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Ein Wärmeübertrager auch Wärmetauscher oder seltener Wärmeaustauscher ist eine Vorrichtung die thermische Energie von ei

Wärmeübertrager

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Wärmeübertrager
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Ein Wärmeübertrager, auch Wärmetauscher oder seltener Wärmeaustauscher, ist eine Vorrichtung, die thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt.

Während die Bezeichnung Wärmetauscher weit verbreitet ist, findet der Fachbegriff Wärmeübertrager zunehmend Resonanz.

Einteilung

Wärmetauscher lassen sich hinsichtlich der Wärmeübertragung in drei Klassen ordnen:

Direkte Wärmeübertragung
beruht auf dem Vorgang der kombinierten Wärme- und Stoffübertragung bei trennbaren Stoffströmen. Repräsentativer Anwendungsfall ist der Nasskühlturm.
Indirekte Wärmeübertragung
ist dadurch gekennzeichnet, dass Stoffströme räumlich durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt sind. Wärmetauscher dieser Klasse werden auch Rekuperatoren genannt. In diese Klasse fallen z. B. Heizkörper.
Halbindirekte Wärmeübertragung
nutzt die Eigenschaften eines Wärmespeichers. Dabei werden beide Stoffe zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht. Der Wärmespeicher wird abwechselnd durch das heißere Medium erwärmt und danach durch das kältere Medium abgekühlt, um so thermische Energie vom heißeren auf das kältere Medium zu übertragen. Wärmetauscher dieser Klasse sind Regeneratoren, z. B. das Wärmerad.

Neben den Materialeigenschaften wird die Wirksamkeit der Wärmeübertragung von der geometrischen Führung der Stoffströme zueinander bestimmt. Hier sind fünf Grundformen zu unterscheiden.

Gegenstrom
→ Hauptartikel: Gegenstromprinzip (Verfahrenstechnik)
Die Stoffe werden so geführt, dass sie entgegenkommend aneinander vorbeiströmen. Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffströme getauscht, das heißt, dass das ursprünglich kalte Medium die Temperatur des ursprünglich heißen Mediums erreicht und umgekehrt. Voraussetzung für diesen Idealfall sind gleiche Wärmekapazitätenströme auf beiden Seiten des Wärmetauschers und ein Wirkungsgrad des Wärmetauschers von 100 %. In der Praxis ist ein vollständiger Austausch der Temperaturen nicht möglich. Ein Anwendungsfall ist die Wärmerückgewinnung.
Gleichstrom
führt die Stoffe nebeneinander in gleicher Richtung. Im Idealfall gleichen sich beide Stofftemperaturen einander an. Im Gegensatz zum Gegenstrom-Wärmetauscher ist das zu Beginn wärmere Medium auch nach dem Passieren des Wärmetauschers noch wärmer als das kalte Medium. Da das warme und das kalte Medium unmittelbar zueinander geführt werden, ist der Wärmestrom zwischen beiden anfänglich größer als beim Gegenstromprinzip. Nachteilig kann die Materialbelastung durch die Temperaturunterschiede sein.
Kreuzstrom
führt die Stoffströme so, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Das Ergebnis liegt zwischen denen von Gegen- und Gleichstrom. Der Kreuzstrom wird zum Beispiel benutzt, um den einen Strom auf eine bestimmte, festgelegte Temperatur zu bringen.
Wirbelstrom
verwirbelt zwei verschieden heiße Stoffströme. Notwendig ist eine Möglichkeit zum nachfolgenden Trennen. Eine Möglichkeit dafür ist das Wirbelrohr, eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile, mit der sich Gas in einen heißen und einen kalten Strom aufteilen lässt.
Kreuzgegenstrom
Die Stoffströme werden am Ein- und Auslass zunächst quer aufeinander zugeführt und strömen dann im Mittelteil parallel gegeneinander. Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffströme wie beim Gegenstrom getauscht. Ein Kreuzgegenstromwärmetauscher ist einfacher zu fertigen, sowie oft auch strömungsgünstiger und kompakter, als ein reiner Gegenstromwärmetauscher.

Ausführung

Allgemeines

Für eine gute Effizienz muss das Bauteil, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitfähigkeit und große Oberfläche aufweisen. Für guten Wärmeübergang ist eine turbulente Strömung günstig. Diese findet vor allem bei hoher Reynolds-Zahl statt. Deshalb sollte die Strömungsgeschwindigkeit hoch und die Viskosität der Medien gering sein. Hohe Geschwindigkeit und große benetzte Oberfläche verlangen allerdings auch einen hohen Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmetauscher zu pumpen.

Bei Wärmetauschern, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas (meist Luft) ist, unterscheiden sich die Wärmekapazitäten je Volumen der Medien stark. Es muss viel mehr Gas als Flüssigkeit durchströmen, und die Fläche für den Wärmeübergang muss auf der Gasseite vergrößert werden. Dies erfolgt oft durch Rippen oder Bleche, z. B. bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage und dem Kühler des Autos.

Materialien

Wärmetauscher bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch aus Emaille, Kunststoff, Glas, Graphit oder Siliciumcarbid. Im Klimabereich werden überwiegend Kupfer und Aluminium wegen der guten Wärmeleitfähigkeit verwendet. In Industrieanlagen werden wegen ihrer Beständigkeit vor allem Stahl, besonders Edelstahl eingesetzt. Heizkörper hingegen bestehen heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss.

Kunststoff, emaillierter Stahl, technisches Glas oder Siliciumcarbid werden für Wärmetauscher in der chemischen Industrie eingesetzt, wenn die Aggressivität der Fluide den Einsatz metallischer Werkstoffe nicht erlaubt. Siliciumcarbid kann aufgrund seiner extremen Temperaturbeständigkeit (Zersetzungstemperatur oberhalb von 2200 °C) auch bei Wärmetauschern eingesetzt werden, deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen. Solche keramischen Hochtemperatur-Wärmetauscher sind allerdings noch in der Entwicklung.

Bauformen

Es werden hier nur die Bauformen von Wärmetauschern für flüssige und gasförmige Medien behandelt:

Wärmetauscher für direkte Wärmeübertragung

  • Nasskühltürme werden für Rückkühlaufgaben in Kraftwerken eingesetzt. Dabei wird warmes Wasser in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft gekühlt.

Rekuperatoren

Rekuperatoren besitzen für die beiden Medien je einen getrennten Raum.

