Für was werden Wärmetauscher verwendet?
Wir sehen Wärmetauscher an allen möglichen Orten, normalerweise arbeiten sie zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden oder helfen Motoren und Maschinen, effizienter zu arbeiten.Kühlschränke und Klimaanlagen zum Beispiel verwenden Wärmetauscher auf die umgekehrte Weise wie Zentralheizungssysteme: Sie entziehen einem Fach oder Raum, in dem sie nicht erwünscht ist, Wärme und pumpen sie in einer Flüssigkeit an einen anderen Ort, wo sie abgeleitet werden kann. Die Kühlflüssigkeit ist vollständig in einem Rohrnetz eingeschlossen, so dass sie eigentlich nie mit der Luft in Berührung kommt: Sie entzieht der Luft im Inneren Wärmeenergie und gibt sie an die Luft draußen ab, aber sie vermischt sich nie direkt mit dieser Luft.
Foto: Eine Wärmepumpe entzieht einer natürlichen geothermischen Quelle Wärme, die zur Beheizung von Gebäuden in der Hot Springs Lodge and Pool in Glenwood Springs, Colorado, verwendet wird.
Der Wärmetauscher ist die mit Algen bedeckte Platte voller Kupferrohre in der Mitte des Wassers.
Foto von Warren Gretz mit freundlicher Genehmigung des US DOE/NREL (Department of Energy/NationalRenewable Energy Laboratory).
In Kraftwerken oder Motoren enthalten die Abgase oft Wärme, die nutzlos ins Freie entweicht. Das ist Energieverschwendung und etwas, das ein Wärmetauscher sicherlich reduzieren kann (wenn auch nicht ganz eliminieren – ein Teil der Wärme wird immer verloren gehen). Die Lösung für dieses Problem sind Wärmetauscher, die in den Auspuffrohren oder Schornsteinen angebracht sind. Wenn die heißen Abgase nach oben steigen, strömen sie an Kupferlamellen vorbei, durch die Wasser fließt, das die Wärme zurück in die Anlage transportiert. Dort könnte sie direkt recycelt werden, um vielleicht die kalten Gase zu erwärmen, die in den Motor oder den Ofen geleitet werden, und so die Energie zu sparen, die sonst zum Aufheizen benötigt würde. Das Öl könnte auch anderweitig genutzt werden, zum Beispiel zum Heizen eines Büros in der Nähe des Schornsteins.
Foto: So funktioniert ein Dusch-Abwasser-Wärmetauscher. Das heiße Abwasser erwärmt das einströmende kalte Wasser. Das reduziert die Energie, die Sie benötigen, um das Wasser heiß zu machen und macht das Ganze effizienter.
In Bussen wird die Flüssigkeit, die zur Kühlung des Dieselmotors verwendet wird, oft durch einen Wärmetauscher geleitet und die zurückgewonnene Wärme wird genutzt, um kalte Luft von außen zu erwärmen, die vom Boden des Fahrgastraums hochgepumpt wird. Das spart zusätzliche, verschwenderische elektrische Heizungen im Bus.Ein Autokühler ist eine andere Art von Wärmetauscher. Das Wasser, das den Motor kühlt, fließt durch den Kühler, der viele parallele, zur Luft hin offene Aluminiumlamellen hat. Wenn das Auto fährt, wird durch die kalte Luft, die am Kühler vorbeigeführt wird, ein Teil der Wärme abgeführt, wodurch das Wasser gekühlt und die Luft erwärmt wird und der Motor effizient arbeitet. Die Abwärme des Kühlers wird zum Heizen des Fahrgastraums verwendet, genau wie in einem Bus.
Wenn Sie eine energieeffiziente Dusche haben, könnte diese einen Wärmetauscher im Abwasserabfluss installiert haben.
Während das Wasser an Ihrem Körper vorbei und den Stöpsel hinunter tropft, läuft es durch die Kupferspulen eines Wärmetauschers.Währenddessen pumpt kaltes Wasser, das in die Dusche geleitet wird, um erwärmt zu werden, an denselben Spulen vorbei und vermischt sich nicht mit dem schmutzigen Wasser, sondern nimmt einen Teil der Abwärme auf und erwärmt sich leicht, so dass die Dusche es nicht so stark erwärmen muss.
Arten von Wärmetauschern
Alle Wärmetauscher erfüllen dieselbe Aufgabe – sie leiten Wärme von einer Flüssigkeit zu einer anderen – aber sie funktionieren auf viele verschiedene Arten. Die zwei häufigsten Arten von Wärmetauschern sind der Rohrbündelwärmetauscher und der Plattenwärmetauscher. Bei Rohrbündelwärmetauschern fließt ein Fluid durch eine Reihe von Metallrohren, während das zweite Fluid durch einen abgedichteten Mantel fließt, der die Rohre umgibt – so wie in unserem Diagramm oben dargestellt. Platten-/Rippen-Wärmetauscher haben viele dünne Metallplatten oder -rippen mit einer großen Oberfläche (weil dadurch mehr Wärme schneller ausgetauscht wird); Wärmetauscher in Gasöfen (Gaskesseln) funktionieren auf diese Weise.
