Was ist ein Wärmetauscher?

Wie funktioniert ein Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher funktioniert, indem er die Wärme einer Flüssigkeit durch eine andere, kühlere Flüssigkeit leitet, ohne dass sie sich vermischen oder in direkten Kontakt kommen.

Stellen Sie sich zum Beispiel ein Rohr vor, das von einem anderen Rohr umgeben ist. Durch das innere Rohr könnte eine heiße Flüssigkeit fließen, während gleichzeitig eine kühlere Flüssigkeit durch das äußere Rohr geleitet wird. Auf diese Weise würde die kühlere Flüssigkeit die Temperatur der wärmeren Flüssigkeit senken, während die wärmere Flüssigkeit gleichzeitig die Wärme der kühleren Flüssigkeit erhöht. Natürlich ist dies nur ein sehr einfaches Beispiel für einen Wärmeaustausch, und es gibt noch eine Reihe anderer Faktoren, die bei der Untersuchung von Wärmetauschern zu berücksichtigen sind:

1. Durchgänge

Durch Krümmung der Rohre, z. B. in Form eines "S", können Sie den Flüssigkeiten mehr als einen "Durchgang" ermöglichen, bevor sie den Wärmetauscher verlassen. Ein einfacher Durchlauf ist ein gerades Rohr, bei dem die Flüssigkeit an einem Ende eintritt und am anderen Ende des Wärmetauschers relativ schnell wieder austritt. Bei einem doppelten Durchlauf wird ein U-förmiges Rohr verwendet, so dass die Flüssigkeit am gleichen Ende in den Wärmetauscher eintritt und ihn wieder verlässt, was die Zeit verlängert, in der die Flüssigkeiten im Wärmetauscher aneinander vorbeigeführt werden. Bei einem dreifachen Durchlauf wird eine S-Form verwendet, die es der Flüssigkeit ermöglicht, dreimal die Länge des Wärmetauschers zu durchlaufen, bevor sie ihn verlässt. Je größer die Anzahl der Durchläufe, desto größer ist die verfügbare Wärmeübertragungsmenge – einfach weil die Flüssigkeiten länger zusammen im System sind – obwohl dies auch zu Druckabfall und Geschwindigkeitsverlust führen kann.

2. Temperatur-Crossover

Eine Temperatur-Crossover tritt auf, wenn die Wärme des kühleren Fluids beginnt, sich mit der Temperatur des heißen Fluids im Wärmetauscher zu überschneiden. Wenn beispielsweise Öl mit einer Temperatur von 80⁰C und Wasser mit einer Temperatur von 30⁰C in einen Wärmetauscher eintreten, können sich die Temperaturen überschneiden, wenn das Öl auf 50⁰C sinkt und das Wasser 51⁰C erreicht. An diesem Punkt ist die kühlere Flüssigkeit (Wasser) heißer als das Öl. Temperatur-Crossover können die Effizienz eines Wärmetauschers erheblich verringern, insbesondere beim Kühlen. Dies kann vermieden werden, indem die Durchflussmenge der Kühlflüssigkeit erhöht wird (siehe unten "Durchflussmenge"), so dass mehr Kühlflüssigkeit im System vorhanden ist. Ist ein Temperatur-Crossover unvermeidlich, ist die Verwendung eines Plattenwärmetauschers (siehe ‚Arten von Wärmetauschern‘ unten) die beste Lösung.

3. Temperaturdifferenz

Hierbei handelt es sich um den Temperaturunterschied zwischen dem Kühlmittel und der heißen Flüssigkeit, der in einem Wärmetauscher von Bedeutung ist, wie der „Temperatur-Crossover“ (siehe oben) zeigt. Das Kühlmittel sollte auf einer niedrigeren Temperatur gehalten werden als die heiße Flüssigkeit, und je kälter das Kühlmittel ist, desto effektiver kann es der heißen Flüssigkeit Wärme entziehen.

4. Durchflussmenge

Dies ist die Flüssigkeitsmenge, die in einem bestimmten Zeitraum durch den Querschnitt eines Rohrs fließt. Sie wird berechnet als das Flüssigkeitsvolumen pro Zeit, die die Flüssigkeit geflossen ist – wobei eine größere Durchflussrate die Fähigkeit des Wärmetauschers zur Wärmeübertragung potenziell erhöht. Mehr Flüssigkeit bedeutet jedoch auch eine größere zu transportierende Masse sowie einen höheren Druckverlust und eine höhere Strömungsgeschwindigkeit.

Arten von Wärmetauschern

Wärmetauscher können nach der Strömungsanordnung oder nach der Konstruktion des Wärmetauschers selbst eingeteilt werden.

