Alle Zeigefinger auf China?
Dieser Artikel lädt ein, Ansichten über die chinesischen CO2-Emissionen sowie über unsere Beiträge zum Klimaschutz zu überdenken.
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Definition: ein Apparat, der Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen kann
Ein Wärmetauscher (oder Wärmeübertrager) ist ein Apparat, der Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen kann.
In der Energietechnik wird eine breite Palette von unterschiedlichsten Wärmetauschern eingesetzt, von denen einige im Folgenden beschrieben werden:
- Ein Warmwasserspeicher kann einen Wasser-Wasser-Wärmetauscher in Form einer gewendelten Rohrschlange enthalten.
Durch diese wird bei Bedarf Wasser gepumpt, welches mit einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe erwärmt wurde.
Durch die Wandung der Rohrschlange wird dann Wärme auf das gespeicherte Wasser übertragen.
Das erwärmte Wasser steigt nach oben und zieht kühleres Wasser von unten nach.
Auf diese Weise kann ein Großteil des Speicherinhalts erwärmt werden, ohne dass das Warmwasser aktiv umgewälzt werden muss.
- Luft-Heizungssysteme enthalten häufig einen Luft-Wasser-Wärmetauscher, in dem Wärme von erhitztem Wasser auf einen Luftstrom übertragen wird.
Gewöhnliche Heizkörper können ebenfalls als solche Wärmetauscher betrachtet werden.
- Ein Heizkessel enthält einen Wärmetauscher für die Übertragung von Wärme der Verbrennungsgase auf das Heizwasser.
Brennwertkessel haben besonders effektive Wärmetauscher, die zu einer sehr niedrigen Abgastemperatur und einem hohen Wirkungsgrad führen, teilweise durch Kondensation des Wasserdampfs.
Beim Luft-Abgas-System (LAS-System) oder Luft-Abgas-Schornstein-System wird ein Wärmetauscher verwendet, in dem das Abgas die zugeführte Verbrennungsluft vorwärmt.
Das Abgas läuft durch ein Innenrohr, welches in das Rohr für die Frischluft eingebaut ist.
- Eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung enthält einen Luft-Luft-Wärmetauscher, in dem die kalte Frischluft der verbrauchten Abluft einen Großteil der enthaltenen Wärme (z. B. 75–90 %) entziehen kann.
Gebräuchlich sind beispielsweise Plattenwärmetauscher, bei denen die schmalen Zwischenräume einer Serie von Metall- oder Kunststoffplatten abwechselnd von Frischluft und Zuluft durchströmt werden.
Ebenfalls werden Rotationswärmeübertrager verwendet, bei dem die Teile eines langsam rotierenden Rohrs abwechselnd mit der Frischluft und der Abluft in Kontakt gebracht werden und die zu übertragende Wärme speichern.
- Manche Lüftungsanlagen enthalten einen Wärmetauscher, der zusätzlich auch Luftfeuchtigkeit zurückgewinnen kann.
Dies ist mit unterschiedlichen Prinzipien möglich, beispielsweise mit einem Rotationswärmeübertrager, bei dem Wasserdampf an der Oberfläche des rotierenden Rads adsorbiert und wieder abgegeben werden kann.
Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer Membran zwischen Abluft und Zuluft, die Wasserdampf durchlässt, nicht jedoch andere Bestandteile verbrauchter Luft.
Die Rückgewinnung auch von Feuchtigkeit ist oft energetisch vorteilhafter als die separate Luftbefeuchtung, weil sonst zusätzliche Verdampfungswärme benötigt wird.
Dieser energetische Effekt kann durch Betrachtung der Enthalpie erfasst werden.
Weil solche Wärmetauscher insbesondere eine verbesserte Enthalpiebilanz aufweisen, werden sie auch als Enthalpie-Wärmetauscher bezeichnet.
- Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe enthält mindestens zwei Wärmetauscher: einen am Verdampfer, mit dem der Außenluft Wärme entzogen wird, und einen anderen am Kondensator zur Übertragung der Wärme z. B. auf ein Zentralheizungssystem.
Bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe kann eine z. B. 100 m tief reichende Erdsonde als Wärmetauscher dienen, um Erdwärme aufzunehmen.
- Kühltürme von Kraftwerken sind große Wärmetauscher mit der Funktion, nicht nutzbare Abwärme an die Umgebungsluft abzugeben – bei Nasskühltürmen nicht nur als fühlbare Wärme, sondern auch als latente Wärme in verdampftem Wasser.
Bauarten von Wärmetauschern
Es gibt eine große Vielfalt von Bauarten für Wärmetauscher, die hier nicht erschöpfend behandelt wird.
