In verschiedenen Bereichen von Haushalt und Industrie sind Technologien notwendig, deren Funktion die Übertragung der Wärmeenergie ist. Dies wird meist von sogenannten Wärmetauschern übernommen. Diese sind sowohl in der eigenen Heizung zuhause zu finden als auch in Nass-Kühltürmen bei industriellen Prozessen zu finden. Wärmetauscher werden also universell in Heizungen eingesetzt. Die Wärmeenergie wird bei Wärmetauschern von einem Stoff auf den anderen übertragen. Wie dies genau geschieht und was für verschiedene Ausführungen es gibt, erfahren Sie in dem folgenden WechselJetzt.de Beitrag.
Was ist ein Wärmetauscher?
Ein Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager oder Wärmeaustauscher genannt, ist eine Technologie, die thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Die beiden Stoffe kommen dabei allerdings nicht in Berührung, sondern werden aneinander vorbeigeleitet. Um hier eine möglichst hohe Effizienz zu garantieren, sollte eine möglichst große Fläche zur Übertragung bereitstehen.
Die Technologie des Wärmetauschers kommt beispielsweise bei Brennwertkesseln zum Einsatz und dient dazu, einen hohen Nutzungsgrad zu erreichen. In diesem Fall werden warme Abgase verwendet, um einen wärmespeichernden Behälter zu erhitzen. Das zurückfließende Heizwasser wird durch diesen Behälter geleitet, so ist das Wasser schon erwärmt, bevor es den eigentlichen Kessel erreicht - das spart Energie!
Aber Wärmetauscher sind auch in anderen Bereichen zu finden, beispielsweise bei Wärmepumpen, Lüftungsanlagen und Solaranlagen.
Wie funktioniert ein Wärmetauscher?
Wärmetauscher funktionieren im Prinzip alle ähnlich: Es gibt zwei Stoffe, die nah beieinander fließen und dabei Wärme übertragen. Man kann bei der Funktionsweise jedoch einige Unterschiede machen. Zunächst betrifft es die Wärmeübertragung an sich, hier kann man die Übertragungsweise in direkte, indirekte und halbindirekte Wärmeübertragung unterteilen.
Direkte Wärmeübertragung
Zum Beispiel kommt bei einem Nasskühlturm die direkte Wärmeübertragung zum Einsatz. Bei diesem Vorgang sind die Stoffe in Kontakt, jedoch immer noch trennbare Ströme.
Indirekte Wärmeübertragung
Bei der indirekten Wärmeübertragung sind die Stoffe durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt. Heizkörper wie bei herkömmlichen Heizungen sind zum Beispiel indirekte Wärmeübertrager.
Halbindirekte Wärmeübertragung
Bei der halbindirekten Wärmeübertragung wird ein Wärmespeicher zeitversetzt mit den Stoffen in Kontakt gebracht. Der Wärmespeicher wird also abwechselnd erhitzt und wieder abgekühlt, um die Wärme von einem Medium auf das andere zu übertragen.
Strömungsrichtung der Wärmeübertragung
Außerdem kann man Wärmetauscher auch nach der Strömungsrichtung unterteilen. In der unteren Anschauungsgrafik können Sie drei Arten der Strömungsrichtung sehen. Es gibt Gleichstrom, Kreuzstrom und Gegenstrom-Wärmetauscher. Weniger genutzte Strömungsrichtungen sind Wirbelstrom und Kreuzgegenstrom.
Arten von Wärmetauschern
Wärmetauscher können in zwei verschiedene Gruppen unterteilt werden: Rohrwärmetauscher und Plattenwärmetauscher. Besonders in der Industrie ist diese Unterteilung interessant, denn bestimmte Wärmetauscher sind für bestimmte Zwecke optimiert.
Wichtig für die Entscheidung, welcher Wärmetauscher der richtige ist, sind Betriebsbedingungen sowie Druck, Temperatur und Durchflussmenge. Auch die Art der Flüssigkeiten, die in dem Wärmetauscher zirkulieren, können wichtig für die Entscheidung sein. Zusätzlich haben verschiedene Wärmetauscher verschiedene Einschränkungen hinsichtlich Installation, Wartung und Instandhaltung, welche beachtet werden sollten.
Rohrwärmetauscher
Die bekannteste Art an Wärmetauschern sind die Rohrwärmetauscher. Bei diesen fließt ein Fluid durch Rohre, welche sich in einem Kühlgitter befinden, das ein anderes Fluid enthält.
