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Tutorial MenueKompaktkurs WärmetransportLerneinheit 6 von 7

Wärmeaustausch

Direkter und indirekter Wärmeaustausch

Es wird zwischen direktem und indirektem Wärmeaustausch unterschieden. Beim direkten Wärmeaustausch werden fluide Phasen unterschiedlicher Temperatur miteinander vermischt. Ein typisches Beispiel aus der chemischen Prozesstechnik ist das Quenchen. Dies führt zu einem sehr schnellen Abkühlen von Reaktionsgemischen, die bei hohen Temperaturen anfallen. Durch die schlagartige Temperaturänderung werden Rekombinationsreaktionen während des Abkühlens unterdrückt (Steamcracker). So werden Spezies, die bei hohen Temperaturen thermodynamisch stabil sind, in einen metastabilen Zustand überführt, der durch langsameres Abkühlen und einen thermodynamisch gelenkten Verlauf der Rekombinationsreaktionen nicht erreicht wird.

Der indirekte Wärmeaustausch findet über eine die fluiden Phasen trennende Wand statt.

Rührkessel mit Doppelmantel

Hier müssen neben den Phänomenen des Wärmeübergangs und der Beeinflussung der Prandtl-Grenzschichten die Richtungen der Fluidströme berücksichtigt werden, da die Temperaturen in den wärmetragenden Strömen ortsabhängig sind.

Indirekter Wärmeaustausch über Wärmetauscher

Soll Wärmeenergie von einem Fluidstrom auf einen anderen übertragen werden, so führt man die beiden Fluide durch einen Wärmetauscher. Die Fluidströme sind dabei durch eine Wand getrennt, über die Wärme vom Fluid mit der höheren Temperatur auf das kältere Fluid übertragen wird.

Zur Vereinfachung der Beschreibung der Wärmeübertragung beim Wärmetauscher wird folgendes vorausgesetzt:

  • Es herrschen stationäre Bedingungen vor, das heißt, dass an jedem Punkt im Bilanzraum die Temperatur unabhängig von der Zeit ist. Temperaturänderungen treten lediglich örtlich auf.
  • Die durch Strahlung übertragene Wärmemenge ist vernachlässigbar.
  • Die den Wärmedurchgangswiderstand bestimmenden Einzelwiderstände ergeben sich aus den Wärmeleitungen in den Prandtl-Grenzschichten und der Wand. Es handelt sich um eine ebene Wand.

Der örtliche Temperaturverlauf hängt stark davon ab, in welche Richtung die Strömung der Fluide erfolgt, wobei man grundsätzlich folgende Fälle unterscheidet:

  • Parallel- oder Gleichstrom: Warmes und kaltes Medium strömen entlang der Wärmeaustauschfläche in gleicher Richtung
  • Gegenstrom: Wärmeaustauschende Medien strömen beiderseits ihrer Trennwand in entgegengesetzter Richtung
  • Kreuz- und Querstrom: Der Wärmeträger strömt senkrecht auf die Trennwand, also quer zum temperierenden Fluidstrom

Animation zur Verdeutlichung von Gleichstrom und Gegenstrom

Animation zum Temperaturverlauf

Daneben werden eine Reihe von Kombinationen dieser genannten Grundarten verwendet. Bei Rohrbündelreaktoren wird häufig der Kreuzgegenstrom angewendet, bei dem durch Umlenkbleche das Heiz- oder Kühlmittel sinusförmig geleitet wird.

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