Der Wärmeübergangskoeffizient ist der wichtigste Faktor bei der Konstruktion von Wärmetauschern. Metalle und Metalllegierungen besitzen weltweit die höchsten Wärmeübergangskoeffizienten. Aus diesem Grund werden die in Wärmetauschern eingesetzten Rohre und Platten — also sämtliche Komponenten des thermischen Systems — aus dieser Werkstoffgruppe gewählt. AISI 316, AISI 304 und Titan zählen zu den beliebtesten Materialien der Branche.
In Wärmetauschern gibt es in der Regel keine externen thermischen oder mechanischen Einflüsse. Ein typisches System arbeitet mit der Verdampfung und Kondensation ein- oder mehrkomponentiger Fluidströme, indem ein zweites Fluid erwärmt oder abgekühlt wird. Während eine Seite Wärme abgibt, nimmt die andere Wärme auf. Weitere Anwendungen sind Wärmerückgewinnung, Sterilisation, Kondensation eines Fluids und prozesstechnische Steuerung.
1. Klassifizierung von Wärmetauschern
Wärmetauscher arbeiten nach den Gesetzen thermischer Systeme: Sie übertragen Wärme durch den Übergang thermischer Energie (Enthalpie) von einem Fluid auf ein anderes. Typische Anwendungen sind Heizen und Kühlen sowie die Verdampfung oder Kondensation ein- oder mehrkomponentiger Flüssigkeiten.
Üblicherweise erfolgt die Wärmeübertragung an den Oberflächen dünner Platten oder Rohre, die die Fluide voneinander trennen. Diese Wände verhindern eine Vermischung und ermöglichen eine bessere Kontrolle über die heißen und kalten Medien. Wärmetauscher mit getrennten Fluidströmen werden „Plattenwärmetauscher" oder „U-Rohr-Wärmetauscher" genannt.
Der wichtigste Punkt bei einem Wärmetauscher ist, dass er zur Übertragung von Wärme von einem Fluid auf ein anderes konstruiert ist und den thermodynamischen Gesetzen entspricht. Die am häufigsten eingesetzten Typen sind Rohrbündel- und Plattenwärmetauscher.
1.1. Festrohrbündel-Wärmetauscher
Bei diesem Modell werden zur Vergrößerung der wärmeleitenden Rohroberfläche zusätzliche Rippen eingesetzt; diese sind verschweißt und senken die Kosten bei gleichzeitig höherer Effizienz. Allerdings lassen sich die Rohrbündel nicht entfernen.
1.2. Herausnehmbare Rohrbündel
Für eine lange Lebensdauer oder zur Festlegung der Fluidposition können die Rohrbündel auf Anfrage entnommen, gereinigt und wieder eingebaut werden. Die einfachste Lösung bei Verstopfungen ist das Ausbauen und Reinigen der Rohre; nach sorgfältiger Prüfung können sie ersetzt oder wieder montiert werden.
1.3. Gerade-Rohr-Wärmetauscher
Klemmen halten die Rohrbündel zusammen. Die andere Seite befindet sich frei in direktem Kontakt mit dem Fluid. Der schwimmende Teil wird mit Schrauben am Mantel befestigt, wodurch Leckagen und Rohrverformung verhindert werden. Dieser Typ überträgt die Enthalpie direkt; gespeicherte thermische Energie wird über die gesamte wärmeleitende Fläche bzw. Matrix abgegeben. Beispiele sind Heizkessel, Heizkörper, Kühltürme und Kondensatoren.
1.4. Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher bestehen aus zwei Blechplatten, die durch schmale Kanäle und Kunststoffdichtungen ein zusammengesetztes System bilden. Die Ecken der großflächigen Platten bilden die Ein- und Auslasspunkte der Strömung, während Muster und Strömungswege zwischen den Platten die Wärmeübertragungsfläche vergrößern. Die Fluide nehmen Wärme über die Oberflächen auf bzw. geben sie ab. Die Aufteilung in Kanäle ermöglicht den Wärmeaustausch zwischen heißen und kalten Medien ohne Vermischung. Dank der großen Wärmeübertragungsflächen werden sie häufiger eingesetzt als andere Typen.
1.5. Regenerative Wärmetauscher
In regenerativen Wärmetauschern strömt dasselbe Fluid auf beiden Seiten durch; dies ist sowohl bei Platten- als auch bei Rohrbündel-Wärmetauschern möglich. Das System erlaubt sehr hohe Fluidtemperaturen; in der Regel wird der austretende Strom zur Abkühlung des anderen genutzt. Aufgrund des zyklischen Betriebs wird nahezu die gesamte Wärme übertragen und Abkühlung erreicht. Zum Erreichen einer konstanten Temperatur ist nur wenig Energie nötig.
1.6. Adiabatische zylindrische Wärmetauscher
Bei diesem Typ befindet sich das zweite Fluid in der Mitte und steht in vollem Kontakt mit den Rohren, durch die das erste Fluid strömt, wodurch die Wärmeübertragung erfolgt. Die kreisförmig angeordneten Rohre erzeugen im zweiten Fluid eine große Wärmeübertragungsfläche.
