Ratgeber
Energie lässt sich bekanntlich weder erzeugen noch vernichten. Energie lässt sich nur umwandeln oder übertragen. Wärmeenergie zum Beispiel kann von einem Medium mit hoher Temperatur auf eines mit niedriger Temperatur fließen. Genau das machen Wärmetauscher. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie diese Geräte funktionieren und welche Einsatzbereiche, Typen und Bauformen es gibt.
Wärmetauscher sind Geräte, die Wärme zwischen Flüssigkeiten, Gasen oder Dämpfen übertragen, ohne diese zu vermischen oder zu vermengen.
Sie finden sich in vielen Branchen, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, der Pharmazie, der Biotechnologie und der chemischen Industrie zum Erhitzen oder Kühlen von Fluiden. Fluide sind definiert als jede Substanz, die unter Scherspannung oder äußerer Kraft fließt, das heißt Flüssigkeiten, Gase und Dämpfe.
Das Grundprinzip eines Wärmetauschers basiert auf dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Wärmeenergie fließt immer von einem System höherer Temperatur zu einem System niedrigerer Temperatur.
Oder anders ausgedrückt: Das Getränk erwärmt den Eiswürfel, überträgt dabei einen Teil seiner Wärmeenergie und kühlt sich daher ab.
Wärmetauscher lassen sich in vielen Anwendungen einsetzen, darunter in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, in Kraftwerken und Prozessanlagen der Industrie.
In der Technik der Wärmeübertragung gibt es direkte, halbindirekte und indirekte Methoden zum Verschieben von thermischer Energie zwischen den Medien.
Bei der direkten Wärmeübertragung kommen die beteiligten Medien direkt miteinander in Kontakt, zum Beispiel in einem Kühlturm. Hier interagiert das eingespeiste Warmwasser direkt mit der umgebenden Luft. Das Wasser kühlt sich ab und verdunstet teilweise, erkennbar an den weißen Wolken.
Ein Rotationswärmeübertrager nutzt dagegen die halbindirekte Wärmeübertragung, beispielsweise über einen Ventilator, um Wärme von einem Luftstrom auf einen anderen zu übermitteln.
Die indirekte Wärmeübertragung basiert dagegen auf einer vollständigen Trennung der Medien.
In einem dafür typischen Wärmetauscher gibt es eine feste wärmedurchlässige Wand oder ein Rohrbündel mit hoher Wärmeleitfähigkeit zwischen den beteiligten Medien. Fußboden-Heizungen sind hier ein bekanntes Beispiel:
Eine normale Heizungsanlage mit Niedertempaturkessel erhitzt Wasser bis auf 70 Grad Celsius. Die typische Vorlauftemperatur für eine Serie von normalen Heizkörpern. Die Schläuche der Fußbodenheizung vertragen aber maximal 55 Grad Celsius, also muss die Vorlauftemperatur des Heizwassers gesenkt werden. Dazu eignen sich speziell dafür produzierte Wärmetauscher mit zwei eng beieinander liegenden Kreisläufen, dem Heizkessel- und dem Fußbodenkreislauf. Beide besitzen am Wärmetauscher einen Vorlauf und einen Rücklauf. Während das Wasser des Heizkessels durch den Tauscher fließt, erwärmt es das zirkulierende Wasser des Fußbodenkreislaufs, und zwar auf eine zuträgliche Temperatur, die sich über die Geschwindigkeit der Wärmetauscher-Pumpe regulieren lässt.
Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher – oft auch als Edelstahl-Wärmetauscher bezeichnet – bestehen aus einer Anordnung von flachen, dünnen Edelstahl-Platten, die speziell gestaltet sind, um den Wärmeübergang zwischen den beiden Medien zu maximieren. Die Medien, in der Regel Flüssigkeiten, fließen abwechselnd durch die Zwischenräume der Platten und tauschen dabei Wärmeenergie aus.
Zwischen den Platten befinden sich Dichtungen, die verhindern, dass die Medien sich vermischen oder aus dem Wärmetauscher austreten. Diese Dichtungen isolieren auch die Kanäle voneinander, sodass jedes Medium nur durch die vorgesehenen Kanäle fließen kann.
Oft sind die Platten in einer gegenstromigen Anordnung gestapelt. Hier fließen die Medien in entgegengesetzter Richtung. Das maximiert den Temperaturgradienten zwischen den Medien über die gesamte Länge des Wärmetauschers und erhöht die Effizienz der Wärmeübertragung.
