Geht es darum, Wärme von einem Medium auf ein anderes zu übertragen, kommen Wärmetauscher zum Einsatz. Ein Beispiel dafür sind Rohrbündelwärmetauscher (auch Rohrwärmetauscher oder Rohrbündelwärmeübertrager). Diese bestehen aus einem Mantel, in dem sich zahlreiche Rohre mit kleiner Nennweite befinden. Während ein Medium durch den Mantel und eines durch die innen liegenden Leitungen strömt, kommt es zur Wärmeübertragung. Wie das im Detail funktioniert, wann Rohrbündelwärmeübertrager zum Einsatz kommen und wie Sie die passende Lösung für Ihre Anwendung finden, erklären wir im folgenden Ratgeber.
Die Themen im Überblick
- Die Themen im Überblick
- Sichere und zuverlässige Wärmeübertragung mit Rohrbündel
- Einsatz der Wärmeübertrager in vielen technischen Anwendungen
- Verschiedene Arten und Eigenschaften der Rohrbündelwärmetauscher
- Rohrbündelwärmetauscher kaufen oder mieten: Individuelle Auswahl
- Regelmäßige Wartung der Wärmeübertrager sichert hohe Leistung
- Kosten der Anlagen hängen von den individuellen Eigenschaften ab
- FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zu Rohrwärmetauschern
Sichere und zuverlässige Wärmeübertragung mit Rohrbündel
Rohrbündelwärmetauscher sind Rekuperatoren, die Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen, ohne diese zwischenzuspeichern. Möglich ist das mit einem Rohr-in-Rohr-System. So bestehen die Geräte einfach beschrieben aus einem Mantelrohr, in dem zahlreiche Innenrohre verlaufen. Strömt ein Medium durch die Innenrohre und eines durch das Mantelrohr, geht thermische Energie vom wärmeren auf das kühlere über. Da eine Vermischung beider Stoffströme dabei ausbleibt, sind die Wärmeübertrager für vielfältige Einsatzbereiche geeignet.
Diese Vorteile sprechen für den Einsatz von Rohrbündelwärmetauschern
Wärmeübertrager mit Rohrbündeln gelten als besonders robust. Sie verstopfen später als andere und sind in verschiedenen Größen und Ausführungen herstellbar. Von Vorteil ist zudem, dass sich Rohrbündelwärmetauscher für sehr hohe Druckwerte eignen. Sie arbeiten mit Medien, deren Temperaturen weit auseinander liegen und verursachen einen geringen Druckverlust. Letzteres gilt gleichermaßen für den Medienstrom der Innen- und der Außenrohre.
Nachteilig ist hingegen der hohe Platzbedarf. Die Energieeffizienz ist durch die geringere Wärmeübertragerfläche niedriger und die Reinigung kann vor allem bei großen Anlagen aufwendiger sein.
Auswahlkriterien für Rohrwärmeübertrager und andere Wärmetauscher
Durch die genannten Vorteile sind Plattenwärmetauscher in vielen Bereichen weit verbreitet. Infrage kommen sie dabei immer dann, wenn es auf folgende Eigenschaften ankommt:
- robuste und zuverlässige Betriebsweise
- hohe Sicherheit gegen das Vermischen
- Einsatz für Gase und/oder Flüssigkeiten
- hohe Druckwerte in den Medienströmen
- hohe Temperaturdifferenz beider Medien
- geringe Druckverluste in den Kreisläufen
In Bezug auf die verwendeten Medien gibt es kaum Einsatzgrenzen. So eignen sich die Lösungen unter anderem für Wasser, Dampf, Öl, Kühlmittel, Glykol, Gase, Lösungsmittel, Chemikalien und toxische Mittel. Sie halten Druckwerte von etwa 100 bar im Mantel und 300 bar im Innenrohr aus und eignen sich für einen Temperaturbereich von – 200 bis + 550 Grad Celsius. Die genauen technischen Spezifikationen erfahren Sie von den Herstellern der gewählten Anlagen.
Übrigens:
Eine Alternative zum Rohrbündelwärmeübertrager ist der Plattenwärmeübertrager. Der Apparat besteht aus zahlreichen, übereinander angeordneten Platten. die Kanäle bilden, durch die zwei Medien wechselweise hindurchströmen. Die Lösungen sind kompakt und effizient, meist aber nur für begrenzte Temperatur- und Druckbereiche geeignet.
