Wärmetauscher einfach erklärt
| Wärmetauscher kurz erklärt | |
|---|---|
| Definition | Bauteil zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien, ohne dass sie sich direkt vermischen |
| Typische Medien | Wasser, Solarflüssigkeit, Heizungswasser, Luft, Öl oder Kältemittel |
| Aufgabe in Solarthermieanlagen | Übertragung der Wärme aus dem Solarkreislauf an Warmwasser oder Heizungswasser |
| Häufige Bauarten | Rohrwendel, Plattenwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher und Doppelrohrwärmetauscher |
| Wichtigste Kennwerte | Wärmeleistung, Temperaturdifferenz, Durchfluss, Druckverlust und Wirkungsgrad |
| Vorteil | Sichere Trennung unterschiedlicher Kreisläufe und Medien |
| Nachteil | Wärmeverluste, Druckverlust und mögliche Verschmutzung |
| Verwandte Begriffe | Solarthermie, Wärmespeicher, Solarkreislauf, Pufferspeicher und Heizungsanlage |
Ein Wärmetauscher überträgt Wärme von einem warmen Medium auf ein kälteres Medium, ohne dass sich beide Stoffe direkt miteinander vermischen.
In einer Solarthermieanlage überträgt er beispielsweise die Wärme der Solarflüssigkeit auf das Wasser in einem Speicher. Dadurch können Solarkreislauf und Trinkwasser hygienisch und technisch voneinander getrennt bleiben.
Wärmetauscher kommen nicht nur in Solarthermieanlagen vor. Sie sind auch in Heizungen, Wärmepumpen, Klimaanlagen, Fahrzeugen, Industrieanlagen und vielen Haushaltsgeräten unverzichtbar.
Was ist ein Wärmetauscher?
Ein Wärmetauscher ist ein technisches Bauteil, das thermische Energie zwischen zwei Stoffströmen überträgt.
Die Stoffströme können aus Flüssigkeiten, Gasen oder einer Kombination aus beiden bestehen. In den meisten Anwendungen werden sie durch eine feste Wand voneinander getrennt.
Der warme Stoff gibt Wärme ab, der kältere Stoff nimmt sie auf. Die Medien bleiben dabei in getrennten Kreisläufen.
Wie funktioniert ein Wärmetauscher?
Die Wärmeübertragung erfolgt aufgrund eines Temperaturunterschieds. Solange ein Medium wärmer ist als das andere, fließt Wärme in Richtung des kälteren Mediums.
- Warmes Medium tritt ein: Es strömt auf einer Seite des Wärmetauschers entlang.
- Wärme gelangt zur Trennfläche: Im Medium erfolgt Wärmeübertragung zur Wand.
- Wärme durchdringt das Material: Die Trennwand leitet die Wärme weiter.
- Kälteres Medium nimmt Wärme auf: Auf der anderen Seite erwärmt sich der zweite Stoffstrom.
- Beide Medien treten getrennt aus: Das warme Medium ist abgekühlt, das kalte Medium erwärmt.
Wärmeübertragung im Detail
Die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher besteht meist aus drei Schritten:
- Konvektion: Wärme gelangt vom warmen Medium an die Trennwand.
- Wärmeleitung: Die Wärme wandert durch das Material der Wand.
- Konvektion: Die Wärme wird von der Wand an das kältere Medium abgegeben.
Wie gut dieser Prozess funktioniert, hängt von Material, Fläche, Strömung, Temperaturunterschied und Verschmutzung ab.
Welche Rolle spielt der Temperaturunterschied?
Der Temperaturunterschied ist die treibende Kraft der Wärmeübertragung. Je größer er ist, desto mehr Wärme kann bei gleicher Fläche übertragen werden.
Wird der Temperaturunterschied klein, sinkt die übertragbare Leistung. Deshalb muss ein Wärmetauscher so ausgelegt werden, dass die gewünschte Leistung auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen erreicht wird.
Aufbau eines Wärmetauschers
Je nach Bauart besteht ein Wärmetauscher aus Platten, Rohren, Kanälen oder Rohrbündeln. Hinzu kommen Anschlüsse, Dichtungen, Gehäuse und gegebenenfalls Dämmung.
- Wärmeübertragungsfläche: trennt die Medien und leitet Wärme.
- Strömungskanäle: führen die Medien durch das Bauteil.
- Anschlüsse: verbinden den Wärmetauscher mit den Rohrleitungen.
