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Wärmeübertrager
Definition: ein Apparat, der Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen kann
Alternativer Begriff: Wärmetauscher
Spezifischere Begriffe: Gleichstromwärmeübertrager, Gegenstromwärmeübertrager, Querstromwärmeübertrager, Plattenwärmeübertrager, Rotationswärmeübertrager
Englisch: heat exchanger
Ein Wärmeübertrager (oder Wärmetauscher) ist ein Apparat, der Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen kann. In der Energietechnik wird eine breite Palette von unterschiedlichsten Wärmeübertragern eingesetzt, von denen einige im Folgenden beschrieben werden:
Ein Warmwasserspeicher kann einen Wasser/Wasser-Wärmeübertrager in Form einer gewendelten Rohrschlange enthalten. Durch diese wird bei Bedarf Wasser gepumpt, welches mit einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe erwärmt wurde. Durch die Wandung der Rohrschlange wird dann Wärme auf das gespeicherte Wasser übertragen. Das erwärmte Wasser steigt nach oben und zieht kühleres Wasser von unten nach. Auf diese Weise kann ein Großteil des Speicherinhalts erwärmt werden, ohne dass das Warmwasser aktiv umgewälzt werden muss.
Eine Frischwasserstation kann auch als separater Wärmeübertrager (außerhalb eines Speichers) realisiert werden, mit dem Wärme aus einem Heizungs-Pufferspeicher oder auch direkt aus einem Heizkessel auf das Frischwasser übertragen werden kann.
Warmluftheizungen enthalten häufig einen Luft/Wasser-Wärmeübertrager, in dem Wärme von erhitztem Wasser auf einen Luftstrom übertragen wird.
Gewöhnliche Heizkörper können ebenfalls als Wärmeübertrager betrachtet werden.
Ein Heizkessel enthält einen Wärmeübertrager für die Übertragung von Wärme der Verbrennungsgase auf das Heizwasser. Brennwertkessel haben besonders effektive Wärmeübertrager, die zu einer sehr niedrigen Abgastemperatur und einem hohen Wirkungsgrad führen, teilweise durch Kondensation des Wasserdampfs. Bei einem Luft-Abgas-System (LAS-System) wird ein Wärmeübertrager verwendet, in dem das Abgas die zugeführte Verbrennungsluft vorwärmt. Das Abgas läuft durch ein Innenrohr, welches in das Rohr für die Frischluft eingebaut ist.
Den Dampfkessel beispielsweise eines Dampfturbinenkraftwerks verlässt das Abgas mit einer Temperatur oberhalb der benötigten Dampftemperatur. Ein zusätzlicher Wärmeübertrager, der hier oft als Economiser bezeichnet wird, kann danach dem Abgas noch weitere Wärme entziehen und diese für die Vorwärmung des Speisewassers nutzbar machen.
Eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung enthält einen Luft-Luft-Wärmeübertrager, in dem die kalte Frischluft der verbrauchten Abluft einen Großteil der enthaltenen Wärme (z. B. 75–90 %) entziehen kann. Gebräuchlich sind beispielsweise Plattenwärmeübertrager (Plattenwärmetauscher), bei denen die schmalen Zwischenräume einer Serie von Metall- oder Kunststoffplatten abwechselnd von Frischluft und Zuluft durchströmt werden. Ebenfalls werden Rotationswärmeübertrager verwendet, bei dem die Teile eines langsam rotierenden Rohrs abwechselnd mit der Frischluft und der Abluft in Kontakt gebracht werden und die zu übertragende Wärme zwischenspeichern.
Manche Lüftungsanlagen enthalten einen Wärmeübertrager, der zusätzlich auch Luftfeuchtigkeit zurückgewinnen kann. Dies ist mit unterschiedlichen Prinzipien möglich, beispielsweise mit einem Rotationswärmeübertrager, bei dem Wasserdampf an der Oberfläche des rotierenden Rads adsorbiert und wieder abgegeben werden kann. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer Membran zwischen Abluft und Zuluft, die Wasserdampf durchlässt, nicht jedoch andere Bestandteile verbrauchter Luft. Die Rückgewinnung auch von Feuchtigkeit ist oft energetisch vorteilhafter als die separate Luftbefeuchtung, weil sonst zusätzliche Verdampfungswärme benötigt wird. Dieser energetische Effekt kann durch Betrachtung der Enthalpie erfasst werden. Weil solche Wärmeübertrager insbesondere eine verbesserte Enthalpiebilanz aufweisen, werden sie auch als Enthalpie-Wärmeübertrager bezeichnet.