Die drei wichtigsten Klassifizierungen der Strömungsanordnung in Wärmetauschern sind wie folgt:

• Parallelstrom: Die beiden Fluide treten am gleichen Ende des Wärmetauschers ein und fließen parallel, bevor sie gemeinsam austreten.
• Gegenstrom: Die Fluide treten an gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers ein und fließen in entgegengesetzter Richtung durch das System. Dies ist die effizienteste Strömungsanordnung, da der durchschnittliche Temperaturunterschied zwischen den Fluiden im gesamten System höher bleibt.
• Kreuzstrom: Bei dieser Form des Wärmetauschers fließen die Fluide senkrecht (im rechten Winkel) zueinander.

Neben der Strömungsanordnung lassen sich Wärmetauscher auch nach der physikalischen Konstruktion des Wärmetauschers in verschiedene Typen einteilen:

• Doppelrohr: Dies ist die einfachste Art von Wärmetauscher, die in der Industrie verwendet wird. Wie der Name schon sagt, bestehen diese aus zwei Rohren, durch die Flüssigkeiten fließen können. Die Strömungskonfiguration kann parallel oder gegenläufig sein, wobei die Gegenströmung effizienter ist, während die parallele Strömung besser ist, wenn die beiden Flüssigkeiten auf dieselbe Temperatur gebracht werden müssen. Diese Wärmetauscher sind einfach und kostengünstig zu konstruieren und zu warten, haben aber im Vergleich zu anderen Konstruktionen einen relativ geringen Wirkungsgrad
• Mantel und Rohr: Rohrbündelwärmetauscher verwenden einen Satz Metallrohre, durch die eine Flüssigkeit fließt, umgeben von einem abgedichteten Mantel, durch den die zweite Flüssigkeit fließt. Diese Art von Wärmetauscher funktioniert mit allen Arten von Strömungen (Parallel-, Gegen- und Kreuzstrom) und ist in Dampflokomotiven zu finden. Leitbleche werden verwendet, um den Flüssigkeitsstrom zu lenken, Schwingungen in der Flüssigkeit zu erzeugen und die Rohre zu stützen, während Rippen auch bei luftgekühlten Technologien (wie z. B. Zwischenkühlern von Verbrennungsmotoren) verwendet werden können, um die Fläche der Wärmeübertragung zu vergrößern.
• Platte/Lamelle: Bei dieser Art von Wärmetauscher werden dünne Metallplatten übereinander gestapelt, die durch Rippen voneinander getrennt sind, um Ebenen zu bilden, ähnlich wie die Etagen eines Gebäudes. Jede dieser "Etagen" ist jedoch in sich abgeschlossen und von der darüber oder darunter liegenden Ebene getrennt, so dass eine Reihe abgedichteter Rohre entsteht, durch die Flüssigkeiten fließen können. Auf diese Weise entsteht eine große Oberfläche, die einen schnellen Wärmeaustausch ermöglicht und gleichzeitig einen Flüssigkeitsstrom über die gesamte Wärmeübertragungsfläche gewährleistet, wodurch Flüssigkeitsstagnation und -stau verhindert werden. Die Platten können in verschiedenen Größen, Tiefen und Formen hergestellt werden, darunter gewellte Platten, Platten und Rahmen, Platten und Schalen oder Spiralplatten.  Eine hohe Strömungsturbulenz zwischen den Platten führt zu einer größeren Wärmeübertragung und einem Druckabfall. Diese Art von Wärmetauscher wird in Anwendungen wie Gasöfen und Heizkesseln eingesetzt.
• Luftgekühlt: Diese Art von Wärmetauscher findet man häufig in Fahrzeugen und anderen beweglichen Anwendungen, bei denen kein kühles Wasser zur Verfügung steht. Anstelle von zwei Flüssigkeiten verwenden luftgekühlte Systeme kühle Luft aus einem Gebläse oder einen Luftstrom, der durch die Bewegung des Fahrzeugs selbst entsteht.
• Verflüssiger, Kessel und Verdampfer: Diese Art des Wärmeaustauschs verdient eine besondere Erwähnung, da sie auf eine etwas andere Weise funktioniert als bereits beschrieben. Anstatt zwei Flüssigkeiten (heiß und kalt) einzufügen, nutzen diese die Abkühlung und Kondensation eines heißen Gases in flüssige Form (und umgekehrt), um einen Wärmeübertragungskreislauf zu schaffen. Dieses Verfahren wird bei Dampfturbinen und Dampferzeugern angewandt, die den Kreislauf der Verdampfung von Wasser zu Dampf und der anschließenden Abkühlung zurück in eine Flüssigkeit nutzen.
• Rekuperatoren: Ein Rekuperator ist ein Wärmetauscher, der Wärme auffängt, die andernfalls verloren ginge, z. B. wenn Wärme aus einem Gebäude abgeleitet wird. Die warme Luft wird durch einen Kanal neben einem separaten, einströmenden Kanal mit kühler Flüssigkeit nach außen geleitet, um einen Gegenstrom zu erzeugen. Auf diese Weise funktioniert ein Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung, das es ermöglicht, ein Gebäude mit Frischluft zu belüften, ohne dass die gesamte Wärme der ausströmenden warmen Luft verloren geht.
• Regeneratoren: Bei dieser Art von Wärmetauscher bewegen sich die ein- und ausströmenden Flüssigkeiten zu unterschiedlichen Zeiten in entgegengesetzter Richtung durch denselben Kanal. Wenn die warme Flüssigkeit ausströmt, gibt sie einen Teil ihrer Wärme ab, und wenn die kühle Flüssigkeit einströmt, nimmt sie einen Teil der Restwärme auf, die dort verblieben ist. Diese Art des Wärmeaustauschs wird in einem Stirlingmotor verwendet, der einen Kolben verwendet, um eingeschlossenes Gas zwischen einer Wärmequelle (z. B. einem Feuer) und einem kühleren Bereich oder einer „Senke“, wo die Wärme verloren geht, hin und her zu schieben. Diese Art von Wärmetauscher verringert den Wärmeverlust in einem System, indem er die Wärme "regeneriert".