- Dichtungen: verhindern Vermischung und Austritt.
- Gehäuse: nimmt mechanische Belastungen auf.
- Dämmung: reduziert Wärmeverluste an die Umgebung.
Wärmetauscher in einer Solarthermieanlage
In Solarthermieanlagen trennt der Wärmetauscher den Solarkreislauf vom Speicherinhalt.
Die Solarflüssigkeit wird in den Kollektoren erwärmt und strömt anschließend durch den Wärmetauscher. Dort gibt sie ihre Wärme an Trinkwasser oder Heizungswasser ab.
Danach fließt die abgekühlte Solarflüssigkeit zurück zu den Kollektoren.
Warum werden die Kreisläufe getrennt?
Die Trennung ist aus mehreren Gründen wichtig:
- Solarflüssigkeit enthält häufig Frostschutzmittel und darf nicht mit Trinkwasser vermischt werden.
- Solarkreislauf und Heizkreis können unterschiedliche Drücke haben.
- Die Medien können unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen.
- Wartung und Austausch einzelner Kreisläufe werden erleichtert.
Interner Wärmetauscher im Speicher
Bei einem internen Wärmetauscher befindet sich eine Rohrwendel direkt im Speicher. Die Solarflüssigkeit fließt durch das Rohr, während das Speicherwasser die Rohrwendel umgibt.
Diese Bauweise ist einfach, kompakt und weit verbreitet. Die Wärmeübertragungsfläche ist jedoch durch die Bauform des Speichers begrenzt.
Externer Wärmetauscher
Ein externer Wärmetauscher befindet sich außerhalb des Speichers. Häufig wird dafür ein Plattenwärmetauscher eingesetzt.
Externe Lösungen bieten hohe Leistungen und lassen sich gut warten. Sie benötigen jedoch zusätzliche Pumpen, Leitungen, Regelung und Platz.
| Merkmal | Interner Wärmetauscher | Externer Wärmetauscher |
|---|---|---|
| Einbauort | Im Speicher | Außerhalb des Speichers |
| Aufwand | Geringer | Höher |
| Wartung | Schwieriger zugänglich | Gut zugänglich |
| Leistungsanpassung | Durch Speicherbauart begrenzt | Flexibler dimensionierbar |
| Zusätzliche Komponenten | Weniger | Oft Pumpen und Regelung nötig |
Plattenwärmetauscher
Ein Plattenwärmetauscher besteht aus vielen dünnen, profilierten Metallplatten. Zwischen den Platten strömen abwechselnd warmes und kaltes Medium.
Die große Oberfläche ermöglicht eine hohe Wärmeleistung bei kompakter Bauform. Kleine Strömungskanäle können jedoch empfindlich auf Schmutz und Kalk reagieren.
Rohrwendel-Wärmetauscher
Eine Rohrwendel ist ein spiralförmig gebogenes Rohr, das häufig in Warmwasser- oder Pufferspeichern eingebaut wird.
Sie ist robust und technisch einfach. Die übertragbare Leistung hängt von Rohrlänge, Rohrdurchmesser, Material, Durchfluss und Temperaturdifferenz ab.
Rohrbündelwärmetauscher
Ein Rohrbündelwärmetauscher enthält viele parallel angeordnete Rohre in einem größeren Mantel. Ein Medium fließt durch die Rohre, das andere umströmt sie.
Diese Bauart wird häufig bei größeren Leistungen, in Industrieanlagen und bei hohen Drücken eingesetzt.
Doppelrohrwärmetauscher
Beim Doppelrohrwärmetauscher verläuft ein Rohr in einem größeren Außenrohr. Ein Medium fließt innen, das andere im Zwischenraum.
Die Bauweise ist einfach und robust, benötigt bei größeren Leistungen aber vergleichsweise viel Länge.
| Merkmal | Gleichstrom | Gegenstrom |
|---|---|---|
| Strömungsrichtung | Beide Medien in gleicher Richtung | Medien in entgegengesetzter Richtung |
| Temperaturverlauf | Temperaturen nähern sich schnell an | Günstigere Temperaturverteilung |
| Wärmeübertragung | Meist geringer | Meist effizienter |
| Annäherungstemperatur | Begrenzt | Kleinere Temperaturabstände möglich |
Kreuzstrom
Beim Kreuzstrom bewegen sich die Medien ungefähr rechtwinklig zueinander. Diese Strömungsform ist beispielsweise bei Luft-Wärmetauschern verbreitet.
