Um alle Funktionen dieser Seite zu nutzen, aktivieren Sie bitte die Cookies in Ihrem Browser.
my.chemie.de
Mit einem my.chemie.de-Account haben Sie immer alles im Überblick - und können sich Ihre eigene Website und Ihren individuellen Newsletter konfigurieren.
- Meine Merkliste
- Meine gespeicherte Suche
- Meine gespeicherten Themen
- Meine Newsletter
WärmeübertragerDer Wärmeübertrager oder Wärmetauscher ist ein Apparat, der Wärme bzw. thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt. Weiteres empfehlenswertes Fachwissen
EinteilungWärmeübertrager sind in eine dreigegliederte Klassifizierung der thermischen Vorgänge hinsichtlich der Wärmeübertragung geordnet:
Das Ausmaß der Wärmeübertragung ist im starken Maße von der geometrischen Führung beider Stoffströme zueinander abhängig. Die Führung der Stoffströme ist in drei Grundformen zu unterscheiden.
Auch Kombinationen der Grundformen sind gebräuchlich, da sich dadurch ihre Vorteile ergänzen.
Leistungsfähigkeit eines WärmeübertragersDer 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:
Dies ist die theoretisch erreichbare Obergrenze für den Gleichstrom-Wärmeübertrager. Die Realität bleibt dahinter zurück, da begrenzte Austauschflächen der Medien nur begrenztes Ausschöpfen der Wärmeunterschiede erlauben und die unvollständige Wärmedämmbarkeit der Anlage zu Energieverlusten an die Umgebung führt. Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstrom-Wärmeübertrager: Hier 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 die vollen 40K. Der Temperaturwirkungsgrad, in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt, vergleicht die vom realen Wärmeübertrager-Apparat erreichte Temperaturänderung mit der theoretisch möglichen. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10 °C) am Austritt des Wärmeübertragers 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 Wärmeübertrager fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet, dass der Temperaturwirkungsgrad von den Einsatzbedingungen abhängig ist. Damit sind einfache Angaben wie „Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 95 %.“ ohne weitere Angaben unvollständig und ergibt für sich allein keine verwertbare Aussage. Generell gilt, dass ein Gegenstrom-Wärmeübertrager bei ansonsten gleichen Bedingungen mehr Wärme überträgt als ein Gleichstrom-Wärmeübertrager. Der Grund liegt in der höheren mittleren Temperaturdifferenz des Gegenstrom-Wärmeübertrager längs der Fläche, welche für den höheren Wärmestrom entscheidend ist. In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 geprägt, um die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers zu charakterisieren. AusführungAllgemeinesFür eine gute Effizienz muss das Material, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitung und große Oberfläche aufweisen. Weiter 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. MaterialienWärmeübertrager bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch aus Kunststoff, Glas oder Siliciumcarbid. Im Klimabereich kommt überwiegend Kupfer und Aluminium aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz. 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. 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. BauformenEs werden hier nur die Bauformen von Wärmeübertragern für flüssige und gasförmige Medien behandelt: Wärmeübertrager für direkte Wärmeübertragung
Rekuperatoren
Regeneratoren
AnwendungenBeide Medien gasförmig
Ein Medium gasförmig, eines flüssig
Ein Medium gasförmig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig
Beide Medien flüssig
AndereFolgende Anwendungen gehören eigentlich nicht zu den Wärmeübertragern da hier die Wärme nicht zwischen zwei fließenden Medien übertragen wird: Erdwärmeübertrager, Halbrohrschlange, Kühlkörper, Radiator Siehe auch
LiteraturH. 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 |
|
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel Wärmeübertrager aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar. |