Wärmeübertrager

Durch einen Wärmeübertrager kann ein Medium an ein anderes Wärme übertragen, ohne dass die Medien in direkten Kontakt miteinander kommen. Von Wärmeübertragern spricht man vor allem dann, wenn die Medien flüssig oder gasförmig sind.

Die umgangssprachliche Bezeichnung "Wärmetauscher" oder "Wärmeaustauscher" ist falsch, weil zwei Medien nicht Wärme austauschen, sondern Energie von dem einen auf das andere übertragen wird. Trotzdem wird vor allem in der Heizungs- und Installationstechnik meistens diese Bezeichnung verwendet.

Gleichstrom- und Gegenstromwärmeübertrager

Gleischstromprinzip.png Gegenstromprinzip.png

Für die Übertragung von Wärmeenergie ist immer ein Temperaturgefälle notwendig; je grösser das Temperaturgefälle, desto grösser die Wärmemenge, die je Zeiteinheit und Fläche übertragen werden kann.

für geschlossene Systeme und das offene System Gleichstromprinzip gilt:

Es ist nicht möglich, dass z.B. eine heiße, (ausgeschaltete) Herdplatte von 120 °C, auf die ein Topf von 20 °C gestellt wird, nach der Wärmeübertragung 20 °C aufweist und der Topf 120 °C.

Der Wärmefluss erfolgt nur so lange, bis beide Körper die gleiche Temperatur haben. Diese Temperatur ist allerdings i.d.R. nicht das mathematische Mittel (im Beispiel 70 °C) der beiden Ausgangstemperaturen, da zum einen Energie an die Umgebung verloren geht und zum anderen auch die Masse und Wärmekapazität der beiden Körper eine Rolle spielt: So führt der legendäre Tropfen auf den heißen Stein kaum zu einer Abkühlung des letzteren.

für offene Systeme gilt:

Durch das Gegenstromprinzip (das kalte Medium fließt dem warmen Medium entgegen), läßt sich auch ein Aufheizen über das mathematische Mittel erreichen, da hier das zu Anfang sehr kalte, zu erhitzende Medium durch das schon abgekühlte erwärmende Medium vorgewärmt wird.

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 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 offensichtlich 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. Weiterhin seien beide Wasserströme gleich groß, beispielsweise 1 kg/s. Mische ich nun beide Wasserströme, so bekomme ich 2 kg/s Wasser von 30 °C. Dies stellt gleichzeitig die theoretische Obergrenze für den Gleichstromwärmeübertrager dar.

Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstrom-WÜ: Es ist offensichtlich nicht möglich, den kalten Wasserstrom auf eine höhere Temperatur zu bringen als den warmen, also mehr als 50 °C (weil sonst eben Wärme von der kalten zur warmen Seite fließen müsste). Die theoretisch maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt dann also 40K. Das ist aber nur möglich, wenn die Medien unendlich viel Zeit für den Wärmetransport haben (was technisch nicht sinnvoll ist) und keine Energieverluste an die Umgebung auftreten (was technisch unmöglich ist).

Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt) ist nun so definiert, dass er die mit dem realen Apparat erreichte Temperaturänderung zu der theoretisch möglichen in Beziehung setzt. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10 °C) am Austritt aus dem WÜ bis auf 48 °C erwärmt ist, also um 38K wärmer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 = 95 %.

Erhöht man nun die Wassermenge, die sekündlich durch den WÜ fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet:

Der Temperaturwirkungsgrad ist von den Einsatzbedingungen abhängig.

Damit ist eine Angabe wie "Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 85 %" ohne weitere Angaben unsinnig.

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. Weiterhin 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 Dichte und eine niedrige Viskosität des Mediums in gleichem Maße beitragen. Allerdings verringert sich bei hoher Strömungsgeschwindigkeit auch die Zeit für den Durchfluss durch den Wärmeübertrager und somit reduziert sich die Effizienz wieder. Es muss also neben der großen Oberfläche auch eine ausreichend lange Strecke für das Durchströmen vorgesehen werden. Dadurch erhöht sich jedoch der Strömungswiderstand und somit der Energieaufwand, um das Medium 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.

Bauformen

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

Rohrwärmeübertrager bzw. Rohrbündelwärmeübertrager: Meist mehrere parallele Rohre, durch die ein Medium gepumpt wird; die Rohre befinden sich in einem Kessel, der mit dem anderen Medium gefüllt ist. Vor allem Rohrbündelwärmeübertrager mit einer großen Anzahl paralleler Rohre sind in der Herstellung relativ aufwändig (viele Schweißstellen). Eine Sonderform von Rohrwärmeübertragern ist der
U-Rohr-Wärmeübertrager, bei dem die Rohre U-förmig gebogen sind. Vorteil ist, dass die Rohre leichter in den Kessel eingesetzt und herausgenommen werden können, weil sie nur auf einer Seite befestigt sind.
Plattenwärmeübertrager: Zahlreiche parallele Platten, die Zwischenräume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen. Eine weit verwendete Bauform ist der
Spiralwärmeübertrager, bei dem statt ebener Platten ein spiralförmig aufgewickeltes Blech verwendet wird.
Rotationswärmeübertrager vor allem für Luft; die Wärmeenergie wird in einem Festkörper zwischengespeichert und später von der selben Oberfläche an den anderen Luftstrom abgegeben.

Materialien

Wärmeübertrager bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch Kunststoff oder Glas. 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.

Kühlkörper bestehen aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer, Aluminium oder auch Silber. Anwendung finden diese Elemente vorrangig in der Leistungselektronik oder auch auf Prozessoren handelsüblicher Computer. Neuerdings werden dort auch Heatpipes eingesetzt.

Anwendungen

Beide Medien gasförmig

Abluftwärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung, also Erwärmung der Zuluft bei der Belüftung klimatisierter Gebäude oder für Passivhäuser.
Abgaswärmeübertrager (z.B. zum Vorwärmen der angesaugten Verbrennungsluft) in industriellen Anlagen

Ein Medium gasförmig, eines flüssig

Heizkörper (in der Schweiz und Österreich auch "Radiator"): Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, wodurch große Oberflächen erzielt werden.
Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
Wärmeübertrager in KondensationsWäschetrocknern (ohne Abluftanschluss).
Kondensatoren von Dampfturbinen und Klimaanlagen.
Luftwärmeübertrager von Wärmepumpen.
Speisewasservorwärmung von Dampfkesseln ("Economiser").

Beide Medien flüssig

Grundwasserwärmeübertrager für Wärmepumpen.
Wärmeübertrager in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen.
Wärmeübertrager in ozeanothermischen Gradientkraftwerken ("Meereswärmekraftwerk").
Wärmeübertrager zur Warmwassergewinnung in Gasthermen.

Andere

Kühlkörper aus Aluminiumblech als aufsteckbare Kühlsterne oder durch Aluminium-Druckguss hergestellten Profile sind zur Kühlung von Leistungshalbleitern weit verbreitet. Beispiel: Endstufen von HiFi-Verstärkern
Erdwärmeübertrager

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