Wärmetauscher
Durch einen Wärmeübertrager - umgangssprachlich auch Wärmetauscher - kann ein Medium Wärme an ein anderes Medium übertragen.
Temperaturgefälle
Die umgangssprachliche Bezeichnung Wärmetauscher ist irreführend, weil zwei Körper nicht Wärme austauschen, sondern Wärme von dem einen auf den anderen übertragen wird.
Ein Temperaturgefälle ist dazu immer notwendig; je grösser das Temperaturgefälle, desto grösser die Wärmemenge, die je Zeiteinheit und Fläche übertragen werden kann.
- für geschlossene Systeme und das offene System Gleichstromprinzip gilt:
Es ist nicht möglich, dass z.B. eine heiße Herdplatte von 120 °C, auf die ein Topf von 20 °C gestellt wird, nach dem Wärmeaustausch 20 °C aufweist und der Topf 120 °C.
Der Wärmefluss erfolgt nur so lange, bis beide Körper die gleiche Temperatur haben. Diese Temperatur ist allerdings i.d.R. nicht das mathematische Mittel (im Beispiel 70 °C) der beiden Ausgangstemperaturen, da zum einen Energie an die Umgebung verloren geht und zum anderen auch die Masse der beiden Körper eine Rolle spielt: So führt der legendäre Tropfen auf den heißen Stein kaum zu einer Abkühlung des letzteren.
- für offene Systeme gilt:
Durch das Gegenstromprinzip (das kalte Medium fließt entgegen dem warmen Medium), läßt sich auch ein Aufheizen über das mathematische Mittel erreichen, da hier das zu Anfang sehr kalte, zu erhitzende Medium durch das schon abgekühlte erwärmende Medium vorgewärmt wird.
Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers
Die Angabe eines Wirkungsgrades im Sinne des ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist für einen Wärmeübertrager nicht sinnvoll. Die vom einen Stoffstrom abgegebene thermische Leistung wird im stationären Betrieb vom anderen Stoffstrom vollständig aufgenommen (wenn man von Verlusten an die Umgebung durch unvollständige Wärmedämmung absieht). Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz, damit wäre der Wirkungsgrad 100%.
In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 geprägt, um die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers zu charakterisieren.
Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers ist offensichtlich dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Stoffstrom fließt. Hierzu ein Beispiel: Man stelle sich zwei Wasserströme vor, von denen der eine eine Temperatur von 50°C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe. Weiterhin seien beide Wasserströme gleich groß, beispielsweise 1 kg/s. Mische ich nun beide Wasserströme, so bekomme ich 2 kg/s Wasser von 30°C. Dies stellt gleichzeitig die theoretische Obergrenze für den Gleichstromwärmeübertrager dar.
Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstron-WÜ: Es ist offensichtlich nicht möglich, den kalten Wasserstrom auf eine höhere Temperatur zu bringen als den warmen, also 50°C (weil sonst eben Wärme von der kalten zur warmen Seite fließen müsste). Die maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt dann also 40°C.
Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt)ist nun so definiert, dass er die mit dem realen Apparat erreichte Temeperaturänderung zu der theoretisch möglichen in Beziehung setzt. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10°C) am Austritt aus dem WÜ bis auf 48°C erwärmt ist, also um 38°C wärmer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 = 95%.
Erhöht man nun die die Wassermenge, die sekündlich durch den WÜ fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet:
Der Temparturwirkungsgrad ist von den Einsatzbedingungen abhängig.
Damit ist eine Angabe wie "Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsggrad von 85%" unsinnig.
Ausführung
Wärmeübertrager sind grossflächig gestaltete Körper, in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch Kunststoff oder Glas.
In der Ausführung als so genannte Kühlkörper bestehen diese aus einem gut wärmeleitenden Metall wie Kupfer, Aluminium oder auch Silber. Anwendung finden diese Elemente vorrangig in der Leistungselektronik oder neuerdings auch auf Prozessoren handelsüblicher PCs.
In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Beständigkeit der Materialien benötigt wird.
Heizkörper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss hergestellt.
Bei der Konstruktion von Wärmetauschern wird gundsätzlich versucht bei geringem Bauraum eine möglichst große Oberfläche zu erzeugen. Anschauliche Beispiele finden sich an den Rippen des Heizkörpers, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage, dem Kühler des Autos. Der "Gegenspieler" der großen Oberfläche ist die Notwendigkeit einen möglichst guten (also widerstandsarmen) Durchfluss der Medien (Flüssigkeit oder Gas) zu gewährleisten.
Wird z.B. das Rohr einer Kühlschlange mit zu geringem Durchmesser ausgeführt kann man zwar sehr viele Meter in den Wärmetauscher packen, der Durchmesser wirkt sich jedoch in der vierten Potenz auf den Durchflusswiderstand aus. Man erhält einen hervorragend wärme tauschenden Apparat, für den man jedoch einen (temperaturerhöhenden) Kompressor braucht um den Durchfluss zu ermöglichen.
Beispiele von Wärmeüberträgern
Es gibt unterschiedliche Bauweisen von Wärmeüberträgern, z.B.
- Heizkörper (in der Schweiz Radiator): Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, dadurch werden grosse Oberflächen erzielt.
- Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
- der Wärmeübertrager in einem Wäschetrockner ohne Abluftanschluss.
- Kühlkörper aus Aluminiumblech als aufsteckbare Kühlsterne oder durch Aluminium-Druckguss hergestellten Profile sind zur Kühlung von Leistungshalbleitern weit verbreitet. Beispiel: Endstufen von HiFi-Verstärkern
- Kondensatoren in Klimaanlagen
- Abgaswärmetauscher in industriellen Anlagen