Die Leistung liegt abhängig von Bauart und Strömungsführung zwischen Gleich- und Gegenstrom.
Welche Materialien werden verwendet?
Das Material muss Wärme gut leiten, korrosionsbeständig sein und zu den verwendeten Medien passen.
| Material | Typische Eigenschaften |
|---|---|
| Kupfer | Sehr gute Wärmeleitfähigkeit, häufig bei Rohrwendeln |
| Edelstahl | Korrosionsbeständig und hygienisch |
| Aluminium | Leicht und gut wärmeleitend |
| Titan | Sehr korrosionsbeständig, aber teuer |
| Kunststoff | Korrosionsbeständig, aber begrenzte Temperatur- und Druckfestigkeit |
Wärmeleistung
Die Wärmeleistung gibt an, wie viel Wärme pro Zeit übertragen wird. Sie wird meist in Kilowatt angegeben.
Sie hängt vor allem von Wärmeübertragungsfläche, Temperaturdifferenz, Wärmeübergang, Material und Durchfluss ab.
Grundformel der Wärmeübertragung
Vereinfacht lässt sich die übertragene Wärmeleistung mit folgender Beziehung beschreiben:
Wärmeleistung = Wärmedurchgangskoeffizient × Fläche × mittlere Temperaturdifferenz
Die Formel zeigt: Eine größere Fläche, ein höherer Wärmedurchgang und ein größerer Temperaturunterschied erhöhen die Leistung.
Wärmedurchgangskoeffizient
Der Wärmedurchgangskoeffizient fasst zusammen, wie gut Wärme vom ersten Medium durch die Wand zum zweiten Medium gelangt.
Er wird durch Strömung, Material, Wanddicke und Ablagerungen beeinflusst.
Durchfluss und Wärmeübertragung
Der Durchfluss beeinflusst, wie viel Wärme ein Medium transportieren kann. Ein zu niedriger Durchfluss begrenzt die Leistung.
Ein sehr hoher Durchfluss kann die Wärmeübertragung verbessern, erhöht aber Pumpenstrom, Druckverlust und Strömungsgeräusche.
Druckverlust
Beim Durchströmen des Wärmetauschers entsteht ein Druckverlust. Er muss von einer Pumpe überwunden werden.
Enge Kanäle, hohe Strömungsgeschwindigkeit, lange Wege und Verschmutzungen erhöhen den Druckverlust.
Wirkungsgrad eines Wärmetauschers
Der Wirkungsgrad beziehungsweise die thermische Wirksamkeit beschreibt, wie nahe die tatsächliche Wärmeübertragung an die theoretisch mögliche Wärmeübertragung herankommt.
Ein hoher Wert bedeutet, dass die vorhandene Temperaturdifferenz gut genutzt wird.
Was ist die Annäherungstemperatur?
Die Annäherungstemperatur ist der kleinste Temperaturabstand zwischen den beiden Medien am Wärmetauscher.
Je kleiner dieser Abstand sein soll, desto größer oder leistungsfähiger muss der Wärmetauscher meist ausgelegt werden.
Dimensionierung
Ein Wärmetauscher muss zur gewünschten Wärmeleistung, zu den Temperaturen, Medien und Durchflüssen passen.
Eine zu kleine Auslegung führt zu unzureichender Wärmeübertragung. Eine sehr große Auslegung erhöht Kosten, Platzbedarf und teilweise Druckverlust.
Wärmetauscher im Solarspeicher
In einem Solarspeicher befindet sich der Solarwärmetauscher häufig im unteren Bereich. Dort ist das Wasser am kältesten.
Die niedrige Temperatur verbessert die Wärmeübertragung und den Wirkungsgrad der Solarkollektoren.
Zwei Wärmetauscher im Speicher
Bivalente Speicher besitzen häufig zwei Wärmetauscher. Der untere wird von der Solarthermieanlage versorgt, der obere von einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe.
Dadurch kann die Sonnenenergie den Speicher möglichst weit erwärmen, während der zweite Wärmeerzeuger nur den oberen Bereich nachheizt.
Frischwasserstation
Eine Frischwasserstation erwärmt Trinkwasser im Durchflussprinzip über einen externen Plattenwärmetauscher.
