Wärmetauscher

Ein Wärmetauscher, seltener auch Wärmeaustauscher, ist ein Bauteil mit dessen Hilfe Wärmeenergie von einem Medium auf ein anderes übertragen werden kann. Die Funktion eines Wärmetauschers beruht auf dem Übergang von Wärme zwischen Medien unterschiedlicher Temperaturen: im Wärmetauscher kühlt sich ein wärmeres Medium unter Abgabe von Wärme ab, während sich die Temperatur eines kälteren Mediums durch Aufnahme der Wärmeenergie erhöht. Da Wärme stets vom wärmeren auf das kältere Medium übergeht und somit Wärme übertragen aber nicht ausgetauscht wird, wird ein Wärmetauscher korrekterweise auch als Wärmeübertrager bezeichnet.

Je nach Einsatzzweck kann ein Wärmetauscher sowohl zur gezielten Abkühlung als auch zum Aufwärmen eingesetzt werden. In der Regel werden Wärmetauscher bei flüssigen oder gasförmigen Medien eingesetzt. Es gibt aber auch Varianten wie beispielsweise Erdkollektoren, die auch von Feststoffen Wärme aufnehmen können, oder Verdampfer, in denen ein Phasenwechsel stattfindet.

Hinsichtlich der Art der Wärmeübertragung kann zwischen einer indirekten, einer direkten sowie einer halbindirekten oder auch halbdirekten Wärmeübertragung unterschieden werden. Häufig wird im Zusammenhang mit Wärmetauschern insbesondere die indirekte Übertragung betrachtet. In diesem Fall strömen zwei Medien durch separate Räume, die über eine gemeinsame Kontaktfläche, die Wärmeübertragungsfläche, miteinander verbunden sind. Die übertragene Wärmemenge hängt dabei ab von der Größe der Wärmeübertragungsfläche, der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Medienströmen sowie einem Wärmedurchgangskoeffizienten des Wärmetauschers, der die Güte des Wärmeübergangs widerspiegelt. Bei direkten Verfahren kommen die Medienströme unmittelbar in Kontakt miteinander. Dies ist beispielsweise bei Nasskühltürmen der Fall. Neben diesen beiden Varianten dienen bei halbdirekten bzw. halbindirekten Verfahren Wärmetauscher auch als kurzzeitige Energiespeicher, die nacheinander von den beiden Medien durchströmt werden. Nur beim indirekten Verfahren ist eine strikte Trennung der Medien möglich. Bei direkten Verfahren kommen die Medienströme direkt miteinander in Kontakt; bei den halbdirekten bzw. halbindirekten Verfahren können die einzelnen Medienströme zumindest durch Rückstände im Wärmetauscher verunreinigt werden.

Wärmetauscher besitzen zahlreiche Varianten, die anhand verschiedener Kriterien untergliedert werden können. Zu diesen Kriterien zählen beispielsweise der Aggregatzustand der Medienströme, der nutzbare Temperaturbereich, der Leistungsbereich, die Sicherheitsanforderungen an die Wärmeübertragung, die Unterscheidung von kontinuierlichem oder diskontinuierlichem Betrieb, der Strömungsverlauf im Wärmetauscher oder seine Bauform.

Mit Blick auf den Strömungsverlauf werden als wesentliche Bauformen Gleichstromwärmetauscher, Gegenstromwärmetauscher und Kreuzstromwärmetauscher unterschieden. Bei Gleichstromwärmetauschern verlaufen die Medienströme bei direkten Verfahren parallel und die wärmsten und kältesten Punkte der Medienströme liegen sich getrennt durch die Wärmetauscherfläche unmittelbar gegenüber. Beim Gegenstromwärmetauscher verlaufen die Ströme ebenfalls parallel, der wärmste Punkt des warmen Mediums und der kälteste Punkt des kalten Mediums liegen jedoch an gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers vor. Kreuzstromwärmetauscher stellen eine Mischform dar, bei der die Medienströme quer zueinander verlaufen (s. Abbildung 1).

