Funktionsweise von Wärmetauschern

Wärmetauscher dienen in vielen Heizungs- und Lüftungsanlagen sowie Warmwassersystemen dazu, die Energieeffizienz zu steigern. Dazu übertragen sie Energie von einem Medium mit höherer Temperatur auf ein anderes mit einer geringeren Temperatur. Oft werden sie deshalb auch als Wärmeübertrager bezeichnet. Erfahren Sie mehr zur Funktionsweise von Wärmetauschern, den unterschiedlichen Bauarten und den Einsatzgebietender Wärmeübertrager, die nicht nur die Effizienz ganz unterschiedlicher Anlagen steigern, sondern gleichzeitig Kosten reduzieren und wertvolle Ressourcen schonen.

Ausführung und Funktionsweise von Wärmetauschern

Wie effizient ein Wärmetauscher letztlich funktioniert, hängt vor allem von der Leitfähigkeit des verwendeten Materials und der Oberflächenbeschaffenheit ab. Als besonders effizient gelten Kupfer und Aluminium, aber auch Edelstahl kommt zum Einsatz. Das Funktionsprinzip eines Wärmetauschers folgt dabei einem Kreislauf.

In einer Heizungsanlage erwärmt z. B. ein Gasbrenner durch die Verbrennung Wasser, das anschließend über ein Rohrsystem zu Heizkörpern fließt oder Deckenstrahlplatten und Fußbodenheizungen durchströmt. Hier wird die Wärme an einen Heizkörper oder das Bauteil abgegeben und erwärmt den Raum. Das abgekühlte Wasser fließt anschließend zurück zur Therme und wird erneut erhitzt. Ein zwischengeschalteter Wärmetauscher nutzt dabei die im Verbrennungsprozess entstehenden Abgase. In einem Rohrsystem werden diese am erkalteten Wasser vorbeigeleitet und wärmen dieses vor, sodass der Energiebedarf für das erneute Erwärmen durch den Brenner sinkt.

Aufgrund der räumlichen Trennung der beiden Stoffe durch zwei voneinander getrennte Rohrsysteme können die Stoffe auch unterschiedliche Aggregatzustände haben, d. h. Wärme lässt sich beispielsweise von einem gasförmigen zu einem flüssigen Stoff übertragen und umgekehrt. So kann beispielsweise Abwärme genutzt werden, um das Heizungswasser zu erwärmen. In diesem Zusammenhang ist oft von Luft-Luft-, Luft-Wasser-, Wasser-Wasser- oder Wasser-Öl-Wärmetauschern die Rede.

Bauarten von Wärmetauschern

Wenngleich die Funktionsweise von Wärmetauschern im Prinzip immer die gleiche ist, lassen sich verschiedene Bauarten von Wärmetauschern unterscheiden.

Bei der direkten Wärmeübertragung kommen die verschiedenen Stoffströme in einen direkten Kontakt zueinander. Beispielsweise entziehen Nasskühltürme in industriellen und kraftwerkstechnischen Anlagen dem Wasser Energie durch Verdunstung.
In der Heizungstechnik weit verbreitet sind sogenannte Rekuperatoren. Hier sind die Stoffströme räumlich voneinander getrennt, sodass sie als indirekte Wärmeübertrager bezeichnet werden. Bei klassischen Konvektionsheizungen erwärmt das Wasser einen Heizkörper, der die Wärme dann an die Raumluft abgibt. Auch Brennwertkessel nutzen dieses Prinzip, um die Abgaswärme erneut auf das Heizungswasser zu übertragen.
Bei halbindirekten Wärmetauschern kommen die beiden Stoffströme zeitversetzt mit einem Wärmespeicher in Kontakt, d. h. der Stoff mit der höheren Temperatur gibt seine Energie zunächst an einen Speicher ab, der sie dann an einen Stoff mit einer geringeren Temperatur überträgt. Diese sogenannten Regeneratoren kommen beispielsweise bei der Lüftung von Wohnräumen mit Wärmerückgewinnung zum Einsatz.

Alternativ zu dieser Differenzierung klassifiziert man Wärmetauscher auch nach der Führung der Stoffströme als

Gegenstrom-Wärmetauscher: Stoffe werden in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbeigeleitet. Im Optimalfall ist so ein vollständiger Temperaturaustausch möglich.
Gleichstrom-Wärmetauscher: Stoffe fließen parallel zueinander und gleichen ihre Temperaturen dabei an.
Kreuzstrom-Wärmetauscher: Stoffströme kreuzen sich, wobei weder ein vollständiger Austausch noch eine komplette Angleichung der Temperaturen zueinander stattfindet.

Seltener zu finden sind Wirbelstrom-Wärmetauscher, bei denen die Stoffe nach dem Verwirbeln voneinander getrennt werden, und Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher, bei denen die Stoffe sowohl quer als auch parallel zueinander geführt werden.

Typen von Wärmetauschern

Bei Platten-Wärmetauschern sind die Platten, in denen die Stoffe zirkulieren, parallel zueinander angeordnet. Ein wellenförmiges Profil gewährleistet die effiziente Wärmeübertragung und verhindert gleichzeitig eine Durchmischung der Stoffe wie beispielsweise von Heizungs- und Trinkwasser. Eine Sonderform des Plattenwärmetauschers ist der Spiralwärmeübertrager, der ein aufgewickeltes Blech zur Wärmeübertragung nutzt.

