Ratgeber Wärmetauscher: Übertragungsarten und Typen im Überblick

Ein Wärmetauscher ist ein idR heiztechnisches Bauteil (Gerät, Apparat), mit dessen Hilfe thermische Energie (Thermie, Wärme) von einem Stoffstrom auf einen anderen übertragen wird. Die abgebenden und aufnehmenden Wärmeströme können sowohl gasförmig und flüssig sein. Man unterscheidet Wärmetauscher daher nach der Art und Weise wie Stoffströme übertragen werden als auch nach der Technik der Wärmeübertragung.

Die Aufgabe des Wärmetauschers, auch häufiger Wärmeübertrager genannt, ist es, Wärme von einem Stoffstrom auf einen anderen zu übertragen.

Der in einer Heizung wohl bekannteste Wärmetauscher ist der Heizkörper, der die Wärme des von der Zentralheizung erwärmten Heizungswassers an die Luft der zu beheizenden Räume abgibt.

Damit ein Wärmetauscher ein Maximum an Wärme von einem Stoffstrom auf den anderen zu übertragen vermag, also effizient arbeitet, muss der Bereich, der die Stoffströme trennt,

1. Wärme gut leiten (sogenannte Wärmeleitfähigkeit),
2. eine große Oberfläche besitzen und
3. eine große Temperaturdifferenz/ Temperaturspreizung (Delta T, kurz: ΔT) besitzen.

In der Heiztechnik bestehen Wärmetauscher meist aus Metall (Edelstahl, Kupfer, Aluminium), denn dessen Wärmeleitfähigkeit ist sehr gut.

In Abhängigkeit davon, wie der Wärmetauscher konstruiert ist, um die Wärme zu übertragen, lassen sich drei Klassen ausmachen:

Wärmetauscher zur

• direkten,
• indirekten und
• halbindirekten

Wärmeübertragung.

Folgende Bauformen für Wärmetauscher für flüssige und gasförmige Stoffströme sind gängig:

Werden zugleich Stoff und Wärme übertragen, was bei trennbaren Stoffströmen möglich ist, ist die Rede von Wärmetauschern zur direkten Wärmeübertragung. Eine technische Anwendung wäre ein sogenannter Nasskühlturm. In Kraftwerken dienen Nasskühltürme der Rückkühlung von warmem Wasser in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft.

Wärmetauscher übertragen die Wärme indirekt, wenn die Stoffströme räumlich getrennt sind, zum Beispiel mit einer wärmedurchlässigen Trennwand. Solche Wärmetauscher nennt man auch Rekuperatoren. Ein klassisches Beispiel für einen solchen Rekuperator wäre ein Heizkörper, der über seine Wand Wärme vom Heizwasser auf die Raumluft überträgt.

Ein Plattenwärmetauscher (Plattenwärmeübertrager) besteht aus diversen planparallel angeordneten Platten, deren Zwischenräume die beiden Stoffströme abwechselnd einnehmen.

Ein Spiralwärmeübertrager ist eine Sonderform des Plattenwärmetauschers. Anstelle über die planen Platten wird die Wärme hier über ein zur Spirale aufgewickeltes Blech ausgetauscht.

Rohrwärmetauscher und Rohrbündelwärmeübertrager: Der sogenannte Rohrraum, das Innere von in der Regel einer Vielzahl paralleler Rohre) wird von einem Stoffstrom durchströmt. Die Rohre sitzen in einem sogenannten Mantelraum, den ein größeres Rohr oder ein Kessel bildet. Durch den Mantelraum strömt der zweite Stoffstrom.

U-Rohr-Wärmetauscher haben U-förmig gebogene Rohre. Der Vorteil der U-Rohre ist der: Sie lassen sich gebündelt einfacher in einen Mantelraum einbauen, da sie nur auf einer Seite montiert werden, beispielsweise sind sie mit dem Deckel des Kessels verschweißt. Sogenannte Wärmerohre sind sogar an beiden Enden verschlossen. Der Stoff zur Wärmeübertragung, zirkuliert darin infolge steter Kondensation und erneuten Verdunstens.

Ein Mantelrohrwärmeübertrager hat zwei konzentrische Rohre: Der Stoff im äußeren Rohr (häufig kommt Wasser zum Einsatz) wärmt oder kühlt den Stoff im inneren.

