Wärmetauscher

Wärmetauscher regeln den Temperaturaustausch zwischen zwei Fluiden (Flüssigkeit oder Gas) in einem Raum oder einem System. Wärmetauscher funktionieren, indem sie die Wärmeübertragung für ein Gleichgewicht erleichtern. Um beispielsweise einen Raum mit einem Heizkörper zu erwärmen, wird dieser heiß und gibt diese Wärme an die Umgebung ab, wodurch die kalte Luft erwärmt wird. In diesem Artikel werden auch die verschiedenen Arten von Wärmetauschern, ihre typischen Anwendungen sowie ihre Vor- und Nachteile beschrieben.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Wärmetauscher?
• Arten von Wärmetauschern
• Wärmetauscher in Schlangenbauweise
• Wärmetauscher in Plattenbauweise
• Andere Arten von Wärmetauschern
• Übersichtstabelle Wärmetauscher
• FAQs

Was ist ein Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher ist ein Gerät, das Wärmeenergie überträgt. Zwei Fluide (Gas oder Flüssigkeit) strömen durch den Wärmetauscher, wobei das eine heißer ist als das andere. Wärmeenergie hat eine natürliche Tendenz zum Gleichgewicht, so dass sich die Wärmeenergie der heißeren Flüssigkeit in Richtung der kälteren Flüssigkeit bewegt. Die heißere Flüssigkeit kühlt ab, und die kühlere Flüssigkeit erwärmt sich.

Wärmetauscher übertragen Wärme auf drei Arten: durch Leitung, Konvektion und Strahlung:

• Leitung: Wenn sich zwei Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen berühren, bewegt sich die Wärmeenergie von der hohen zur niedrigen Temperatur. Ein heißer Topf mit Suppe zum Beispiel erhitzt die Oberfläche des Tisches, auf dem er steht. In der Industrie arbeiten Geräte wie Prozesskühler, Öfen und Kühlaggregate mit Konduktion.
• Konvektion: Konvektion entsteht, wenn ein Fluid die Wärmeenergie eines anderen Fluids abführt. Wenn man auf eine heiße Tasse Kaffee bläst, um sie abzukühlen, nutzt man die Konvektion. Industrielle Konvektionsöfen nutzen die Konvektion, um heiße Luft zum Erhitzen, Trocknen und Backen von Material umzuwälzen.
• Strahlung: Strahlung entsteht, wenn ein Objekt elektromagnetische Wellen aussendet. Heißere Objekte geben mehr Strahlung ab. Das offensichtlichste Beispiel ist die Sonne.

Erfahren Sie mehr in unserem Artikel Übersicht über wasserbasierte Wärmeübertragung in HVAC-Systemen.

Arten von Wärmetauschern

Die meisten Wärmetauscher haben entweder eine Schlangen- oder eine Plattenkonstruktion.

• Spule: In geraden oder gebogenen Rohren befindet sich eine Flüssigkeit. Durch Konduktion wird die Temperatur der Flüssigkeit vom Inneren des Rohrs auf die Außenwand des Rohrs übertragen. Eine zweite Flüssigkeit mit entgegengesetzter Temperatur führt die Wärme ab und erwärmt oder kühlt sich dabei. Am Beispiel von Abbildung 2 ist zu sehen, dass viele Wärmetauscher mit Rippen ausgestattet sind, um die Oberfläche des Wärmeaustauschs zu vergrößern.
• Teller: Die Plattenkonstruktion nutzt die Wärmeleitung durch dünne Platten, um Wärme von einer heißen Flüssigkeit auf eine kühlere Flüssigkeit zu übertragen. Die beiden Flüssigkeiten bewegen sich in der Regel in entgegengesetzter Richtung durch das Gerät, um die Übertragungseffizienz zu erhöhen. Plattenwärmetauscher eignen sich für den Anschluss von Gebäuden an Fernwärme- und Fernkältezentralen und für die Verbindung von Elementen eines HLK-Systems.

