Wärmeübertrager
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Der Wärmeübertrager ist ein Apparat, der vorwiegend Wärme bzw. thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Umgangssprachlich wird er auch als Wärmetauscher bezeichnet.
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[Bearbeiten] Einteilung
Wärmeübertrager sind in eine dreigegliederte Klassifizierung der thermischen Vorgänge hinsichtlich der Wärmeübertragung geordnet:
- Direkte Wärmeübertragung beruht auf dem Vorgang der kombinierten Wärme- und Stoffübertragung. Ein repräsentativer Anwendungsfall ist der Nasskühlturm.
- Indirekte Wärmeübertragung ist dadurch gekennzeichnet, dass Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Wärmeübertrager dieser Klasse werden Rekuperator genannt. In diese Klasse fällt z.B. der Autokühler.
- Halbdirekte Wärmeübertragung nutzt die Eigenschaften von Wärmespeicher. Dabei werden beide Stoffe zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht um einen Temperaturausgleich zu erzielen. Wärmeübertrager dieser Klasse werden Regenerator genannt. Beispielsweise wird hier das Wärmerad eingeordnet.
Die Qualität der Temperaturübertragung ist im starken Maße von der geometrischen Führung beider Stoffströme zueinander abhängig. Die Führung der Stoffströme ist in drei Grundformen zu unterscheiden.
- Gegenstrom führt die Stoffe so, dass sie entgegenkommend aneinander vorbei strömen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht.
- Gleichstrom führt die Stoffe so, dass sie nebeneinander in gleicher Richtung strömen. Idealerweise werden beide Stofftemperaturen angeglichen und liegen immer zwischen den Ausgangstemperaturen.
- Kreuzstrom führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Diese Stoffführung liegt im Ergebnis zwischen Gegen- und Gleichstrom.
Auch Kombinationen der Grundformen sind gebräuchlich, da sich dadurch ihre Vorteile ergänzen.
- Kreuzgegenstrom lässt die Stoffe insgesamt entgegenkommend aneinander vorbei strömen, obwohl sie sich auf ihrem Weg immer wieder kreuzen. Idealerweise werden die Temperaturen der Stoffströme wie beim Gegenstrom getauscht.
[Bearbeiten] Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers
Der Wirkungsgrad im Sinne des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für einen Wärmeübertrager ist das Verhältnis von aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener Energie auf der warmen Seite. Da Wärmedämmung die Wärmeabgabe an die Umgebung verringert aber nicht verhindert, geht ein Teil der Wärme verloren. In Abhängigkeit davon, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen den Medien und der Umgebung ist, kann dieser Verlust mehr oder weniger groß sein.
Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers ist dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Stoffstrom fließt. Hierzu ein Beispiel: Man stelle sich zwei Wasserströme vor, von denen der eine eine Temperatur von 50 °C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe. Weiterhin seien beide Wasserströme gleich groß, beispielsweise 1 kg/s. Mischt man beide Wasserströme, so ergeben sich 2 kg/s Wasser von 30 °C. Die theoretisch maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt dann 20K. Dies stellt gleichzeitig die theoretische Obergrenze für den Gleichstromwärmeübertrager dar und wäre aber nur möglich, wenn den Medien für den Wärmetransport eine unendlich große Austauschfläche zur Verfügung steht und keine Energieverluste an die Umgebung auftreten.
Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstrom-WÜ: Dort ist es theoretisch möglich den Warmwasserstrom bis auf die Kaltwassertemperatur auszukühlen und gleichzeitig den Kaltwasserstrom auf die Warmwassertemperatur aufzuwärmen. Die theoretisch maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt hier 40K.
Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt) ist nun so definiert, dass er die mit dem realen Wärmeübertrager erreichte Temperaturänderung zu der theoretisch möglichen in Beziehung setzt. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10 °C) am Austritt aus dem WÜ bis auf 48 °C erwärmt ist, also um 38K wärmer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 bzw. 95 %.
Erhöht man nun die Wassermenge, die sekündlich durch den WÜ fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet:
Der Temperaturwirkungsgrad ist von den Einsatzbedingungen abhängig.
Damit ist eine Angabe wie "Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 85 %" ohne weitere Angaben unvollständig und ergibt für sich allein keine verwertbare Aussage.
In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 geprägt, um die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers zu charakterisieren.
[Bearbeiten] Ausführung
[Bearbeiten] Allgemeines
Für eine gute Effizienz muss das Material, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitung und große Oberfläche aufweisen. Weiterhin muss der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und strömenden Medien möglichst gut sein, dafür ist eine turbulente Strömung günstig; diese findet vor allem bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten statt, bzw. bei einer hohen Reynoldszahl, zu der eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine niedrige kinematische Viskosität des Mediums in gleichem Maße beitragen. Allerdings erhöht sich im Wärmeübertrager mit der Strömungsgeschwindigkeit auch der Strömungswiderstand und die Effizienz reduziert sich wieder. Erhöhter Strömungswiderstand bedeutet erhöhter Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmeübertrager zu pumpen.
