Wärmetauscher
Ein Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager genannt, ist ein Gerät, das thermische Energie (Wärme) von einem Medium auf ein anderes überträgt. Dabei kommen die verschiedenen Medien nicht miteinander in Berührung. Wärmetauscher werden unter anderem in Heizsystemen, Lüftungsanlagen, Abwassersystemen und Solaranlagen angewendet.
Je größer die Wärmeleitfähigkeit und Oberfläche des Wärmetauschers ist, desto energieeffizienter arbeitet er. Wärme fließt dabei immer vom wärmeren Stoff zum kälteren. Ein Austausch der Energie im Wärmetauscher findet entweder zwischen zwei Flüssigkeiten (häufig Wasser), Gasen (Luft) oder zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas statt (Luft und Wasser) statt. Der Aggregatzustand des jeweiligen Mediums kann sich während des Prozesses phasenweise verändern.
Die wohl bekannteste Anwendung von Wärmeübertragern sind Heizungen in Wohngebäuden. Sie funktionieren so, dass warmes Wasser in den Heizkörper – den Wärmetauscher – geleitet wird, so das Metall erwärmt und seine Wärme an die Luft abstrahlt.
Tausch oder Übertragung?
Da eines der beiden Arbeitsmedien, die in der Wärmeübertragung involviert sind, Wärme abgibt und dadurch abkühlt und das andere Medium diese Wärme aufnimmt und dadurch erwärmt wird, ist die Bezeichnung Wärmetauscher oder auch Wärmeaustauscher eigentlich nicht korrekt. Schließlich findet kein Austausch, sondern vielmehr eine Übertragung statt. Als wissenschaftlich korrekt gilt daher nur die Bezeichnung Wärmeübertrager. Umgangssprachlich werden diese Apparate dennoch häufig Wärmetauscher oder Wärmeaustauscher genannt.
Arten und Funktionsweise
Bauformbedingt und hinsichtlich der verschiedenen Arbeitsmedien gibt es mehrere Arten von Wärmetauschern, die die Wärmeübertragung auf unterschiedliche Weise realisieren. Der Umfang der Wärmeübertragung ist beim Wärmeübertrager in erheblichem Maße abhängig von der Führung beider Stoffströme zueinander. Je nach Führung arbeiten Wärmetauscher zum Beispiel als Gegen-, Gleich- oder Kreuzströmer. Die beteiligten Flüssigkeiten oder Gase strömen hierbei in den meisten Fällen stofflich voneinander isoliert.
Wärmeübertrager mit direkter Wärmeübertragung
Die direkte Wärmeübertragung wird besonders für die Rückkühlung verwendet. Sie kommt beispielsweise bei Kraftwerken (Nasskühltürme) zum Einsatz.
Indirekte Wärmeübertragung / Rekuperatoren
In Rekuperatoren werden die Medien räumlich voneinander getrennt. Bei den Rekuperatoren, der am häufigsten eingesetzten Bauform, macht dies eine Trennwand möglich, das heißt sie besitzen für beide Medien je einen Raum. Doppelrohr-, Koaxial-, Rohrschlangen-, Rohrbündel-, Rohrregister-, Platten und Spiral-Wärmetauscher gehören technisch betrachtet zu den Rekuperatoren.
Regeneratoren
Regeneratoren werden intervallweise von Medien mit unterschiedlicher Temperatur durchströmt. Dafür werden meist Gase eingesetzt. Sie arbeiten diskontinuierlich. Ihr Wirkungsprinzip beruht darauf, dass sie abwechselnd vom heißen und vom kalten Medium durchströmt werden. Regeneratoren kommen insbesondere bei gasförmigen Medien zum Einsatz. Dabei wird die Wärmeenergie zwischengespeichert, um dann später von derselben Fläche an den anderen Luftstrom abgegeben zu werden.
In seltenen Fällen ist auch ein direkter Kontakt beider Medien möglich. So wird etwa in Kühltürmen, die für Rückkühlungen in Kraftwerken genutzt werden, warmes Wasser durch Umgebungsluft, zu der es direkten Kontakt hat, abgekühlt.
Strömungsformen
Wie hoch die ausgetauschte Energie in Form von Wärme ist, hängt auch von den sogenannten Stoffströmen ab. Hier gibt es fünf verschiedene Prinzipien, wie die unterschiedlichen Stoffe im Wärmetauscher geleitet werden.
Beim Gegenstrom fließen die Stoffe entgegengesetzt. Die Temperaturen der Stoffe sollen möglichst vollständig getauscht werden.
Gleichstrom leitet die Stoffe dementsprechend mit gleicher Fließrichtung. Bei diesem Prinzip sollen sich die Stofftemperaturen einander angleichen. In der Realität kommt es allerdings nie zu einer vollständigen Angleichung während des Austauschvorgangs.
Der Kreuzstrom ist eine Kombination der beiden ersten Strömungsprinzipien. Er ermöglicht es, eines der beiden Medien auf ein bestimmtes Temperaturniveau zu bringen.
Verschieden warme Stoffströme können auch verwirbelt werden, und so Energie austauschen. Die Leitung der Stoffe wird dann Wirbelstrom genannt. Bei der Verwirbelung zweier Stoffe ist eine technische Vorrichtung notwendig, um die unterschiedlich warmen Ströme nach der Wärmeübertragung auch wieder zu trennen.
Kreuzgegenstrom leitet die Stoffe sowohl aufeinander zu, als auch parallel. Das ermöglicht eine kompaktere und effizientere Bauweise als bei anderen Wärmetauschern.
Materialien
Wärmetauscher bestehen häufig aus Metall, Kunststoff, Glas oder Emaille. Häufig werden Aluminium oder Kupfer aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit verwendet. Für Anlagen mit hoher Beanspruchung findet auch Stahl Verwendung. Nichtmetallische Stoffe werden vorwiegend in der chemischen Industrie eingesetzt, um zu verhindern, dass die Fluide im Wärmetauscher das Metall angreifen.
Wärmetauscher in Wärmepumpen
Wärmetauscher sind ein elementarer Bestandteil von Wärmepumpen. Diese funktionieren nach dem Prinzip der Wärmeübertragung, entweder von Luft, Wasser oder einem anderen Medium auf ein Kältemittel, auch Arbeitsmedium genannt. Über einen weiteren Wärmetauscher wird das Arbeitsmedium verdampft und verdichtet, um seine Temperatur weiter zu erhöhen. Ein dritter Wärmeübertrager speist die Wärme in einen Heizkreislauf ein. Wärmepumpen sind sehr effizient und haben dadurch den Vorteil, umweltfreundlich Wärme bereitzustellen. Werden sie mit Ökostrom betrieben, sind die Heizungen sogar klimaneutral.
