Wärmeübertragung: Grundlagen, Bauarten und Auslegung von Wärmeübertragern
Wie Wärmeübertrager funktionieren, welche Bauarten es gibt und worauf es bei Auswahl, Auslegung und Betrieb ankommt. Die Fachrubrik im Überblick.
Themen der Rubrik
- Grundlagen Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung, Wärmedurchgangskoeffizient, mittlere logarithmische Temperaturdifferenz und Stromführung: die Größen, ohne die sich keine Auslegung beurteilen lässt. Ansehen →
- Bauarten Gedichtete und gelötete Plattenapparate, vollverschweißte Blockbauformen, Spiral- und Rohrbündelwärmeübertrager: Einsatzfenster, Grenzen und Auswahlkriterien im direkten Vergleich. Ansehen →
- Gelötete Plattenapparate Wie gelötete Plattenwärmeübertrager aufgebaut sind, worin sich Kupfer- und Nickellot unterscheiden, wo die Druck- und Temperaturgrenzen liegen und wann die Bauform ausscheidet. Ansehen →
- Auslegung Wie aus Leistung, Temperaturen und Volumenströmen eine Übertragungsfläche wird, welche Rolle Druckverlust und Verschmutzungszuschlag spielen und was Auslegungsprogramme leisten. Ansehen →
- Anwendungen Wo Wärmeübertrager in Chemie, Gebäudetechnik, Kälte- und Kraftwerkstechnik, Lebensmittelproduktion und Schiffbau eingesetzt werden und welche Anforderungen die jeweilige Branche stellt. Ansehen →
- Hersteller und Markt Wie sich der Markt für Plattenwärmeübertrager entwickelt hat, wie er heute strukturiert ist und worauf bei Auswahl von Hersteller, Ersatzteilen und Service zu achten ist. Ansehen →
Wärmeübertragung ist die unsichtbare Grundlage fast jeder technischen Anlage: In der Heizungsanlage trennt sie den Heizkreis vom Trinkwasser, im Fernwärmenetz koppelt sie Hausanlage und Netz voneinander ab, in der Kältetechnik verdampft und verflüssigt sie das Kältemittel, und in der Prozessindustrie bestimmt sie, wie effizient Energie im Betrieb mehrfach genutzt wird.
Diese Rubrik erklärt die Technik dahinter: Wie Wärme überhaupt von einem Medium auf ein anderes übergeht, welche Bauformen sich durchgesetzt haben, wie ein Apparat ausgelegt wird und woran im Betrieb die Leistung verloren geht. Der Schwerpunkt liegt auf Plattenwärmeübertragern, weil sie in der Gebäude-, Kälte- und Prozesstechnik heute die häufigste Bauform sind.
Wärmeübertrager oder Wärmetauscher?
Beide Begriffe meinen dasselbe Bauteil. Fachlich sauber ist Wärmeübertrager: Wärme fließt vom wärmeren zum kälteren Medium, sie wird übertragen und nicht getauscht. In der Praxis und in Katalogen hält sich Wärmetauscher hartnäckig. Beide Schreibweisen führen auf dieselben Produkte, und in dieser Rubrik werden sie synonym verwendet.
Die vier Themenblöcke
Grundlagen
Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung, der Wärmedurchgangskoeffizient, die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz und der Unterschied zwischen Gleichstrom-, Gegenstrom- und Kreuzstromführung. Ohne diese Größen lässt sich keine Auslegung beurteilen. Mehr dazu unter Grundlagen der Wärmeübertragung.
Bauarten
Gedichtete Plattenapparate, gelötete Kompaktapparate, vollverschweißte Blockbauformen und Rohrbündelapparate haben jeweils ein eigenes Einsatzfenster aus Druck, Temperatur, Medienverträglichkeit und Wartbarkeit. Der Vergleich steht unter Bauarten von Wärmeübertragern, die kompakteste Variante im Detail unter gelötete Plattenwärmeübertrager.
Auslegung und Berechnung
Wie aus Leistung, Temperaturen und Volumenströmen eine Übertragungsfläche wird, welche Rolle der Druckverlust spielt und warum ein zu großzügiger Verschmutzungszuschlag den Apparat verschlechtern kann. Dazu die Frage, was Auslegungsprogramme leisten und wo ihre Grenzen liegen: Auslegung und Berechnung.
