta ={\frac {\Delta T_{m}}{T_{H}^{E}-T_{K}^{E}}}$

Die Arbeitspunkte eines Wärmeübertragers liegen im $\Phi$-$N$-Diagramm auf einer Geraden durch den Ursprung mit der Steigung $\vartheta$.

• Verhältnis der Wärmekapazitätsströme:

$C={\frac {{\dot {m}}_{H}\,c_{p}}{{\dot {m}}_{K}\,c_{p}}}$

Diese Größe charakterisiert abschließend die Aufgabenstellung des Wärmeübertragers. Sie dient zur Umrechnung der Größen für den heißen und kalten Strom.

Ideale Strömungsführung

Für die Berechnung von Wärmeübertragern 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. Wärmeübertrager 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:

$\Phi _{H}={\frac {1-e^{-N(1+C)}}{1+C}}$

• Gegenstrom:

$\Phi _{H}={\frac {1-e^{-N(1-C)}}{1-Ce^{-N(1-C)}}},\,(C<1)$

Die mittlere Temperaturdifferenz bei Parallelstrom lässt sich auch durch den logarithmischen Mittelwert bestimmen. Der Mittelwert liegt zwischen den Temperaturdifferenzen der Medien auf beiden Seiten des Wärmeübertragers. Beim Gleichstrom sind dies die Temperaturdifferenzen auf der Eintrittsseite $\Delta T_{1}$ sowie auf der Austrittsseite $\Delta T_{2}$ und beim Gegenstrom sind dies die Temperaturdifferenzen jeweils zwischen Eintritt des einen Mediums und Austritt des anderen Mediums.

$\Delta T_{m}=\Delta \vartheta _{m}={\frac {\Delta T_{1}-\Delta T_{2}}{\ln \left({\frac {\Delta T_{1}}{\Delta T_{2}}}\right)}}$

Eine weitere idealisierte Strömungsführung bei Rohrbündel- oder Plattenwärmeübertragern stellt der reine Kreuzstrom dar. Die beiden Stoffströme verlaufen hierbei senkrecht zueinander und sind jeweils in Strömungsrichtung, im Vergleich zum Parallelstrom, nicht quervermischt.

• Kreuzstrom (ohne Quervermischung):

$\Phi _{H}={\frac {1}{CN}}\sum \limits _{i=0}^{\infty }\left(1-e^{-N}\sum \limits _{j=0}^{i}{\frac {N^{j}}{j!}}\right)\left(1-e^{-CN}\sum \limits _{j=0}^{i}{\frac {(CN)^{j}}{j!}}\right)$

Hierbei ist $j!$ die Fakultät von $j$. 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. 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):

$\Phi _{H,i}={\frac {1-\left({\frac {\Phi _{H}-1}{C\Phi _{H}-1}}\right)^{1/n}}{1-C\left({\frac {\Phi _{H}-1}{C\Phi _{H}-1}}\right)^{1/n}}},\,(C\neq 1)$

Jeder der $i=1\dots n$-Bereiche wird weiterhin rein kreuzstromgeführt. Bei Kreuzstromwärmeübertragern mit mehreren Durchgängen ist die thermische Leistung von der Stromführung der beiden Fluide über den gesamten Apparat (Hauptströmungsrichtung) und ggf. vom dem Grad der Quervermischung innerhalb jedes Durchgangs, sowie den Bereichen dazwischen, abhängig. Hierdurch entstehen weitere Varianten unterschiedlichster Schaltungen mehrgängiger Kreuzstromwärmeübertrager.

• Kreuzgegenstrom, einseitig quervermischt:

Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei Rohrbündelwärmeübertragern erhalten.

• Mehrgängige Kreuzstromwärmeübertrager:

Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei mehrgängigen Plattenwärmeübertragern erhalten.

Anwendungen

Luft-Luft-Wärmeübertrager

Beide Medien gasförmig

• 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-Wärmeübertrager.
• Luft/Luft-Wärmeübertrager zu Schaltschrankkühlung.
• Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren

Ein Medium gasförmig, eines flüssig

Luft-Flüssigkeit-Wärmeübertrager von nachgerüsteten Klimaanlagen in Singapur (2003)

• 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 bei indirekter Ladeluftkühlung

Ein Medium gasförmig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig

Luft-Flüssigkeit-Wärmeübertrager

• Kondensation bei Dampfturbinen.
• Verdampfung in Dampfkesseln von Kohlekraftwerken sowie Dampferzeugern in Kernkraftwerken.
• 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

• Verflüssiger von Wärmepumpen in Heizungsanlagen

Beide Medien flüssig

Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmeübertrager

• Grundwasserwärmeübertragung für Wärmepumpen.
• Wärmeübertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken („Meereswärmekraftwerk“).
• Wärmeübertragung in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen.
• 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 Gegenstromwärmeübertrager.

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. 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 3-527-33304-5. 
• Hartmut Kainer: Keramische Wärmeaustauscher. In: Jahrbuch Technische Keramik. 1. Auflage. Vulkan-Verlag, Essen 1988, S. 338–344. 

Weblinks

Commons: Wärmeübertrager – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Kostenloses Berechnungsprogramm für Wärmeübertrager