Wärmetauscher

Ein Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager genannt, überträgt thermische Energie auf einen anderen Stoff. Entsprechend der Art der Wärmeübertragung gibt es drei Klassen:

  • direkte Wärmeübertragung als kombinierte Wärme- und Stoffübertragung bei trennbaren Stoffen (z. B. Nasskühltürme)
  • indirekte Wärmeübertragung mit einer räumlichen Trennung der Stoffe durch wärmedurchlässige Wand (Rekupatoren wie z. B. Plattenwärmeübertrager, Rohrwärmetauscher, Mantelrohrwärmeübertrager der Heiz- bzw. Kühlregister)
  • halbindirekte Wärmeübertragung mit der Nutzung eines Wärmespeichers, der durch die Stoffe zeitversetzt aufheizt und abkühlt (Regeneratoren)

Je nach chemischem Zustand der Medien unterscheidet sich die Anwendung:

  • Bei der Abgaswärmenutzung und der Abluftwärmenutzung zur Wärmerückgewinnung in Industrieanlagen, im Ladeluftkühler oder bei der Schaltschrankkühlung sind beide Medien gasförmig.
  • In Klimaanlagen, Konvektorenheizungen, Dampfkesseln, der Wärmerückgewinnung in Gasthermen oder der Wärmerückgewinnung in klimatisierten Gebäuden ist ein Medium gasförmig, das andere flüssig.
  • Bei der Kondensation in Dampfturbinen, der Verdampfung in Dampfkesseln, der Wärmeabgabe über die Kühlanlage von Kühlschränken, Kondensationswäschetrocknern oder die Verdampfung des Kältemittels in Klimaanlagen ist ein Medium gasförmig und das andere im Phasenübergang gasförmig oder flüssig. Ähnlich verhält es sich im Verflüssiger von Wärmepumpen in Heizungsanlagen, in denen ein Medium flüssig, das andere im Phasenübergang gasförmig bzw. flüssig
  • Schließlich gibt es mit der Wärmeübertragung in Frischwasserstationen, Fernwärmenetzen, Speicherkesseln thermischer Solaranlagen und Meereswärmekraftwerken zwei flüssige Medien.

Für die Effizienz der Wärmeübertragung entscheidend ist die geometrische Führung der Stoffe zueinander. Man unterscheidet hier

  • Gegenstrom: Die Ströme laufen in entgegengesetzter Richtung parallel zueinander (z. B. bei der Wärmerückgewinnung). Voraussetzung ist hier eine gleiche Wärmekapazität der Ströme.
  • Gleichstrom: Die Ströme laufen in gleicher Richtung parallel zueinander.
  • Kreuzstrom: Diese Stromführung wird genutzt, um einen Strom auf eine festgelegte Temperatur zu kühlen bzw. zu erwärmen.
  • Wirbelstrom: Hier werden zwei Ströme miteinander verwirbelt - müssen im Anschluss jedoch wieder getrennt werden können.
  • Kreuzgegenstrom: Teilweise quere, teilweise gegeneinander laufende Ströme.

Neben der Stromführung sind die Wärmeleitfähigkeit sowie eine möglichst große Oberfläche wichtig für die Effizienz. Auch eine turbulente Strömung, wie sie z. B. durch hohe Strömungsgeschwindigkeit erzielt wird, wirkt sich positiv aus.

Je nach Einsatzort sind Wärmetauscher in der Chemieindustrie aus Emaillé, Kunststoff oder Glas gefertigt, im Industriebereich oft aus Stahl oder Edelstahl und im Klimabereich aus Kupfer oder Aluminium.