Sogenannte Heizregister (Kühlregister) kombinieren Rohre (für den flüssigen Stoffstrom) mit daran befestigten Lamellen (für den gasförmigen Stoffstrom). Ein Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager setzt sich aus zwei oder mehr Lamellen-Wärmeübertragerschichten (Heiz- oder Kühlregistern) zusammen

Ein Wärmetauscher zur halbindirekten Wärmeübertragung nutzt dafür einen Wärmespeicher: Beide Stoffströme bringt man dabei zeitversetzt in Kontakt mit dem Wärmespeicher. Infolge dessen wird dieser abwechselnd vom warmen Stoffstrom erwärmt und vom kalten Stoffstrom abgekühlt.

Dabei wird die Wärme vom heißeren auf den kälteren Stoffstrom übertragen. Ein typischer Wärmetauscher dieser Art ist ein sogenannter Regenerator.

Der Grundkörper von Regeneratoren kann Wärme speichern. Er wird abwechselnd vom warmen und kalten Stoffstrom durchströmt. Wie lange das Durchströmen bis zum Stromrichtungswechsel andauert, das hängt vom Massenstrom des Stoffstroms und der Wärmekapazität der Speichermasse ab.

Regeneratoren kommen vor allem bei gasförmigen Stoffströmen zum Einsatz. Die Wärme wird in einem Festkörper gepuffert und anschließend von derselben Oberfläche auf den anderen Gasstrom übertragen. Die Speichermasse wird unterschieden in

• bewegliche zum Beispiel Rotationswärmeübertrager wie Luftvorwärmer und Stirlingmotor und
• ortsfeste industrielle Winderhitzer oder kleine Lüfter mit alternierender Luftführung dank Reversierventilatoren zur dezentralen Belüftung einzelner Räume.

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Die Effizienz der Wärmeübertragung eines Wärmetauschers wird maßgeblich davon beeinflusst, wie die beiden Stoffströme geometrisch zueinander geführt werden. Fünf Prinzipien sind gängig:

Nach dem Gegenstrom-Prinzip strömen die beiden Stoffströme aus entgegenkommender Richtung aneinander vorbei. Idealerweise tauschen dabei die Stoffströme ihre Temperaturen: Der kalte ankommende nimmt die Temperatur des warm ankommenden an und umgekehrt.

Das gelingt am Besten, wenn beidseitig des Wärmetauschers gleiche Wärmekapazitätenströme herrschen und der Wirkungsgrad des Wärmetauschers Eins ist. Dieser ideale Wärmetausch ist in der Praxis kaum machbar. Ein Beispiel aus der Praxis wäre die Lüftung mit Wärmerückgewinnung (WRG).

Nach dem Gleichstrom-Prinzip werden die beiden Stoffe nebeneinander in gleicher Richtung geführt. Dabei gleichen sich die Stofftemperaturen bestenfalls an, so dass sie stets im Bereich zwischen den Ausgangstemperaturen liegen. Das Gleichstrom-Prinzip kommt zum Einsatz, wenn eine schnelle und zugleich sichere Kühlung erforderlich ist. Aber: Die Temperaturunterschiede können zu Lasten des Materials gehen.

Nach dem Kreuzstrom-Prinzip verlaufen die Stoffströme in einander kreuzenden Richtungen. Dabei ergeben sich Wärmeübertragungen mit einer Effizienz, die zwischen der von Gegen- und Gleichstrom-Führungen liegt. Das Kreuzstrom-Prinzip wird beispielsweise dann eingesetzt, wenn der eine Strom auf eine bestimmte, festgelegte Temperatur gebracht werden soll.

Beim Wirbelstrom-Prinzip werden unterschiedlich warme Stoffströme verwirbelt. Dafür ist es nötig, die Stoffströme anschließend trennen zu können. Umsetzen lässt sich das in einem sogenannten Wirbelrohr ohne bewegliche Teile, das Gas in einen heißen und einen kalten Strom trennen kann.

Der Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher vereint andere Prinzipien, so dass sich deren Vorteile ergänzen. Dabei strömen die Stoffe teils quer zueinander und teils parallel gegeneinander. Bestenfalls tauschen sie währenddessen ihre Temperaturen wie beim Gegenstrom. Der Vorteil des Kreuzgegenstromwärmetauscher ist der: Er lässt sich meist einfacher, strömungsgünstiger und kompakter bauen, als ein Gegenstrom-Wärmetauscher.

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Durch die Rotation eines Regenerators ermöglicht der Rotationswärmetauscher die Wärmeübertragung zwischen zwei parallel zueinander laufenden Luftströmungen. Dabei wird die Wärme des einen Luftstroms im Regenerator zwischengespeichert und nach einer halben Drehung auf den anderen Luftstrom übertragen.

