Wärmetauscher: Arten und Funktion der Wärmeübertrager für die Industrie

Wärmetauscher (auch Wärmeübertrager) sind technische Bauteile, die Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen. Sie sind in verschiedenen Arten erhältlich und wichtig für die Funktion verschiedenster Anlagen. Ganz gleich, ob es sich um ein Kraftwerk, ein Industrieunternehmen oder ein Schiff auf hoher See handelt: Ohne die Wärmetauscher sind viele Prozesse nicht denkbar. Doch wie funktionieren die Bauteile? Welche Arten gibt es und wann kommen diese zum Einsatz? Im folgenden Ratgeber beantworten wir die wichtigsten Fragen zu Wärmeübertragern für die Industrie.

Rohrbündel-Wärmetauscher im Schnitt-Modell
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Funktionsweise der Wärmetauscher verständlich erklärt

Wärmetauscher haben die Aufgabe, thermische Energie von einem Medium auf ein anderes zu übertragen. Möglich ist dabei die Energieübertragung von Gasen auf Flüssigkeiten, von Flüssigkeiten auf Flüssigkeiten oder von Flüssigkeiten auf Gase.

Damit das funktioniert, fließen beide Medien durch den gleichen Wärmetauscher, wo sie eine gemeinsame Grenzschicht passieren. An der sogenannten Wärmeübertragerfläche geht thermische Energie dann von dem Medium mit dem höheren Temperaturniveau auf das Medium mit dem niederen Temperaturniveau über. Abhängig davon, in welche Richtung dieser Prozess abläuft, spricht man vom Heizen (betrachtetes Medium nimmt Wärme auf) oder vom Kühlen (betrachtetes Medium gibt Wärme ab).

Wie viel Wärme sich übertragen lässt, hängt vor allem von der Größe der Übertragerfläche ab. Denn bei sonst gleichen Bedingungen nimmt die Leistung der Wärmetauscher mit deren Größe zu. Wichtig ist darüber hinaus auch das Material, das einen möglichst geringen Wärmedurchlasswiderstand aufweisen muss. Günstig sind also gut Wärme leitende Materialien, die den eingesetzten Medien standhalten.

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Wenn Unternehmen Tankcontainer mieten, müssen sie sich in der Regel nicht um Wartungs- und Prüfaufgaben kümmern. Diese übernehmen Vermieter als Eigentümer der Behälter. Mieter profitieren dabei von einem einfachen Handling und einem hohen Maß an Sicherheit.

Verschiedene Arten der Wärmeübertrager im Überblick

Abhängig von Ihrem Aufbau lassen Verschiedene Arten der Wärmeübertrager im Überblicksich Wärmetauscher grundsätzlich drei Kategorien zuordnen. Am weitesten verbreitet sind Rekuperatoren. Dabei handelt es sich um Wärmetauscher, die zwei Medien ohne stoffliche Trennung aneinander vorbeileiten. Typische Beispiele dafür sind Platten- oder Rohrbündelwärmeübertrager.

Den kompletten Gegenentwurf zu Rekuperatoren stellen direkte Wärmeübertrager dar. Diese bringen zwei Medien direkt in Kontakt miteinander und kommen beispielsweise in der Kraftwerkstechnik zum Einsatz. Typische Vertreter sind Rückkühltürme, bei denen Wasser in Kontakt mit Außenluft kommt.

Zwischen Rekuperatoren und direkten Wärmetauschern gibt es auch Regeneratoren. Diese bestehen aus einem speicherfähigen Körper, der sich abwechselnd durch beide Medienströme bewegt. Auch wenn sich letztere dabei nicht vermischen, gibt es dennoch keine stoffliche Trennung. Denn einige Partikel (vor allem Feuchte) gelangen mit der thermischen Energie in den anderen Medienstrom. Ein Beispiel für Regeneratoren sind Enthalpie-Wärmetauscher (auch Wärmeräder). Dies kommen vor allem bei der Raumklimatisierung zum Einsatz, um neben Wärme auch Feuchte zurückgewinnen zu können.