Anwendungen und Markt
Wo die Apparate eingesetzt werden, von der Übergabestation über die Kältetechnik bis zu Chemie und Lebensmittelproduktion, und wie der Herstellermarkt aufgebaut ist: Anwendungen in Industrie und Prozesstechnik sowie Hersteller und Markt.
Die wichtigsten Kennzahlen auf einen Blick
| Größe | Formelzeichen | Einheit | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Wärmestrom | Q̇ | kW | Die zu übertragende Leistung, Ausgangspunkt jeder Auslegung |
| Wärmedurchgangskoeffizient | k bzw. U | W/(m²·K) | Wie gut die Trennwand samt Grenzschichten Wärme durchlässt |
| Übertragungsfläche | A | m² | Ergibt sich aus Leistung, k-Wert und Temperaturdifferenz |
| Mittlere log. Temperaturdifferenz | Δtm | K | Das treibende Gefälle über den gesamten Apparat |
| Grädigkeit | – | K | Kleinster Temperaturabstand zwischen beiden Seiten |
| Druckverlust | Δp | kPa bzw. bar | Begrenzt, wie weit die Leistung gesteigert werden kann |
| Verschmutzungswiderstand | Rf | m²·K/W | Reserve für Beläge, die sich im Betrieb bilden |
Warum Plattenapparate den Markt dominieren
Ein Plattenwärmeübertrager besteht aus dünnen, profilierten Blechen, zwischen denen sich schmale Kanäle bilden. Die Medien strömen abwechselnd durch benachbarte Kanäle, meist im Gegenstrom. Drei Eigenschaften machen diese Bauform so verbreitet:
- Hohe Wärmedurchgangskoeffizienten. Die Profilierung erzwingt schon bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten turbulente Strömung. Dadurch liegen die k-Werte um ein Vielfaches über denen eines Rohrbündelapparats gleicher Fläche.
- Kleine Grädigkeiten. Weil der Gegenstrom über die volle Plattenlänge wirkt, sind Temperaturabstände von wenigen Kelvin darstellbar. Genau das braucht die Fernwärme, wenn die Rücklauftemperatur niedrig bleiben soll.
- Geringes Bauvolumen. Bei gleicher Leistung beansprucht ein Plattenapparat einen Bruchteil des Platzes und enthält deutlich weniger Flüssigkeit. Das senkt Gewicht, Füllmenge und in der Kältetechnik auch die Kältemittelmenge.
Die Grenzen liegen dort, wo Dichtungen an ihre Temperatur- oder Medienbeständigkeit stoßen, wo Feststoffe die engen Kanäle zusetzen oder wo Drücke jenseits des üblichen Fensters gefahren werden. Welche Bauart wann passt, steht im Bauartenvergleich.
Bezug zur Gebäudetechnik
In Bestandsgebäuden hängen Wärmeübertrager und Leitungsnetz unmittelbar zusammen: Eine Übergabestation kann nur so gut arbeiten, wie das Netz dahinter hydraulisch abgeglichen ist, und Ablagerungen im Rohrnetz landen früher oder später auch im Apparat. Wie sich der Zustand solcher Netze heute erfassen lässt, beschreibt der Beitrag zur digitalen Rohrinspektion im Bestand. Weitere Beiträge aus der Praxis stehen in der Rubrik Handwerk und unter Technik.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Wärmetauscher und Wärmeübertrager?
Fachlich korrekt ist Wärmeübertrager, denn übertragen wird Wärme in eine Richtung, getauscht wird nichts. Wärmetauscher ist der eingebürgerte Alltagsbegriff und meint dasselbe Bauteil. In Normen und Herstellerunterlagen steht überwiegend Wärmeübertrager.
Welcher Wärmeübertrager eignet sich für welche Anwendung?
Für Heizung, Trinkwarmwasser und Fernwärme dominieren Plattenwärmeübertrager, weil sie bei kleinen Temperaturdifferenzen sehr kompakt bauen. Rohrbündelapparate werden bei hohen Drücken, hohen Temperaturen und stark verschmutzenden Medien eingesetzt. Für Kältemittel sind gelötete Plattenapparate der Standard.
Wie groß muss ein Wärmeübertrager sein?
Die Fläche folgt aus der zu übertragenden Leistung, der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz und dem Wärmedurchgangskoeffizienten. Zusätzlich begrenzen der zulässige Druckverlust und ein Verschmutzungszuschlag die Auslegung. Die Rechnung führt praktisch immer die Auslegungssoftware des Herstellers.