Gleichstromwärmetauscher - Funktion

Wärmetauscher sorgen für die Temperaturübertragung von einem flüssigen oder gasförmigen Stoff auf ein zweites Medium und ermöglichen so eine ressourcenschonende Betriebsweise bei Heizungen, Kühlungsanlagen und anderen technischen Geräten. Entsprechend der Strömungsrichtung der Medien gibt es unterschiedliche Formen der Wärmetauscher – einer davon ist der Gleichstromwärmetauscher. Dieser weist im Vergleich zu anderen Bauweisen einige Besonderheiten auf.

Das Prinzip der Rekuperation

Je nach Bauweise gibt es Wärmetauscher zur direkten, indirekten oder halbindirekten Wärmeübertragung. Indirekte Wärmetauscher bezeichnet man auch als Rekuperatoren, halbindirekte als Regeneratoren. Letztere arbeiten mit einem Wärmespeicher, der abwechselnd vom kalten und warmen Stoff durchströmt wird.

Das Prinzip der Rekuperation bedeutet so viel wie Wiedergewinnung und bezeichnet in der Technik das Verfahren, um Energie zurückzugewinnen. Das kann in elektrischer, mechanischer oder thermischer Form erfolgen. Wärmetauscher entnehmen dem Abwasser oder der Abluft Wärme und nutzen sie für das Erwärmen von Frischwasser oder Zuluft.

Wärmetauscher arbeiten nach verschiedenen Verfahren:

• Kreuzstrom-Wärmetauscher: Hier liegen die Medien etwa im rechten Winkel zueinander.
• Gegenstrom-Wärmetauscher: Die Medien werden in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbeigeführt.
• Gleichstrom-Wärmetauscher

Gegenstrom-Wärmetauscher erzielen dabei die besten Ergebnisse. Hier geht kaum Wärmeenergie verloren und die sogenannte Exergie bleibt nahezu vollständig erhalten. Gleichzeitig kann die Temperatur der beiden Stoffe komplett umgekehrt werden.

Berechnung des Temperaturverlaufs

Bei Gleichstrom-Wärmetauschern strömen beide Medien in die gleiche Richtung, wobei der Temperaturunterschied eingangs groß ist. Am Ende haben sich die beiden Medien weitgehend angenähert. Bei einem Gleichstromwärmetauscher ist hier maximal das Erreichen der gleichen Temperatur möglich, d. h. das Mittel der beiden Temperaturen. Die Rechnung sieht damit wie folgt aus:

Temperaturdifferenz zu Beginn: ΔT_e (= T_w,e – T_k,e)

Temperaturdifferenz am Ende: ( ΔT_a=T_w,a-T_k,a)

mittlere Temperatur am Ende: T_m

Triebkraft des Gleichstromwärmetransportes ΔT=T_w-T_k, strebt am Ende gegen 0.

Quelle: http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/10/waermetransport/waermeaustausch/waermeaustausch.vlu/Page/vsc/de/ch/10/waermetransport/waermeaustausch/gleichstromwaermetauscher/gleichstromwaermetauscher.vscml.html

Die mittlere Temperaturdifferenz lässt sich dabei auch durch den logarithmischen Mittelwert angeben, indem man die Kennzahlen der Temperaturen nutzt:

Funktionsweise von Gleichstrom-Wärmetauschern

Bei Gleichstrom-Wärmetauschern werden zwei Medien in gleicher Richtung aneinander vorbei geleitet. Sie sind durch eine wärmeleitende Platte voneinander getrennt. Diese besteht für gewöhnlich aus einem Metall wie Edelstahl, Kupfer oder Aluminium, um die Wärme gut zu leiten. Im Optimalfall kann bei diesem Prinzip ein Angleichen der beiden Medien erfolgen, sodass am Ende beide die gleiche Temperatur aufweisen.

Plattenwärmetauscher

Eine weit verbreitete Bauweise sind die sogenannten Plattenwärmetauscher. Diese bestehen aus unter Vakuum miteinander verlöteten Edelstahlplatten, die dauerhaft miteinander verbunden sind. Das führt nicht nur zu einer dauerhaft hohen Druck- und Temperaturbeständigkeit, sondern diese Form der Wärmetauscher ist zudem sehr wartungsarm.

Daneben gibt es zahlreiche weitere Bauformen, z. B. mit Lamellen oder Spiralen, die sich jedoch nicht immer für das Gleichstromprinzip eignen.

Flüssige und gasförmige Stoffe

Bei den Medien in einem Wärmetauscher handelt es sich meistens um Wasser oder Luft, wobei auch ein Austausch zwischen den beiden Elementen erfolgen kann:

• beide Medien sind flüssig: Warmwasserbereitung durch Wärmerückgewinnung, Kühlung von Motoren, Wärmepumpen
• beide Medien sind gasförmig: Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung, Ladeluftkühler bei Verbrennungsmotoren, Schaltschrankkühlungen
• gasförmig und flüssig: klassische Heizkörper, Klimaanlagen, Kondensationswäschetrockner

Liegen zwei unterschiedliche Konsistenzen der Stoffe vor, ist auch der Übergang von einem in das andere Medium durch den Wärmetausch möglich. Bei Kühlschränken oder Dampfturbinen verändert sich der Stoff beispielsweise vom flüssigen in den gasförmigen Zustand, umgekehrt erzeugen Verflüssiger in Wärmepumpen von Heizungsanlagen flüssige Stoffe aus Dampf.

Einsatzgebiete von Wärmetauschern

Der Einsatz von Wärmetauschern ist in der alltäglichen Technik weit verbreitet. Beispielsweise folgende Anlagen nutzen das Prinzip der Rekuperation:

• Lüftungsanlagen
• Kälteanlagen
• Kraftwerke
• große Computeranlagen
• Feuerungsanlagen
• haustechnische Anlagen

Vorteil der Gleichstromführung

Grundsätzlich bieten Wärmetauscher den Vorteil, Energie zu nutzen, die andernfalls verloren gehen würde. Das steigert die Energieeffizienz und verringert den Einsatz von Rohstoffen. Wärmetauscher kommen dabei nicht nur der Umwelt zugute, sondern gleichzeitig reduziert ihr Einsatz die Betriebskosten, sodass sich teilweise auch der nachträgliche Einbau in eine bestehende Heizungsanlage lohnen kann.

Da zu Beginn eine große Temperaturdifferenz herrscht, kann in kurzer Zeit eine große Wärmemenge übertragen werden. Damit kommen Gleichstrom-Wärmetauscher immer dann zum Einsatz, wenn eine schnelle und sichere Kühlung gefragt ist. Möglich ist hier beispielsweise ein Einsatz bei temperaturabhängigen Gleichgewichtsreaktionen, damit sich kein Gleichgewicht bei einer niedrigeren Temperatur einstellt. Die hohen Temperaturunterschiede können sich mit der Zeit allerdings negativ auf das Material auswirken.

Planung und Installation von Wärmetauschern

Damit der Einbau eines Wärmetauschers für die maximalen Einsparungen sorgt und möglichst viel thermische Energie nutzbar macht, empfiehlt es sich, Fachpersonen mit ausgewiesener Expertise zur Planung und Installation zu beauftragen. Diese sind gleichzeitig in der Lage, die Summe der tatsächlichen Einsparungen zu ermitteln. Unsere Expert:innen von Etapart beraten Sie gern rund um das Thema Wärmetauscher.

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