Wärmetauscher in Schlangenbauweise

Rippenrohrschlangen-Wärmetauscher

Ein Rippenrohr-Wärmetauscher hat gewickelte Rohre, die durch lange, dünne Metallstücke, so genannte Rippen, verbunden sind. Die Wärme in den Rohren wird in die Rippen geleitet, wodurch sich die Oberfläche vergrößert, mit der eine kühlere Flüssigkeit interagiert, um die Wärme durch Konvektion abzuführen. Wie in Abbildung 2 zu sehen, ist ein gängiges Beispiel die Rippenrohrschlange auf der Rückseite eines Kühlschranks. Die Wärme, die dem Kühlschrank entzogen wird, um ihn kühl zu halten, wird durch die Rohre geleitet. Die Luft hinter dem Kühlschrank führt die Wärme von den Rohren und Lamellen weg.

Rippenrohrschlangen-Wärmetauscher sind auch auf:

• Kanalisationssysteme
• Gebläsekonvektoren
• Luftbehandlungsgeräte
• Verdampfer und Kondensatoren von Klimaanlagen
• Grabenheizungen

Grabenheizung

Wie in Abbildung 3 zu sehen ist, wird eine Rohrbegleitheizung in der Regel im Fußboden um den inneren Umfang eines Gebäudes, insbesondere unter den Fenstern, installiert. Grabenheizungen verwenden eine Rippenrohrschlange, um Wärmeverluste über den Boden und Kondensation an den Fenstern zu vermeiden. Heißes Wasser fließt durch das Rohr des Rohrheizkörpers. Die Wärme des Rohrheizkörpers überträgt sich auf die kalte Luft in Bodennähe. Diese erwärmte Luft steigt nach oben und wird durch kühlere Luft ersetzt, wodurch ein Konvektionskreislauf zur Beheizung des Raums entsteht.

Elektrische Kanalheizung

Ein elektrischer Kanalwärmetauscher verwendet hochwiderstandsfähige Spulen, die Wärme erzeugen. Die durch den Kanal strömende Luft transportiert die heiße Luft von den Spulen weg. Diese Wärmetauscher sind auch in Öfen und Gebläsekonvektoren einsetzbar. Kanal-Elektrowärmetauscher sind aufgrund ihrer hohen Wärme nur für Räume geeignet, in denen der Wärmetauscher nicht versehentlich betreten werden kann.

Microchannel-Wärmetauscher

Ein Mikrokanal-Wärmetauscher ist eine Verbesserung der Rippenrohrschlangenkonstruktion. Bei einem Mikrokanal-Wärmetauscher gibt es mehr Lamellen, die viel enger beieinander liegen. Einige Entwürfe haben einen Abstand von weniger als 1 mm zwischen den Lamellen. Diese Konstruktion vergrößert die Oberfläche, über die eine kühle Flüssigkeit fließt, erheblich und leitet die Wärme an anderer Stelle weiter.

Der größte Teil der Konvektionswärmeübertragung erfolgt über die Lamellen des Wärmetauschers, die durch Wärmeleitung Wärme von den Rohren aufnehmen. Die Wärmeübertragung über die Rohre ist weit weniger effizient als über die Rippen.

Mikrokanal-Wärmetauscher verwenden nur Kältemittel und sind in:

• Lufttrockner
• Verflüssigungssätze
• Klimageräte für Wohngebäude
• Luftgekühlte Kältemaschinen

Verdampferschlange des Ofens

Ein Verdampferregister eines Ofens arbeitet mit einer Klimaanlage zusammen. Er funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie ein Rippenrohr-Wärmetauscher. Ein Verdampferregister eignet sich am besten für große Häuser oder kleine gewerbliche Gebäude, um die Luft in einem Raum abzukühlen. Kaltes Kältemittel fließt durch die Rohre der Verdampferschlange, und warme Luft aus dem Klimagerät strömt über die Rohre. Die Luft aus dem Gerät kühlt ab und strömt zurück in die Gebäudekanäle. Das Kältemittel im Rohr erwärmt sich so stark, dass es verdampft und in einen Kompressor strömt.