Der Rotor wird meist aus dünnen Folien gefertigt, die abwechselnd glatt und wellenförmig (wie Wellpappe) angeordnet sind und die Speichermasse bilden. Die Kanäle sind meist zwischen 1,4 und 2,5 mm groß. Durch den Wechsel der Luftströmungen kommt es im Rotor zu einem Selbstreinigungseffekt.

Der Rotationswärmetauscher ist sehr effizient und kann selbst bei sehr geringen Temperaturunterschieden eingesetzt werden. Die Lebensdauer ist jedoch im Vergleich zu anderen Wärmetauschern aufgrund von Verschleißerscheinungen im Rotor geringer. Zur Anwendung kommt der Rotationswärmetauscher hauptsächlich in der Lüftungs- und Klimatechnik, der Prozesslufttechnik oder beim Betrieb von Trockenöfen.

Bei Wärmerohr-Wärmetauschern wird die Wärme durch evakuierte Rippenrohre übertragen, in denen eine Flüssigkeit (meistens Kältemittel) verdampft und sich im gegenüberliegenden Teil des Rohres wieder verflüssigt. Beim Verdampfungsvorgang wird Wärme durch die Überträgerflüssigkeit aufgenommen.

Der Dampf steigt in dem Wärmerohr auf, welches stets mit einer Neigung versehen ist, und kondensiert unter Wärmeabgabe im oberen Bereich des Wärmerohrs. Damit hat das Wärmerohr eine definierte Mindestanwendungstemperatur im Verdampfungsbereich und eine Maximaltemperatur im Kondensationsbereich. Entsprechend des Einsatzbereichs wird der Wärmerohr-Wärmetauscher mit einem passenden Kondensationsmittel befüllt.

Zur Umwälzung des Transportmediums benötigen Wärmerohre keine zusätzliche Hilfsenergie wie z. B. eine Umwälzpumpe. Dadurch minimieren sich Wartungsaufwand und Betriebskosten. Aufgrund seiner einfachen Bauart ist der Wärmerohr-Wärmetauscher speziell auch für kleine Anwendungen geeignet.

Regenerative Wärmetauscher werden meist zur Bereitstellung von Heißluft oder zur Luftvorwärmung bei Hochtemperaturprozessen eingesetzt. Der Regenerator mit ortsfester Speichermasse besteht aus einem Speicherraum, welcher meist mit feuerbeständigen Steinen gefüllt ist.

Wenn heißes Gas durch die Gesteinsfüllung strömt, gibt es seine Wärme an die Speichermasse des Wärmetauschers ab und erwärmt diese. Wenn der Speicher erwärmt ist, wird die Strömungsrichtung gewechselt, kaltes Gas durchströmt den Regenerator und erwärmt sich an der heißen Speichermasse. Um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten, sind mindestens zwei Regeneratoren notwendig, welche abwechselnd von heißen und kalten Gasen durchströmt werden.

Regenerative Wärmetauschersysteme werden vorwiegend bei größeren Thermoprozessanlagen mit sehr hohen Abgastemperaturen verwendet.

Der Rippenrohrwärmetauscher wird häufig bei der Wärmeübertragung von gasförmigem zu flüssigem Medium (oder umgekehrt) eingesetzt. Dieser Wärmetauscher besteht meist aus einer Kombination von mehreren Rohren mit daran befestigten Rippen bzw. Lamellen. Durch die Lamellen auf den Rohren wird die Oberfläche des Wärmetauschers signifikant erhöht. Damit wird der schlechtere Wärmeübergang des gasförmigen Mediums ausgeglichen, wodurch der Wärmetauscher einen deutlich besseren Wirkungsgrad erreicht.

Rippenrohrwärmetauscher gibt es in den verschiedensten Ausführungen. Sie können sowohl sehr einfach ausgeführt (gerades Rippenrohr), als auch komplex gebogen oder in enger nebeneinander liegender Anordnung als Heiz- und Kühlregister aufgebaut sein.

Spiralwärmetauscher bestehen aus einem spiralförmig um einen Kern gewickelten Blech. Dadurch entstehen zwei, durch dieses Blech getrennte Strömungskanäle. Durch stirnseitige Platten wird der Wärmetauscher abgeschlossen.

Das Medium wird durch die Stirnseiten und Öffnungen am Ende der Spirale zugeführt. Durch viele Wicklungen wird eine hohe thermische Länge erzeugt, was eine gute Wärmeübertragung gewährleistet. Zusätzlich entsteht durch die Krümmung der Kanäle ein turbulentes Strömungsprofil, wodurch der Wärmeübergang noch verbessert wird.

