Rotationswärmeübertrager

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Rotationswärmeübertrager, schematisch. Blaue und rote Pfeile symbolisieren kalte und warme Luftströme.
Modulares Wärmerückgewinnungs­system. Oben verläuft die Abluft, von rechts nach links, unten verläuft die Frischluft von links nach rechts, beides durchströmt den hohen Block in der Mitte, den Rotor.

Ein Rotationswärmeübertrager (auch Rotationswärmetauscher, Wärmerad, Luftvorwärmer oder LUVO genannt) ist ein Wärmeübertrager, welcher in zwei Luftströmen eine Wärmerückgewinnung ermöglicht. Wärme wird von einem Luftstrom auf einen anderen übertragen, indem eine rotierende Speichermasse abwechselnd durch den einen Luftstrom aufgewärmt und durch den anderen abgekühlt wird.

Funktionsbeschreibung[Bearbeiten]

Der Rotor besteht aus zahlreichen zur Achse parallelen Kanälen, deren Wärmespeichervermögen ausgenutzt wird. Durch eine Hälfte des Rotors wird die warme Abluft geblasen, die Wände werden dadurch aufgewärmt. Dreht sich der Rotor weiter, erreichen die aufgewärmten Kanäle den Bereich, wo sie kalte Außenluft durchströmt; diese wird an den warmen Wänden der Kanäle erwärmt, die Wände werden abgekühlt. Wenn die beiden Luftströme in Gegenrichtung angeordnet sind, hat der Rotor eine kalte und eine warme Seite und entspricht einem Gegenstrom-Wärmeübertrager.

Bei der einfachsten Anordnung, die im Bild dargestellt ist, sind die Kanäle noch mit warmer Abluft gefüllt, wenn sich der Rotor weiterdreht und den Bereich der entgegengesetzten Luftströmung erreicht. Die Mitrotation erzeugt unabhängig vom Druckgefälle immer einen unerwünschten Umluftanteil, da sich die Abluft mit der Zuluft vermischt. Zudem ergeben sich aufgrund des Druckgefälles zwischen den Luftströmen Leckagen. Wegen dieser unerwünschten Luftströme müssen die Ventilatoren für Zu- und Abluft höhere Leistungen erbringen, als für den eigentlichen Luftwechsel benötigt wird.

Der Umluftanteil kann verhindert werden, indem in einem kleinen Bereich (Sektor) die Zuluft von außen nicht ins Gebäudeinnere weitergeleitet wird, sondern in einer sogenannten Spülkammer umgelenkt wird und in Gegenrichtung durch den Rotor in den Fortluftkanal geblasen wird. Dabei ist zusätzlich zwingend ein Druckgefälle zwischen Außen- und Fortluft zu gewährleisten. Diese Vorrichtung führt zu einer weiteren Erhöhung der Ventilatorenleistung. Beide Maßnahmen verringern die Effizienz, weshalb die Ventilatoren nun mindestens 3-10 % mehr Leistung erbringen müssen.

Aufbau in der Lüftungs- und Klimatechnik[Bearbeiten]

Bei Frischluftumwälzung in Gebäuden wird der Rotor meistens aus dünnen Folien gefertigt. Wie bei einer Wellpappe wird je eine glatte und eine gewellte Lage der Folie im Wechsel aufgewickelt, bis der gewünschte Außendurchmesser erreicht ist. Zwischen den "Wellen" oder Dreiecken der Folie befinden sich die benötigten Luftkanäle. Typische Foliendicken liegen im Bereich von 0,05 bis zu 0,12 mm, die Kanäle sind in der Regel zwischen 1,4 mm und 2,5 mm groß und so lang, wie der Rotor dick ist, meist 200 mm. Da es zur Kondensation von Wasser im Wärmeübertrager kommen kann, muss das Material für den Rotor korrosionsbeständig sein. Meist verwendet man Aluminiumfolie oder Edelstahlfolie. Asbest, Kunststofffolie oder glasfasergestützes Vlies wurde auch verwendet, diese Stoffe sind aber nicht empfehlenswert, da sie wegen Fouling gesundheitliche Risiken mit sich bringen.

Rotationswärmeübertrager werden mit Rotordurchmessern von ca. 40 cm bis über 6 m gefertigt und laufen je nach Größe mit Umdrehungsgeschwindigkeiten von etwa 3 bis zu 25 Umdrehungen pro Minute. Der Antrieb erfolgt meist mit einem Drehstrommotor, der den Rotor über ein Riemengetriebe dreht. Die Motorleistung des Antriebes liegt etwa bei 30 W pro m³/s Luft.