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe enthält mindestens zwei Wärmeübertrager: einen am Verdampfer, mit dem der Außenluft Wärme entzogen wird, und einen anderen am Kondensator zur Übertragung der Wärme z. B. auf ein Zentralheizungssystem. Bei einer Sole/Wasser-Wärmepumpe kann eine z. B. 100 m tief reichende Erdwärmesonde als Wärmeübertrager dienen, um Erdwärme aufzunehmen. Ein zweiter Wärmeübertrager in der Wärmepumpe überträgt Wärme von der Sole auf das Kältemittel.
Kühltürme von Kraftwerken sind große Wärmeübertrager mit der Funktion, nicht nutzbare Abwärme an die Umgebungsluft abzugeben – bei Nasskühltürmen nicht nur als fühlbare Wärme, sondern auch als latente Wärme in verdampftem Wasser.
Bauarten von Wärmeübertragern
Es gibt eine große Vielfalt von Bauarten für Wärmeübertrager, die hier nicht erschöpfend behandelt wird. Eine wichtige Unterscheidung bei Wärmeübertragern für Wasser- oder Luftströme sei aber erläutert:
In einem Gleichstrom-Wärmeübertrager fließen die beiden Medien, die z. B. durch eine wärmeleitende Platte getrennt sind, in der gleichen Richtung. Im besten Fall wird am Ende ein vollständiger Ausgleich der Temperaturen erreicht. Die Endtemperatur liegt dann zwischen den beiden Eingangstemperaturen. Beispielsweise könnten zwei gleich starke Wasserströme mit Eingangstemperaturen von 60 °C bzw. 20 °C zu einer gemeinsamen Auslasstemperatur von ca. 40 °C führen. Die Temperaturangleichung ist mit einem Verlust an Exergie verbunden.
Abbildung 1: In einem Gegenstrom-Wärmeübertrager fließen die beiden Medien in entgegengesetzter Richtung, so dass im Prinzip ein kompletter Wärmeaustausch möglich ist.
In einem Gegenstrom-Wärmeübertrager fließen die beiden Medien in entgegengesetzter Richtung. Hierdurch wird ein stärkerer Wärmeaustausch möglich. Im Idealfall kann die Auslasstemperatur jedes Mediums annähernd der Einlasstemperatur des anderen Mediums entsprechen. Beispielsweise könnten zwei gleich starke Wasserströme mit Eingangstemperaturen von 60 °C bzw. 20 °C dazu führen, dass der anfangs warme Strom auf 20 °C abgekühlt und der andere auf 60 °C aufgeheizt wird. In diesem Extremfall würde praktisch keine Exergie verloren gehen.
Ein Verhalten zwischen diesen Extremen tritt beim Kreuzstrom-Wärmeübertrager auf, bei dem die beiden Stoffströme ca. im rechten Winkel zueinander strömen. Es gibt auch Mischformen wie den Kreuzgegenstrom-Wärmeübertrager.
Die entscheidenden Leistungsmerkmale eines Wärmeübertragers sind die folgenden:
Vollständigkeit der Wärmerückgewinnung
Idealerweise würde die von der Physik her maximal theoretisch mögliche Temperaturerhöhung des zu erwärmenden Mediums erreicht, bzw. die maximale Abkühlung des anderen Mediums. In wieweit dieses Ziel in der Praxis erreicht wird, wird durch verschiedene Größen ausgedrückt, etwa den Temperaturwirkungsgrad, die Rückwärmzahl oder den Wärmebereitstellungsgrad. Je nach der gewählten Größe gelten verschiedene Regeln, etwa bzgl. der Berücksichtigung von Effekten der Abwärme, die im Gerät entsteht oder bzgl. der Berücksichtigung von Kondensationswärme, die z. B. im Wärmeübertrager einer Lüftungsanlage bei niedrigen Temperaturen der Frischluft anfallen kann und die Wärmerückgewinnung dann begünstigt.