Materialien für Wärmetauscher

Wärmetauscher können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, wobei Metalle, wie z. B. rostfreier Stahl, aufgrund ihrer Fähigkeit, Wärme zu absorbieren und zu leiten, am häufigsten verwendet werden. Neben Metallen können auch Keramiken, Verbundwerkstoffe auf Metall- und Keramikbasis sowie Kunststoffe für die Herstellung von Wärmetauschern verwendet werden. Jedes dieser Materialien bietet seine eigenen Vorteile und eignet sich daher für unterschiedliche Anwendungen.

Metalle bieten eine gute Wärmeleitfähigkeit, Wärmeabsorption und hohe Temperaturbeständigkeit, aber Keramik kann für Anwendungen mit höheren Temperaturen von über 1000 °C verwendet werden, bei denen Metalle wie Kupfer, Eisen und Stahl schmelzen würden. Keramik wird auch bei abrasiven und korrosiven Flüssigkeiten mit hohen und niedrigen Temperaturen eingesetzt.

Kunststoffe oder Polymere sind ebenfalls korrosionsbeständig und resistent gegen Verschmutzungen, außerdem sind sie preiswerter und leichter als Metalle. Obwohl sie so konstruiert werden können, dass sie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sind Kunststoffe im Allgemeinen nicht für Hochtemperaturanwendungen geeignet. Bei kühleren Anwendungen, wie z. B. der Beheizung eines Schwimmbads oder einer Dusche, funktionieren Kunststoffwärmetauscher jedoch sehr gut.

Wärmetauscher aus Verbundwerkstoffen vereinen die Vorteile ihrer Ausgangsmaterialien, wie das geringere Gewicht und die Korrosionsbeständigkeit von Kunststoff, mit der Wärmeleitfähigkeit und Wärmebeständigkeit von Keramik oder Metall.

Auch andere Materialien werden für den Einsatz in Wärmetauschern erforscht, z. B. winzige Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeleiteigenschaften als wärmeableitende Wärmesenken für elektronische Geräte verwendet werden.

Anwendungen / Einsatzbereiche

Wärmetauscher werden für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie und für Verbraucherprodukte wie Klimaanlagen und Kühlschränke sowie in Autos, Flugzeugen und Schiffen, Gaskesseln und vielem mehr eingesetzt.

Sie werden eingesetzt, um Energie zu sparen und wiederzuverwenden, die andernfalls verschwendet werden könnte, was Kosten für Fabrikmanager und andere Gebäudebetreiber spart. Natürlich geht es nicht nur darum, Geld zu sparen, sondern auch die Umwelt zu schonen, indem keine Energie verschwendet wird, wenn sie stattdessen recycelt und wiederverwendet werden kann. Wärmetauscher verbessern auch die Effizienz verschiedener Prozesse, einschließlich der Erwärmung von Wasser oder der Kühlung von Gebäuden bei heißem Wetter.