Ein Luftvorwärmer ist ein Wärmeübertrager zur Verwertung von Abwärme aus den unterschiedlichsten industriellen Verfahren.

Luftvorwärmer (LUVO) in der Kraftwerktechnik[Bearbeiten]

In diesem Artikel oder Abschnitt fehlen folgende wichtige Informationen: Artikel beschreibt nur rauchgasbeheizte LuVos; es gibt aber auch dampf- oder heißwasserbeheizte.

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Temperaturen und Massenströme einer Feuerungsanlage an einem 750-MW -Block
Ljungström-Regenerator

Der Luftvorwärmer wird durch das Rauchgas des Kessels aufgeheizt und dient der Vorwärmung der Verbrennungsluft. Der LUVO ist meist die letzte Heizfläche im Rauchgasstrom vor dem Rauchgasabzug bzw. Schornstein.

Er entzieht dem Rauchgas Wärme und erwärmt die über Ventilatoren angesaugte Frischluft. Dieser übertragene Wärme-Anteil muss nicht mehr vom Brennstoff bereitgestellt werden, weshalb die Heizflächen kleiner dimensioniert werden können. Aus diesem Grund werden Luftvorwärmer bis zur maximal möglichen Grenze der Verfahrenstechnik ausgelegt, welche durch den Taupunkt des Rauchgases bestimmt wird. Die erhitzte Verbrennungsluft sorgt zudem für eine bessere Zündwilligkeit des Brennstoff-Luftgemisches. Da der LUVO dem Rauchgas Wärme entzieht, wird dieses abgekühlt und verlässt mit einer geringeren Temperatur den Schornstein. Der Abgasverlust des Kessels wird verringert, und der Kesselwirkungsgrad steigt in demselben Maße.

Luftvorwärmer sind vor allen anderen Bauteilen des Kessels besonders korrosionsanfällig, weil sie sich am kalten Ende der Rauchgasstrecke befinden und die niedere Frischlufttemperatur die Nähe zur Taupunktemperatur des Rauchgases begünstigt. Daher werden die Blechpakete, die die Speichermasse des LUVO bilden, aus korrosionsbeständigen Werkstoffen ausgeführt oder emailliert. Oft wird dem LUVO ein dampfführender Rekuperator vorgeschaltet, um eine Unterschreitung der Taupunkttemperatur mit Sicherheit auszuschließen.

Bei großen Leistungen wird meist der Ljungström-Regenerator verwendet, welcher von der Bauart her ein Kreuz-Gegenströmer ist. Dessen langsam rotierende Speichermasse besteht aus dicht gepackten und gefalteten Stahlblechpaketen, welche entsprechend der Drehung abwechselnd die Rauchgaswärme aufnehmen beziehungsweise abgeben.

Bei kleinen Leistungen werden Luftvorwärmer in Plattenbauweise oder als Stahlrohrbündel eingesetzt.

Förderenergien[Bearbeiten]

Der Betrieb eines Rotationswärmeübertragers erfordert zusätzliche Energie. Dies ist einmal die Förderenergie der Luftströme und zum anderen die Antriebsenergie des Rotormotors. Der Bedarf von Förderenergie ist sehr vielfältig und kann wie folgt aufgeschlüsselt werden:

  • Überwindung der Druckverluste am Rotorrad
  • Mehr Luftfördermengen und erhöhte Gegendrücke in Zu-und Abluftkanal durch Mitrotation auf der Warmseite.
  • Mehr Luftfördermengen und erhöhte Gegendrücke in Außen- und Fortluftkanal durch Mitrotation auf der Kaltseite.
  • Mehr Luftfördermengen und erhöhte Gegendrücke im Rotorrad bei der Spülung.
  • Mehr Luftfördermengen und erhöhte Gegendrücke in Außen- und Fortluftkanal bei der Spülung.
  • Mehr Luftfördermengen und erhöhte Gegendrücke durch Leckagen.
  • Überwindung des Druckverlustes der Drosselklappe bei der Überdruckgewährleistung
  • Überwindung der Druckverluste bei der Zusammenführung der Abluft- und Außenluftkanäle.

Die Vielschichtigkeit der Situation wird dadurch verstärkt, dass der variierende Druckunterschied zwischen Außenluft- und Fortluftkanal, sowie die Schleifringdichtungen sehr komplexe Strömungsverhältnisse bedingen.