Eine wichtige Unterscheidung bei Wärmetauschern für Wasser- oder Luftströme sei aber erläutert:
- In einem Gleichstrom-Wärmetauscher fließen die beiden Medien, die z. B. durch eine wärmeleitende Platte getrennt sind, in der gleichen Richtung.
Im Idealfall wird am Ende ein vollständiger Ausgleich der Temperaturen erreicht.
Die Endtemperatur liegt dann zwischen den beiden Eingangstemperaturen.
Beispielsweise könnten zwei gleich starke Wasserströme mit Eingangstemperaturen von 60 °C bzw. 20 °C zu einer gemeinsamen Auslasstemperatur von ca. 40 °C führen.
Die Temperaturangleichung ist mit einem Verlust an Exergie verbunden.
Abbildung 1:
In einem Gegenstrom-Wärmetauscher fließen die beiden Medien in entgegengesetzter Richtung, so dass im Prinzip ein kompletter Wärmeaustausch möglich ist.
- In einem Gegenstrom-Wärmetauscher fließen die beiden Medien in entgegengesetzter Richtung.
Hierdurch wird ein stärkerer Wärmeaustausch möglich.
Im Idealfall kann die Auslasstemperatur jedes Mediums annähernd der Einlasstemperatur des anderen Mediums entsprechen.
Beispielsweise könnten zwei gleich starke Wasserströme mit Eingangstemperaturen von 60 °C bzw. 20 °C dazu führen, dass der anfangs warme Strom auf 20 °C abgekühlt und der andere auf 60 °C aufgeheizt wird.
In diesem Extremfall würde praktisch keine Exergie verloren gehen.
- Ein Verhalten zwischen diesen Extremen tritt beim Kreuzstrom-Wärmetauscher auf, bei dem die beiden Stoffströme ca. im rechten Winkel zueinander strömen.
Es gibt auch Mischformen wie den Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher.
Leistungsmerkmale
Ein idealer Wärmetauscher würde nicht nur keine Wärme verlieren (etwa durch Wärmeleitung hin zur Außenluft), sondern auch die gesamte Exergie der Stoffströme erhalten.
Dies ist im Prinzip mit dem Gegenstrom-Wärmetauscher (siehe oben) annähernd möglich, wenn die Durchflussgeschwindigkeiten nicht zu hoch sind.
Es ist dann z. B. bei einer Lüftungsanlage möglich, dass die Abluft (mit der Raumtemperatur von 20 °C) die Wärme weitgehend auf die Frischluft mit z. B. 0 °C überträgt, so dass die Frischluft auf fast 20 °C vorgewärmt und die Abluft mit fast 0 °C entlassen wird.
Die Lüftungs-Wärmeverluste betragen bei guten Anlagen und kleinerer Leistungsstufe nur rund 10 % dessen, was ohne Wärmerückgewinnung verloren ginge.
Der sogenannte Temperaturwirkungsgrad (auch Rückwärmzahl genannt) ist dann rund 90 %.
Je besser die Wärmeleitung im Wärmetauscher funktioniert, desto höher dürfen die Stoffströme werden, ohne die Effizienz der Wärmeübertragung zu vermindern.
Hierzu können große Oberflächen ebenso beitragen wie dünne und Trennschichten aus gut wärmeleitendem Material (etwa Edelstahl).
Wärmetauscher müssen in aller Regel noch mehrere zusätzliche Anforderungen erfüllen:
- Die Strömungsverluste (Reibungsverluste der Stoffströme beim Durchgang) sollen möglichst gering sein, um den Energieaufwand für Pumpen oder Ventilatoren klein zu halten.
Ein Maß für die Strömungsverluste ist der Druckverlust bei einem bestimmten Volumenstrom.
- Ein Wärmetauscher muß einen bestimmten Temperaturbereich und evtl. eine gewisse Druckbelastung aushalten können.
- Verstopfung (z. B. durch Ablagerungen von Staub, Schmutz oder Kalk) müssen möglichst vermieden werden.
Gegebenenfalls sollte eine Reinigung einfach möglich sein.
- Die verwendeten Materialien sollten ggf. resistent gegen aggressive Stoffe sein, z. B. bei Brennwertkesseln gegen saures Kondensat.
- Häufig müssen die Stoffströme zuverlässig getrennt bleiben, um z. B. das Übertreten von Schadstoffen in die Raumluft zu verhindern.
- Eine kompakte und preisgünstig herzustellende Bauform ist oft wünschenswert.
Teilweise sind hier konstruktive Kompromisse nötig.
Beispielsweise haben Plattenwärmetauscher mit dünneren (und zahlreicheren) Kanälen einen besseren Wärmeübergang, dafür aber höhere Strömungsverluste, und kleine Bauformen begrenzen die Effizienz der Wärmeübertragung.
Siehe auch: Wärme, Abwärme, Lüftungsanlage