Das Trinkwasser wird erst bei Bedarf erwärmt. Dadurch wird weniger warmes Trinkwasser gespeichert, was hygienische Vorteile bieten kann.
Wärmetauscher in Wärmepumpen
Eine Wärmepumpe besitzt mehrere Wärmetauscher. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umwelt auf. Im Verflüssiger gibt es die Wärme an das Heizsystem ab.
Auch hier ist die Qualität der Wärmeübertragung entscheidend für die Effizienz.
Wärmetauscher in Heizungsanlagen
In Heizungsanlagen können Wärmetauscher unterschiedliche Heizkreise, Fernwärme, Trinkwasser oder einen alten und neuen Anlagenteil voneinander trennen.
Eine hydraulische Trennung schützt empfindliche Bauteile und ermöglicht unterschiedliche Drücke oder Wasserqualitäten.
Verschmutzung und Verkalkung
Ablagerungen bilden eine zusätzliche isolierende Schicht auf der Wärmeübertragungsfläche. Dadurch sinkt die Leistung und der Druckverlust steigt.
Typische Ursachen sind Kalk, Schlamm, Korrosionsprodukte, biologische Beläge oder verschmutzte Prozessmedien.
Korrosion
Korrosion kann Material schwächen und Undichtigkeiten verursachen. Sie entsteht durch ungeeignete Materialkombinationen, Sauerstoff, falsche Wasserqualität oder aggressive Medien.
Materialwahl und fachgerechte Wasseraufbereitung sind deshalb wichtig.
Leckage und Vermischung
Bei einer beschädigten Trennfläche können Medien austreten oder sich vermischen. Das ist besonders kritisch, wenn Trinkwasser und Solarflüssigkeit getrennt werden.
Druckabfall, Verfärbungen, ungewöhnliche Gerüche oder veränderte Wasserqualität können auf Probleme hinweisen.
Wartung
Die Wartung hängt von Bauart, Medium und Einsatz ab. Sinnvolle Maßnahmen sind:
- Dichtheit prüfen
- Druck und Durchfluss kontrollieren
- Temperaturen vergleichen
- Filter und Schmutzfänger reinigen
- Ablagerungen entfernen
- Dichtungen kontrollieren
- Wasser- oder Solarflüssigkeitsqualität prüfen
Reinigung
Plattenwärmetauscher können je nach Bauart gespült oder zerlegt werden. Rohrwendeln im Speicher sind schwerer zugänglich.
Für die Reinigung müssen Werkstoff, Ablagerung und Reinigungsmittel zusammenpassen. Ungeeignete Chemikalien können Korrosion verursachen.
Lebensdauer
Die Lebensdauer hängt von Material, Betriebsdruck, Temperatur, Medienqualität, Wartung und Korrosionsschutz ab.
Ein korrekt ausgelegter und sauber betriebener Wärmetauscher kann viele Jahre zuverlässig arbeiten.
Vorteile eines Wärmetauschers
- Übertragung von Wärme ohne Vermischung der Medien
- Trennung unterschiedlicher Drücke und Wasserqualitäten
- Flexible Nutzung in vielen Energiesystemen
- Hohe Wärmeleistung bei kompakter Bauform möglich
- Schutz empfindlicher Kreisläufe
- Nutzung von Abwärme und erneuerbarer Wärme
Nachteile und Grenzen
- Zusätzlicher Temperaturverlust zwischen den Kreisläufen
- Druckverlust und zusätzlicher Pumpenbedarf
- Verschmutzung kann Leistung deutlich reduzieren
- Material muss zu beiden Medien passen
- Zu kleine Auslegung begrenzt die Anlagenleistung
- Leckagen können zur Vermischung der Medien führen
Typische Planungsfehler
- Wärmetauscher wird nur nach Anschlussgröße ausgewählt.
- Temperaturdifferenzen werden zu optimistisch angenommen.
- Druckverlust wird nicht berücksichtigt.
- Material ist für das Medium ungeeignet.
- Verschmutzungsrisiko und Reinigung werden ignoriert.
- Durchflussmengen passen nicht zur gewünschten Leistung.
- Der Wärmetauscher im Solarspeicher ist zu klein dimensioniert.
Beispiel aus einer Solarthermieanlage
Die Solarflüssigkeit verlässt die Kollektoren mit 70 °C und strömt durch die Rohrwendel im Speicher. Das Speicherwasser im unteren Bereich hat 35 °C.