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Plattenwärmetauscher bestehen aus miteinander verbundenen Platten

Plattenwärmetauscher sind Rekuperatoren, die aus mehreren übereinander angeordneten Platten bestehen. Diese sind entweder geschraubt, geschweißt oder gelötet und bilden verschiedene Kanäle. Strömen Medien wechselweise durch diese hindurch, geht thermische Energie an den Platten vom wärmeren auf das kältere Medium über. Von Vorteil ist die Wärmetauscher-Bauart dabei, da sie bei kompakten Abmessungen große Übertragerflächen ermöglicht. Weitere Informationen zu den Wärmeübertragern geben wir auf der Detailseite zu Plattenwärmetauschern.

Rohrbündelwärmetauscher bestehen aus ineinander verlaufenden Rohren

Rohrbündelwärmeübertrager bestehen aus mehreren Rohren, die in einem größeren Mantelrohr verlaufen. Während ein Medium durch die inneren Rohre strömt, fließt ein anderes durch das Mantelrohr. Die Oberflächen der Innenrohre wirken als Übertragerfläche und garantieren einen zuverlässigen Betrieb der Rekuperatoren. Die Apparaturen kommen dadurch zwar mit Schwebstoffen zurecht, nehmen insgesamt aber mehr Platz ein. Weitere Informationen zu den Wärmeübertragern geben wir auf der Detailseite zu Rohrbündelwärmetauschern.

Rippenrohrwärmetauscher bestehen aus Rohren mit aufgesetzten Rippen

Auch Rippenrohr- oder Lamellenwärmetauscher gehören der Kategorie der Rekuperatoren an. Sie bestehen einfach beschrieben aus einem teilweise mehrfach umgelenkten Rohr, an dem Lamellen befestigt sind. Während die Rohre von einem Medium durchflossen werden, strömt Luft an den Lamellen vorbei, um Wärme aufzunehmen (Bsp.: Heizregister) oder thermische Energie abzugeben (Bsp.: Kühlregister). Weitere Informationen zu den Wärmeübertragern geben wir auf der Detailseite zu Lamellenwärmetauschern.

Rotationswärmeübertrager bestehen aus beweglichen Wärmespeichern

Rotations- oder auch Enthalpie-Wärmetauscher gehören zur Kategorie der Regeneratoren. Sie bestehen einfach beschrieben aus zahlreichen Röhrchen, die zu einem großen Rad zusammengefügt sind. Letzteres dreht sich im laufenden Betrieb, wobei die Röhrchen abwechselnd den warmen und den kalten Bereich durchlaufen. Während das passiert, nehmen sie Wärme auf, um diese zusammen mit Feuchtigkeit aus der Luft an das kältere Medium abgeben zu können.

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Betriebsweise, Material und besondere Anforderungen

Neben der Bauart kommt es häufig auf weitere Eigenschaften an, wenn Sie einen Wärmetauscher mieten oder kaufen möchten. Dazu gehört bei Rekuperatoren unter anderem die Durchströmung. Weitere Faktoren sind die eingesetzten Materialien und deren Beständigkeit gegenüber den Arbeitsmedien und -temperaturen.

Strömungsrichtung der Medien beeinflusst Wärmeübertrager- Effizienz

Ob zwei Medien nebeneinander oder in entgegengesetzte Richtung aneinander vorbeiströmen, hat einen großen Einfluss auf die Effizienz der Wärmetauscher. Denn es verändert die Temperaturen, die in den Bauteilen herrschen. In der Praxis unterscheiden Experten dabei vor allem den Gleichstrom, den Gegenstrom, den Kreuzstrom und den Kreuzgegenstrom. Was das bedeutet und wann welche Strömung im Wärmeübertrager zum Einsatz kommt, zeigt die folgende Tabelle.

