Wärmetauscher: Typen, Funktionsweise & Grundlegende Formeln

Was ist ein Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher ist ein Gerät, das Wärmeenergie effizient von einem Medium auf ein anderes überträgt, ohne dass sich die Medien direkt vermischen. Diese Geräte sind entscheidend für viele industrielle Prozesse und Anwendungen. Beispiele hierfür sind Kondensatoren (GL) und Verdampfer (LG).

Grundlegende Formeln für Wärmetauscher

Die Berechnung und Auslegung von Wärmetauschern basiert auf verschiedenen physikalischen Formeln:

• Wärmestrom (Q): q = m * Cp * Δt (Masse * spezifische Wärmekapazität * Temperaturdifferenz)
• Gesamtwärmeübertragung (Q): Q = U * A * Δt (Gesamtwärmeübergangskoeffizient * Fläche * Temperaturdifferenz)
• Energiebilanz: Mc * cpc * (Δtc) = Mf * CPF * (Δtf) (Masse des kalten Mediums * spezifische Wärmekapazität des kalten Mediums * Temperaturdifferenz des kalten Mediums = Masse des warmen Mediums * spezifische Wärmekapazität des warmen Mediums * Temperaturdifferenz des warmen Mediums)
• Weitere Beziehungen: ct = W1 + W2 * PC1 * CP2

Strömungsprinzipien in Wärmetauschern

Die Effizienz eines Wärmetauschers hängt maßgeblich von der Strömungsrichtung der beteiligten Medien ab:

Parallelstrom

Beim Parallelstrom fließen die internen und externen Medien in die gleiche Richtung. Dies führt zu einem geringeren Temperaturunterschied am Austritt und ist oft weniger effizient als der Gegenstrom.

Gegenstrom

Beim Gegenstrom fließen die Medien in entgegengesetzter Richtung. Dieses Prinzip ermöglicht eine maximale Wärmeübertragung und ist die effizienteste Strömungsanordnung, da ein konstanterer Temperaturunterschied über die gesamte Austauschfläche aufrechterhalten wird.

Kreuzstrom

Beim Kreuzstrom fließen die beiden Flüssigkeiten senkrecht zueinander. Diese Anordnung wird häufig verwendet, wenn keine Phasenänderung der Medien stattfindet.

Durchlaufarten

Einfach- und Mehrfachdurchlauf

• Einfachdurchlauf (Single Pass): Die Medien durchlaufen den Wärmetauscher nur einmal.
• Mehrfachdurchlauf (Multiple Pass): Die Medien durchlaufen den Wärmetauscher mehrmals, um die Wärmeübertragung zu intensivieren.

Wärmerückgewinnung und Regeneratoren

Regeneration

Die Regeneration ist ein Wärmeübertragungsprozess, bei dem ein Speichermedium (Regenerator) während eines Zyklus Wärme aufnimmt und während eines weiteren Zyklus wieder abgibt. Dies dient der effizienten Wärmerückgewinnung.

Rotationsregenerator

Bei einem Rotationsregenerator strömt abwechselnd warme und kalte Flüssigkeit durch denselben Raum, um eine maximale Wärmeübertragung zu ermöglichen. Ein rotierendes Speichermedium nimmt dabei kontinuierlich Wärme auf und gibt sie wieder ab.

Recycling-Konzepte

Ein Beispiel für ein Recycling-Konzept ist der Flüssigkeitskontakt in einem Kondensator-Speicher, der zur Wiederverwendung von Wärme oder Kälte dient.

Typen von Wärmetauschern

Es gibt verschiedene Bauarten von Wärmetauschern, die für unterschiedliche Anwendungen optimiert sind:

Doppelrohr-Wärmetauscher

Ein Doppelrohr-Wärmetauscher besteht aus zwei konzentrischen Rohren. Das innere Rohr führt ein Medium (z.B. kaltes Fluid, das Wärme aufnimmt), während das äußere Rohr ein anderes Medium (z.B. warmes Fluid, das Wärme abgibt) führt. Sie bieten eine gute Leistung, sind aber in ihrer Anwendung oft begrenzt.

Spiralrohr-Wärmetauscher

Spiralrohr-Wärmetauscher bestehen aus einem oder mehreren spiralförmig gewickelten Rohren. Sie benötigen oft einen hohen Flüssigkeitsdruck, was zu einem erheblichen Druckabfall führen kann.

Mantel- und Rohrbündelwärmetauscher

Mantel- und Rohrbündelwärmetauscher sind weit verbreitet und eignen sich für hohe Drücke sowie für saubere Industrieflüssigkeiten. Sie bestehen aus einem zylindrischen Mantel, in dem ein Bündel von Rohren angeordnet ist. Die Flüssigkeiten strömen getrennt durch den Mantel und die Rohre. Typische Konfigurationen sind 1-2 oder 2-4 (Anzahl der Mantel- und Rohrdurchläufe).

Spezifikationen und Nummerierung

Die Spezifikation dieser Wärmetauscher umfasst typischerweise:

1. Innendurchmesser des Mantels
2. Länge der Rohre
3. Art des oberen Kopfes (Kapsel)
4. Art des Mantels
5. Art des hinteren Kopfes (Kapsel)

Plattenwärmetauscher

Plattenwärmetauscher bestehen aus vielen dünnen, eng aneinanderliegenden Platten, die durch Dichtungen voneinander getrennt sind. Zwischen den Platten strömen abwechselnd heiße und kalte Flüssigkeiten, ohne sich zu vermischen. Sie sind bekannt für ihre hohe Effizienz und Kompaktheit.

Spezialfall: Kontaktfreie Plattenwärmetauscher

Bei dieser Bauart gibt es keinen metallischen Kontakt zwischen den Platten. Sie werden häufig zur Kühlung/Heizung von faserhaltigen Produkten oder zur Milchpasteurisierung eingesetzt, wo eine Kontamination vermieden werden muss.

Vergleich: Platten- vs. Mantel- und Rohrbündelwärmetauscher

Beide Typen haben spezifische Vor- und Nachteile:

Vorteile Plattenwärmetauscher:

• Geringere Verschmutzung der Austauschoberfläche und Vermeidung von Totzonen durch turbulente Strömung.
• Hohe Flexibilität und einfache Anpassung durch Hinzufügen oder Entfernen von Platten.
• Leichte Reinigung und Wartung.
• Sehr kompakte Bauweise.

Nachteile Plattenwärmetauscher:

• Begrenzte Einsatzbereiche hinsichtlich Temperatur (typisch bis ca. 300 °C) und Druck (typisch bis ca. 20 bar).
• Höheres Risiko von externen Leckagen aufgrund der vielen Dichtungen.
• Benötigen oft zusätzliche Sicherheitsventile.

Spiralwärmetauscher

Spiralwärmetauscher bestehen aus zwei spiralförmig gewickelten Kanälen, die aus geschweißtem Metall gefertigt sind. Ein Kanal führt das heiße Medium, der andere das kalte, wodurch eine effiziente Wärmeübertragung über die gesamte Länge der Spirale gewährleistet wird. Ihre Vorteile umfassen: Selbstreinigungseffekt, einfacher Zugang für Wartung und geringer Platzbedarf.

Graphit-Wärmetauscher

Graphit-Wärmetauscher bestehen aus einer kompakten Graphitmasse mit zahlreichen Kanälen, durch die die zirkulierenden Flüssigkeiten strömen. Sie sind besonders korrosionsbeständig und eignen sich daher für aggressive Medien.