Zur ersten Abschätzung können für die Förderenergien und den Antrieb folgende Zuschläge auf den Druckverlust des Rotorrads gemacht werden:

  • Rotationswärmeübertrager mit Mitrotation : 120-180 %
  • Rotationswärmeübertrager mit Spülung  : 200-280 %

Beispiel: Druckverlust eines Rotationswärmeübertrager mit Mitrotation = 140 Pa, Zuschlag = ~210 Pa. Summe Druckverlust = 140 Pa + 140 Pa + 210 Pa = 490 Pa.

Leckagen[Bearbeiten]

Generell wird bei Wärmeübertragern zwischen Außen- und Innenleckage unterschieden. Unter Außenleckage versteht man einen ungewollten Luftaustausch über die äußere Gehäusewand. Im Gegensatz dazu treten Innenleckagen nur innerhalb des Gehäuses zwischen beiden Luftströmen auf und lassen sich wie folgt aufschlüsseln:

  • Mitrotation tritt an zwei Stellen - einmal auf der Warmseite und einmal auf der Kaltseite - ungeachtet des vorherrschenden Druckgefälles auf und bedingt zwangsläufig einen ungewollten Umluftanteil. Mitrotation erfordert erhöhte Luftvolumenströme auf der Kalt- und Warmseite.
  • Spülluft ist eine Zusatzmaßnahme und verhindert die Mitrotation auf der Warmseite (Die Mitrotation auf der Kaltseite wird dadurch nicht unterbunden). Spülluft benötigt erhöhte Luftströme durch beide Seiten des Rotorrades.
  • Leckagen treten abhängig vom örtlichen Druckgefälle auf. Diese Druckgefälle sind auf der Warm- und Kaltseite unterschiedlich und unterscheiden sich um das Doppelte des Rotorraddruckverlustes (~300 Pa). Die Herstellerangabe zur Leckage (Abluft zur Zuluft) ist nur bei 0-20 Pa Druckgefälle (Zuluft zur Abluft) auf der Warmseite angegeben und beträgt gemäß DIN maximal 3 % des Zuluftvolumenstroms. Dass die Leckage von der Abluft zur Zuluft trotz entgegengesetztem Druckgefälle auftritt, liegt an der mitgemessenen Mitrotation. Anders ist dies bei der Leckage auf der Kaltseite: Sie kann wegen des dortigen erhöhten Druckgefälles mit dem ~5-fachen der Leckage auf der Warmseite abgeschätzt werden. Maßgeblich für die Höhe der Leckage ist das tatsächliche Druckgefälle. Dies unterscheidet sich in der Regel erheblich von der obigen Prüfbedingung 0-20 Pa. Leckagen benötigen erhöhte Luftvolumenströme auf der Warm- und Kaltseite.

Feuchteübertragung[Bearbeiten]

Je nach Anwendungsfall, Betriebssituation (Kühlen bzw. Heizen der Nutzluft und Temperatur-Paarung) kommt es zu unterschiedlich starker Übertragung von Wasserdampf von einem auf den anderen Luftstrom. Unterschiedliche Speichermaterialien lassen nur Kondensation oder auch Sorption zu. Glatte Aluminiumfolie lässt nur Kondensation zu und absorbiert keinen Wasserdampf. Aufgerauhtes Aluminium lässt in Kapillarspalten etwas Sorption zu, speziell aufnahmsfähige Beschichtungen viel mehr.[1]

Anwendungen[Bearbeiten]

Rotationswärmeübertrager werden in der Lüftungs- und Klimatechnik in ventilierten Gebäuden sowie im Offshore-Bereich (z. B. Kreuzfahrtschiffe) eingesetzt. Auch in der Prozesslufttechnik, sowohl im Heißluftbereich bis 650 °C als auch in Trockenöfen von Lackierereien finden sie in steigendem Maße Anwendung.

In den gemäßigten Breiten steht vor allem die Erwärmung der Zuluft in der kalten Jahreszeit im Vordergrund; bei hohen Außentemperaturen kann der Wärmeübertrager aber auch dazu verwendet werden, um mit der kühlen Abluft die angesaugte Außenluft abzukühlen. Allerdings kann die im Winter gewünschte Feuchteübertragung im Sommer unerwünscht sein.