  • Plattenwärmeübertrager: Zahlreiche parallele Platten, die Zwischenräume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen.
    • Spiralwärmeübertrager als Sonderform des Plattenwärmetauschers, bei dem statt ebener Platten ein spiralförmig aufgewickeltes Blech verwendet wird.
  • Rohrwärmetauscher bzw. Rohrbündelwärmeübertrager: Durch die Rohre („Rohrraum“; meist eine Vielzahl von parallelen Rohren) wird ein Medium gepumpt bzw. anderweitig gefördert. Die Rohre befinden sich im sogenannten Mantelraum, einem größeren Rohr oder Kessel, durch den ein anderes Medium fließt.
    • U-Rohr-Wärmetauscher, bei dem die Rohre U-förmig gebogen sind. Vorteil ist, dass das Rohrbündel leichter in den Kessel eingesetzt und herausgenommen werden kann, weil es nur auf einer Seite befestigt ist (z. B. in den Deckel des Kessels eingeschweißt).
    • Wärmerohre sind an beiden Enden verschlossen und beinhalten ein Medium zur Wärmeübertragung, welches durch kontinuierliche Kondensation und Wieder-Verdunstung selbsttätig innerhalb des geschlossenen Rohres zirkuliert.
  • Hybrid-Tubular-Plattenwärmeübertrager sind eine Mischform aus Platten- und Rohrbündelwärmeübertragern. Sie bestehen aus sandwichartig übereinander gelegten und miteinander vollverschweißten geprägten Edelstahlplatten. Diese sind so angeordnet, dass sie auf der einen Seite einen rohrförmigen (tubularen) Querschnitt bilden und auf der anderen Seite einen – wie bei Plattenwärmeübertragern üblichen – wellenförmigen Querschnitt besitzen. Die Medien werden im Kreuzgegenstrom aneinander vorbei geführt.
  • bestehen aus zwei konzentrischen Rohren; das Medium im inneren Rohr wird durch das Medium im äußeren Rohr (meist Wasser) erhitzt oder gekühlt. Diese Bauform wird bei hochviskosen oder feststoffbeladenen Medien (z. B. Suspensionen, Schlämme) eingesetzt, weist jedoch eine geringe Wärmeübergangsoberfläche und damit einen geringen Wirkungsgrad auf. Sie ist besonders gut geeignet für hohe Drücke im Innenrohr.
  • Heizregister bzw. Kühlregister sind eine Kombination von Rohren (für das flüssige Medium) und daran befestigten Lamellen (für das gasförmige Medium).
    • Ein Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager ist aus zwei oder mehr Lamellen-Wärmeübertragerschichten (Heiz- oder Kühlregistern) zusammengesetzt.

Regeneratoren

Der speicherfähige Grundkörper von Regeneratoren wird abwechselnd vom heißen und vom kalten Medium durchströmt. Die Länge des Intervalls zwischen der Umkehr der Strömungsrichtung ist abhängig vom Massenstrom des Medium und der Wärmekapazität der Speichermasse.

  • Regeneratoren werden vor allem für Gase eingesetzt; die Wärmeenergie wird in einem Festkörper zwischengespeichert und später von derselben Oberfläche an den anderen Luftstrom abgegeben. Man unterscheidet
    • bewegliche Speichermassen wie beim Rotationswärmeübertrager (Luftvorwärmer) und Stirlingmotor.
    • ortsfeste Speichermassen wie beim industriellen Winderhitzer oder kleinen Lüftungsgeräten mit alternierender Luftführung durch Reversierventilatoren, die zur dezentralen Belüftung von einzelnen Räumen eingesetzt werden.

In Rotationswärmespeichern werden z. B. Aluminiumbleche, für Regeneratoren in Stirlingmotoren Kupfergeflechte und für Winderhitzer feuerfeste Steine bzw. keramische Speichermassen eingesetzt.

Berechnung und Bewertung von Rekuperatoren

Ideale Energiebilanz

Ein Wärmetauscher wird in seiner Grundfunktion jeweils von zwei Fluiden durchströmt, um diese auf vorgegebene thermodynamische Zustände zu bringen. Die von dem heißen Strom (Index: H) abgegebene und gleichzeitig von dem kalten Strom (K) aufgenommene thermische Leistung wird dabei über die folgende Energiebilanz bestimmt:

Q˙=m˙Hcp(THE−THA)=m˙Kcp(TKA−TKE){\displaystyle {\dot {Q}}={\dot {m}}_{H}\,c_{p}\,(T_{H}^{E}-T_{H}^{A})={\dot {m}}_{K}\,c_{p}\,(T_{K}^{A}-T_{K}^{E})}

Die Leistung Q˙{\displaystyle {\dot {Q}}}, in Abhängigkeit vom Massenstrom m˙{\displaystyle {\dot {m}}}, der spezifischen Wärmekapazität, sowie der Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt (Index: E) und dem Austritt (A), entspricht der transportierten Energie zwischen den beiden Fluiden aufgrund von Wärme:

Q˙=kAqΔTm{\displaystyle {\dot {Q}}=k\,A_{q}\,\Delta T_{m}}

Dabei ist k{\displaystyle k} der Wärmedurchgangskoeffizient, Aq{\displaystyle A_{q}} die Wärmeübertragungsfläche und ΔTm{\displaystyle \Delta T_{m}} die (effektive) mittlere Temperaturdifferenz. Die mittlere Temperaturdifferenz ist wiederum abhängig von den beiden Eintrittstemperaturen, der übertragenen Leistung, sowie insbesondere von der Strömungsführung beider Fluide durch den Apparat, wie z. B. eine Parallelstrom- oder Kreuzstromführung. Die Verknüpfung der Bilanzen über die Leistung und dividieren durch die maximal mögliche Temperaturdifferenz der beiden Eintrittstemperaturen liefert weiterhin

ΦH=Nϑ{\displaystyle \Phi _{H}=N\,\vartheta }

als dimensionslose Transportgleichung.

Dimensionslose Kennzahlen

Die dimensionslose Transportgleichung liefert folgende Wärmetauscher-Kennzahlen:

  • Dimensionslose Leistung bzw. Betriebscharakteristik:
ΦH=THE−THATHE−TKE{\displaystyle \Phi _{H}={\frac {T_{H}^{E}-T_{H}^{A}}{T_{H}^{E}-T_{K}^{E}}}}

Die Kennzahl gibt die tatsächliche Leistung im Verhältnis zur theoretischen Grenzleistung (aufgrund des Temperaturausgleichs) eines Gegenstrom-Wärmetauschers an. Sie ist somit eine dimensionslose Größe, deren Zahlenwert zwischen 0{\displaystyle 0} und 1{\displaystyle 1} liegt. Die Betriebscharakteristik lässt sich aufgrund des Leistungsverhältnisses auch als Wärmewirkungsgrad deuten.

  • Dimensionslose Heizfläche, je nach Theorie und Anwendung auch als Zahl der Übertragungseinheiten bzw. als NTU-Wert bezeichnet (für m˙Hcp{\displaystyle {{\dot {m}}_{H}\,c_{p}}} als der kleinere Kapazitätsstrom als begrenzendem Faktor):
N=kAqm˙Hcp=THE−THAΔTm{\displaystyle N={\frac {k\,A_{q}}{{\dot {m}}_{H}\,c_{p}}}={\frac {T_{H}^{E}-T_{H}^{A}}{\Delta T_{m}}}}

Die Betriebscharakteristik lässt sich in einem Diagramm als Ordinate über der dimensionslosen Größe N{\displaystyle N} als Abszisse (mit dem Verhältnis der Wärmekapazitätsströme) darstellen. Mit zunehmender dimensionsloser Heizfläche (Bauaufwand durch die Fläche) steigt dabei auch die dimensionslose Leistung, bis im Grenzfall unendlicher Wärmeübertragungsfläche die theoretische Grenzleistung Φ=1{\displaystyle \Phi =1} erreicht wird.

  • Dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz:ϑ=ΔTmTHE−TKE{\displaystyle \vartheta ={\frac {\Delta T_{m}}{T_{H}^{E}-T_{K}^{E}}}}

Die Arbeitspunkte eines Wärmetauschers liegen im Φ{\displaystyle \Phi }-N{\displaystyle N}-Diagramm auf einer Geraden durch den Ursprung mit der Steigung ϑ{\displaystyle \vartheta }.

  • Verhältnis der Wärmekapazitätsströme:
C=m˙Hcpm˙Kcp=TKA−TKETHE−THA{\displaystyle C={\frac {{\dot {m}}_{H}\,c_{p}}{{\dot {m}}_{K}\,c_{p}}}={\frac {T_{K}^{A}-T_{K}^{E}}{T_{H}^{E}-T_{H}^{A}}}}

Diese Größe charakterisiert abschließend die Aufgabenstellung des Wärmetauschers. Sie dient zur Umrechnung der Größen für den heißen und kalten Strom.

Ideale Strömungsführung

Gleich- und Gegenstrom

Für die Berechnung von Wärmetauschern gibt es eine Reihe von Methoden, die sich hinsichtlich des Rechenaufwandes und der Genauigkeit unterscheiden. Zur Bestimmung der thermischen Leistung ist es meistens ausreichend, eine von der Strömungsführung abhängige mittlere Temperaturdifferenz des Gesamtapparates zu verwenden. Wärmetauscher mit paralleler Strömungsführung finden in der Praxis häufig Verwendung. Je nachdem, ob sich hierbei die beiden Stoffströme in derselben oder entgegengesetzten Richtung bewegen, herrscht:

  • Gleichstrom:
ΦH=1−e−N(1+C)1+C{\displaystyle \Phi _{H}={\frac {1-e^{-N(1+C)}}{1+C}}}
  • Gegenstrom:
ΦH=1−e−N(1−C)1−Ce−N(1−C),(C<1){\displaystyle \Phi _{H}={\frac {1-e^{-N(1-C)}}{1-Ce^{-N(1-C)}}},\,(C<1)}
ΦH=N1+N,(C=1){\displaystyle \Phi _{H}={\frac {N}{1+N}},\,(C=1)}
ΦH=1−e−N(C−1)C−e−N(C−1),(C>1){\displaystyle \Phi _{H}={\frac {1-e^{-N(C-1)}}{C-e^{-N(C-1)}}},\,(C>1)}

Die mittlere Temperaturdifferenz bei Parallelstrom lässt sich auch durch den logarithmischen Mittelwert angeben (die Herleitung folgt aus dem Zusammenhang ΦH=f(N,C){\displaystyle \Phi _{H}=f(N,C)}, wenn man für die Kennzahlen jeweils die Temperaturen einsetzt):

ΔTm=Δϑm=ΔT1−ΔT2ln⁡(ΔT1ΔT2){\displaystyle \Delta T_{m}=\Delta \vartheta _{m}={\frac {\Delta T_{1}-\Delta T_{2}}{\ln \left({\frac {\Delta T_{1}}{\Delta T_{2}}}\right)}}}

Der Mittelwert liegt zwischen den Temperaturdifferenzen der Medien auf beiden Seiten des Wärmetauschers. Beim Gleichstrom sind dies die Temperaturdifferenzen auf der Eintrittsseite ΔT1{\displaystyle \Delta T_{1}} sowie auf der Austrittsseite ΔT2{\displaystyle \Delta T_{2}} und beim Gegenstrom sind dies die Temperaturdifferenzen jeweils zwischen Eintritt des einen Mediums und Austritt des anderen Mediums.

Kreuzstrom

Eine weitere idealisierte Strömungsführung bei Rohrbündel- oder Plattenwärmetauschern stellt der Kreuzstrom dar. Die beiden Stoffströme verlaufen beim reinen Kreuzstrom senkrecht zueinander und sind jeweils in Strömungsrichtung, im Vergleich zum Parallelstrom, nicht quervermischt.

  • Reiner Kreuzstrom (ohne Quervermischung):
ΦH=1CN∑i=0∞(1−e−N∑j=0iNjj!)(1−e−CN∑j=0i(CN)jj!){\displaystyle \Phi _{H}={\frac {1}{CN}}\sum \limits _{i=0}^{\infty }\left(1-e^{-N}\sum \limits _{j=0}^{i}{\frac {N^{j}}{j!}}\right)\left(1-e^{-CN}\sum \limits _{j=0}^{i}{\frac {(CN)^{j}}{j!}}\right)}

Hierbei ist j!{\displaystyle j!} die Fakultät von j{\displaystyle j}. Bei vorgegebenen apparateseitigen Ein- und Austrittstemperaturen benötigt der Gegenstrom die kleinste Wärmeübertragungsfläche, während der Gleichstrom bezüglich der thermischen Leistung eine sehr ungünstige Stromführung darstellt. Der reine Kreuzstrom liegt hinsichtlich der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Werten für den Gegen- und Gleichstromapparat. Weitere Strömungsformen:

  • Kreuzstrom, einseitig quervermischt:
ΦH=1−exp⁡(e−CN−1C){\displaystyle \Phi _{H}=1-\exp \left({\frac {e^{-CN}-1}{C}}\right)}
  • Kreuzstrom, beidseitig quervermischt:
1ΦH=11−e−N+C1−e−CN−1N{\displaystyle {\frac {1}{\Phi _{H}}}={\frac {1}{1-e^{-N}}}+{\frac {C}{1-e^{-CN}}}-{\frac {1}{N}}}

Kreuzgegenstrom

Neben der reinen Gestalt tritt der Kreuzstrom zudem in Verbindung mit Parallelstrom auf. Eine solche Schaltung erhält man z. B. durch Kombination mehrerer Plattenelemente übereinander. Jedes Element wird weiterhin kreuzdurchströmt, durch wiederholte Umlenkung findet die Hauptbewegung der Strömungen jedoch über der Höhe statt. Bei einer entgegengesetzten Strömung herrscht in diesem Sinne wieder Gegenstrom. Die mittlere Temperaturdifferenz einer solchen Kreuzgegenstrom-Schaltung liegt schließlich zwischen den Werten für den Gegenstrom und dem reinen Kreuzstrom.

