Wärmeübertrager

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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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wärmeübertragung beim Gegenstromprinzip
Wärmeübertragung beim Gleichstromprinzip
Wärmeübertragung beim Kreuzstromprinzip

Wärmeübertrager lassen sich hinsichtlich der Wärmeübertragung in drei Klassen ordnen:

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, z.B. das Wärmerad.

Das Ausmaß der Wärmeübertragung hängt stark von der geometrischen Führung der beiden Stoffströme zueinander ab. Hier sind drei Grundformen zu unterscheiden.

Gegenstrom
führt die Stoffe so, dass sie entgegenkommend aneinander vorbeiströmen. Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht, das heißt, das ursprünglich kalte Medium erreicht die Temperatur des ursprünglich heißen Mediums und umgekehrt. Voraussetzung für diesen Idealfall sind gleiche Wärmekapazitätenströme auf beiden Seiten des Wärmeübertragers und ein 100-prozentiger Wirkungsgrad des Wärmeübertragers. Daher ist in der Praxis ein Tausch der Temperaturen nur annähernd möglich. Ein Anwendungsfall ist die Wärmerückgewinnung.
Gleichstrom
führt die Stoffe nebeneinander in gleicher Richtung. Im Idealfall 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 Materialbelastung durch die Temperaturunterschiede sein.
Kreuzstrom
führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Das Ergebnis liegt zwischen denen von Gegen- und Gleichstrom. Der Kreuzstrom wird zum Beispiel benutzt, um den einen Strom auf eine bestimmte, festgelegte Temperatur zu bringen.
Wirbelstrom
verwirbelt zwei verschieden heiße Stoffströme. Notwendig ist eine Möglichkeit zum nachfolgenden Trennen. Eime Möglichkeit dafür ist das Wirbelrohr, eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.

Auch Kombinationen dieser 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. Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffströme wie beim Gegenstrom getauscht.

Ausführung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Rohrbündel-Wärmeübertrager

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 Wärmeübertrager zu pumpen.

Bei Wärmeübertragern, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas (meist Luft) ist, unterscheidet 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 | Quelltext bearbeiten]

Emaillierter Rohrbündelwärmeübertrager für die chemische Industrie

Wärmeübertrager bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch aus Emaille, Kunststoff, Glas oder Siliciumcarbid. Im Klimabereich werden überwiegend Kupfer und Aluminium wegen der guten Wärmeleitfähigkeitverwendet. In Industrieanlagen werden wegen ihrer Beständigkeit vor allem Stahl, besonders Edelstahl eingesetzt. Heizkörper hingegen bestehen heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss.

Kunststoff, Emaille, Glas oder Siliciumcarbid werden für Wärmeübertrager 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 Wärmeübertragern eingesetzt werden, deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen. Solche keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager sind allerdings noch in der Entwicklung.[1]

Bauformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Wärmeübertrager für direkte Wärmeübertragung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Rekuperatoren[Bearbeiten | Quelltext 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. 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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

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

Berechnung und Bewertung von Rekuperatoren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ideale Energiebilanz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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:

Die Leistung , in Abhängigkeit des Massenstroms , 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.[2] Die Verknüpfung der Bilanzen über die Leistung und dividieren durch die maximal mögliche Temperaturdifferenz der beiden Eintrittstemperaturen liefert weiterhin

als dimensionslose Transportgleichung[3].

Dimensionslose Kennzahlen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die dimensionslose Transportgleichung liefert folgende Wärmeübertrager-Kennzahlen:

  • Dimensionslose Leistung bzw. Betriebscharakteristik:

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 und liegt. Die Betriebscharakteristik lässt sich aufgrund des Leistungsverhältnisses auch als Wärmewirkungsgrad deuten. [4]

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[3]:

Die Arbeitspunkte eines Wärmeübertragers liegen im --Diagramm auf einer Geraden durch den Ursprung mit der Steigung . [5]

  • Verhältnis der Wärmekapazitätsströme:

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

Ideale Strömungsführung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Gleichstromprinzip.png

Gleich- und Gegenstrom[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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:

Gegenstromprinzip.png

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 Wärmeübertragers. 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.[2]

Kreuzstrom[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine weitere idealisierte Strömungsführung bei Rohrbündel- oder Plattenwärmeübertragern 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):[7]

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:[2]
  • Kreuzstrom, beidseitig quervermischt:[2]

Kreuzgegenstrom[Bearbeiten | Quelltext 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. [8]

  • Kreuzgegenstrom (ohne Quervermischung):[3][2]

Jeder der -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[3]:

Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei mehrgängigen Plattenwärmeübertragern erhalten.

Wärmeübertragung mit Phasenübergang[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei der Phasenänderung eines reinen Fluids (Einstoffsystem) in einem Wärmeübertrager bleibt die Temperatur des betreffenden Fluids konstant. Für die Betriebscharakteristik gilt:[9]

Der angegebene Wert gilt sowohl für den Verdampfungs- als auch Kondensationsprozess.

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Luft-Luft-Wärmeübertrager

Beide Medien gasförmig[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Medium gasförmig, eines flüssig[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beide Medien flüssig[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmeübertrager

Andere[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Wärmeübertrager – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Hartmut Kainer et al: Keramische Rekuperatoren für Hochtemperaturprozesse, Abschlussbericht zum BMFT-Forschungsvorhaben 03E-8658 A, Didier Werke AG, Wiesbaden, Eigenverlag, April 1991.
  2. a b c d e f g Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verf: VDI-Wärmeatlas. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-10743-0.
  3. a b c d Möller, T. & Strelow, O.: Ein Matrix-Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz mehrgängiger Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager. Forschung im Ingenieurwesen, Vol 81, Issue 4, pp 357-369, 2017.
  4. Doering, E., Schedwill, H., Dehle, M.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage, S. 328. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008.
  5. Möller, T.: Modelling and simulation of block-type multi-pass plate heat exchangers. 49. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Okt 2017.
  6. a b Doering, E., Schedwill, H., Dehle, M.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage, S. 330-333. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008.
  7. Nußelt, W: Eine neue Formel für den Wärmedurchgang im Kreuzstrom. Technische Mechanik und Thermodynamik, Vol 1, Issue 12, pp 417-422, 1930.
  8. Hausen, H.: Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom. 2. Auflage. Springer Verlag. 1976.
  9. Doering, E., Schedwill, H., Dehle, M.: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage, S. 337. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008.