Heizkörper

Heizkörper (Abbildung 5) sind in Nordamerika und Europa weit verbreitet. Zonenventile regeln den Durchfluss von heißem Wasser in den oberen Teil des Heizkörpers durch ein schmales Rohr. Das Wasser fließt durch mehrere vertikale Rohre über die gesamte Breite des Heizkörpers nach unten. Diese Rohre sind breiter als das Ansaugrohr, was die Strömung verlangsamt und die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht. Durch Konduktion erwärmt der Heizkörper die Umgebungsluft. Die Luft um den Kühler herum bewegt sich weg und macht Platz für kühlere Luft, die zum Kühler strömt. Dadurch entsteht ein Konvektionsstrom, der den Raum, in dem sich der Heizkörper befindet, erwärmt.

Wasserheizelement

Ein Wasserheizelement nutzt Strom oder Gas, um Wärme zu erzeugen und Wasser in einem Tank zu erhitzen. Das Wasser, das das Element umgibt, erwärmt sich durch Konduktion und steigt auf. Kühleres Wasser ersetzt das wärmere, wodurch eine Konvektionsströmung im Tank entsteht. Wasserheizelemente werden in Geräten wie Waschmaschinen (Abbildung 6), Warmwasserbereitern und offenen Kühlturmbecken eingesetzt.

Boiler

Ein Heizkessel verwendet Gas, Öl oder Kohle, um Wasser zu erhitzen oder in Dampf zu verwandeln. Das Wasser zirkuliert durch Heizkörper (siehe Abschnitt Heizkörper), die an den Heizkessel angeschlossen sind. Wenn das Wasser im System abkühlt, fließt es zurück in den Kessel, um den Prozess erneut zu starten.

Kühlbalken

Ein Kühlbalken-Wärmetauscher ist als Rippenrohrschlange ausgeführt und hängt von der Decke herab. Kaltes Wasser fließt durch die Rohre des Kühlstrahls. Erhitzte Luft in der Nähe des Kühlstrahls überträgt Energie auf die Rohre, die die Luft abkühlen und einen Konvektionsstrom zur Kühlung des Raums erzeugen. Es gibt zwei Arten: einen passiven Kühlbalken und einen aktiven Kühlbalken.

• Passiv: Ein passiver Kühlbalken verwendet keinen Ventilator für die Luftzirkulation.
• Aktiv: Ein aktiver Kühlbalken hat Düsen, die Luft über die kalten Rohre leiten. Deckeninduktionsdurchlässe kühlen Räume effizienter.

Ofenheizung

Eine Feuerung funktioniert ähnlich wie ein Heizkessel. Es verteilt jedoch die erwärmte Luft im Raum, anstatt heißes Wasser oder Dampf zu den Heizkörpern zu leiten. Ein typischer Ofen verfügt über eine gasbefeuerte Flamme, die einen Wärmetauscher erhitzt, der die Luft im Ofen erwärmt. Das Gebläse, das kalte Luft aus dem Kanalsystem des Gebäudes in den Ofen befördert, befördert auch die heiße Luft aus dem Ofen durch das Kanalsystem. Während die heiße Luft einen Raum füllt, strömt kältere Luft in einen Rückführungskanal, der zum Heizen in den Ofen führt.