Bei Wärmeübertragern, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas (meist Luft) ist, unterscheidet sich die Wärmekapazität je Volumen der Medien sehr stark. Daher muss viel mehr Gas als Flüssigkeit durchströmen, und es ist notwendig, die Fläche für den Wärmeübergang an das Gas zu erhöhen. Dies erfolgt oft durch Rippen oder Bleche, z.B. bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage und dem Kühler des Autos.
[Bearbeiten] Bauformen
Es werden hier nur die Bauformen von Wärmeübertragern für flüssige und gasförmige Medien behandelt:
- Rohrwärmeübertrager bzw. Rohrbündelwärmeübertrager: Meist mehrere parallele Rohre, durch die ein Medium gepumpt wird; die Rohre befinden sich in einem Kessel, der mit dem anderen Medium gefüllt ist. Vor allem Rohrbündelwärmeübertrager mit einer großen Anzahl paralleler Rohre sind in der Herstellung relativ aufwändig (viele Schweißstellen). Eine Sonderform von Rohrwärmeübertragern ist der
- U-Rohr-Wärmeübertrager, bei dem die Rohre U-förmig gebogen sind. Vorteil ist, dass die Rohre leichter in den Kessel eingesetzt und herausgenommen werden können, weil sie nur auf einer Seite befestigt sind.
- Plattenwärmeübertrager: Zahlreiche parallele Platten, die Zwischenräume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen. Eine weit verwendete Bauform ist der
- Spiralwärmeübertrager, bei dem statt ebener Platten ein spiralförmig aufgewickeltes Blech verwendet wird.
- Rotationswärmeübertrager vor allem für Luft; die Wärmeenergie wird in einem Festkörper zwischengespeichert und später von der selben Oberfläche an den anderen Luftstrom abgegeben.
- Gegenstrom-Schichtwärmetauscher (GSWT) ist ein rekuperativer Wärmeübertrager, der aus mehreren vertikal angeordneten, in sich funktionsfähige Wärmetauscherschichten zusammengesetzt ist.
[Bearbeiten] Materialien
Wärmeübertrager bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch Kunststoff, Glas oder Siliciumcarbid. In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Beständigkeit der Materialien benötigt wird. Heizkörper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss hergestellt.
Kühlkörper bestehen aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer, Aluminium oder auch Silber. Anwendung finden diese Elemente vorrangig in der Leistungselektronik oder auch auf Prozessoren handelsüblicher Computer. Neuerdings werden dort auch Heatpipes eingesetzt.
Kunststoff, Glas oder Siliciumcarbid werden für Wärmeübertrager in der chemischen Industrie eingesetzt, wenn die Aggressivität der Fluide nicht den Einsatz metallischer Werkstoffe erlaubt. Siliciumcarbid kann aufgrund seiner extremen Temperaturbeständigkeit (Zersetzungstemperatur oberhalb von 2200 °C) auch bei Wärmeübertragern eingesetzt werden, deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen. Solche keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager sind allerdings noch in der Entwicklung.
[Bearbeiten] Anwendungen
[Bearbeiten] Beide Medien gasförmig
- Abluftwärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung, also Erwärmung der Zuluft bei der Belüftung klimatisierter Gebäude oder für Passivhäuser.
- Abgaswärmeübertrager (z.B. zum Vorwärmen der angesaugten Verbrennungsluft) in industriellen Anlagen
[Bearbeiten] Ein Medium gasförmig, eines flüssig
- Heizkörper (in der Schweiz und Österreich auch "Radiator"): Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, wodurch große Oberflächen erzielt werden.
- Speisewasservorwärmung von Dampfkesseln ("Economiser").
[Bearbeiten] Ein Medium gasförmig, eines im Übergang gasförmig/flüssig
- Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
- Wärmeübertrager in KondensationsWäschetrocknern (ohne Abluftanschluss).
- Kondensatoren von Dampfturbinen und Klimaanlagen.
- Luftwärmeübertrager von Wärmepumpen.
- Wärmerohr (Heatpipe)
[Bearbeiten] Beide Medien flüssig
- Grundwasserwärmeübertrager für Wärmepumpen.
- Wärmeübertrager in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen.
- Wärmeübertrager in ozeanothermischen Gradientkraftwerken ("Meereswärmekraftwerk").
- Wärmeübertrager zur Warmwassergewinnung in Gasthermen.
[Bearbeiten] Andere
Folgende Anwendungen gehören nur im weiter gefassten Sinne zu den Wärmeüberträgern da hier nicht zwischen zwei fließenden Medien sondern zwischen einem festen Körper und einem gasförmigen Medium übertragen wird.
- Erdwärmeübertrager
- Kühlkörper aus Aluminiumblech als aufsteckbare Kühlsterne oder durch Aluminium-Druckguss hergestellten Profile sind zur Kühlung von Leistungshalbleitern weit verbreitet. Beispiel: Endstufen von HiFi-Verstärkern
[Bearbeiten] Siehe auch
[Bearbeiten] Literatur
H. Schnell: Wärmeaustauscher, Energieeinsparung durch Optimierung von Wärmeprozessen., 2.Ausgabe., Vulkan-Verlag Essen 1994, ISBN 3-8027-2369-4
Herbert Jüttemann: Wärme- und Kälterückgewinnung., 4. Auflage., Werner Verlag Düsseldorf 1999, ISBN 3-8041-2229-9