Strömungsart im WärmetauscherBeschreibung und Einsatz
GleichstromGleichstrom-Wärmeübertrager leiten beide Medien in gleicher Richtung nebeneinanderher. Die Temperaturen gleichen sich dabei an, wobei das anfangs wärmere Medium auch nach der Übertragung noch wärmer ist. Vor allem zu Beginn herrscht jedoch eine große Temperaturdifferenz. Diese belastet die eingesetzten Materialien, sorgt aber für ein anfangs sehr hohe Übertragerleistung. Zudem werden ungewollte Über- oder Untertemperaturen vermieden, was in der Praxis prozesstechnisch nötig sein kann.
GegenstromGegenstrom-Wärmeübertrager leiten beide Medien in entgegengesetzter Richtung parallel aneinander vorbei. Das sorgt für einen hohen thermischen Wirkungsgrad und dafür, dass beide Medien ihre Temperatur annähernd wechseln. Das erste Medium nimmt dabei fast die Temperatur des zweiten ein und andersherum. Sinnvoll ist das, wenn es um die Übertragung hoher Temperaturniveaus geht.
KreuzstromDer Kreuzstromwärmetauscher ist ein Kompromiss aus Gleich- und Gegenstromwärmeübertrager, da er beide Medien gekreuzt aneinander vorbeiführt. Das ermöglicht einen höheren Wirkungsgrad, wobei die Endtemperatur nicht überschritten wird. Interessant sind die Anlagen daher, wenn Medien auf bestimmte Temperaturen gekühlt werden müssen oder der Platz am Einsatzort zu knapp ist, um einen Gegenstromapparat unterzubringen.
KreuzgegenstromEin Kreuzgegenstromwärmetauscher leitet beide Medien zunächst quer aufeinander zu, bevor diese im Mittelteil in entgegengesetzte Richtung parallel aneinander vorbeifließen. Da die Anlagen kompakter sind und Gegenstromwärmetauschern ähneln, kommen sie vor allem bei knappen Platzverhältnissen zum Einsatz.
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Eingesetzte Materialien beeinflussen mögliche Temperaturen und Medien

An die Materialien der Wärmeübertrager sind einige Anforderungen gestellt. Zum einen müssen sie Wärme sehr gut von einem Medium auf ein anderes übertragen. Zum anderen müssen Sie den eingesetzten Stoffen und Medien standhalten. Um beiden Vorgaben gerecht zu werden, kommen unter anderem folgende Stoffe zum Einsatz:

  • Stahl
  • Aluminium
  • Kupfer
  • Verzinkter Stahl
  • Edelstahl

Darüber hinaus kommen auch Sonderwerkstoffe wie Titan oder höher legierte Edelstähle zum Einsatz, wenn das aus prozesstechnischen Gründen erforderlich ist.

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Einsatz der Wärmetauscher in Industrie und Technik

Zum Einsatz kommen Wärmeübertrager immer dann, wenn Medien sowie Prozesse zu erhitzen oder zu kühlen sind. Typische Beispiele sind dabei:

Die Liste erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Sie zeigt aber, wie groß und vielfältig das Einsatzfeld der Wärmeübertrager ist.

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Wärmetauscher berechnen und auslegen: Darauf kommt es an

Wollen Sie einen Wärmeübertrager kaufen oder mieten, kommt es auf die passgenaue Auslegung an. Diese beginnt mit der Berechnung des Wärmestroms. Auf dieser Basis ist die Übertragerfläche zu ermitteln, bevor es um die Auslegung der Materialien und die Detailplanung der Wärmeübertrager geht.

Schritt 1: Erforderlichen Wärmestrom am Rekuperator berechnen

Zur Berechnung der Bauteile nehmen Experten in einem ersten Schritt die wichtigsten Anlagenparameter auf. Sie erfragen, welche Medien im Einsatz sind, mit welchen Masseströmen zu rechnen ist und wie die Temperaturdifferenz ausfallen soll. Auf dieser Basis ist es möglich, den erforderlichen Wärmestrom zu berechnen. Dazu kommt folgende Gleichung zum Einsatz:

  • Wärmestrom berechnen: Q = m x c x dt

„Q“ steht dabei für den Wärmestrom oder die Leistung in Watt bzw. Kilowatt (W bzw. kW). „m“ symbolisiert den Massenstrom des Mediums in Kilogramm pro Stunde (kg/h) und „c“ dessen Wärmespeicherfähigkeit in Kilojoule pro Kilogramm und Kelvin (kJ/kg*K).

