Die Wahl des richtigen Wärmetauschers

Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager genannt, sind Geräte, die die Übertragung von thermischer Energie eines „heißen“ Fluids auf ein „kaltes“ Fluid ermöglichen. Dies geschieht über eine Wärmetauscherwand, sodass die beiden Fluide nicht miteinander in Kontakt kommen oder vermischt werden. Wärmetauscher sind in der Industrie weit verbreitet, da die Übertragung von thermischer Energie im Mittelpunkt vieler Prozesse steht (Erhitzen oder Kühlen von Produkten, Kondensation von Dämpfen oder Verdampfen von Flüssigkeiten usw.). Doch sie kommen auch bei Fragen rund um das Thema Energieeinsparung (Rückgewinnung von verlorener Energie, Energieoptimierung), in der Automobilindustrie, der Heizungs- und Klimatechnik u. v. m. zum Einsatz.

Es gibt verschiedene Arten von Wärmetauschern für unterschiedliche Zwecke, wobei die Mehrheit der industriellen Wärmetauscher in zwei Hauptgruppen eingeteilt werden kann: Rohrwärmetauscher und Plattenwärmetauscher.

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Welcher Wärmetauscher ist der richtige?

Viele Hersteller bieten neben Standard-Wärmetauschern auch maßgeschneiderte Wärmetauscher an, die auf spezielle Verwendungszwecke und Milieus ausgerichtet sind. Sie sollten Ihre Wahl hauptsächlich nach den folgenden Kriterien treffen:

Art des gewünschten Wärmetauschers:
- Die gängigste Art von Wärmetauschern sind Rohrwärmetauscher, die auch als Rohrbündelwärmeübertrager bekannt sind. Hierbei fließt ein Fluid durch Rohre, die sich in einem Kühlergitter befinden, das ein weiteres Fluid enthält.
- Geschraubte Plattenwärmetauscher sind eine interessante Alternative hinsichtlich Platz und Kosten. Bei diesem Modell zirkulieren die Fluide zwischen Metallplatten, ohne miteinander in Kontakt zu kommen.
- Geschweißte Plattenwärmetauscher, deren Funktionsweise der von geschraubten Plattenwärmetauschern ähnelt.
- Gelötete Plattenwärmetauscher, die insbesondere in der Klimatechnik eingesetzt werden.
Betriebsbedingungen, vor allem die Temperatur, die Durchflussmenge sowie der Eingangs- und Ausgangsdruck der Fluide.
Art der Fluide, die jeweils im Wärmetauscher zirkulieren, sowie deren physikalische und chemische Eigenschaften.
Einschränkungen hinsichtlich der Installation, Wartung und Instandhaltung.

Anhand dieser Angaben sind Hersteller in der Lage, die passende thermische Leistung und die richtigen Abmessungen zu bestimmen, die Sie für Ihren Verwendungszweck benötigen.

Art des Wärmetauschers	Vorteile	Nachteile
Rohrwärmetauscher	Große Abmessungen möglich. Hält Fluide aus, deren Eintrittstemperaturen sehr große Differenzen aufweisen. Hält sehr hohe Drücke aus. Begrenzter Druckverlust der beiden zirkulierenden Fluide (sowohl im Kühlergitter als auch in den Rohren).	Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Fluiden ist korrekt, allerdings bieten Plattenwärmetauscher eine bessere Energieeffizienz. Schwierige Wartung, besonders bei sehr großen Wärmetauschern.
Geschraubter Plattenwärmetauscher	Kompakt. Gute Energieeffizienz aufgrund der Turbulenzen, die durch die Form der Platten entstehen. Selbstreinigend. Leicht zu demontieren. Anzahl der verwendeten Platten variabel.	Maximale Temperaturen zwischen 150 und 200 °C. Maximaler Druck 25 bar. Der Druckverlust ist aufgrund der Turbulenzen, die durch die Form der Platten entstehen, für beide Fluide signifikant.
Gelöteter Plattenwärmetauscher	Sehr kompakt. Gute Energieeffizienz aufgrund der Turbulenzen, die durch die Form der Platten entstehen. Selbstreinigend. Kann demontiert werden. Hochdruckreinigung möglich. Einige Wärmetauscher können Drücke von bis zu 140 bar aushalten.	Die Eintrittstemperatur der Fluide ist auf 200 °C begrenzt. Der Druckverlust ist aufgrund der Turbulenzen, die durch die Form der Platten entstehen, für beide Fluide signifikant.
Geschweißter Plattenwärmetauscher	Sehr kompakt. Gute Energieeffizienz aufgrund der Turbulenzen, die durch die Form der Platten entstehen. Selbstreinigend. Hochdruckreinigung möglich. Die Verwendung von Schweißnähten ermöglicht große Eintrittstemperaturunterschiede beider Fluide: Es werden Temperaturen von -40 bis +500 °C ausgehalten.	Kann nicht demontiert werden. Maximaler Druck 30 bar. Der Druckverlust ist aufgrund der Turbulenzen, die durch die Form der Platten entstehen, für beide Fluide signifikant.

Was spricht für Rohrwärmetauscher?