Rohrbündelwärmetauscher

Ein Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einem großen zylindrischen Mantel (Abbildung 8, Bezeichnung A) mit Rohren (Abbildung 8, Bezeichnung B) oder einem Rohrbündel darin. Die Flüssigkeit, die durch den Mantel fließt, ist die mantelseitige Flüssigkeit, und die Flüssigkeit in den Rohren ist die rohrseitige Flüssigkeit. Wie in Abbildung 8 zu sehen ist, verlaufen die Schläuche vom Einlass bis zum Auslass gerade durch das Rohr. Bei anderen Schalen- und Rohrkonstruktionen werden die Rohre ein- oder mehrmals U-förmig gebogen. Gebogene Rohre ermöglichen es der Flüssigkeit in den Rohren, mehrfach durch die Hülle zu fließen. Leitbleche (Abbildung 8, Kennzeichnung E) im Inneren des Mantels zwingen die Flüssigkeit auf der Mantelseite, durch den gesamten Mantel zu fließen, um eine maximale Wärmeübertragungseffizienz zu erreichen. Die Rohrböden (Abbildung 8, Kennzeichnung G) stützen die Rohre in der Schale.

Die Flüssigkeit in den Rohren erwärmt oder kühlt die Flüssigkeit im Gehäuse oder umgekehrt, je nach Anwendung. Ein gängiges Beispiel aus der Erdölindustrie ist heißes Öl in der Hülle und kalte Flüssigkeit in den Rohren. Die kalte Flüssigkeit, die vom Rohreinlass (Abbildung 8, Bezeichnung C) zum Rohrauslass (Abbildung 8, Bezeichnung F) fließt, kühlt das heiße Öl, das vom Rohreinlass (Abbildung 8, Bezeichnung H) zum Rohrauslass (Abbildung 8, Bezeichnung D) fließt.

Der Betrieb von Rohrbündelwärmetauschern hängt von ihrer Strömungsart ab:

• Zähler: Abbildung 8 ist ein Beispiel für einen Gegenstrom. Die Wärmeübertragung ist am effizientesten, wenn sich die Flüssigkeit auf der Mantel- und der Rohrseite in entgegengesetzter Richtung bewegt.
• Parallel: In einem parallel durchströmten Rohrbündelwärmetauscher treten mantel- und rohrseitige Flüssigkeit auf derselben Seite ein und bewegen sich in dieselbe Richtung. Die Wärmeänderung für jedes Fluid ist proportional.
• Kreuz: In einem Kreuzstrom-Rohrbündelwärmetauscher fließen die beiden Fluide senkrecht zueinander. In der Regel befinden sich die beiden Flüssigkeiten in unterschiedlichen Zuständen. Ein Beispiel hierfür ist ein Dampfkondensator. Heißer Dampf in der Schale verwandelt kühleres Wasser in Dampf, der dann in die ursprüngliche Dampfversorgung aufgenommen wird.

Wärmetauscher in Plattenbauweise

Plattenwärmetauscher verbinden Gebäude mit Fernkälte- und Fernwärmenetzen. Diese Wärmetauscher benötigen weniger Platz als andere Wärmetauscher (z. B. Rohrbündelwärmetauscher), die ähnliche Wärmeaustauschleistungen erbringen. Beim Plattenwärmetauscher werden mehrere Platten mit Hilfe von Spannbolzen zu einem Plattenstapel gepresst. Wie in Abbildung 9 zu sehen, haben Plattenwärmetauscher mit Dichtung Gummidichtungen, die den Flüssigkeitsstrom über die Platte steuern (siehe Abschnitt über Plattenwärmetauscher mit Dichtung weiter unten). Die Platten ruhen auf einer Führungsschiene, um sicherzustellen, dass sie richtig ausgerichtet sind. Schließlich hat der Plattenstapel einen festen und einen beweglichen Deckel. Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse befinden sich auf der festen Abdeckung. Die bewegliche Abdeckung ermöglicht das einfache Entfernen, Hinzufügen oder Warten von Platten.