Schritt 2: Wärmeübertragerfläche der Lamellenpakete berechnen

Steht der Wärmestrom fest, können Experten den Wärmetauscher auslegen. Einen Schwerpunkt stellt dabei die Berechnung der Wärmeübertragerfläche dar. Dazu kommt folgende Gleichung zum Einsatz:

  • Wärmeübertragerfläche berechnen: A = Q / (k * dT)

„A“ steht dabei für die benötigte Wärmeübertragerfläche. Das „k“ symbolisiert den Wärmedurchgangskoeffizient und „dT“ die Temperaturdifferenz der beiden Medien. Während der Wärmedurchgangskoeffizient vom Aufbau des Wärmeübertragers abhängt, ist bei der Temperaturdifferenz die logarithmische Temperaturdifferenz anzusetzen. Abhängig von der Art des Wärmetauschers kann es nötig sein, diese außerdem mit einem Korrekturfaktor zu multiplizieren.

Schritt 3: Den neuen Wärmeübertrager auslegen und Kosten kalkulieren

Mit den zuvor gesammelten und berechneten Daten können Experten nun den Wärmetauscher auslegen. Dazu wählen sie die individuell benötigten Materialien. Sie ermitteln die Größe der Bauteile, planen den Verlauf der Leitungen sowie die nötigen Anschlüsse und kalkulieren, wie viel der Rekuperator kosten wird.

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Regelmäßige Wartung für konstante Leistung der Wärmeübertrager

Hohe Temperaturen, aggressive Medien oder andere Inhaltsstoffe belasten Wärmeübertrager stark. Die Bauteile altern und verlieren über kurz oder lang an Leistung. Verhindern lässt sich das durch regelmäßige Kontrollen sowie Reinigungsintervalle. Wann und wie oft eine solche Wartung am Wärmetauscher nötig ist, hängt dabei von den individuellen Gegebenheiten ab. Anbieter prüfen diese und geben eine Empfehlung. Dass Wartungsarbeiten oder Reparaturen anstehen, erkennen Sie an den folgenden Anzeichen:

  • Fouling der Wärmetauscher: Mit der Zeit lagern sich Stoffe an den Oberflächen der Wärmeübertrager ab und die wirksame Übertragungsfläche schrumpft. Es kann zu einem verminderten Durchfluss kommen und die Leistung nimmt spürbar ab. Gründe für das sogenannte Fouling sind Ablagerungen, Austrocknungen, Einbrennungen oder Verkalkungserscheinungen. Auch die falsche Montage kann zum Fouling beitragen.
  • Undichte Dichtungen: Zwischen je zwei Platten befindet sich in der Regel eine Dichtung. Diese verhindert das Austreten der eingesetzten Medien und ermöglicht es, ausreichend große Kanäle für die Durchströmung zu bilden. Sind die Dichtungen defekt, spröde oder falsch montiert, kommt es zu Undichtigkeiten und die eingesetzten Medien treten aus.
  • Durchbrüche am Übertrager: Mit der Zeit kann es dazu kommen, dass Platten und Rohrwandungen durchbrechen. Davon sprechen Experten, wenn sich Löcher oder Risse zwischen zwei voneinander getrennten Bereichen bilden. Während das zu einem Medienverlust führt, lässt sich auch die stoffliche Trennung nicht mehr garantieren.

Die regelmäßige Wartung hilft, die genannten Probleme rechtzeitig zu erkennen. Sie sorgt für eine anhaltend hohe Leistung, eine lange Standzeit und beugt hohen Reparaturkosten vor.