  • Kreuzgegenstrom (ohne Quervermischung):
ΦH,i=1−(ΦH−1CΦH−1)1/n1−C(ΦH−1CΦH−1)1/n,(C≠1){\displaystyle \Phi _{H,i}={\frac {1-\left({\frac {\Phi _{H}-1}{C\Phi _{H}-1}}\right)^{1/n}}{1-C\left({\frac {\Phi _{H}-1}{C\Phi _{H}-1}}\right)^{1/n}}},\,(C\neq 1)}
ΦH,i=ΦHn+(1−n)ΦH,(C=1){\displaystyle \Phi _{H,i}={\frac {\Phi _{H}}{n+(1-n)\,\Phi _{H}}},\,(C=1)}

Jeder der i=1,2,3,…,n{\displaystyle i=1,2,3,\dots ,n} -Bereiche wird weiterhin rein kreuzstromgeführt. Bei Kreuzstromwärmetauschern mit mehreren Durchgängen ist die thermische Leistung von der Stromführung der beiden Fluide über den gesamten Apparat (Hauptströmungsrichtung) und ggf. von dem Grad der Quervermischung innerhalb jedes Durchgangs, sowie den Bereichen dazwischen, abhängig. Hierdurch entstehen weitere Varianten unterschiedlichster Schaltungen mehrgängiger Kreuzstromwärmetauscher.

  • Kreuzgegenstrom, einseitig quervermischt:

Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei Rohrbündelwärmetauschern erhalten.

  • Mehrgängige Kreuzstromwärmeübertrager:

Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei mehrgängigen Plattenwärmetauschern erhalten.

Wärmeübertragung mit Phasenübergang

Bei der Phasenänderung eines reinen Fluids (Einstoffsystem) in einem Wärmetauscher bleibt die Temperatur des betreffenden Fluids konstant. Für die Betriebscharakteristik gilt:

ΦH=1−e−N{\displaystyle \Phi _{H}=1-e^{-N}}

Der angegebene Wert gilt sowohl für den Verdampfungs- als auch Kondensationsprozess.

Anwendungen

Beide Medien gasförmig

  • Abgaswärmenutzung zum Vorwärmen der angesaugten Verbrennungsluft in industriellen Anlagen, z. B. Rotationswärmeübertrager und Winderhitzer.
  • Abluftwärmenutzung zur Wärmerückgewinnung, also Erwärmung der Zuluft bei der Belüftung klimatisierter Gebäude oder für Passivhäuser, sog. Luft-Luft-Wärmetauscher.
  • Luft/Luft-Wärmetauscher zu Schaltschrankkühlung.
  • Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren

Ein Medium gasförmig, eines flüssig

  • Lufterhitzung bzw. -kühlung zur direkten thermischen Behandlung der Zuluft in Klimaanlagen
  • Raumlufterwärmung über Heizkörper als Konvektor: Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, wodurch große Oberflächen erzielt werden.
  • Regenerative Wärmerückgewinnung zur Erwärmung oder Kühlung der Zuluft in klimatisierten Gebäuden.
  • Speisewasservorwärmung von Dampfkesseln (Economiser).
  • Luft/Wasser-Wärmetauscher zu Schaltschrankkühlung.
  • Wärmeübertragung zur Warmwassergewinnung in Gasthermen.
  • Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren bei indirekter Ladeluftkühlung

Ein Medium gasförmig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig

  • Kondensation bei Dampfturbinen.
  • Verdampfung in Dampfkesseln von Kohlekraftwerken sowie Dampferzeugern in Kernkraftwerken mit gasgekühlten Reaktoren.
  • Verdampfung und Kondensation des Kältemittels bei Klimaanlagen.
  • Wärmeübertragung von Luft an das Kältemittel im Verdampfer von Wärmepumpen für die Gebäudeheizung.
  • Wärmeabgabe über Kühlschlange im und an der Rückwand von Kühlschränken.
  • Wärmerohr (Heatpipe)
  • Wärmeübertragung in Kondensationswäschetrocknern (ohne Abluftanschluss).

Ein Medium flüssig, eines im Phasenübergang gasförmig/flüssig

  • Verflüssiger von Wärmepumpen in Heizungsanlagen
  • Dampferzeuger in Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor
  • Dampfbetriebene Erhitzer für Pumpen-Warmwassersysteme in großen Heizungsanlagen

Beide Medien flüssig

  • Grundwasserwärmeübertragung für Wärmepumpen.
  • Wärmeübertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken (Meereswärmekraftwerk).
  • Wärmeübertragung in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen.
  • Wärmeübertragung in einer Frischwasserstation.
  • Wärmeübertragung zwischen Seewasser und Kühlwasser von Schiffsdieselmotoren.
  • Wärmeübertragung in Fernwärmenetzen
  • Aus der Biologie: Um den Wärmeverlust bei Berührung des kalten Bodens zu minimieren, verlaufen die Adern in Pinguinfüßen wie bei einem Gegenstromwärmetauscher.

Andere

Folgende Anwendungen gehören eigentlich nicht zu den Wärmetauschern, da hier die Wärme nicht zwischen zwei fließenden Medien übertragen wird: Erdwärmeübertrager, Halbrohrschlange, Kühlkörper, Radiator.

Siehe auch

  • Wärmeübertragung
  • Wärmeträger

Literatur

  • H. Schnell: Wärmeaustauscher, Energieeinsparung durch Optimierung von Wärmeprozessen. 2. Auflage. Vulkan-Verlag, Essen 1994, ISBN 3-8027-2369-4. 
  • Herbert Jüttemann: Wärme- und Kälterückgewinnung. 4. Auflage. Werner Verlag, Düsseldorf 2001, ISBN 3-8041-2233-7. 
  • Eberhard Wegener: Planung eines Wärmeübertragers: Ganzheitliche Aufgabenlösung bis zur Instandsetzung eines Rohrbündel-Wärmeübertragers. 1. Auflage. Wiley-VCH Verlag, Weinheim 2013, ISBN 978-3-527-33304-2. 
  • Hartmut Kainer: Keramische Wärmeaustauscher. In: Jahrbuch Technische Keramik. 1. Auflage. Vulkan-Verlag, Essen 1988, S. 338–344. 

Weblinks

Commons: Wärmetauscher – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Hans Dieter Baehr, Karl Stephan: Wärme- und Stofftransport. 7. neu bearbeitete Auflage. Springer, 2010, ISBN 978-3-642-05500-3, S. bspw. Kapitel 1.3. 
  2. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC): VDI-Wärmeatlas. 11. bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer Vieweg, 2013, ISBN 978-3-642-19980-6, S. Abschnitt C. 
  3. Hartmut Kainer u. a.: Keramische Rekuperatoren für Hochtemperaturprozesse. Abschlussbericht zum BMFT-Forschungsvorhaben 03E-8658 A, Didier Werke AG. Eigenverlag, Wiesbaden, April 1991.
  4. 50 Jahre und immer noch "heiß": Warum verschweißte Hybrid-Plattenwärmetauscher noch Potenzial haben. Abgerufen am 1. April 2021. 
  5. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verf: VDI-Wärmeatlas. 11. bearbeitete und erweiterte Auflage. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-662-10743-0. 
  6. T. Möller, O Strelow: Ein Matrix-Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz mehrgängiger Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager. In: Forschung im Ingenieurwesen. Vol 81, Issue 4, 2017, S. 357–369.
  7. E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, S. 328.
  8. T. Möller: Modelling and simulation of block-type multi-pass plate heat exchangers. 49. Kraftwerkstechnisches Kolloquium, Okt 2017.
  9. E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, S. 330–333.
  10. W. Nußelt: Eine neue Formel für den Wärmedurchgang im Kreuzstrom. In: Technische Mechanik und Thermodynamik. Vol 1, Issue 12, 1930, S. 417–422.
  11. H. Hausen: Wärmeübertragung im Gegenstrom, Gleichstrom und Kreuzstrom. 2. Auflage. Springer Verlag, 1976.
  12. E. Doering, H. Schedwill, M. Dehle: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. 6. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, Wiesbaden 2008, S. 337.
Normdaten (Sachbegriff): GND: 4064176-4 (GND Explorer, lobid, OGND, AKS)