Einsatz der Wärmeübertrager in vielen technischen Anwendungen
Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften kommen Rohrbündelwärmetauscher nach wie vor in sehr vielen Bereichen zum Einsatz. So zum Beispiel in der Biotechnologie, wo sie teilweise aggressiven Medien zuverlässig standhalten. Interessant sind die Wärmeübertrager darüber hinaus im Bereich der Lebensmitteltechnik. Hier schätzen Anwender die Apparate, da sie besonders zuverlässig vor dem Vermischen unterschiedlicher Medien schützen. Selbst bei Leckagen im System kommt es nicht zur Kontamination der Endprodukte und die Anlagen können kontrolliert weiter betrieben oder heruntergefahren und repariert werden. In welchen Bereichen Rohrbündelwärmetauscher außerdem zum Einsatz kommen, zeigt die folgende Übersicht:
- Biotechnologie
- Pharmatechnik
- Getränkeverarbeitung
- Lebensmitteltechnik
- Molkereitechnik
- Erneuerbare Energien
- Dampf- und Wärmetechnik
- Maritime Industrie
Zur Auswahl stehen dabei vorkonfektionierte sowie individuell anpassbare Lösungen, die Ihre Bedürfnisse bestmöglich decken.
Übrigens:
Am häufigsten kommen Rohrbündelwärmetauscher zum Einsatz, wenn es um den Betrieb von Wärmepumpen (zum Beispiel Kältemittelverdampfer) oder das Kühlen von Arbeitsmedien (zum Beispiel Ölkühler) geht.
Verschiedene Arten und Eigenschaften der Rohrbündelwärmetauscher
Auch wenn der grundsätzliche Aufbau aus Innen- und Mantelrohr immer gleich ist, unterscheiden Hersteller verschiedene Arten und Bauweisen der Rohrbündelwärmetauscher. Das betrifft die Ausführung und Anordnung der Rohre genauso wie die Strömung der Medien und wirkt sich direkt auf Leistungswerte und Einsatzfelder aus.
Rohrbündel-, Doppelrohr-, Haarnadel- oder Sicherheits-Wärmetauscher
Geht es um den Aufbau der Wärmeübertrager, unterscheiden Hersteller in der Regel konventionelle Rohrbündel-, Doppelrohr-, Haarnadel- und Sicherheits-Wärmetauscher. Die folgende Tabelle informiert über die einzelnen Bauweisen und zeigt, was diese auszeichnet.
| Bauart | Beschreibung |
|---|---|
| Rohrbündelwärmetauscher | Hierbei handelt es sich um die Standardausführung aus einem Mantel, in dem zahlreiche Innenrohre verlaufen. Durchströmen die Medien Mantel sowie Innenrohre, kommt es ohne Vermischung zur Wärmeübertragung. Anhand der Länge, der Anzahl der Innenrohre und der Konstruktion des Mantels lässt sich die Leistung beeinflussen, um die Anlagen für verschiedenste Einsatzbereiche zu optimieren. |
| Doppelrohrwärmetauscher | Bei dieser Bauart verläuft ein Innenrohr in einem Außenrohr. Zwei Medien durchströmen beide parallel, um Wärme vom höheren zum niederen Temperaturniveau übertragen zu können. Durch den Gegenstrom funktioniert das sehr gut. Da die Geräte groß ausfallen, eignen sie sich vor allem für kleine Stoffströme. |
| Haarnadelwärmetauscher | Hier verlaufen Mantel und Innenrohre U-förmig. Die Umlenkung sorgt für eine geringere Baugröße der Rohrbündelwärmetauscher und damit auch für einen größeren Einsatzbereich. Ein weiterer Vorteil ist die geringere Ausdehnung, die den Betrieb bei hohen Temperaturdifferenzen begünstigt. Herstellung und Reinigung sind jedoch aufwendiger, was sich auch in den Anschaffungs- und Betriebskosten widerspiegelt. |
| Sicherheits-Rohrbündelwärmetauscher | Darf es unter keinen Umständen zu einer Durchmischung der Medien im Wärmetauscher kommen, eignen sich Sicherheits-Rohrbündelwärmetauscher. Diese besitzen Innenrohre mit einer doppelten Rohrwand, die an beiden Seiten mit zusätzlichen Rohrböden abgedichtet ist. Kommt es zu einer Leckage, strömen Medien erst in die intakten Hüllrohre. Sensoren erkennen das und lösen einen Leckagealarm aus. Da die Hüllrohre selbst noch nicht beschädigt sind, können Sie die Anlagen auch in solch einem Zustand weiter betreiben oder kontrolliert herunterfahren. Zu Kontaminationen oder sofortigen Stillständen kommt es hingegen nicht. |
Während „einfache“ Rohrbündelwärmetauscher den Standard darstellen, eignen sich effiziente Doppelrohr-Lösungen für kleine Durchsätze. U-Rohr-Wärmetauscher sind kompakt und dehnen sich weniger aus, während Doppelrohr-Sicherheitswärmetauscher bei einer möglichen Leckage vor Kontamination und Stillstand schützen.