Foto: Zwei Arten von Wärmetauschern. 1) Ein Rohrbündelwärmetauscher aus dem Kernkraftwerk Savannah Rivernuclear in South Carolina, Vereinigte Staaten. Hier gibt es viele Rohre und sie sind leicht zu sehen. Foto mit freundlicher Genehmigung desUS -Energieministeriums (DOE).2) Der Platten- und Lamellenwärmetauscher aus dem Inneren eines Gas-Zentralheizungskessels/Ofens.
Wärmetauscher, die zur Minimierung der Wärmeverluste von Gebäuden, Motoren und Maschinen eingesetzt werden, werden manchmal als Rekuperatoren oder Regeneratoren bezeichnet. Dies sind zwei ganz unterschiedliche Dinge. Ein Rekuperator wird typischerweise eingesetzt, um Wärme aufzufangen, die sonst verloren ginge, z. B. wenn stickige Luft aus einem Gebäude gelüftet wird: Kalte, einströmende Flüssigkeit wird in die entgegengesetzte Richtung zur warmen, ausströmenden Flüssigkeit geleitet, um den Wärmeverlust zu minimieren. Die beiden Flüssigkeiten fließen durch getrennte Kanäle, bleiben getrennt und vermischen sich nicht.
Da sich die ein- und ausströmenden Flüssigkeiten in entgegengesetzter Richtung bewegen, sind Rekuperatoren Beispiele für Gegenstromwärmetauscher: Ein Beispiel für die Funktionsweise eines Rekuperator-Wärmetauschers in einem Wärmerückgewinnungslüftungssystem (HRV). Warme, stickige Luft, die aus dem Gebäude strömt (orangefarbenes Rohr schräg von rechts oben nach links unten), gibt ihre Wärme an kalte, frische Luft ab, die von außen einströmt (braunes Rohr schräg von links oben nach rechts unten).
Ein Regenerator ist ähnlich, aber die ein- und ausströmenden Fluide bewegen sich durch denselben Kanal in entgegengesetzter Richtung und zu unterschiedlichen Zeiten. Die warme Flüssigkeit fließt also durch den Regenerator nach außen und gibt dabei einen Teil ihrer Wärme ab, während die kalte Flüssigkeit durch denselben Kanal zurück durch den Regenerator fließt und dabei einen Teil der dort gespeicherten Wärme aufnimmt. Ein Regenerator ist eines der Schlüsselelemente in einer hocheffizienten Energieform, dem Stirlingmotor, in dem ein Kolben eingeschlossenes Gas zwischen einer Wärmequelle (z. B. einem Feuer) und einem Ort, an dem die Wärme verloren geht („eine Senke“), hin und her schiebt. Der Regenerator reduziert die Wärme, die sonst beim Hin- und Herschieben des Motors verloren gehen würde.
Welches sind die besten Materialien für einen Wärmetauscher?
Foto: Kunststoffe eignen sich hervorragend als Material für Niedertemperatur-Wärmetauscher.
Man könnte meinen, dass Wärmetauscher immer aus Metallen bestehen müssen, die Wärme schnell aufnehmen und leiten – und das tun viele von ihnen. Aber Wärmetauscher können auch aus Keramik, Verbundwerkstoffen (entweder auf der Basis von Metallen oder Keramik) und sogar aus Kunststoffen (Polymeren) hergestellt werden.
Alle diese Materialien haben ihre Vorteile. Keramik ist eine besonders gute Wahl für Hochtemperaturanwendungen (über 1000°C oder 2000°F), die Metalle wie Kupfer, Eisen und Stahl schmelzen würden, obwohl sie auch für den Einsatz mit korrosiven und abrasiven Flüssigkeiten bei hohen oder niedrigen Temperaturen beliebt sind.
Kunststoffe wiegen und kosten im Allgemeinen weniger als Metalle, sind korrosionsbeständig und resistent gegen Verschmutzung und können so konstruiert werden, dass sie eine gute Wärmeleitfähigkeit haben, obwohl sie dazu neigen, mechanisch schwach zu sein und sich mit der Zeit abbauen können. Obwohl sie im Allgemeinen nicht für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind, könnten Wärmetauscher aus Kunststoff eine gute Wahl für ein Schwimmbad oder eine Dusche sein, die bei alltäglichen Raumtemperaturen betrieben werden.
Verbundwärmetauscher kombinieren die besten Eigenschaften ihrer Ausgangsmaterialien – z. B. die hohe Wärmeleitfähigkeit eines Metalls mit dem geringeren Gewicht und der besseren Korrosionsbeständigkeit eines Kunststoffs.
In Zukunft ist es durchaus möglich, dass wir noch interessantere Materialien in Wärmesenken verwenden werden.
Kohlenstoff-Nanoröhren (dünne sechseckige Kohlenstoffplatten, die zu „Röhren“ gewickelt werden) haben zum Beispiel erstaunliche Wärmeleiteigenschaften und werden bereits in Wärmesenken (Wärmeableitungsvorrichtungen, die hauptsächlich in der Elektronik verwendet werden) eingesetzt.
Es wird derzeit viel geforscht, um zu sehen, wie sie in Wärmetauschern eingesetzt werden können.