Autor: www.NiNa.Az

Veröffentlichungsdatum: 24 Jun 2025 / 02:39

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Ein Warmeubertrager auch Warmetauscher oder seltener Warmeaustauscher ist eine Vorrichtung die thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen ubertragt Einfacher Warmetauscher Wahrend die Bezeichnung Warmetauscher weit verbreitet ist findet der Fachbegriff Warmeubertrager zunehmend Resonanz EinteilungWarmeubertragung beim GegenstromprinzipWarmeubertragung beim GleichstromprinzipWarmeubertragung beim Kreuzstromprinzip Warmetauscher lassen sich hinsichtlich der Warmeubertragung in drei Klassen ordnen Direkte Warmeubertragung beruht auf dem Vorgang der kombinierten Warme und Stoffubertragung bei trennbaren Stoffstromen Reprasentativer Anwendungsfall ist der Nasskuhlturm Indirekte Warmeubertragung ist dadurch gekennzeichnet dass Stoffstrome raumlich durch eine warmedurchlassige Wand getrennt sind Warmetauscher dieser Klasse werden auch Rekuperatoren genannt In diese Klasse fallen z B Heizkorper Halbindirekte Warmeubertragung nutzt die Eigenschaften eines Warmespeichers Dabei werden beide Stoffe zeitversetzt mit dem Warmespeicher in Kontakt gebracht Der Warmespeicher wird abwechselnd durch das heissere Medium erwarmt und danach durch das kaltere Medium abgekuhlt um so thermische Energie vom heisseren auf das kaltere Medium zu ubertragen Warmetauscher dieser Klasse sind Regeneratoren z B das Warmerad Neben den Materialeigenschaften wird die Wirksamkeit der Warmeubertragung von der geometrischen Fuhrung der Stoffstrome zueinander bestimmt Hier sind funf Grundformen zu unterscheiden Gegenstrom Hauptartikel Gegenstromprinzip Verfahrenstechnik Die Stoffe werden so gefuhrt dass sie entgegenkommend aneinander vorbeistromen Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffstrome getauscht das heisst dass das ursprunglich kalte Medium die Temperatur des ursprunglich heissen Mediums erreicht und umgekehrt Voraussetzung fur diesen Idealfall sind gleiche Warmekapazitatenstrome auf beiden Seiten des Warmetauschers und ein Wirkungsgrad des Warmetauschers von 100 In der Praxis ist ein vollstandiger Austausch der Temperaturen nicht moglich Ein Anwendungsfall ist die Warmeruckgewinnung Gleichstrom fuhrt die Stoffe nebeneinander in gleicher Richtung Im Idealfall gleichen sich beide Stofftemperaturen einander an Im Gegensatz zum Gegenstrom Warmetauscher ist das zu Beginn warmere Medium auch nach dem Passieren des Warmetauschers noch warmer als das kalte Medium Da das warme und das kalte Medium unmittelbar zueinander gefuhrt werden ist der Warmestrom zwischen beiden anfanglich grosser als beim Gegenstromprinzip Nachteilig kann die Materialbelastung durch die Temperaturunterschiede sein Kreuzstrom fuhrt die Stoffstrome so dass sich ihre Richtungen kreuzen Das Ergebnis liegt zwischen denen von Gegen und Gleichstrom Der Kreuzstrom wird zum Beispiel benutzt um den einen Strom auf eine bestimmte festgelegte Temperatur zu bringen Wirbelstrom verwirbelt zwei verschieden heisse Stoffstrome Notwendig ist eine Moglichkeit zum nachfolgenden Trennen Eine Moglichkeit dafur ist das Wirbelrohr eine Vorrichtung ohne bewegliche Teile mit der sich Gas in einen heissen und einen kalten Strom aufteilen lasst Kreuzgegenstrom Die Stoffstrome werden am Ein und Auslass zunachst quer aufeinander zugefuhrt und stromen dann im Mittelteil parallel gegeneinander Im Idealfall werden die Temperaturen der Stoffstrome wie beim Gegenstrom getauscht Ein Kreuzgegenstromwarmetauscher ist einfacher zu fertigen sowie oft auch stromungsgunstiger und kompakter als ein reiner Gegenstromwarmetauscher AusfuhrungAllgemeines Rohrbundel Warmetauscher Fur eine gute Effizienz muss das Bauteil das die Medien trennt eine gute Warmeleitfahigkeit und grosse Oberflache aufweisen Fur guten Warmeubergang ist eine turbulente Stromung gunstig Diese findet vor allem bei hoher Reynolds Zahl statt Deshalb sollte die Stromungsgeschwindigkeit hoch und die Viskositat der Medien gering sein Hohe Geschwindigkeit und grosse benetzte Oberflache verlangen allerdings auch einen hohen Energieaufwand um die Medien durch den Warmetauscher zu pumpen Bei Warmetauschern bei denen ein Medium eine Flussigkeit das andere Medium ein Gas meist Luft ist unterscheiden sich die Warmekapazitaten je Volumen der Medien stark Es muss viel mehr Gas als Flussigkeit durchstromen und die Flache fur den Warmeubergang muss auf der Gasseite vergrossert werden Dies erfolgt oft durch Rippen oder Bleche z B bei Hochtemperatur Heizkorpern den Kuhlschlangen an der Ruckseite eines Kuhlschrankes oder einer Klimaanlage und dem Kuhler des Autos Materialien Emaillierter Rohrbundelwarmeubertrager fur die chemische Industrie Warmetauscher bestehen in den meisten Fallen aus Metall jedoch auch aus Emaille Kunststoff Glas Graphit oder Siliciumcarbid Im Klimabereich werden uberwiegend Kupfer und Aluminium wegen der guten Warmeleitfahigkeit verwendet In Industrieanlagen werden wegen ihrer Bestandigkeit vor allem Stahl besonders Edelstahl eingesetzt Heizkorper hingegen bestehen heute meist aus Stahlblech fruher aus Grauguss Kunststoff emaillierter Stahl technisches Glas oder Siliciumcarbid werden fur Warmetauscher in der chemischen Industrie eingesetzt wenn die Aggressivitat der Fluide den Einsatz metallischer Werkstoffe nicht erlaubt Siliciumcarbid kann aufgrund seiner extremen Temperaturbestandigkeit Zersetzungstemperatur oberhalb von 2200 C auch bei Warmetauschern eingesetzt werden deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen Solche keramischen Hochtemperatur Warmetauscher sind allerdings noch in der Entwicklung