Gegenstrom-, Gleichstrom- oder Kreuzstrom-Rohrbündelwärmetauscher
Entscheidend für Baugröße und Leistung ist auch die Art, in der die verschiedenen Medien aneinander vorbeiströmen. Unterscheiden lassen sich dabei Gleichstrom-, Gegenstrom- und Kreuzstromwärmetauscher. Die folgende Tabelle zeigt, was diese jeweils auszeichnet.
| Strömungsrichtung | Eigenschaften |
|---|---|
| Gleichstrom | Hier haben die Medien in den Innenrohren und im Mantelrohr die gleiche Strömungsrichtung. Das hat eine geringere Übertragerleistung zur Folge und sorgt für größere Anlagen. Die Temperaturen beider Medien gleichen sich an. Sie verteilen sich gleichmäßig und unerwünschte Über- oder Untertemperaturen bleiben aus. Zum Einsatz kommen Gleichstrom-Wärmeübertrager, wenn bestimmte Temperaturgrenzen über den gesamten Prozess hinweg einzuhalten sind. |
| Gegenstrom | Bei einem Gegenstrom-Wärmeübertrager strömen die Medien in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbei. Die Wärmeübertragungsleistung ist höher und die Stoffströme nehmen im besten Fall die Temperatur des jeweils anderen an. Von Vorteil ist dabei die geringere Baugröße. Außerdem erreichen Gegenstrom-Rohrbündelwärmetauscher größere Leistungen. |
| Kreuzstrom | Bei Rohrwärmetauscher mit Kreuzstrom-Technik sorgen Umlenkbleche im Mantelrohr dafür, dass beide Medien etwa im rechten Winkel aneinander vorbeiströmen. Dadurch ergibt sich ein mittlerer thermischer Wirkungsgrad bei kompakter Baugröße und Temperaturen, die zwischen denen von Gleich- und Gegenstrom-Wärmeübertragern liegen. |
Dürfen die Medien bestimmte Temperaturen nicht überschreiten, kommen Gleichstrom-Rohrbündelwärmetauscher infrage. Bei hohen Anforderungen an Effizienz und Baugröße eignen sich Gegenstrom-Wärmetauscher und für einen Kompromiss aus beiden sind Kreuzstrom-Wärmeübertrager zu empfehlen.
Glatte oder gerippte Konstruktion von Rohrbündeln und Mantelrohren
Neben der Bauart und der Durchströmung wirkt sich auch die Konstruktion der Rohre auf die Leistung eines Rohrbündelwärmetauschers aus. Unterscheiden lassen sich dabei Glatt- und Rippenrohre. Letztere haben eine höhere Oberfläche, wodurch die wirksame Übertragungsfläche größer ausfällt.
- Glattrohre kommen bei Medien mit ähnlicher Wärmespeicherfähigkeit zum Einsatz (Bsp.: Wasser/Wasser-Wärmeübertrager).
- Rippenrohre kommen bei Medien mit unterschiedlicher Wärmespeicherfähigkeit zum Einsatz (Bsp.: Öl/Wasser-Rohrbündelwärmetauscher).
Entscheidend für die Konstruktion der Rohre ist dabei der konkrete Einsatzfall. Denn über die Höhe der Rippen lassen sich Rohrbündelwärmetauscher an Massenströme, Druckverluste, Temperaturen und Geschwindigkeiten der Medien anpassen.