In Kraftwerken beispielsweise entstehen häufig erhitzte Abgase, die in die Luft abgeleitet werden. Ein Wärmetauscher in den Schornsteinen kann jedoch die Wärme dieser Gase nutzen, um Wasser zu erwärmen, das durch Rohre fließt, die dann die Wärme zurück in die Anlage leiten. Dieses erwärmte Wasser kann dann zur Beheizung von Büroräumen oder sogar zur Erwärmung kühlerer Gase verwendet werden, um den Prozess erneut zu starten. Zwar wird nicht die gesamte Energie wiederverwendet, die andernfalls verschwendet würde, aber diese Art von Wärmerückgewinnungssystemen sorgt dafür, dass ein erheblicher Teil nicht verloren geht.

Die von den Motoren in Bussen erzeugte Wärme kann die Flüssigkeiten, die zur Kühlung des Motors verwendet werden, wenn sie einmal erwärmt sind, zur Erwärmung der kalten Außenluft nutzen, die in das Innere des Busses gepumpt wird, wodurch separate elektrische Heizungen im Bus eingespart werden können.

Energieeffiziente Duschen verfügen über einen Wärmetauscher, der das heiße Wasser, das durch die Leitung fließt, nutzt, um kaltes Wasser zu erwärmen, das durch den Duschkopf fließt, ohne dass das schmutzige Leitungswasser mit dem sauberen Wasser in Berührung kommt. Das bedeutet, dass die Dusche das gesamte verbrauchte Wasser nicht vollständig aufheizen muss.

Fazit

Wärmetauscher werden für eine Vielzahl von Anwendungen sowohl in der Industrie als auch im Alltag eingesetzt.

Obwohl es Wärmetauscher in verschiedenen Ausführungen und Strömungssystemen gibt, funktionieren sie alle auf ähnliche Weise: Sie ermöglichen den thermischen Kontakt zwischen einer heißeren und einer kühleren Flüssigkeit (ohne sich tatsächlich zu vermischen), so dass die beiden Flüssigkeiten sich gegenseitig erwärmen oder kühlen.

Dies verbessert die Effizienz von Fahrzeugen und anderen Geräten und spart Kosten und senkt den Energieverbrauch (und die damit verbundenen Umweltauswirkungen).

Häufig gestellte Fragen

Kann man einen Wärmetauscher reinigen?

Verschiedene Arten von Wärmetauschern haben je nach Konstruktion, Material und Verwendung unterschiedliche Reinigungsanforderungen. Eine Methode ist jedoch das Eintauchen des Wärmetauschers in einen Ultraschallreiniger mit geeigneten Chemikalien, um unerwünschte Materialablagerungen ohne Beschädigung zu entfernen.

Kann ein Wärmetauscher ausgetauscht werden?

Wärmetauscher können ausgetauscht werden, aber das kann teuer werden, so dass es wirtschaftlicher sein kann, die beschädigten Komponenten auszubauen und zu ersetzen. In vielen Fällen empfehlen Fachleute, dass es billiger und einfacher ist, das ganze Gerät zu ersetzen, als nur den Wärmetauscher des Geräts auszutauschen.

Welche Art von Wärmetauscher ist die beste?

Obwohl alle Wärmetauscher ihren Zweck erfüllen können, wird allgemein angenommen, dass Plattenwärmetauscher die effektivsten Wärmetauscher sind, da sie eine größere Oberfläche haben, die mit den Flüssigkeiten in Berührung kommt, was zu besseren Wärmeübertragungsraten führt als bei anderen Formen von Wärmetauschern. Plattenwärmetauscher sind jedoch oft teurer als andere Konstruktionen. 

Wer hat den Wärmetauscher erfunden?

Wärmetauscher wurden erstmals in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von der Lebensmittel- und Getränkeindustrie untersucht. Das erste aufgezeichnete Patent für einen Plattenwärmetauscher wurde 1878 an Albrecht Dracke aus Deutschland erteilt. Der erste kommerziell nutzbare Plattenwärmetauscher kam jedoch erst 1923 auf den Markt, als Dr. Richard Seligman die indirekte Erwärmung und Kühlung von Flüssigkeiten revolutionierte.

Warum sind Wärmetauscher wichtig?

Wärmetauscher werden zum Heizen und Kühlen von Prozessen und Produkten verwendet, die von Flugzeugen über Kühlschränke und Kraftwerke bis hin zu Bussen reichen. Sie werden in allen Bereichen eingesetzt, von der Energieerzeugung und Ölraffination bis hin zu Fertigung, Transport, Klimatisierung, Kryotechnik und Rückgewinnungssystemen, um Kosten zu sparen, den Energieverbrauch zu senken und die Effizienz zu verbessern.