Wärmeuebertrager für Pflanzenöl (Poel)
Durch einen Wärmeuebertrager - umgangssprachlich auch Wärmetauscher - kann ein Medium Wärme an ein
anderes Medium übertragen.
Temperaturgefaelle
Die umgangssprachliche Bezeichnung
Wärmetauscher ist irrefuehrend, weil zwei
Koerper nicht Wärme austauschen, sondern
Wärme von dem einen auf den anderen
übertragen wird.
Ein Temperaturgefaelle ist dazu immer
notwendig; je groesser das Temperaturgefaelle,
desto groesser die Waermemenge, die je
Zeiteinheit und Flaeche übertragen werden
kann.
Offene System
Durch das Gegenstromprinzip (das kalte Medium fliesst entgegen dem warmen Medium), lässt sich auch ein
Aufheizen über das mathematische Mittel erreichen, da hier das zu Anfang sehr kalte, zu erhitzende Medium durch
das schon abgekuehlte erwaermende Medium vorgewaermt wird. |
Plattenwärmetauscher: Beim Gegenstromprinzip kann
das Zielmedium waermer als das
mathematische Mittel werden |
Leistungsfaehigkeit eines Waermeuebertragers
 Die Angabe eines Wirkungsgrades im Sinne des ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist für einen Wärmeuebertrager
nicht sinnvoll. Die vom einen Stoffstrom abgegebene thermische Leistung wird im stationaeren Betrieb vom anderen Stoffstrom vollstaendig aufgenommen (wenn man von Verlusten an die Umgebung durch unvollstaendige
Waermedaemmung absieht). Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz, damit waere der Wirkungsgrad 100%.
In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 gepraegt, um die Leistungsfaehigkeit eines Waermeuebertragers
zu charakterisieren.
Die Leistungsfaehigkeit eines Waermeuebertragers ist offensichtlich dann gross, wenn er in der Lage ist, den zu
erwaermenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwaermen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukuehlen. Eine
natürliche Grenze hierfuer wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer
vom warmen zum kalten Stoffstrom fliesst. Hierzu ein Beispiel: Man stelle sich zwei Wasserstroeme vor, von denen
der eine eine Temperatur von 50°C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe.
Weiterhin seien beide Wasserstroeme gleich gross, beispielsweise 1 kg/s. Mische ich nun beide Wasserstroeme, so
bekomme ich 2 kg/s Wasser von 30°C. Dies stellt gleichzeitig die theoretische Obergrenze für den
Gleichstromwaermeuebertrager dar.
Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstron-Wue: Es ist offensichtlich nicht möglich, den kalten Wasserstrom auf
eine höhere Temperatur zu bringen als den warmen, also 50°C (weil sonst eben Wärme von der kalten zur warmen
Seite fliessen muesste). Die maximal moegliche Temperaturerhoehung beträgt dann also 40°C.
Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rueckwaermzahl genannt)ist nun so definiert, dass er die
mit dem realen Apparat erreichte Temeperaturaenderung zu der theoretisch moeglichen in Beziehung setzt. Für das
Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwaermende Wasser (Eintritt: 10°C) am Austritt aus dem Wue bis auf 48°C
erwärmt ist, also um 38°C waermer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 = 95%.
Erhoeht man nun die die Wassermenge, die sekuendlich durch den Wue fliesst, so aendert sich auch die erreichbare
Temperaturaenderung. Das bedeutet:
Der Temperaturwirkungsgrad ist von den Einsatzbedingungen abhaengig.
Damit ist eine Angabe wie "Der Wärmeuebertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 85%" unsinnig.
Ausführung
Wärmeuebertrager sind grossflaechig gestaltete Koerper, in den meisten Faellen aus Metall, jedoch auch Kunststoff oder
Glas.
In der Ausführung als so genannte Kühlkörper bestehen diese aus einem gut waermeleitenden Metall wie Kupfer,
Aluminium oder auch Silber. Anwendung finden diese Elemente vorrangig in der Leistungselektronik oder auch auf
Prozessoren handelsueblicher Computer. Neuerdings werden dort auch Heatpipes eingesetzt.
In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Bestaendigkeit der Materialien
benötigt wird.
Heizkoerper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss hergestellt.
Bei der Konstruktion von Waermetauschern wird gundsaetzlich versucht, bei geringem Bauraum eine möglichst grosse
Oberflaeche zu erzeugen. Anschauliche Beispiele finden sich an den Rippen des Heizkoerpers, den Kuehlschlangen an
der Rueckseite eines Kuehlschrankes oder einer Klimaanlage, dem Kuehler des Autos. Der "Gegenspieler" der grossen
Oberflaeche ist die Notwendigkeit einen möglichst guten (also widerstandsarmen) Durchfluss der Medien (Flüssigkeit
oder Gas) zu gewaehrleisten.
Wird z.B. das Rohr einer Kuehlschlange mit zu geringem Durchmesser ausgefuehrt, kann man zwar sehr viele Meter in
den Wärmetauscher packen, der Durchmesser wirkt sich jedoch in der vierten Potenz auf den Durchflusswiderstand
aus. Man erhaelt einen hervorragend Wärme tauschenden Apparat, für den man jedoch einen (temperaturerhoehenden)
Kompressor braucht, um den Durchfluss zu ermöglichen.
Beispiele von Waermeuebertraegern
Es gibt unterschiedliche Bauweisen von Waermeuebertraegern, z.B.
Heizkoerper: Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, dadurch werden grosse
Oberflaechen erzielt.
Kuehlschlange im und an der Rueckwand von Kuehlschraenken.
der Wärmeuebertrager in einem Waeschetrockner ohne Abluftanschluss.
Kühlkörper aus Aluminiumblech als aufsteckbare Kuehlsterne oder durch Aluminium-Druckguss hergestellten
Profile sind zur Kuehlung von Leistungshalbleitern weit verbreitet. Beispiel: Endstufen von HiFi-Verstaerkern
Kondensatoren in Klimaanlagen
Abgaswaermetauscher in industriellen Anlagen
Rohrbuendelwärmeüberträger
Plattenwärmeüberträger
Rotationswärmeüberträger
Spiralwärmeüberträger
Erdwärmeüberträger |