Übrigens:
Neben den hier vorgestellten Konstruktionsmerkmalen versuchen Hersteller, die Leistung und Effizienz der Rohrbündelwärmetauscher auch mit anderen Ansätzen zu optimieren. Beispiele dafür sind spiralförmig verlaufende Rohre oder spezielle Leitbleche, die eine turbulente Strömung erzeugen.
Rohrbündelwärmetauscher kaufen oder mieten: Individuelle Auswahl
Möchten Sie einen Rohrbündelwärmetauscher kaufen oder mieten, stehen viele Lösungen zur Auswahl. So gibt es vorkonfektionierte Anlagen und individuell herstellbare Wärmetauscher, die Ihren Bedarf optimal decken. Entscheidend für die Auswahl sind dabei unter anderem die folgenden Kriterien:
- Leistung
- Medien
- Temperaturen
- Druckwerte
- Baugröße
Konventionelle Anlagen erreichen dabei eine Leistung von 10 bis 5.000 kW. Sie sind in der Regel rund, haben einen Durchmesser von 10 bis 50 Zentimeter und eine Länge von 0,6 bis 3,0 Meter. Einzelstücke übertreffen das teils deutlich. Sie entstehen im Projektgeschäft und erreichen eine Länge von bis zu 7,1 Meter bei einem Durchmesser von 1,2 Meter. Die bis zu 15 Tonnen schweren Rohrbündelwärmetauscher besitzen über 1.700 Innenrohre und erreichen eine Wärmeübertragerfläche von über 425 Quadratmetern.
Unser Tipp:
Wie groß ein Rohrbündelwärmetauscher im Einzelfall ausfällt, hängt von den Bedingungen am Einsatzort ab. Verbindliche Antworten bekommen Sie im Rahmen der Planung von Herstellern oder Anbietern.
Auf diese Punkte ist bei der Auswahl von Wärmeübertragern zu achten
Haben Sie sich entschieden und wollen einen Rohrbündelwärmeübertrager kaufen oder mieten? Dann sollten Sie neben den allgemeinen Anforderungen einige Punkte beachten. Die folgende Übersicht stellt die wichtigsten zusammen:
- Auswahl der Materialien: Die Materialien der Wärmeübertrager sollten eine hohe Übertragungsleistung ermöglichen. Gleichzeitig müssen sie den eingesetzten Medien standhalten. Ist beispielsweise die Reinigung mit Säure geplant, stellen Edelstahlrohre eine gute Wahl dar.
- Dimension der Leitungen: Um bei kompakten Baugrößen eine hohe Übertragungsleistung zu erreichen, kommt es auf eine möglichst hohe Fließgeschwindigkeit an. Diese sollte bei Gasen 3 bis 30 Meter pro Sekunde und bei Flüssigkeiten 0,6 bis 6,0 Meter pro Sekunde betragen.
- Baugröße der Geräte: Achten Sie bereits bei der Auswahl auf Baugröße und Abmessung. Das ist wichtig, um Probleme bei der Einbringung und bei der Aufstellung zu vermeiden. Rohrbündelwärmetauscher müssen dabei nicht nur an den Installationsort passen. Auch der Transport der teils mehrere Tonnen schweren Apparate muss möglich sein.
Neben dem Rekuperator selbst benötigen Sie auch für dessen Wartung ausreichend Platz. Denn dabei kann es nötig sein, die Rohrbündel komplett aus dem Mantelrohr zu entfernen.
Regelmäßige Wartung der Wärmeübertrager sichert hohe Leistung
Abhängig von den eingesetzten Medien kann es mit der Zeit zu Ablagerungen an den Wärmeübertragerflächen kommen. Diese reduzieren die Übertragungsleistung und stören damit den Betrieb der gesamten Anlage. Um das zu vermeiden, ist die regelmäßige Reinigung der Apparate vorzusehen. Bei dieser spülen Experten Mantel- und Innenrohre mit geeigneten Flüssigkeiten (teilweise Säuren), um die ursprüngliche Funktion lange zu erhalten. Wer einen Rohrbündelwärmetauscher kaufen oder mieten möchte, sollte das von vornherein beachten und einplanen.