Druckprüfung zeigt Leckagen am Wärmetauscher zuverlässig an

Sinkt die Leistung oder kommt es zum Kühlwasserverlust, liegt häufig eine Leckage vor. Dabei kommt es zur Durchmischung beider Medien und Reparaturen sind erforderlich. Sicherheits-Rohrbündelwärmetauscher verhindern das, da sie über einen Puffer und eine Leckageanzeige verfügen. Bei allen Anlagen lassen sich Probleme mit regelmäßig durchgeführten Druckprüfungen erkennen. Dabei schalten Monteure den Prozess ab und geben einen hohen Druck auf den Wärmetauscher. Fällt dieser sehr schnell, deutet das auf eine Undichtigkeit hin und Reparaturarbeiten am Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher für die Marine sind nötig.

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FAQ: Häufig gestellte Fragen zu Wärmeübertragern

Was ist ein Wärmetauscher und welche Aufgabe erfüllt er?

Ein Wärmetauscher ist ein Bauteil, das Wärme von einem Medium (Gas oder Flüssigkeit) auf ein anderes Medium (Gas oder Flüssigkeit) überträgt. Je nach Einsatz soll es eine schnelle Übertragung ermöglichen, die Einhaltung bestimmter Temperaturen sicherstellen und eine stoffliche Trennung der Medien garantieren.

Welche typischen Arten von Wärmetauschern gibt es?

Unterscheiden lassen sich direkte Wärmeübertrager (mischen beide Medien komplett), Regeneratoren (arbeiten mit Speichern, die beide Medien abwechselnd durchlaufen) und Rekuperatoren (sorgen für eine komplette stoffliche Trennung). Zu den Rekuperatoren gehören bekannte Vertreter wie Plattenwärmetauscher, Rohrbündelwärmeübertrager und Lamellenwärmeübertrager.

Was ist im Aufbau der Rekuperatoren zu beachten?

Wie gut Rekuperatoren funktionieren und welche Temperaturen sie erreichen, hängt vom Aufbau und von der Durchströmung ab. Letztere kann entweder gleich, gegeneinander oder kreuzweise verlaufen. Auch ein Kreuzgegenstromwärmetauscher ist möglich. Während Gleichstromapparate anfangs schnell viel Wärme übertragen, passen sich beide Temperaturen nur an. Gegenstromwärmeübertrager erreichen hingegen einen höheren Wirkungsgrad und erreichen außerdem annähernd einen Temperaturwechsel. Gleiches gilt für Kreuzgegenstromwärmetauscher, die einen Kompromiss aus Gleich- und Gegenstromanlagen darstellen.

Aus welchen Materialien bestehen Wärmetauscher?

Standardgeräte bestehen aus Stahl, Aluminium oder Kupfer. Darüber hinaus gibt es aber auch Wärmetauscher aus Edelstahl, aus Titan und aus anderen Materialien. Welches im konkreten Fall zum Einsatz kommt, hängt von den verwendeten Medien und deren Temperaturen ab.

Wo kommen die Übertrager in der Praxis zum Einsatz?

Wärmetauscher und -übertrager kommen überall dort zum Einsatz, wo Prozesse oder Medien zu erhitzen oder zu kühlen sind. Typische Beispiele dabei sind in Kälteanlagen, bei der Warmwasserbereitung, bei der Speisewasservorwärmung, bei Kraftwerken, im Marine-Bereich, bei Wärmenetzen sowie bei kleinen und großen Kraftwerken.

Autor: Johannes Partz

Johannes Partz

Johannes ist hier Geschäftsführer. In der Energiebranche ist er seit 2013. Er war in verschiedenen Positionen in Technik und Vertrieb bei Energieversorgern tätig. Seine technische Expertise hat er aus den 3 Jahren als Geschäftsführer bei der Hampel GmbH - einem Gebäudetechnik Unternehmen mit Fokus auf Heizungstechnik, Sanitär, Lüftung und Klima.