Rohrwärmetauscher nutzen eine Vielzahl von Rohren, die von zwei Stoffen durchströmt werden. Die Führung der Rohre erfolgt dabei entweder parallel oder als Gegenstromverfahren. Auch sind Bauarten vorhanden, bei denen der zweite Stoff durch einen Mantelraum in Form eines Kessels oder größeren Rohrs fließt.

Bei Rotationswärmetauschern wird die Wärme des einen Stoffes in einem Speicher zwischengespeichert und von dort aus auf den anderen Stoff übertragen. Der dafür genutzte Rotor besteht in der Regel aus dünnen Folien, wobei ein Wechsel der Luftströmungen einen Selbstreinigungseffekt bewirkt.

Sogenannte Heatpipes übertragen die Wärme durch Rippenrohre, in denen eine Flüssigkeit verdampft und sich anschließend wieder verflüssigt. Regenerative Wärmetauscher kommen hingegen vorwiegend bei Hochtemperaturprozessen mit hohen Abgastemperaturen zum Einsatz, während Rippenrohr-Wärmetauscher geeignet sind, um Wärme von einem gasförmigen auf einen flüssigen Stoff zu übertragen. Daneben sind weitere Typen wie Lamellen-Wärmetauscher, Rohrbündel-Wärmetauscher oder Doppelrohr-Wärmetauscher verbreitet.

Einsatzbereiche von Wärmetauschern

Dank ihrer Eigenschaft, die Energieeffizienz von Heizungs- und Lüftungsanlagen sowie bei der Warmwasseraufbereitung zu steigern, sind die Einsatzbereiche von Wärmetauschern äußerst vielfältig. Sie sind beispielsweise zu finden in der Schwimmbadtechnik, Getränke- und Lebensmittelindustrie, in Blockheizkraftwerken, Lüftungsanlagen und der Nutzung von Abwasser genauso wie im Wohnungsbau und der gewerblichen sowie industriellen Nutzung.

Wärmetauscher in der Heizungstechnik

In der Heizungstechnik sind Wärmetauscher beispielsweise in Brennwertkesseln zu finden. Neben dem Wärmetauscher, der für die Wärmeübertragung vom Brenner auf das Heizungswasser sorgt und der auch in veralteten Heizungsanlagen unentbehrlich ist, um die Wärme in den Räumen über die Heizkörper freizusetzen, gibt es in Brennwertkesseln einen zweiten Wärmeübertrager. Dieser heizt den Rücklaufstrom des Heizungskreislaufs mithilfe der Abgase vor, die durch die Verbrennung entstehen. Dazu fließt das Abgas durch ein Rohrsystem, in dem das Wasser im Abgas kondensiert und die freiwerdende Wärme an das Heizungswasser abgibt, das im Wärmetauscher zirkuliert. Bei Erdgasheizungen reduziert sich der Energiebedarf so um bis zu 11 Prozent.

Wärmetauscher in der Lüftungstechnik

In der modernen Gebäudetechnik trägt eine kontrollierte Lüftungstechnik in Kombination mit hohen Dämmstandards zu einer Verringerung des Energiebedarfs bei. Hier sorgt ein Wärmetauscher dafür, die Wärme der Abluft auf die Frischluft zu übertragen und diese – je nach Jahreszeit – vorzuheizen oder abzukühlen. Zum Einsatz kommen hier oft sogenannte Rotationswärmetauscher. Diese haben den Vorteil, dass sie nicht nur Wärme, sondern auch Feuchtigkeit übertragen können und so für eine konstante Luftfeuchtigkeit im Innenraum sorgen. Werden stattdessen Gegenstrom-Wärmetauscher als Plattenwärmetauscher eingesetzt, muss die kondensierte Feuchtigkeit über eine separate Schmutzwasserleitung abgeführt werden, wie es bei Klimaanlagen oft der Fall ist.

Vor- und Nachteile von Wärmetauschern

Der größte Vorteil eines Wärmeübertragers ist die Senkung des Energieverbrauchs bei der Heizung, Lüftung und Warmwasserbereitung. Das reduziert nicht nur die Energiekosten um bis zu 20 Prozent, sondern verringert zudem den Ausstoß von CO₂-Emissionen. Dabei zeichnen sich die Geräte durch ihre hohe Langlebigkeit aus. Ein Wärmetauscher sorgt damit für Kosteneinsparungen, Effizienzsteigerungen und eine Schonung von Ressourcen.

Der Einsatz von Wärmetauschern hat lediglich den Nachteil, dass die Komplexität der Anlagentechnik steigt und sowohl die Investitionskosten als auch der Wartungsaufwand ansteigen. Allerdings amortisieren sich diese im Lauf der Zeit durch die geringeren Heizkosten auch wieder. Zudem gibt es Förderprogramme der Bundesregierung, die den Einbau von Wärmetauschern im Rahmen der Steigerung der Energieeffizienz finanziell fördern.