Bauformen Es werden hier nur die Bauformen von Warmetauschern fur flussige und gasformige Medien behandelt Warmetauscher fur direkte Warmeubertragung Nasskuhlturme werden fur Ruckkuhlaufgaben in Kraftwerken eingesetzt Dabei wird warmes Wasser in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft gekuhlt Rekuperatoren Rekuperatoren besitzen fur die beiden Medien je einen getrennten Raum Plattenwarmeubertrager Zahlreiche parallele Platten die Zwischenraume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen Spiralwarmeubertrager als Sonderform des Plattenwarmetauschers bei dem statt ebener Platten ein spiralformig aufgewickeltes Blech verwendet wird Rohrwarmetauscher bzw Rohrbundelwarmeubertrager Durch die Rohre Rohrraum meist eine Vielzahl von parallelen Rohren wird ein Medium gepumpt bzw anderweitig gefordert Die Rohre befinden sich im sogenannten Mantelraum einem grosseren Rohr oder Kessel durch den ein anderes Medium fliesst U Rohr Warmetauscher bei dem die Rohre U formig gebogen sind Vorteil ist dass das Rohrbundel leichter in den Kessel eingesetzt und herausgenommen werden kann weil es nur auf einer Seite befestigt ist z B in den Deckel des Kessels eingeschweisst Warmerohre sind an beiden Enden verschlossen und beinhalten ein Medium zur Warmeubertragung welches durch kontinuierliche Kondensation und Wieder Verdunstung selbsttatig innerhalb des geschlossenen Rohres zirkuliert Hybrid Tubular Plattenwarmeubertrager sind eine Mischform aus Platten und Rohrbundelwarmeubertragern Sie bestehen aus sandwichartig ubereinander gelegten und miteinander vollverschweissten gepragten Edelstahlplatten Diese sind so angeordnet dass sie auf der einen Seite einen rohrformigen tubularen Querschnitt bilden und auf der anderen Seite einen wie bei Plattenwarmeubertragern ublichen wellenformigen Querschnitt besitzen Die Medien werden im Kreuzgegenstrom aneinander vorbei gefuhrt bestehen aus zwei konzentrischen Rohren das Medium im inneren Rohr wird durch das Medium im ausseren Rohr meist Wasser erhitzt oder gekuhlt Diese Bauform wird bei hochviskosen oder feststoffbeladenen Medien z B Suspensionen Schlamme eingesetzt weist jedoch eine geringe Warmeubergangsoberflache und damit einen geringen Wirkungsgrad auf Sie ist besonders gut geeignet fur hohe Drucke im Innenrohr Heizregister bzw Kuhlregister sind eine Kombination von Rohren fur das flussige Medium und daran befestigten Lamellen fur das gasformige Medium Ein Gegenstrom Schichtwarmeubertrager ist aus zwei oder mehr Lamellen Warmeubertragerschichten Heiz oder Kuhlregistern zusammengesetzt Regeneratoren Der speicherfahige Grundkorper von Regeneratoren wird abwechselnd vom heissen und vom kalten Medium durchstromt Die Lange des Intervalls zwischen der Umkehr der Stromungsrichtung ist abhangig vom Massenstrom des Medium und der Warmekapazitat der Speichermasse Regeneratoren werden vor allem fur Gase eingesetzt die Warmeenergie wird in einem Festkorper zwischengespeichert und spater von derselben Oberflache an den anderen Luftstrom abgegeben Man unterscheidet bewegliche Speichermassen wie beim Rotationswarmeubertrager Luftvorwarmer und Stirlingmotor ortsfeste Speichermassen wie beim industriellen Winderhitzer oder kleinen Luftungsgeraten mit alternierender Luftfuhrung durch Reversierventilatoren die zur dezentralen Beluftung von einzelnen Raumen eingesetzt werden In Rotationswarmespeichern werden z B Aluminiumbleche fur Regeneratoren in Stirlingmotoren Kupfergeflechte und fur Winderhitzer feuerfeste Steine bzw keramische Speichermassen eingesetzt Berechnung und Bewertung von RekuperatorenIdeale Energiebilanz Ein Warmetauscher wird in seiner Grundfunktion jeweils von zwei Fluiden durchstromt um diese auf vorgegebene thermodynamische Zustande zu bringen Die von dem heissen Strom Index H abgegebene und gleichzeitig von dem kalten Strom K aufgenommene thermische Leistung wird dabei uber die folgende Energiebilanz bestimmt Q m Hcp THE THA m Kcp TKA TKE displaystyle dot Q dot m H c p T H E T H A dot m K c p T K A T K E Die Leistung Q displaystyle dot Q in Abhangigkeit vom Massenstrom m displaystyle dot m der spezifischen Warmekapazitat sowie der Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt Index E und dem Austritt A entspricht der transportierten Energie zwischen den beiden Fluiden aufgrund von Warme Q kAqDTm displaystyle dot Q k A q Delta T m Dabei ist k displaystyle k der Warmedurchgangskoeffizient Aq displaystyle A q die Warmeubertragungsflache und DTm displaystyle Delta T m die effektive mittlere Temperaturdifferenz Die mittlere Temperaturdifferenz ist wiederum abhangig von den beiden Eintrittstemperaturen der ubertragenen Leistung sowie insbesondere von der Stromungsfuhrung beider Fluide durch den Apparat wie z B eine Parallelstrom oder Kreuzstromfuhrung Die Verknupfung der Bilanzen uber die Leistung und dividieren durch die maximal mogliche Temperaturdifferenz der beiden Eintrittstemperaturen liefert weiterhin FH Nϑ displaystyle Phi H N vartheta als dimensionslose Transportgleichung Dimensionslose Kennzahlen Die dimensionslose Transportgleichung liefert folgende Warmetauscher Kennzahlen Dimensionslose Leistung bzw Betriebscharakteristik FH THE THATHE TKE displaystyle Phi H frac T H E T H A T H E T K E Die Kennzahl gibt die tatsachliche Leistung im Verhaltnis zur theoretischen Grenzleistung aufgrund des Temperaturausgleichs eines Gegenstrom Warmetauschers an Sie ist somit eine dimensionslose Grosse deren Zahlenwert zwischen 0 displaystyle 0 und 1 displaystyle 1 liegt Die Betriebscharakteristik lasst sich aufgrund des Leistungsverhaltnisses auch als Warmewirkungsgrad deuten Dimensionslose