Klassifizierung nach Funktion
Nach Anzahl der Fluide
- 2 Fluide
- 3 Fluide
- N Fluide
Nach Wärmeübertragungsmechanismus
- Beidseitige einphasige Konvektion
- Einseitige einphasige Konvektion
- Beidseitige zweiphasige Konvektion
- Kombinierte Konvektion und Strahlung
Nach Art der Wärmeübertragung
- Direkter Kontakt
- Gas-Flüssigkeit
- Flüssigkeit-Dampf
- Nicht mischbar
- Indirekter Kontakt
- Direkte Übertragung
- Speichertyp
- Wirbelschicht
Nach Oberflächenkompaktheit
- Gas zu Flüssigkeit
- Kompakt (β > 700 m²/m³)
- Nicht kompakt (β < 700 m²/m³)
- Flüssigkeit zu Flüssigkeit
- Kompakt (β > 400 m²/m³)
- Nicht kompakt (β < 400 m²/m³)
Nach Bauweise
- Rohrwärmetauscher
- Doppelrohr
- Spiralrohr
- Rohrwendel
- Rohrbündel mit Mantel
- Plattenwärmetauscher
- Geschweißt
- Gedichtet
- Gelötet
- Spiral
- Gepresst
- Plattenwendel
- Erweiterte Oberfläche
- Platte mit Rippen
- Rohr mit Rippen
- Regenerativ
- Rotierend
- Feste Matrix
- Drehende Platten
Nach Strömungsführung
- Single-pass
- Gegenstrom
- Kreuzstrom
- Geteilter Strom
- Multi-pass
- Erweiterte Oberfläche
- Plattenwärmetauscher
- Rohrbündel mit Mantel
Konstruktion: Fläche, Rippen und Anschlüsse
Die Effizienz von Wärmetauschern hängt von wärmeleitenden Faktoren ab — Matrixmuster, Wärmeverteilungsverfahren, Düsen, Verteiler, Behälter, Rohre und Dichtungselemente. Der wichtigste dieser Faktoren ist die Wärmeübertragungsfläche: Je größer die Kontaktfläche der Fluide, desto höher die Wärmeübertragung. Daher ist die Maximierung der Oberfläche das zentrale Konstruktionsziel.
Andererseits müssen die Wärmeverteilungselemente isoliert werden, um Wärmeverluste zu vermeiden und so die Systemeffizienz zu steigern. Düsen, Kopfanschlüsse und ähnliche Elemente müssen mit den richtigen Drehmomenten verschraubt und korrekt montiert werden. Andernfalls verringert sich die Sicherheit des thermischen Systems, die Fluide vermischen sich und es entstehen Druckverluste. Die Betriebshandbücher der Wärmetauscher bilden die Grundlage für Wartung, Reparatur und sachgerechten Betrieb. Mit Ausnahme der rotierenden Modelle regenerativer Wärmetauscher haben die meisten Wärmetauscher keine beweglichen Teile; rotierende Modelle verwenden Motoren zur Erhöhung von Druck und Durchfluss.
Schon eine kleine Kontaktfläche zwischen den Grenzflächen reicht aus, um die Wärmeübertragung in Gang zu setzen — dies wird als direkte Flächenpermeabilität bezeichnet. Eine weitere Methode zur Steigerung der Wärmeübertragung ist der Einsatz von Rippen. Rippen werden in der Regel senkrecht (90°) zur Oberfläche angebracht und vergrößern die Übertragungsfläche, sodass bei gleicher Temperatur mehr Wärme übertragen wird. Als Nebeneffekt erzeugen sie an der Oberfläche Konvektion, geben Wärme über Strahlung ab und können zu Kondensation am Mantel führen. Dadurch sinkt der thermische Widerstand der Oberfläche.
Rippen erhöhen außerdem die Festigkeit der Matrix und ermöglichen den Einsatz dichterer, höher viskoser Fluide. Die Abstände zwischen den Rippen beeinflussen die Temperaturverteilung: Größere Abstände verringern den theoretischen Wirkungsgrad, senken jedoch den momentanen Druck und sorgen für eine kontinuierliche Zirkulation.
Bezeichnungskriterien
Wärmetauscher werden auf verschiedene Weisen benannt: nach dem Wärmeübertragungsverfahren, der Anzahl der Fluide, dem Übertragungsmechanismus, der Bauweise und der Strömungsführung. Ein weiteres Kriterium ist das Verhältnis von Wärmeübertragung zu Volumen; kompakte Wärmetauscher sind in dieser Hinsicht kleinere, praktischere Modelle. Auch Einsatzbranche, Komponententyp und Konstruktionsparameter führen zu unterschiedlichen Bezeichnungen. Der Fluidtyp (Gas-Gas, Gas-Flüssigkeit, Flüssigkeit-Flüssigkeit) ist ebenfalls ein verbreitetes Klassifikationskriterium.
2. Wärmeübertragungsprozess
Das Wärmeübertragungsverfahren wird grundsätzlich verwendet, um direkte und indirekte Wärmetauscher zu unterscheiden. In direkten Wärmetauschern erfolgt die Wärmeübertragung durch Mischung der Fluide — Kühltürme arbeiten nach diesem Prinzip. In indirekten Wärmetauschern hingegen vermischen sich die Fluide nicht; die Wärmeübertragung erfolgt über die trennenden Flächen.