Plattenwärmetauscher bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Typen von Wärmetauschern. Sie besitzen eine kompakte Bauweise, benötigen weniger Platz, bieten einen hohen Wärmeübertragungskoeffizienten und lassen sich durch die Edelstahl-Konstruktion leicht demontieren und reinigen. Sie eignen sich besonders für Anwendungen, bei denen kleine Temperaturunterschiede zwischen den Medien ausgenutzt werden müssen.
Rohrbündel-Wärmetauscher
Rohrbündel-Wärmetauscher sind eine weit verbreitete Art von Wärmetauschern, die auf dem Prinzip der indirekten Wärmeübertragung basieren. Hierbei fließt ein Fluid durch ein Rohrbündel als Wärmeübertrager, während ein anderes Fluid um dieses Bündel kreist. Die Wärme wird zwischen den beiden Fluiden durch die Rohrwände übertragen. Zylinderförmige Wärmeübertrager in Fußboden-Heizungen sind häufig nach diesem Schema ausgebaut.
Neben diesen Wärmetauschern sind zudem noch u-förmig gebogene Typen im Einsatz. Sie ermöglichen eine gute thermische Ausdehnung und eignen sich besonders für Anwendungen mit großen Temperaturdifferenzen. Eine weitere Variante sind Flossenrohr-Wärmetauscher. Hier sind die Rohre mit Flossen ausgestattet, sie vergrößern die Oberfläche für die Wärmeübertragung und steigern so die Effizienz.
Luft-Luft-Wärmetauscher
Luft-Luft-Wärmetauscher übertragen Wärme zwischen zwei Luftströmen, ohne dass sie miteinander in Kontakt kommen. Sie finden sich häufig in Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Im Prinzip arbeiten sie immer mit der Frischluft, die ins Gebäude gebracht wird, und der Abluft. Bei der Abluft handelt es sich je nach Jahreszeit um verbrauchte, erwärmte oder abgekühlte Luft, die aus dem Gebäude abgeführt wird. Während diese beiden Luftströme durch den Wärmetauscher fließen, wird die Energie von der wärmeren Luft auf die kältere Luft übertragen. Es handelt sich daher um eine Form der Wärmerückgewinnung, die den Energieaufwand für die Heizung oder Kühlung reduziert.
Konstruktionstechnisch sind vier Varianten üblich: Beim Plattenwärmetauscher fließen die Zuluft und die Abluft durch nebeneinanderliegende Kanäle, die durch dünne Platten voneinander getrennt sind. Die Wärme wird durch diese Platten zwischen den beiden Luftströmen übertragen. Ein Rotationswärmetauscher enthält ein rotierendes Rad, oft beschichtet mit einem wärmeleitfähigen Material. Es dreht sich zwischen den Zuluft- und Abluftströmen und nimmt dabei Wärme auf. Beim Drehen durch den Zuluftstrom gibt das Rad die Wärme ab.
Mit Verdunstung und Kondensation eines Fluids wie Wasser oder ein Kältemittel arbeitet der Wärmerohr-Wärmetauscher. Die Abluft erwärmt ein Ende des Wärmerohres, die aufgenommene Wärme wird durch Verdunstung zum anderen Ende transportiert. Hier strömt die Zuluft vorbei und erwärmt sich durch Kondensation. Beim Kreuzstrom-Wärmetauscher fließen die beiden Luftströme senkrecht zueinander. Die Wärmeübertragung erfolgt durch Wände, die beide Ströme voneinander trennen.
Luft-Luft-Wärmetauscher eignen sich sehr gut zum Vorwärmen oder Vorkühlen von Frischluft und somit zur Energieersparnis bei der Lüftung von Gebäuden. Bei der Rückgewinnung von Wärme aus industriellen Prozessen sind sie ebenfalls oft zu finden, ebenso zur Verbesserung der Energieeffizienz bei Trocknungsprozessen durch Rückgewinnung von Wärme aus der feuchten Abluft.
Der Temperaturgradient spielt eine entscheidende Rolle in der Funktionsweise von Wärmetauschern. Er bezieht sich auf den Unterschied in der Temperatur zwischen zwei Punkten in einem System oder zwischen zwei Medien: Ein größerer Temperaturunterschied zwischen heißem und kaltem Fluid fördert eine schnellere Wärmeübertragung.