Praktikum Wärmetransport (Einfluss Strömungsverhalten)
Apparate zur Wärmeübertragung
Einteilungsprinzipien
Der häufig verwendete Begriff Wärmetauscher sollte nicht verwendet werden, physikalisch exakt ist Wärmeübertrager. Man kann Apparate zur Übertragung von Wärme nach unterschiedlichen Prinzipien ordnen. Nach dem technologischen Zweck eingeteilt, spricht man von:
- Öfen, Überhitzern oder Vorwärmern bei Heizprozessen,
- Kühlern, Kälteerzeugern oder Kondensatoren bei Kühlprozessen,
- Verdampfern bei Verdampfungs-Prozessen,
- Trocknern bei Trocknungsprozessen.
Ein weiteres Einteilungskriterium ist das Arbeitsprinzip. Hier unterscheidet man drei Apparatetypen:
- Rekuperator, bei dem heißes und kaltes Medium während des Wärmeübertragungsvorganges durch eine Wand räumlich getrennt sind (z.B. Wohnungsheizkörper),
- Regenerator, bei dem heißes und kaltes Medium zeitlich getrennt sind und nacheinander im Wechsel denselben Apparateraum durchströmen (z.B. Winderhitzer an Hochofenanlagen),
- Mischwärmeübertrager, bei dem heißes und kaltes Medium direkt miteinander vermischt werden (z.B. heißes und kaltes Wasser, das gleichzeitig in die Badewanne eingelassen wird, oder die Mischbatterie).
Bei Regeneratoren und Rekuperatoren bezeichnet man die Art des Wärmetransportes auch als indirekt, beim Mischwärmeübertrager als direkt. Die weitaus meisten Wärmeübertrager in der Technik sind Rekuperatoren. Ja nach Einsatzzweck gibt es die verschiedensten Konstruktionen von Rekuperatoren. Wesentliche Bauarten sind z.B. Doppelrohr-, Rohrbündel-, Spiral-, Platten- und Dünnschichtwärmeübertrager. Einige Beispiele sind nachfolgend dargestellt:
- Abb.1
Bei den Rekuperatoren wird eine Unterscheidung bezüglich der Stromführung des heißen und kalten Mediums getroffen. Man unterscheidet Gleich-, Gegen-, Kreuz- und Querstrom.Daneben existieren eine Reihe von Kombinationen dieser Grundarten. Bei Rohrbündelreaktoren wird beispielsweise häufig Kreuz-Gegenstrom angewendet, indem das Heiz- oder Kühlmittel durch Umlenkbleche (Schikanen) sinusförmig um die Rohre geleitet wird. Die Abbildung zeigt den Verlauf der Temperatur T über der Heizfläche A bei unterschiedlichen Wärmekapazitäten: a) Gegenstrom b) Gleichstrom
Animation zum Temperaturverlauf
Berechnung von Wärmeübertragern
- Abb.2
Die Berechnung von Wärmeübertragern bedeutet die Festlegung der Hauptabmessungen (Länge der Rohre, Wandstärke und Durchmesser) sowie der Betriebsparameter (Druck, Temperatur und Massenstrom).Für eine vereinfachte stationäre Rekuperator-Berechnung können die ersten vier Gleichungen des unten stehenden Formelblockes angewendet werden.
Index 1 steht jeweils für das warme Medium und Index 2 für das kalte.