Heizflache je nach Theorie und Anwendung auch als Zahl der Ubertragungseinheiten bzw als NTU Wert bezeichnet fur m Hcp displaystyle dot m H c p als der kleinere Kapazitatsstrom als begrenzendem Faktor N kAqm Hcp THE THADTm displaystyle N frac k A q dot m H c p frac T H E T H A Delta T m Die Betriebscharakteristik lasst sich in einem Diagramm als Ordinate uber der dimensionslosen Grosse N displaystyle N als Abszisse mit dem Verhaltnis der Warmekapazitatsstrome darstellen Mit zunehmender dimensionsloser Heizflache Bauaufwand durch die Flache steigt dabei auch die dimensionslose Leistung bis im Grenzfall unendlicher Warmeubertragungsflache die theoretische Grenzleistung F 1 displaystyle Phi 1 erreicht wird Dimensionslose mittlere Temperaturdifferenz ϑ DTmTHE TKE displaystyle vartheta frac Delta T m T H E T K E Die Arbeitspunkte eines Warmetauschers liegen im F displaystyle Phi N displaystyle N Diagramm auf einer Geraden durch den Ursprung mit der Steigung ϑ displaystyle vartheta Verhaltnis der Warmekapazitatsstrome C m Hcpm Kcp TKA TKETHE THA displaystyle C frac dot m H c p dot m K c p frac T K A T K E T H E T H A Diese Grosse charakterisiert abschliessend die Aufgabenstellung des Warmetauschers Sie dient zur Umrechnung der Grossen fur den heissen und kalten Strom Ideale Stromungsfuhrung Gleich und Gegenstrom Fur die Berechnung von Warmetauschern gibt es eine Reihe von Methoden die sich hinsichtlich des Rechenaufwandes und der Genauigkeit unterscheiden Zur Bestimmung der thermischen Leistung ist es meistens ausreichend eine von der Stromungsfuhrung abhangige mittlere Temperaturdifferenz des Gesamtapparates zu verwenden Warmetauscher mit paralleler Stromungsfuhrung finden in der Praxis haufig Verwendung Je nachdem ob sich hierbei die beiden Stoffstrome in derselben oder entgegengesetzten Richtung bewegen herrscht Gleichstrom FH 1 e N 1 C 1 C displaystyle Phi H frac 1 e N 1 C 1 C Gegenstrom FH 1 e N 1 C 1 Ce N 1 C C lt 1 displaystyle Phi H frac 1 e N 1 C 1 Ce N 1 C C lt 1 FH N1 N C 1 displaystyle Phi H frac N 1 N C 1 FH 1 e N C 1 C e N C 1 C gt 1 displaystyle Phi H frac 1 e N C 1 C e N C 1 C gt 1 Die mittlere Temperaturdifferenz bei Parallelstrom lasst sich auch durch den logarithmischen Mittelwert angeben die Herleitung folgt aus dem Zusammenhang FH f N C displaystyle Phi H f N C wenn man fur die Kennzahlen jeweils die Temperaturen einsetzt DTm Dϑm DT1 DT2ln DT1DT2 displaystyle Delta T m Delta vartheta m frac Delta T 1 Delta T 2 ln left frac Delta T 1 Delta T 2 right Der Mittelwert liegt zwischen den Temperaturdifferenzen der Medien auf beiden Seiten des Warmetauschers Beim Gleichstrom sind dies die Temperaturdifferenzen auf der Eintrittsseite DT1 displaystyle Delta T 1 sowie auf der Austrittsseite DT2 displaystyle Delta T 2 und beim Gegenstrom sind dies die Temperaturdifferenzen jeweils zwischen Eintritt des einen Mediums und Austritt des anderen Mediums Kreuzstrom Eine weitere idealisierte Stromungsfuhrung bei Rohrbundel oder Plattenwarmetauschern stellt der Kreuzstrom dar Die beiden Stoffstrome verlaufen beim reinen Kreuzstrom senkrecht zueinander und sind jeweils in Stromungsrichtung im Vergleich zum Parallelstrom nicht quervermischt Reiner Kreuzstrom ohne Quervermischung FH 1CN i 0 1 e N j 0iNjj 1 e CN j 0i CN jj displaystyle Phi H frac 1 CN sum limits i 0 infty left 1 e N sum limits j 0 i frac N j j right left 1 e CN sum limits j 0 i frac CN j j right Hierbei ist j displaystyle j die Fakultat von j displaystyle j Bei vorgegebenen apparateseitigen Ein und Austrittstemperaturen benotigt der Gegenstrom die kleinste Warmeubertragungsflache wahrend der Gleichstrom bezuglich der thermischen Leistung eine sehr ungunstige Stromfuhrung darstellt Der reine Kreuzstrom liegt hinsichtlich der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Werten fur den Gegen und Gleichstromapparat Weitere Stromungsformen Kreuzstrom einseitig quervermischt FH 1 exp e CN 1C displaystyle Phi H 1 exp left frac e CN 1 C right Kreuzstrom beidseitig quervermischt 1FH 11 e N C1 e CN 1N displaystyle frac 1 Phi H frac 1 1 e N frac C 1 e CN frac 1 N Kreuzgegenstrom Neben der reinen Gestalt tritt der Kreuzstrom zudem in Verbindung mit Parallelstrom auf Eine solche Schaltung erhalt man z B durch Kombination mehrerer Plattenelemente ubereinander Jedes Element wird weiterhin kreuzdurchstromt durch wiederholte Umlenkung findet die Hauptbewegung der Stromungen jedoch uber der Hohe statt Bei einer entgegengesetzten Stromung herrscht in diesem Sinne wieder Gegenstrom Die mittlere Temperaturdifferenz einer solchen Kreuzgegenstrom Schaltung liegt schliesslich zwischen den Werten fur den Gegenstrom und dem reinen Kreuzstrom Kreuzgegenstrom ohne Quervermischung FH i 1 FH 1CFH 1 1 n1 C FH 1CFH 1 1 n C 1 displaystyle Phi H i frac 1 left frac Phi H 1 C Phi H 1 right 1 n 1 C left frac Phi H 1 C Phi H 1 right 1 n C neq 1 FH i FHn 1 n FH C 1 displaystyle Phi H i frac Phi H n 1 n Phi H C 1 Jeder der i 1 2 3 n displaystyle i 1 2 3 dots n Bereiche wird weiterhin rein kreuzstromgefuhrt Bei Kreuzstromwarmetauschern mit mehreren Durchgangen ist die thermische Leistung von der Stromfuhrung der beiden Fluide uber den gesamten Apparat Hauptstromungsrichtung und ggf von dem Grad der Quervermischung innerhalb jedes Durchgangs sowie den Bereichen dazwischen abhangig Hierdurch entstehen weitere Varianten unterschiedlichster Schaltungen mehrgangiger Kreuzstromwarmetauscher Kreuzgegenstrom einseitig quervermischt Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei Rohrbundelwarmetauschern erhalten Mehrgangige Kreuzstromwarmeubertrager Eine solche Schaltung wird beispielsweise bei