Rohrwärmetauscher der Marke Bowman

Die Technologie der Rohrwärmetauscher ist die älteste und heutzutage noch immer vorherrschend in der Industrie, da sie extrem zuverlässig ist. Dies gilt besonders für Hochdruckfluide und Fluide von hoher Viskosität. In Rohrwärmetauschern befinden sich Rohre, durch die ein Fluid fließt. Diese Rohre sind in einem Kühlergitter angeordnet, in dem sich ein weiteres Fluid befindet.

Diese Art von Wärmetauschern kann recht groß ausfallen. Sie sind in der Lage, einen sehr hohen Bedarf an Wärmeaustausch zu decken. Ihre Wartung kann komplizierter sein als bei Plattenwärmetauschern, was mit den größeren Abmessungen und möglichen Verschmutzungen im Inneren der Rohre zusammenhängt. Darüber hinaus sind Rohrwärmetauscher weniger effizient als Plattenwärmetauscher.

Die Wahl der verwendeten Materialien hängt davon ab, was für Fluide in dem Wärmetauscher zirkulieren, d. h. das Kühlgitter muss mit dem Fluid kompatibel sein, das in seinem Inneren fließt, und die Rohre müssen mit beiden Fluiden kompatibel sein.

Einige Hersteller bieten Wärmetauscher mit Spiralschlangen an, die weniger Platz benötigen.
Was spricht für Plattenwärmetauscher?
Plattenwärmetauscher der Marke FISCHER

Plattenwärmetauscher bieten viele Vorteile gegenüber Rohrwärmetauschern. So sind sie bei gleicher Leistung kompakter, leichter und effizienter.

Für Plattenwärmetauscher existieren verschiedene Technologien, doch das Grundprinzip bleibt gleich: Die Flüssigkeiten fließen zwischen den verschiedenen sehr dünnen, gewellten Platten (quer gerillt, um Turbulenzen zu erzeugen), die für den Wärmeaustausch sorgen. Zwischen den Platten können die Fluide im Gegenstrom fließen, was die Effizienz der Wärmeübertragung erhöht. Je nach Modell kann die Anzahl der Platten erhöht werden, wodurch man eine größere Austauschfläche erhalten kann, ohne dafür den Wärmetauscher übermäßig vergrößern zu müssen.

Aufgrund der turbulenten Strömung der Fluide sind diese Wärmetauscher in der Regel selbstreinigend. Allerdings verursachen diese Turbulenzen auch erhebliche Druckverluste bei beiden Fluiden.

Plattenwärmetauscher können aus speziellen Materialien gefertigt sein, um ein geringeres Gewicht und bessere Korrosionsbeständigkeit zu erzielen. Zum Beispiel gibt es Wärmetauscher aus Edelstahl, aus Titan u. a. m.

Sie können in drei Kategorien unterteilt werden:
- Geschraubte Plattenwärmetauscher: Jede einzelne Platte ist mit einer rundumlaufenden Dichtung versehen, während alle Platten zwischen zwei durch Spannschrauben miteinander verschraubten Platten zusammengepresst werden. Diese Art Wärmetauscher ist modular: Die Anzahl der Platten kann problemlos erhöht oder verringert werden, um die Leistung des Wärmetauschers zu verändern. Dabei wird die gesamte Austauschfläche und somit die Austrittstemperatur der Fluide modifiziert. Diese Wärmetauscher sind relativ einfach zu warten. Allerdings halten sie hohen Drücken und Temperaturen nur begrenzt stand, nämlich bis etwa 150 bis 200 °C bei einem maximalen Druck von 25 bar. Außerdem ist darauf zu achten, dass die für die Platten und Dichtungen verwendeten Materialien mit den zirkulierenden Fluiden kompatibel sein müssen.
- Gelötete Plattenwärmetauscher : Hier werden die Platten mit Kupfer oder Nickel zusammengelötet, wodurch man kompakte Wärmetauscher erhält, die aus einem einzigen Teil gefertigt sind. Diese Wärmetauscher können Temperaturen von ca. 200 °C und Druck von bis zu 30 bar standhalten. Jedoch kann die Anzahl der Platten nicht geändert werden, um die Leistung des Wärmetauschers zu beeinflussen. Sie sind in der Regel teurer als geschraubte Plattenwärmetauscher, haben dafür aber eine längere Lebensdauer und lassen sich leicht mit einem Hochdruckreiniger reinigen. Für Wartungszwecke können diese Wärmetauscher demontiert werden.
- Geschweißte Plattenwärmetauscher: Die Platten sind miteinander verschweißt, wodurch die Wärmetauscher robuster sind als gelötete Plattenwärmetauscher. Außerdem sind sie im Vergleich zu anderen Modellen, die ebenfalls mit Platten funktionieren, beständiger gegen hohe Temperaturen und Drücke (zwischen -40 und +500 °C, bei einem maximalen Druck von 30 bar). Die Anzahl der Platten kann jedoch nicht verändert werden, um die Leistung des Wärmetauschers zu beeinflussen. Sie können leicht mit einem Hochdruckreiniger gereinigt werden, lassen sich aber nicht demontieren.