Vorteile:

  • Bei Kondensation einseitige Wirkungsgrade bis 80 % durch Gegenstromverfahren, somit hohe Energieeinsparpotentiale und Reduktion des CO2-Ausstoßes durch geringere Leistungserfordernis am Lufterhitzer oder Luftkühler.
  • Niedrige Amortisationszeiten (zwischen 1-5 Jahren)
  • je nach Baugröße Eignung für sehr hohe Luftmengen bis zu 180.000 m³/h Luft.
  • Selbstreinigungseffekt gegenüber grober (z. B. Fliegen, Blätter) oder trockener Verschmutzung (z. B. Stäube) durch den ständigen Wechsel der Luftrichtung zwischen Zuluft und Abluft. D. h. Schmutz der Außenluft wird in die Fortluft übertragen und dort ausgeblasen bzw. Schmutz der Abluft wird in die Zuluft übertragen und dort wieder ausgeblasen.
  • Geringe Bautiefe (100–250 mm)
  • Zulufttemperatur ist regelbar (wenn nur geringe Wärmerückgewinnung benötigt wird, kann die Drehzahl vermindert werden).
  • Neben Wärme lässt sich auch Luftfeuchtigkeit zurückzugewinnen (mit wasserabsorbierender Beschichtung des Wärmeübertragers) und so auch den Energiebedarf für die Luftbefeuchtung im Winter zu reduzieren.
  • Meist ist keine Abfuhr des Kondenswassers nötig, da auch ohne wasserabsorbierende Beschichtung des Wärmeübertragers eventuell auftretendes Kondenswasser von der Zuluft aufgenommen wird. Nur bei extrem feuchter Abluft, wie sie bei einem Schwimmbad auftritt, oder bei bereits weitgehend gesättigter Zuluft kann Kondenswasser anfallen.

Nachteile:

  • Mechanisch bewegte Teile, daher störanfälliger als z. B. Plattenwärmeübertrager.
  • Zusammenführung von Außen- und Fortluftkanälen führt zu erhöhtem Investitionsaufwand und Energiemehrverbrauch der Ventilatoren.
  • Kein präventiver Schutz vor Rauch und Brandüberschlag.
  • Umluftanteile durch Mitrotation
  • Leckage durch Schleifdichtungen
  • Umluftanteile und ggf. Leckage schönen die Rückwärmzahl bzw. Wirkungsgrad
  • Keine vollständige Trennung von Zuluft und Abluft. Reste der Luftverschmutzung in der Abluft können durch den Wärmeübertrager in verdünnter Form wieder in die Zuluft gelangen. Das ist besonders bei gesundheitsschädlichen Abgasen oder starken Gerüchen problematisch. Mit einer Spülkammer kann bei richtiger Ventilatoranordnung die Vermischung der Luftströme stark reduziert werden.
  • Hygienische Probleme, da durch die rotierende Speichermasse Pilze, Bakterien oder Viren aus der Abluft regelmäßig mit der Zuluft in Kontakt gebracht werden. Für Krankenhäuser sind für bestimmte Bereiche einige Sonderbauformen zugelassen, jedoch sollte hier der Einsatz von Rotationswärmeübertrager im Einzelfall geprüft werden. Zwar kommen auch keimhemmende Oberflächenbeschichtungen zum Einsatz, die dann allerdings die Gefahr der Bildung von multiresistenten Keimen in sich bergen.
  • Dichtungsabrieb in der Zuluft
  • Vereisung der (Quer)Dichtungen bei Kondensation im Winter
  • Druckgefälle zwischen Außen- und Fortluft bei Einsatz von Spülkammern erforderlich. Bei zu großem Druckgefälle sind sehr große Spül- und Leckluftmengen bis hin zu Gehäuseverformungen mit Beeinträchtigung des Betriebes möglich.
  • Strommehrverbrauch durch erhöhte Luftmenge für Mitrotation, Spülung und Leckagen.
  • Baugröße (Raddurchmesser) ist wesentlich größer als der Leitungsquerschnitt.
  • Lebensdauer nur 10-15 Jahre.

Literatur[Bearbeiten]

  • VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung: VDI-Richtlinie VDI 2071, Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen. Beuth-Verlag, 1997

Siehe auch[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Rotationswärmetauscher, Handbuch für Planung, Installation und Betrieb, Hoval Firmenwebsite, Wärmerückgewinnung (PDF) (Art. Nr. 4 211 004, Ausgabe 07/2014) abgerufen am 14. Oktober 2014