Hinsichtlich der Bauformen können zahlreiche Varianten unterschieden werden:

• Rohrbündelwärmetauscher bestehen aus Rohrbündeln, die durch einen Behälter geleitet werden. Innerhalb der Rohre strömt ein erstes Medium, durch den Behälter ein zweites. Als Wärmeübertragungsfläche dient die Oberfläche der Rohre.
• Plattenwärmetauscher setzen sich aus mehreren verlöteten, verschraubten oder verschweißten Platten zusammen, die voneinander getrennte Zwischenräume bilden. Die Zwischenräume dienen zur Führung der Medien, die Platten als Übertragungsfläche.
• Doppelrohrwärmetauscher bestehen aus zwei längs ineinander gesteckten Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser. Im inneren Rohr strömt ein Medium, im Raum zwischen Innenrohr und Außenrohr ein zweites; die Wärme wird durch die Fläche des Innenrohrs übertragen.
• Lamellenwärmetauscher werden insbesondere für den Wärmeaustausch zwischen flüssigen und gasförmigen Medien eingesetzt und bestehen aus Rohren, die mit Lamellen bestückt sind. Das flüssige Medium fließt innerhalb der Rohre während das gasförmige Medium diese umströmt.
• Rippenrohrwärmetauscher werden ebenfalls häufig bei flüssigen und gasförmigen Medien genutzt und bestehen aus mit Rippen versehenen Rohren, die analog zum Lamellenwärmetauscher vom flüssigen Medium durchströmt und vom gasförmigen umspült werden.
• Wärmerohrwärmetauscher, auch Heatpipes genannt, bestehen aus abgeschlossenen evakuierten Rohren, die zum Teil mit einer Flüssigkeit befüllt sind und die jeweils zum Teil in zwei Medien hineinragen. Im unterem Teil, der sich im wärmeren Medium befindet, verdampft die eingeschlossene Flüssigkeit unter Wärmeaufnahme. Sie steigt im Rohr auf und kondensiert unter Wärmeabgabe im kälteren Medium, das den oberen Teil des Rohres umspült.
• Spiralwärmetauscher bestehen aus spiralförmig um einen Kern gewickelten Blechen. Zwischen den Wicklungen der Bleche bilden sich zwei Strömungskanäle, durch die die Medien geleitet werden.
• Rotationswärmetauscher bestehen aus einem rotierenden Rad, dem Regenerator, der je zur Hälfte von zwei voneinander getrennten, gasförmigen Medien durchströmt wird. Im Bereich des wärmeren Mediumstroms nimmt der Regenerator Wärmeenergie auf und speichert sie. Da sich der Regenerator kontinuierlich dreht, gelangt sein erwärmter Teil im Verlauf der Drehung in den kälteren Mediumstrom und gibt die gespeicherte Energie wieder ab. Es handelt sich also um eine halbdirekte Wärmeübertragung.
• Regenerative Wärmetauscher sind ebenfalls ein halbdirektes Verfahren zur Wärmeübertragung, sie basieren im Gegensatz zum Rotationswärmetauscher allerdings auf einer ortsfesten Wärmespeichermasse und arbeiten im Gegensatz zu den bisher genannten Wärmetauschern diskontinuierlich. Die Speichermasse wird zunächst von einem warmen Medium durchströmt und erwärmt sich dabei. Danach durchströmt ein kälterer Mediumstrom die Speichermasse und nimmt dabei die dort gespeicherte Wärme auf. Regenerative Wärmetauscher zählen zu den größten Wärmetauschern. Sie werden beispielsweise im Rahmen der Stahlherstellung als Winderhitzer für den Hochofen eingesetzt.
• Verbrennungsluftvorwärmer sind weniger eine Bauform als vielmehr eine spezielle Anwendungsklasse von Wärmetauschern, die zur Vorerwärmung von Verbrennungsluft durch Abwärme in Verbrennungsabgasen eingesetzt werden. Die zwei Hauptformen der Verbrennungsluftvorwärmer sind Rekuperatorbrenner und Regeneratorbrenner. Beim Rekuperatorbrenner werden die Abgase an den Zuluftleitungen des Brenners vorbeigeführt, um die heißen Abgase direkt zur Erwärmung der zugeführten Verbrennungsluft zu nutzen. Regeneratorbrenner verfügen über zwei regenerative Wärmespeicher, die im Wechsel mit heißen Verbrennungsabgasen oder kälterer Zuluft beaufschlagt werden.

Die Einsatzbereiche von Wärmetauschern sind äußerst vielfältig, da sie immer genutzt werden, wenn Wärme zwischen verschiedenen Medien übertragen werden muss. Dies ist beispielsweise bei Kraftwerksprozessen, bei der Gebäudeklimatisierung oder in industriellen Prozessen der Fall. Wärmetauscher spielen auch im Zusammenhang mit der Abwärmenutzung eine bedeutende Rolle.

Synonym(e):

Wärmeaustauscher, Wärmeübertrager

Englische Übersetzung(en):

heat exchanger