mehrgangigen Plattenwarmetauschern erhalten Warmeubertragung mit Phasenubergang Bei der Phasenanderung eines reinen Fluids Einstoffsystem in einem Warmetauscher bleibt die Temperatur des betreffenden Fluids konstant Fur die Betriebscharakteristik gilt FH 1 e N displaystyle Phi H 1 e N Der angegebene Wert gilt sowohl fur den Verdampfungs als auch Kondensationsprozess AnwendungenLuft Luft WarmetauscherBeide Medien gasformig Abgaswarmenutzung zum Vorwarmen der angesaugten Verbrennungsluft in industriellen Anlagen z B Rotationswarmeubertrager und Winderhitzer Abluftwarmenutzung zur Warmeruckgewinnung also Erwarmung der Zuluft bei der Beluftung klimatisierter Gebaude oder fur Passivhauser sog Luft Luft Warmetauscher Luft Luft Warmetauscher zu Schaltschrankkuhlung Ladeluftkuhler fur VerbrennungsmotorenEin Medium gasformig eines flussig Luft Flussigkeit Warmetauscher von nachgerusteten Klimaanlagen in Singapur 2003 Lufterhitzung bzw kuhlung zur direkten thermischen Behandlung der Zuluft in Klimaanlagen Raumlufterwarmung uber Heizkorper als Konvektor Kennzeichnend ist die gerippte Bauform wodurch grosse Oberflachen erzielt werden Regenerative Warmeruckgewinnung zur Erwarmung oder Kuhlung der Zuluft in klimatisierten Gebauden Speisewasservorwarmung von Dampfkesseln Economiser Luft Wasser Warmetauscher zu Schaltschrankkuhlung Warmeubertragung zur Warmwassergewinnung in Gasthermen Ladeluftkuhler fur Verbrennungsmotoren bei indirekter LadeluftkuhlungEin Medium gasformig eines im Phasenubergang gasformig flussig Luft Flussigkeit WarmetauscherKondensation bei Dampfturbinen Verdampfung in Dampfkesseln von Kohlekraftwerken sowie Dampferzeugern in Kernkraftwerken mit gasgekuhlten Reaktoren Verdampfung und Kondensation des Kaltemittels bei Klimaanlagen Warmeubertragung von Luft an das Kaltemittel im Verdampfer von Warmepumpen fur die Gebaudeheizung Warmeabgabe uber Kuhlschlange im und an der Ruckwand von Kuhlschranken Warmerohr Heatpipe Warmeubertragung in Kondensationswaschetrocknern ohne Abluftanschluss Ein Medium flussig eines im Phasenubergang gasformig flussig Verflussiger von Warmepumpen in Heizungsanlagen Dampferzeuger in Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor Dampfbetriebene Erhitzer fur Pumpen Warmwassersysteme in grossen HeizungsanlagenBeide Medien flussig Flussigkeit Flussigkeit WarmetauscherGrundwasserwarmeubertragung fur Warmepumpen Warmeubertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken Meereswarmekraftwerk Warmeubertragung in Speicherkesseln von thermischen Solaranlagen Warmeubertragung in einer Frischwasserstation Warmeubertragung zwischen Seewasser und Kuhlwasser von Schiffsdieselmotoren Warmeubertragung in Fernwarmenetzen Aus der Biologie Um den Warmeverlust bei Beruhrung des kalten Bodens zu minimieren verlaufen die Adern in Pinguinfussen wie bei einem Gegenstromwarmetauscher Andere Folgende Anwendungen gehoren eigentlich nicht zu den Warmetauschern da hier die Warme nicht zwischen zwei fliessenden Medien ubertragen wird Erdwarmeubertrager Halbrohrschlange Kuhlkorper Radiator Siehe auchWarmeubertragung WarmetragerLiteraturH Schnell Warmeaustauscher Energieeinsparung durch Optimierung von Warmeprozessen 2 Auflage Vulkan Verlag Essen 1994 ISBN 3 8027 2369 4 Herbert Juttemann Warme und Kalteruckgewinnung 4 Auflage Werner Verlag Dusseldorf 2001 ISBN 3 8041 2233 7 Eberhard Wegener Planung eines Warmeubertragers Ganzheitliche Aufgabenlosung bis zur Instandsetzung eines Rohrbundel Warmeubertragers 1 Auflage Wiley VCH Verlag Weinheim 2013 ISBN 978 3 527 33304 2 Hartmut Kainer Keramische Warmeaustauscher In Jahrbuch Technische Keramik 1 Auflage Vulkan Verlag Essen 1988 S 338 344 WeblinksCommons Warmetauscher Sammlung von Bildern Videos und AudiodateienEinzelnachweiseHans Dieter Baehr Karl Stephan Warme und Stofftransport 7 neu bearbeitete Auflage Springer 2010 ISBN 978 3 642 05500 3 S bspw Kapitel 1 3 Verein Deutscher Ingenieure VDI Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen GVC VDI Warmeatlas 11 bearbeitete und erweiterte Auflage Springer Vieweg 2013 ISBN 978 3 642 19980 6 S Abschnitt C Hartmut Kainer u a Keramische Rekuperatoren fur Hochtemperaturprozesse Abschlussbericht zum BMFT Forschungsvorhaben 03E 8658 A Didier Werke AG Eigenverlag Wiesbaden April 1991 50 Jahre und immer noch heiss Warum verschweisste Hybrid Plattenwarmetauscher noch Potenzial haben Abgerufen am 1 April 2021 Verein Deutscher Ingenieure VDI Gesellschaft Verf VDI Warmeatlas 11 bearbeitete und erweiterte Auflage Springer Verlag 2013 ISBN 978 3 662 10743 0 T Moller O Strelow Ein Matrix Berechnungsmodell zur Simulation und schnellen Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz mehrgangiger Kreuzstrom Plattenwarmeubertrager In Forschung im Ingenieurwesen Vol 81 Issue 4 2017 S 357 369 E Doering H Schedwill M Dehle Grundlagen der Technischen Thermodynamik 6 Auflage Vieweg Teubner Verlag Wiesbaden 2008 S 328 T Moller Modelling and simulation of block type multi pass plate heat exchangers 49 Kraftwerkstechnisches Kolloquium Okt 2017 E Doering H Schedwill M Dehle Grundlagen der Technischen Thermodynamik 6 Auflage Vieweg Teubner Verlag Wiesbaden 2008 S 330 333 W Nusselt Eine neue Formel fur den Warmedurchgang im Kreuzstrom In Technische Mechanik und Thermodynamik Vol 1 Issue 12 1930 S 417 422 H Hausen Warmeubertragung im Gegenstrom Gleichstrom und Kreuzstrom 2 Auflage Springer Verlag 1976 E Doering H Schedwill M Dehle Grundlagen der Technischen Thermodynamik 6 Auflage Vieweg Teubner Verlag Wiesbaden 2008 S 337 Normdaten Sachbegriff GND 4064176 4 GND Explorer lobid OGND AKS

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