Ein weiteres wichtiges Konstruktionsmerkmal des Plattenwärmetauschers sind die Rillen auf jeder Plattenoberfläche. Die Rillen spielen drei wesentliche Rollen:

• Oberfläche: Durch die Riffelung wird die Oberfläche jeder Platte vergrößert, wodurch sich die Wärmeübertragungsrate erhöht.
• Steifheit: Die Riffelungen erhöhen die Steifigkeit der einzelnen Platten und ermöglichen dünnere Platten, die eine höhere Wärmeübertragungsrate aufweisen.
• Turbulenzen: Die Riffelungen erzeugen eine turbulente Strömung, die die Wärmeübertragungsrate erhöht und verhindert, dass die Flüssigkeit an den Platten klebt.

Es gibt Einweg- und Mehrweg-Plattenwärmetauscher. Beim Single-Pass-Verfahren durchlaufen die heißen und kalten Flüssigkeiten den Plattenstapel nur einmal. Beim Multi-Pass-Verfahren durchlaufen die Flüssigkeiten mehrere Male. Das Multi-Pass-Verfahren ermöglicht zwar eine feinere Temperatursteuerung, erfordert aber auch, dass sich die Ein- und Auslässe auf gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels befinden. Daher werden Plattenwärmetauscher mit einem Durchgang häufiger eingesetzt, da sie einfacher zu montieren und zu demontieren sind.

Dichtung Plattenwärmetauscher

Plattenwärmetauscher arbeiten aufgrund ihrer Effizienz in der Regel im Gegenstrom. Die Dichtungen auf jeder Platte wechseln ihre Position. Wenn beispielsweise eine kalte Flüssigkeit, die in den Wärmetauscher eintritt, über die erste Platte fließt, ist die nächste Platte, über die sie fließt, die dritte. Die heiße Flüssigkeit fließt durch die zweite und vierte Platte und so weiter.

Gelöteter Plattenwärmetauscher

Gelötete Plattenwärmetauscher funktionieren ähnlich wie Plattenwärmetauscher mit Dichtungen. Die gelöteten Platten werden mit einem Zusatzmetall, z. B. einem dünnen Kupferblech, zwischen den einzelnen Platten verbunden. Bei der Herstellung wird der gelötete Plattenwärmetauscher auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um das Kupfer zu schmelzen, nicht aber die Platten, die aus rostfreiem Stahl bestehen. Die Vorteile einer gelöteten Platte gegenüber einer Dichtungsplatte bestehen darin, dass sie weniger wahrscheinlich undicht wird, kompakter ist und einen etwas höheren Wirkungsgrad hat. Allerdings muss das gesamte Gerät ausgetauscht werden, wenn ein gelöteter Plattenwärmetauscher beschädigt ist.

Geschweißter Plattenwärmetauscher

Ein geschweißter Plattenwärmetauscher hat Platten, die miteinander verschweißt sind. Der Vorteil dieses Plattenwärmetauschers gegenüber den anderen ist, dass er bei höheren Temperaturen und Drücken arbeiten kann. Daher sind geschweißte Plattenwärmetauscher für industrielle Anwendungen am besten geeignet.

Mikroplatten-Wärmetauscher

Mikroplattenwärmetauscher sind entweder gedichtet oder gelötet. Der Hauptvorteil eines Mikroplattenwärmetauschers ist das Wellendesign auf jeder Platte. Herkömmliche Plattenwärmetauscher haben ein Fischgräten- oder Chevron-Design, während Mikroplattenwärmetauscher viele kleine Vertiefungen haben. Durch die Vertiefungen kann sich die Flüssigkeit gleichmäßiger über die Platte bewegen und die Turbulenz erhöhen, was eine effizientere Wärmeübertragung ermöglicht.

Ducted-Plattenwärmetauscher

Ein Kanalplattenwärmetauscher ist Teil eines Lüftungsgeräts, das eine zentrale Klimaanlage betreibt. Die Konstruktion dieses Plattenwärmetauschers nutzt die Wärme der Abluft, um sicherzustellen, dass die Frischluft, die in den Raum gelangt, warm und nicht kalt ist. Heiße Abluft strömt durch Platten, die diagonal zu anderen Platten ausgerichtet sind, durch die frische Kaltluft strömt.