Kosten der Anlagen hängen von den individuellen Eigenschaften ab
Wie viel ein Rohrbündelwärmetauscher kosten kann, lässt sich nicht pauschal beurteilen. Grund dafür sind die unterschiedlichen Bauarten, Baugrößen und Materialien. Die Preise variieren dabei von etwa 150 Euro für Geräte mit kleiner Leistung bis zu über 20.000 Euro für Großgeräte. Eine verbindliche Auskunft zu den Kosten der Rohrbündelwärmetauscher bekommen Sie daher nur im Rahmen der Planung von einem Anbieter oder Hersteller.
FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zu Rohrwärmetauschern
Was ist ein Rohrbündelwärmetauscher und wie funktioniert er?
Rohrbündelwärmetauscher sind Rekuperatoren, die Wärme von einem Medium auf ein anderes übertragen, ohne diese zwischenzuspeichern. Sie bestehen dazu aus einem Mantelrohr, indem mehrere Innenrohre verlaufen. Im laufenden Betrieb werden Mantel- sowie Innenrohre von unterschiedlichen Medien durchströmt, wobei thermische Energie vom wärmeren auf das kühlere übergeht.
Worin liegen die Vor- und Nachteile der Rohrwärmeübertrager?
Von Vorteil ist die hohe Beständigkeit. Die Apparate verschmutzen später als andere. Sie verursachen niedrige Druckverluste, sind verschleißfest und für hohe Druck- sowie Temperaturbereiche geeignet. Sie kommen mit aggressiven Medien zurecht und sind in entsprechenden Ausführungen besonders sicher. Zu den größten Nachteilen zählen die Kosten. Zudem sind die Anlagen sehr groß und teilweise aufwendig zu warten bzw. zu reinigen.
In welchen Bereichen kommen die Apparate häufig zum Einsatz?
Rohrbündelwärmeübertrager eignen sich für zahlreiche Gase und Flüssigkeiten. Sie kommen in der Biotechnologie, der Pharmatechnik, der Getränke- und Lebensmitteltechnik sowie im Bereich der erneuerbaren Energien und der Wärmetechnik zum Einsatz. Am häufigsten sorgen sie dabei für den Betrieb von Wärmepumpen (Verflüssiger, Verdampfer) und für die Kühlung von Arbeitsmedien (zum Beispiel Ölkühler).
Welche Bauarten lassen sich unterscheiden und was zeichnet sie aus?
Neben konventionellen Rohrbündelwärmetauschern aus einem Mantel und zahlreichen Innenrohren gibt es auch Doppelrohr-, Haarnadel- und Sicherheits-Rohrwärmetauscher. Doppelrohr-Wärmeübertrager bestehen aus zwei ineinander liegenden Rohren, die eine gute Übertragungsleistung ermöglichen, jedoch sehr groß ausfallen. Anders bei Haarnadel-Übertragern. Hier sind Mantel- und Innenrohre U-förmig gebogen, um Platz einzusparen. Sicherheits-Rohrwärmetauscher besitzen Innenrohre mit eigenen Schutzrohren, die selbst im Falle einer Leckage das Vermischen der Arbeitsmedien verhindern.
Worauf ist bei der Auswahl von Rohrbündelwärmetauschern zu achten?
Neben allgemeinen Faktoren wie der Leistung kommt es auch auf die Materialwahl an. Diese sollte zu den geplanten Arbeits- und Reinigungsmedien passen, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Wichtig sind darüber hinaus die Strömungsgeschwindigkeiten der Medien, die bestimmte Vorgaben nicht unter- oder überschreiten sollten. Auf diese Weise erreichen die Anlagen eine gute Übertragungsleistung, ohne zu hohe Druckverluste oder Geräusche zu erzeugen (Tipp: 3 bis 30 Meter pro Sekunde bei Gasen und 0,6 bis 6,0 Meter pro Sekunde bei Flüssigkeiten). Ebenfalls zu beachten ist die Größe. Die Anlagen müssen sich zum Einsatzort transportieren, dort aufstellen und regelmäßig warten sowie reinigen lassen. Für letzteres kann es nötig sein, das Rohrbündel komplett aus dem Mantel herauszuziehen.
Wie viel kann ein Rohrbündelwärmeübertrager kosten?
Pauschale Auskünfte zu den Preisen der Rohrbündelwärmetauscher sind nicht möglich, da die Kosten von zu vielen Faktoren abhängen. Neben der Leistung und der Baugröße gehören dazu auch die Bauart und die Materialwahl. Verbindliche Preisauskünfte geben Anbieter und Hersteller im Rahmen der Planung.