Weiterhin kommt es durch dieses turbulente Strömungsprofil sowie durch die einfache Strömungsführung ohne Umlenkungen und Reduzierungen kaum zu Verschmutzungen der Wärmeübertragerflächen, so dass der Spiralwärmetauscher häufig bei schmutzbelasteten Medien und Suspensionen eingesetzt wird.

Der Lamellenwärmetauscher besteht aus zahlreichen Lamellen, die mittels Pressung an Rohre gebunden sind. Üblicherweise wird der Lamellenwärmetauscher für flüssig/gasförmig-Anwendungen eingesetzt, wobei die Flüssigkeit durch die Rohre fließt und das Gas zwischen den Lamellen strömt.

Durch den geringen Abstand der Lamellen mit dem daraus resultierenden Wärmeübergang und der großen Fläche lassen sich gute Wirkungsgrade erzielen. Durch einen schichtweisen Aufbau lassen sich Lamellenwärmetauscher leicht an spezifische Anwendungsfälle mit Gasvolumenströmen von bis zu einer Million Kubikmeter pro Stunde anpassen.

Als Materialien können je nach Temperatur und Anwendungsbereich Aluminium, Kupfer, verzinkter Stahl oder Edelstahl zum Einsatz kommen. Wird ein Lamellenwärmetauscher aus mehreren Modulen aufgebaut, spricht man auch vom Schichtwärmetauscher. Da jede Schicht einzeln funktionsfähig ist, kann der Wärmetauscher zerlegt geliefert oder schichtweise abgesperrt, entleert oder luftseitig abgeschottet werden.

Plattenwärmetauscher sind aus mehreren Platten aufgebaut, zwischen denen sich je ein Spalt befindet, durch den die Wärmeträgermedien strömen. Das geringe Spaltmaß und die Profilierung der Platten erzeugen ein für die Wärmeübertragung günstiges turbulentes Strömungsprofil, welches Schmutzablagerungen verhindert.

Weiterhin wird die Wärmeübertragerfläche durch die Profilierung der Platten und eine hohe Plattenanzahl vergrößert, so dass mit diesem Wärmetauscher sehr gute Wirkungsgrade bei einer geringen Baugröße erreicht werden können.

Die Platten sind je nach Ausführung verlötet oder verschweißt oder werden durch Spannschrauben zusammengehalten. Während die Anwendung mit Spannschrauben demontiert und gereinigt werden kann, sind die verlöteten Modelle nur für schmutzfreie Medien geeignet.

Der Rohrbündel-Wärmetauscher besteht aus einer Vielzahl meist dünner Rohre, auf welche sich die Strömung des Wärmeträgermediums aufteilt. Um den Wärmeübergang zu erhöhen, können diese Rohre zwecks Oberflächenvergrößerung auch mit Rippen versehen sein.

Die Rohre sind meist zu Rohrbündeln zusammengefasst und werden durch einen Behälter geführt, welcher vom zweiten Wärmeträgermedium durchströmt wird. Umlenkbleche sorgen für eine gleichmäßige Durchströmung, verlängern dabei den Strömungsweg und erhöhen damit die Wärmeübertragung.

Rohrbündelwärmetauscher haben vor allem bei flüssigen Anwendungen eine sehr gute Wärmeübertragung, können aber auch für gasförmige Medien eingesetzt werden. Ein häufiger Einsatzzweck ist die Verdampfung bei Kälte- und Dampfanwendungen. Sie eignen sich besonders für große Baugrößen mit hohen Durchsatzmengen.

Der Doppelrohrwärmetauscher besteht aus zwei koaxial angeordneten Rohren, die sowohl innen wie außen berippt sein können, um die wärmeübertragende Fläche zu vergrößern. Ein Wärmeträgermedium wird durch den Ringspalt zwischen Innen- und Außenrohr geführt, das andere fließt durch das Innenrohr. Die äußeren Rohre sind an den Enden zur Bildung eines Strömungskanals miteinander verbunden. Die Medien fließen im Gleich- oder Gegenstrom zueinander.

Als Materialien werden Stahl, Kupfer, Kupfer-Nickel oder Messing (Rohre) eingesetzt. Aufgrund der einfachen Bauweise sind die Kosten eines Doppelrohrwärmetauschers im Verhältnis zu anderen Wärmetauschern gering. Die Baugröße ist dafür relativ platzeinnehmend.

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