Je besser die Wärmeleitung im Wärmeübertrager funktioniert, desto höher dürfen die Stoffströme werden, ohne die Effizienz der Wärmeübertragung wesentlich zu vermindern. Hierzu können große Oberflächen ebenso beitragen wie dünne Trennschichten aus gut wärmeleitendem Material (etwa Edelstahl). Ein wichtiger Kennwert ist der Wärmeübergangskoeffizient, der nicht nur durch Wärmeleitung, sondern auch durch Effekte ans Grenzflächen beeinflusst sein kann.
Ein Gegenstrom-Wärmeübertrager (siehe oben) kann im Prinzip annähernd auf einen Wärmebereitstellungsgrad von 1 (= 100 %) kommen, jedenfalls wenn die Durchflussgeschwindigkeiten relativ niedrig sind. Es ist dann z. B. bei einer Lüftungsanlage möglich, dass die Abluft (mit der Raumtemperatur von 20 °C) die Wärme weitgehend auf die Frischluft mit z. B. 0 °C überträgt, so dass die Frischluft auf fast 20 °C vorgewärmt und die Abluft mit fast 0 °C entlassen wird. Die Lüftungs-Wärmeverluste betragen bei guten Anlagen und kleinerer Leistungsstufe nur rund 10 % dessen, was ohne Wärmerückgewinnung verloren ginge. Auf der höchsten Stufe können die Wärmeverluste beispielsweise auf 30 % ansteigen.
Für mehr Details verwende man den Artikel über die Wärmerückgewinnung.
Wärmeverluste nach außen
Das Gerät würde idealerweise keinerlei Wärme nach außen verlieren, etwa durch Wärmeleitung hin zur Außenluft). Diesbezüglich erreicht man z. B. mit einer Wärmedämmung des Geräts oft annähernd ideale Verhältnisse, d. h. Wärmeverluste, die nur einen kleinen Bruchteil der übertragenen Wärmemenge ausmachen.
Strömungswiderstand
Der Wärmeübertrager würde idealerweise keinerlei Strömungswiderstand aufweisen. In der Praxis gibt es aber einen Strömungswiderstand durch Reibung der Stoffströme beim Durchgang. Dies bewirkt besonders bei hohen Volumenströmen einen wesentlichen Druckverlust. Dies erfordert dann eine entsprechende Antriebsenergie z. B. für eine Pumpe oder einen Ventilator.
Manche Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs können leider den Druckverlust erhöhen – beispielsweise wenn man einfach einen längeren Wärmeübertrager baut. Bauformen, die gleichzeitig den Wärmeübergang optimieren und den Druckverlust minimieren, sind auch möglich, erfordern aber oft eine größere Bauweise und entsprechend mehr Material.
Weitere Anforderungen
Wärmeübertrager müssen in aller Regel noch mehrere zusätzliche Anforderungen erfüllen:
Ein Wärmeübertrager muß einen bestimmten Temperaturbereich und evtl. eine gewisse Druckbelastung aushalten können.
Verstopfung (z. B. durch Ablagerungen von Staub, Schmutz oder Kalk) müssen möglichst vermieden werden. Gegebenenfalls sollte eine Reinigung einfach möglich sein.
Die verwendeten Materialien sollten ggf. resistent gegen aggressive Stoffe sein, z. B. bei Brennwertkesseln gegen saures Kondensat.
Häufig müssen die Stoffströme zuverlässig getrennt bleiben, um z. B. das Übertreten von Schadstoffen in die Raumluft zu verhindern.
Eine kompakte und preisgünstig herzustellende Bauform ist oft wünschenswert.
Teilweise sind hier konstruktive Kompromisse nötig. Beispielsweise haben Plattenwärmeübertrager mit dünneren (und zahlreicheren) Kanälen einen besseren Wärmeübergang, dafür aber höhere Strömungsverluste und eine größere Gefahr der Verschmutzung, und kleine Bauformen sparen Material, begrenzen aber die Effizienz der Wärmeübertragung.
Siehe auch: Wärme, Abwärme, Lüftungsanlage, Frischwasserstation, Economiser
Artikel über Wärmeübertrager</a>
Artikel über 'Wärmeübertrager' im RP-Energie-Lexikon] Behandelte Themen:
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