Wärmetauscher: Berechnung und Auslegung

Aufgabe und Funktionsweise der Wärmeübertrager 

In der Technik kommt es immer wieder vor, dass die Wärme aus einem System auf ein anderes zu übertragen ist. So muss zum Beispiel kostenfreie Umweltenergie aus einem Solekreislauf das Kältemittel in einer Wärmepumpe erwärmen. Das Heizungswasser muss thermische Energie auf das Trinkwasser übertragen oder die Solarflüssigkeit einer Solaranlage soll das Wasser in einer Heizungsanlage mit thermischer Energie versorgen. Zum Einsatz kommen dabei sogenannte Wärmeübertrager (auch Wärmetauscher). Die Bauteile sind heute in unterschiedlichsten Bauformen erhältlich und werden in der Praxis gleichzeitig von zwei Medien durchströmt. Dabei überträgt das wärmere Medium thermische Energie auf das kältere. Dieses erwärmt sich und strömt mit höheren Temperaturen aus dem Wärmeübertrager. Das andere Medium (möglich sind Gase oder Flüssigkeiten) kühlt unterdessen ab und strömt mit einer geringeren Temperatur als am Anfang aus dem Wärmeübertrager.

Wärmetauscher: Berechnung für die optimale Auslegung  

Die Auslegung der Wärmetauscher soll sicherstellen, dass die Bauteile bei gegebenen Medienparametern die richtige Leistung erzielen. Bei der Plattenwärmetauscher-Auslegung kommt es dabei zum Beispiel auf die Größe der Wärmetauscherflächen und die spezifischen Parameter der jeweiligen Medien (Durchfluss und Temperaturen) an.

Die Grundlagen der Wärmetauscher-Berechnung 

Wichtig für die Wärmetauscher-Berechnung ist zunächst die benötigte Leistung. Diese hängt grundsätzlich vom eingesetzten Medium, dem entsprechenden Massenstrom und der geplanten Spreizung ab. Ermitteln lässt sich die Leistung über folgende Gleichung:

• Leistung = [Massenstrom x spezifische Wärmespeicherfähigkeit (Wärmekapazität) x Spreizung] / 3.600
  

Ein Beispiel: Die Fußbodenheizung im Haus ist über eine Systemtrennung von der übrigen Anlage zu entkoppeln. Sie läuft mit Wasser (spezifische Wärmekapazität 4,19 kJ/(kg*K)) und soll zwischen Vor- und Rücklauf eine Spreizung von zehn Grad Celsius erreichen. Der bereits ermittelte Massenstrom liegt bei 2.000 Kilogramm pro Stunde. Die Leistung beträgt also etwa 23 Kilowatt.

Die wichtigsten Faktoren für die Wärmetauscher-Auslegung

Damit der Wärmeübertrager die ermittelte Leistung erreicht, muss er über eine ausreichend große Übertragungsfläche verfügen. Bei der  Plattenwärmetauscher-Auslegung entspricht das der Summe aller Teilflächen, die die hindurchströmenden Gase oder Flüssigkeiten voneinander trennen. Entscheidend sind unter anderem:

• Arten und Eigenschaften der eingesetzten Medien (Ist das Material beständig?)
  
• Ein- und Austrittstemperaturen der Medien am Wärmeübertrager
  
• zulässige Druckverluste auf der Primär- und der Sekundärseite
  
• Grädigkeit (Unterschied der Temperaturverhältnisse am Wärmeübertrager)
  

Ein Experte nimmt die Daten auf, bevor er einen Wärmetauscher berechnen kann. Die Arten der Medien wirken sich dabei hauptsächlich auf die Materialien am Wärmeübertrager aus. Genau wie die Verbindungen der einzelnen Platten am Plattenwärmeübertrager müssen diese den eingesetzten Stoffen lange standhalten, um sicher und zuverlässig zu arbeiten.

Die Druckverluste wirken sich auf Medienströme im Primär- und Sekundärkreislauf aus. In vielen Fällen ist bereits eine Pumpe vorhanden. Diese fördert den benötigten Medienstrom dabei nur dann, wenn der maximale Druckverlust nicht überschritten ist. Verursacht der Wärmetauscher durch falsche Auslegung einen zu hohen Druckverlust, sinkt der primär- oder sekundärseitige Mediendurchsatz. Die Leistung nimmt ab und die vorhandenen Temperaturanforderungen lassen sich unter Umständen nicht mehr erreichen.

Wichtig für die Wärmetauscher-Grundberechnung ist auch die sogenannte Grädigkeit. Diese beschreibt die Temperaturdifferenz zwischen dem Austritt des abzukühlenden und dem Eintritt des zu erwärmenden Mediums. Je höher der Wert ist, umso kleiner lässt sich die Fläche eines Wärmetauschers berechnen.

Wärmetauscher berechnen: Bauart und Wirkprinzip entscheidet  

Wie sich ein Wärmetauscher berechnen lässt, hängt letztlich von der Bauart und dem Wirkprinzip ab. So ist die Herangehensweise bei einem Plattenwärmeübertrager etwas anders, als bei einem Rohrwärmeübertrager. Wie viel die Geräte jeweils leisten, hängt dabei aber auch vom Wirkprinzip oder der Durchströmungsrichtung ab. Bei der gleichen Wärmeübertragerfläche leisten die Bauteile dabei grundsätzlich mehr, wenn Gase oder Flüssigkeiten in entgegengesetzten Richtungen aneinander vorbeiströmen. Experten sprechen dabei vom Gegenstrom-Prinzip.

Detaillierte Wärmetauscher-Berechnung mit Berechnungsprogrammen 

Während Experten einen Wärmetauscher von Hand berechnen können, bieten viele Hersteller einfach zu bedienende Rechenprogramme an. Hier sind die beschriebenen Grunddaten einzugeben, bevor die Werkzeuge die benötigten Ergebnisse ausgeben.