2.1. Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher bestehen aus Platten mit eingeprägtem Matrixmuster und einem Rahmen. Die meist aus Edelstahl gepressten Platten sind besonders geeignet für die hygienisch anspruchsvolle Lebensmittelindustrie.
Die aktive Plattengeometrie ermöglicht das Matrix-Design und maximiert den Systemwirkungsgrad; dadurch erweitern sich die Einsatzbereiche. In Kombination mit einfacher Reinigung und Wartung sind Plattenwärmetauscher weltweit das am häufigsten eingesetzte Modell. Bei anspruchsvollen Anwendungen stellen sie eine Alternative zu anderen Bauformen dar. Das Funktionsprinzip ist die natürliche thermische Leitung. Zu den variablen Konstruktionsparametern gehören Plattentyp (schmal oder breitflächig), Plattenqualität (AISI 304, AISI 316, Titan) und Plattenzahl, die je nach Anwendung festgelegt werden. Im Vergleich zu Rohrbündel-Wärmetauschern sind Auslegung und Berechnung einfacher.
2.2. Vor- und Nachteile von Plattenwärmetauschern
Vorteile:
- Die Gegenstrom-Auslegung ist günstig und ermöglicht eine kleinere Wärmeübertragungsfläche.
- Die unterschiedlichen Plattendesigns bieten einen großen Spielraum bei der thermischen Effizienz.
- Auf der Matrixfläche zwischen den Platten strömt das Fluid turbulent, was den Wärmeübergang erhöht.
- Da nur die Stirnseiten der Platten in Kontakt mit der Atmosphäre stehen, ist keine zusätzliche Isolierung erforderlich.
Nachteile:
- Bei Niederdruckgasen und -fluiden lassen sich nur schwer hohe Durchsätze erreichen.
- Für sehr hohe Drücke nicht geeignet: die zur Dichtung verwendeten Dichtungen werden bei hohem Druck und Temperatur beschädigt.
Die thermische Effizienz hängt unmittelbar vom Matrixdesign und den Eigenschaften des Fluids ab, das über die Matrixfläche strömt. Die Richtung des Gegenstroms und der Aufbau der thermischen Matrixfläche sowie eine schmale oder breite Matrixlänge sind die zentralen Parameter, die die Leistung eines Plattenwärmetauschers in einer bestimmten Anwendung bestimmen.
2.3. Druckverlustanalyse
Allgemeine Systemannahmen:
- Der Wärmetauscher arbeitet im stationären (Steady-State-)Betrieb.
- Über den Mantel oder Rahmen abgegebene Wärme ist sehr gering und vernachlässigbar.
- Es wird keine externe thermische Energiequelle benötigt.
- Bei Parallel- und Gegenströmen sind die momentanen Temperaturwerte regelmäßig.
- Der Wärmewiderstandskoeffizient ändert sich im gesamten Wärmetauscher nicht.
- Im Wärmetauscher findet kein Phasenwechsel der Fluide statt.
- Bei dichtem System verläuft die Wärmeübertragung im Gleichgewicht.
- Zeitunabhängige konstante Temperatur- und Positionswerte gewährleisten den globalen und lokalen Wärmeübergang.
- Die Strömung muss stationär und isotherm sein; die Fluideigenschaften sind zeitunabhängig.
- Die Ein- und Austrittstemperaturen des Fluids beeinflussen nur charakteristische Eigenschaften (z. B. Dichte).
- Die Druckpunkte sind unabhängig von der Strömungsrichtung des Fluids.
- Die auf den Wärmetauscher wirkenden äußeren Kräfte sind nur die Schwerkraft sowie — sofern vorhanden — elektrische und magnetische Felder.
- Nach dem Bernoulli-Prinzip muss die Strömung entlang der Stromlinie verlaufen.
- Die Oberflächenreibung (Oberflächenrauheit) wird über die gesamte Matrix als gleich angenommen.
Komponenten des Druckverlusts:
- Bei inkompressiblen Fluiden ist der Druckverlust proportional zur Oberflächenreibung und zum Strömungsweg.
- Der Druckverlust des Fluids steht in direktem Zusammenhang mit dem Wärmeübergangskoeffizienten, der Betriebsweise, der Plattengröße und den mechanischen Eigenschaften des Materials.
- Druckverluste lassen sich aus den Wärmetauschereigenschaften berechnen: Gesamtverlust entlang der Matrix, Ein- und Auslass-Rohrverbindungen, Köpfe und Verteiler; auch Verengungen an den Anschlüssen verursachen Druckverluste.
Fazit
Dank ihrer Designflexibilität und Weiterentwicklungsfähigkeit lassen sich Wärmetauscher nach den Anforderungen des Anwenders auslegen, mit anpassbaren Heiz- und Kühltemperaturbereichen. Diese Eigenschaften führen dazu, dass Wärmetauscher in Energie, Petrochemie, Logistik, Lüftung und Kühlung breite Anwendung finden.