Die Technologie der Rohrwärmetauscher ist die älteste und bis jetzt am häufigsten verwendete. Das liegt daran, dass Rohrwärmetauscher extrem zuverlässig sind, besonders in der Industrie ist das relevant. Rohrwärmetauscher können sehr groß sein, wenn sie einen hohen Bedarf an Wärmetausch decken müssen, besonders dann ist die Wartung sehr kompliziert. Es gibt auch platzsparende Varianten, zum Beispiel Wärmetauscher mit Spiralschlangen.
Diese Art von Wärmetauscher ist interessant, da große Abmessungen möglich sind und die Konstruktion bei Eintrittstemperaturen große Differenzen aushalten kann. Außerdem ist bei dieser Art Wärmetauscher auch ein hoher Druck weniger ein Problem. Auch Druckverlust bei den enthaltenen Fluiden ist eher selten und/oder wenig. Allerdings ist bei Rohrwärmetauschern die Effizienz ein Manko. Plattenwärmetauscher bieten fast immer eine bessere Energieeffizienz. Auch die Wartung der Rohrwärmetauschern ist schwierig, besonders wenn er größere Modelle sind.
Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher bieten gegenüber Rohrwärmetauschern einige Vorteile. Sie sind trotz gleicher Leistung kompakter, leichter und effizienter. Es gibt verschiedene Arten von Plattenwärmetauschern, die jedoch alle auf dem gleichen Grundprinzip basieren: Flüssigkeiten fließen zwischen zwei (oder mehr) dünnen, gewellten Platten, die für den Wärmeaustausch sorgen. Die Fluide können zwischen den Platten im Gegenstrom fließen und so die Effizienz erhöhen.
Aufgrund der turbulenten Strömung, welche durch die Wellung der Platten entsteht, sind Plattenwärmetauscher selbstreinigend. Allerdings führen diese Turbulenzen auch zu signifikanten Druckverlusten.
Plattenwärmetauscher können aus speziellem Material gefertigt werden, welches leichter ist und weniger korrodiert. Beispiele sind Metalle wie Edelstahl oder Titan.
Geschraubte Plattenwärmetauscher
Diese Wärmetauscher sind platz- und kostentechnisch eine gute Alternative zu anderen Wärmetauschern. Dieses Modell funktioniert mit zwei Metallplatten, zwischen denen Fluide zirkulieren, ohne in Kontakt zu kommen.
Geschraubte Plattenwärmetauscher sind kompakt und haben eine gute Energieeffizienz. Außerdem sind sie selbstreinigend und leicht in der Demontage. Außerdem ist diese Art Wärmetauscher gut für individuelle Zwecke anpassbar, da die Anzahl an verwendeten Platten variabel ist.
Die maximalen Temperaturen für geschraubte Plattenwärmetauscher sind zwischen 150 und 200 Grad Celsius, außerdem beträgt der maximale Druck für diese Technologie 25 bar. Für beide Fluide ist der Druckverlust, welcher durch die Turbulenzen zwischen den Platten entsteht, signifikant.
Geschweißte Plattenwärmetauscher
Die Funktionsweise der geschweißten Plattenwärmetauschern ähnelt sehr den geschraubten. Aber es gibt einige Unterschiede. Auch sie sind sehr kompakte Konstruktionen und selbstreinigend. Außerdem ist eine Hochdruckreinigung möglich. Die Verwendung von geschweißten Verbindungen ermöglicht große Unterschiede der Eintrittstemperatur der beiden Flüssigkeiten, von -40 Grad Celsius bis 500 Grad Celsius ist alles möglich.
Im Gegensatz zum geschraubten Plattenwärmetauscher kann der geschweißte Plattenwärmetauscher nicht demontiert werden. Der maximale Druck, den er aushalten kann, liegt bei 30 bar. Ähnlich wie beim geschraubten Plattenwärmetauscher ist der Druckverlust der Fluide signifikant.
Gelötete Plattenwärmetauscher
Gelötete Plattenwärmetauscher finden besonders in der Klimatechnik ihren Einsatz.Sie sind ebenfalls wie geschweißte und geschraubte Plattenwärmetauscher sehr kompakt und haben aufgrund der Turbulenzen, welche durch die Form der Platten entstehen, eine gute Energieeffizienz. Sie sind selbstreinigend, können mit Hochdruck gereinigt und demontiert werden. Bei gelöteten Wärmetauschern können einige Modelle Drücke von bis zu 140 bar aushalten.
Allerdings ist bei den gelöteten Plattenwärmetauschern die Eintrittstemperatur der Fluide auf 200 Grad Celsius begrenzt. Und auch hier gibt es einen signifikanten Druckverlust durch die Turbulenzen.