Mantel- und Plattenwärmetauscher

Ein Mantel- und Plattenwärmetauscher kombiniert die Funktionsprinzipien eines Rohrbündelwärmetauschers mit denen eines Plattenwärmetauschers. Die Platten im Inneren des Gehäuses sind kreisförmig und haben oben und unten eine Öffnung. Die Platten werden zu einem Plattenstapel zusammengeschweißt. Der Wärmetauscher arbeitet mit einer Gegenstromanlage. Die heiße Flüssigkeit tritt auf der Mantelseite ein und fließt über und an den Platten entlang, ohne in diese einzudringen. Die kalte Flüssigkeit tritt auf der Plattenseite ein und fließt zwischen den Platten hindurch.

Andere Arten von Wärmetauschern

Rotationsrad-Wärmetauscher

Ein Rotationsrad-Wärmetauscher ähnelt einem Kanalplatten-Wärmetauscher, da er heiße Abluft zur Kühlung von Frischluft verwendet. Die heiße Abluft (Abbildung 10 oben) erwärmt einen Teil der Radoberfläche. Diese beheizte Fläche dreht sich zum Ansaugkanal (Abbildung 10 unten), um die Frischluft zu erwärmen. Ein Motor und ein Riemen treiben die Drehung des Rades über zwei Kanäle an.

Wärmerohr

Ein solarer Warmwasserbereiter (Abbildung 11) ist eine gängige Anwendung für Wärmerohre. Ein einzelnes Wärmerohr besteht aus einem Glasrohr, in dem ein Kupferrohr eingeschlossen ist. Das Kupferrohr erhitzt sich unter der Sonne, und das Glasrohr verhindert, dass die Wärme entweicht. Eine Dichtung am Wärmerohr hält das Wassergemisch im Rohr bei niedrigem Druck. Dadurch kann das Gemisch bei niedrigeren Temperaturen zu Dampf verdampfen. Der Dampf bewegt sich zum oberen Ende des Wärmerohrs, das mit dem Hauptrohr verbunden ist, das alle Wärmerohre im System enthält. Die Wärme am oberen Ende des Wärmerohrs überträgt sich auf das kalte Wasser, das durch das Hauptrohr fließt, und erhitzt das Wasser.

Kühlkörper

Ein Kühlkörper hat lange, schmale Rippen, die auf einem Sockel in der Nähe der Wärmequelle angebracht sind. Die Wärme von der Quelle wird in den Boden des Kühlkörpers geleitet und dann über die Rippen abgeleitet. Luft oder Flüssigkeit bewegt sich über die Lamellen des Kühlkörpers, um die Wärme durch Konvektion abzuführen. Wie in Abbildung 12 zu sehen ist, ist ein gängiges Beispiel ein Kühlkörper an einem Computerprozessor.

Übersichtstabelle Wärmetauscher

Lesen Sie unsere Artikel über tragbare Heizgeräte und Fußbodenheizungen, um mehr über die Funktionsweise der einzelnen Typen zu erfahren.

FAQs

Welche Art von Wärmetauscher ist am effizientesten?

Im Allgemeinen sind Plattenwärmetauscher effizienter als Schlangenwärmetauscher. Welcher Wärmetauscher für eine bestimmte Anwendung am effizientesten ist, hängt jedoch von der jeweiligen Anwendung ab.

Wozu dient ein Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher verwendet eine heiße oder kalte Flüssigkeit, um eine andere Flüssigkeit zu erhitzen oder zu kühlen. Bei vielen Anwendungen ermöglicht dies eine Temperaturregelung ohne unerwünschte Vermischung von Flüssigkeiten.

Was sind die Vorteile eines Wärmetauschers?

Die meisten Wärmetauscher benötigen für ihren Betrieb keine zusätzlichen Geräte, wie etwa einen Luftkompressor.