Wärmeübertrager in Industrie und Prozesstechnik: Anwendungen von Chemie bis Kältetechnik

Wärmeübertrager sind branchenübergreifend im Einsatz, aber die Anforderungen unterscheiden sich stark. In der einen Anwendung entscheidet die Medienbeständigkeit, in der anderen die Hygiene, in der dritten das Füllvolumen. Dieser Beitrag ordnet die wichtigsten Einsatzfelder und die jeweils bestimmende Randbedingung.

Chemie und Petrochemie

Das anspruchsvollste Feld, weil die Medien die Werkstoffwahl diktieren. Typische Aufgaben sind das Kühlen von Schwefel- und Salzsäure, das Temperieren von Natron- und Bleichlauge, die Anwärmung von Latex und das Kühlen von Prozessströmen in der Kupferextraktion.

• Werkstoffe. Standardedelstahl reicht selten. Je nach Medium kommen Sonderedelstähle, Titan, Hastelloy oder Nickelbasislegierungen zum Einsatz. Bei Chloriden ist Titan häufig die einzige wirtschaftliche Lösung.
• Trennsicherheit. Eine Vermischung beider Medien kann eine Reaktion auslösen. Doppelplattensysteme mit Leckageraum nach außen sind hier verbreitet.
• Verschmutzung. Polymerisierende oder ausfallende Medien wie Latex belegen die Fläche schnell. Die Auslegung berücksichtigt das über kürzere Reinigungsintervalle statt über pauschale Überdimensionierung.

Verwandt damit ist die Oberflächentechnik: Entfettungs-, Phosphatier-, Galvanik- und Elektrolytbäder müssen auf konstanter Temperatur gehalten werden, und die Badchemie greift ungeeignete Werkstoffe zügig an.

Papier und Zellstoff

Faserhaltige Suspensionen und Weißwasserkreisläufe verstopfen enge Kanäle. Hier spielen Spiralapparate und Plattenapparate mit weiten, ungehinderten Kanälen ihre Stärke aus, weil eine beginnende Ablagerung die Geschwindigkeit lokal erhöht und dadurch tendenziell wieder ausgetragen wird.

Gebäudetechnik

Das mengenmäßig größte Feld und meist die einfachste Aufgabe: Wasser gegen Wasser bei moderaten Drücken und Temperaturen.

• Fernwärme-Übergabestationen. Trennen Netz und Hausanlage hydraulisch. Die Grädigkeit entscheidet über die Rücklauftemperatur ins Netz und damit über Abrechnung und Netzeffizienz.
• Trinkwarmwasser. Im Durchflussprinzip, um stehende Wassermengen zu vermeiden. Die Herausforderung ist Kalk, nicht Leistung. Wie die Rohrnetze dahinter heute zustandsbewertet werden, beschreibt der Beitrag zur digitalen Rohrinspektion im Bestand.
• Systemtrennung. Zwischen Erzeuger- und Verbraucherkreis, etwa um Fußbodenheizkreise mit anderem Druckniveau oder anderer Wasserqualität abzukoppeln.
• Schwimmbad. Chloridhaltiges Beckenwasser verlangt Titanplatten.

Kälte- und Wärmepumpentechnik

Hier ist das Innenvolumen die bestimmende Größe. Weil die Füllmenge fluorierter Kältemittel reguliert und teuer ist, entscheidet das Apparatevolumen direkt über Zulässigkeit und Betriebskosten. Gelötete Plattenapparate sind deshalb der Standard für Verdampfer und Verflüssiger, ihre Details stehen unter gelötete Plattenwärmeübertrager.

Bei Ammoniakanlagen scheidet Kupferlot aus, weil Ammoniak Kupfer angreift. Dort kommen nickelgelötete oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. Ein zweiter Effekt ist energetisch bedeutsam: Kleine Grädigkeiten erlauben eine höhere Verdampfungs- und eine niedrigere Verflüssigungstemperatur. Beides hebt die Leistungszahl unmittelbar an, was bei durchlaufenden Anlagen die Mehrkosten der größeren Fläche schnell einspielt.

Lebensmittel, Getränke und Molkerei

Hygiene bestimmt die Konstruktion. Vorgeschrieben sind glatte, spaltfreie Oberflächen, vollständige Entleerbarkeit und die Möglichkeit zur Reinigung im geschlossenen Kreislauf oder durch Öffnen des Apparats.

Technisch charakteristisch ist die mehrstufige Wärmerückgewinnung: In einer Pasteurisierungsanlage wird das erhitzte Produkt gegen das kalte Zulaufprodukt geführt, bevor es endgültig gekühlt wird. Rückgewinnungsgrade über 90 Prozent sind dabei Stand der Technik, weil dasselbe Produkt beide Seiten des Apparats durchläuft und die Temperaturprofile ideal zueinander passen.

In der Eindampfung, etwa bei Zucker und Fruchtsaftkonzentraten, ersetzen kompakte Plattenverdampfer zunehmend klassische Röhrenverdampfer. Der Grund ist die Heizflächendichte: Ein Plattenapparat bringt ein Vielfaches an Fläche im gleichen Bauvolumen unter, was Retrofits in bestehenden Gebäuden überhaupt erst möglich macht.

Kraftwerks- und Anlagentechnik

Typische Aufgaben sind Zwischenkühlkreise, Generator- und Trafokühlung, Ölkühlung und die Nutzung von Abwärme. Ein klassischer Fall aus der Verfahrenstechnik ist die Vorwärmung der Verbrennungsluft am Primärreformer einer Ammoniakanlage: Die Abgastemperatur am Kamin sinkt, die Verbrennungsluft tritt deutlich wärmer ein, und der eingesparte Brennstoff amortisiert die Nachrüstung binnen weniger Jahre. Alternativ lässt sich die gewonnene Energie in zusätzliche Tagesproduktion umsetzen. Für solche Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen halten Hersteller eigene Rechenwerkzeuge vor, das Vorgehen dahinter steht unter Auslegung und Berechnung.

Marine und Offshore

An Bord zählen Bauraum, Gewicht und Seewasserbeständigkeit. Seewasser erzwingt Titanplatten, und der begrenzte Platz im Maschinenraum macht kompakte Plattenapparate zur einzigen praktikablen Lösung für Zentralkühlkreise, Motorkühlung und Klimatisierung. Auch große Passagierschiffe werden mit Plattenapparaten ausgerüstet.

Gas gegen Gas

Der schwierigste Fall, weil beide Seiten schlechte Wärmeübergangskoeffizienten haben. Der k-Wert fällt dadurch auf einen Bruchteil, und die nötige Fläche wächst entsprechend. Eingesetzt werden Rippenrohr- und Plattenapparate mit sehr großer Fläche, häufig zur Wärmerückgewinnung aus Abluft und Abgas. Weil hier auch Staub und Kondensat auftreten, ist die Reinigbarkeit ein zentrales Auswahlkriterium.

Die Auswahl richtet sich nach der Branche

Welche Bauform welche Grenzen hat, steht im Bauartenvergleich. Wie der Markt der Hersteller aufgebaut ist, erklärt der Beitrag zu Herstellern und Markt.