Die Solarflüssigkeit gibt Wärme ab und kühlt sich dabei ab. Gleichzeitig erwärmt sich das Speicherwasser. Beide Flüssigkeiten bleiben durch die Rohrwand vollständig getrennt.
Je größer die Rohrwendel und je günstiger Durchfluss und Temperaturdifferenz sind, desto mehr Wärme kann übertragen werden.
Wussten Sie schon?
- Ein Wärmetauscher erzeugt keine Wärme, sondern überträgt bereits vorhandene Wärme.
- Gegenstrom-Wärmetauscher nutzen die Temperaturdifferenz meist besser als Gleichstrom-Wärmetauscher.
- Schon dünne Ablagerungen können die Wärmeübertragung deutlich verschlechtern.
Merksatz
Ein Wärmetauscher trennt zwei Kreisläufe und überträgt dennoch Wärme von einem Medium auf das andere.
Fazit
Ein Wärmetauscher ist ein zentrales Bauteil in Solarthermie-, Heizungs- und Wärmepumpenanlagen. Er überträgt Wärme zwischen zwei Medien, ohne dass diese sich vermischen.
In einer Solarthermieanlage sorgt er dafür, dass die Wärme der frostgeschützten Solarflüssigkeit sicher an Trinkwasser oder Heizungswasser abgegeben wird.
Für eine gute Funktion müssen Bauart, Material, Fläche, Temperaturdifferenz, Durchfluss und Druckverlust zusammenpassen. Verschmutzung und falsche Dimensionierung können die Leistung deutlich reduzieren.
Häufig gestellte Fragen zu Wärmetauscher
Was ist ein Wärmetauscher einfach erklärt?
Ein Wärmetauscher überträgt Wärme von einem warmen auf ein kälteres Medium, ohne dass sich beide Stoffe direkt vermischen.
Was macht ein Wärmetauscher in einer Solarthermieanlage?
Er überträgt die Wärme der Solarflüssigkeit auf das Wasser im Speicher und trennt beide Kreisläufe voneinander.
Erzeugt ein Wärmetauscher Wärme?
Nein. Er erzeugt keine Wärme, sondern überträgt bereits vorhandene thermische Energie.
Welche Arten von Wärmetauschern gibt es?
Häufige Bauarten sind Platten-, Rohrwendel-, Rohrbündel- und Doppelrohrwärmetauscher.
Was ist ein Plattenwärmetauscher?
Ein Plattenwärmetauscher besteht aus vielen dünnen Metallplatten, zwischen denen warmes und kaltes Medium getrennt strömen.
Was ist ein interner Wärmetauscher?
Ein interner Wärmetauscher befindet sich direkt im Speicher, meist in Form einer Rohrwendel.
Was ist ein externer Wärmetauscher?
Ein externer Wärmetauscher steht außerhalb des Speichers und wird über zusätzliche Leitungen und Pumpen eingebunden.
Warum dürfen sich Solarflüssigkeit und Trinkwasser nicht vermischen?
Solarflüssigkeit enthält häufig Frostschutzmittel und ist nicht für den Kontakt mit Trinkwasser vorgesehen.
Was beeinflusst die Leistung eines Wärmetauschers?
Wichtig sind Fläche, Temperaturunterschied, Material, Durchfluss, Strömungsart und Verschmutzung.
Was bedeutet Druckverlust beim Wärmetauscher?
Der Druckverlust beschreibt den Widerstand, den das Medium beim Durchströmen überwinden muss.
Was ist besser: Gleichstrom oder Gegenstrom?
Gegenstrom ermöglicht meist eine günstigere Temperaturverteilung und eine effizientere Wärmeübertragung.
Kann ein Wärmetauscher verkalken?
Ja. Besonders auf der Trinkwasserseite können sich Kalkablagerungen bilden und die Leistung reduzieren.
Wie erkennt man einen verschmutzten Wärmetauscher?
Hinweise können sinkende Wärmeleistung, höhere Temperaturunterschiede, steigender Druckverlust oder längere Aufheizzeiten sein.
Wie lange hält ein Wärmetauscher?
Bei geeigneter Materialwahl, guter Wasserqualität und regelmäßiger Wartung kann er viele Jahre zuverlässig arbeiten.
Kann ein Wärmetauscher undicht werden?
Ja. Korrosion, Materialermüdung, Frost oder beschädigte Dichtungen können Leckagen verursachen.