Wärmeaustauscher in der Haustechnik

Die große Vielzahl von Betriebsbedingungen in der Haus- und Verfahrenstechnik haben zu einer großen Auswahl von unterschiedlichsten Wärmeaustauschern geführt. Die heute am häufigsten eingesetzten Wärmeaustauscher sind Rohrbündel- und Platten-Wärmeaustauscher. Sie werden im folgenden näher beschrieben.

Rohrbündel-Wärmeaustauscher

Rohrbündel-Wärmeaustauscher (Bild 1) mit Wärmeübertragungsflächen aus Kupferrippenrohr und kreuzgerilltem Edelstahlrohr wurden in den 60er und 70er Jahren entwickelt (Bild 2). Sie sind eine wesentliche Alternative zu konventionellen Rohrbündel-Wärmeaustauschern. Ihre kompakte Bauweise ermöglicht große Wärmeübertragungsflächen auf kleinstem Raum mit geringem Platzbedarf. Es gibt Gegenstrom- und Kreuzstromapparate, wobei die mit Gegenstrom arbeitenden Ausführungen überwiegen.

Bild 1: Ein Rohrbündel-Wärmeaustauscher Edelstahl/Stahl.

Die wärmeübertragenden Flächen aus Kupferrippenrohr und kreuzgerilltem Edelstahlrohr sorgen bereits bei geringen Volumenströmen für eine turbulente Strömung und somit für einen guten Wärmeübergang. Durch die Turbulenz und die Ausdehnung des Materials erfolgt ein selbstreinigender Effekt. Die Auswahl des Materials - Kupfer oder Edelstahl - hängt im wesentlichen von den maximalen Betriebsüberdrücken und den maximalen Betriebstemperaturen zusammen.

Soweit Wärmeaustauscher mit wärmeübertragenden Flächen aus Kupferrippenrohr zum Einsatz kommen, ist - wenn Frischwasser bzw. Trinkwasser erwärmt oder gekühlt werden soll - auf die Geschwindigkeit zu achten. 0,6 bis max. 0,7 m/sec. sind bereits die Grenzwerte bei einem kontinuierlichen Volumenstrom. Die maximale Betriebstemperatur für Kupfer beträgt ca. 200°C.

Bild 2: Die wichtigsten Komponenten eines Wärmeaustauschers: Rippenrohr aus Kupfer (oben) oder kreuzgerilltes.

Für Rohrbündel-Wärmeaustauscher mit wärmeübertragenden Flächen aus Edelstahl liegt die maximale Betriebstemperatur bei ca. 400°C. Die maximalen Betriebsüberdrücke liegen bei 25 bar auf der Rohrbündelseite und 16 bzw. 25 bar auf der Mantelseite.

Platten-Wärmeaustauscher

In der Haustechnik hat in den letzten 10 Jahren der Platten-Wärmeaustauscher mit wärmeübertragenden Flächen aus Edelstahl kontinuierlich an Marktanteilen speziell gegenüber konventionellen Wärmeaustauschern gewonnen (Bild 3). Wesentlich hierzu beigetragen haben die Konstruktionen der Platten-Wärmeaustauscher. Das gesamte Material aus Edelstahl wird als wärmeübertragende Fläche verwendet. Starke Turbulenzen der strömenden Medien sorgen für eine hocheffektive Wärmeübertragung. Das zeigt folgende Gegenüberstellung: Ein Wärmeaustauscher soll 500 kW übertragen. Die Primärtemperaturen betragen 130/70°C, die Sekundärtemperaturen 88/68°C. Unter diesen Voraussetzungen benötigt

ein konventioneller Rohrbündel-Wärmeaustauscher rd. 35 m² Heizfläche,
ein Hochleistungs-Rohrbündel-Wärmeaustauscher rd. 9 m² Heizfläche,
ein Platten-Wärmeaustauscher rd. 7 m² Heizfläche.

Somit hat der Hochleistungs-Rohrbündel-Wärmeaustauscher eine 4-fach geringere und ein Platten-Wärmeaustauscher eine um 5-fach geringere Heizfläche gegenüber konventionellen Rohrbündel-Wärmeaustauschern.

Bild 3: Plattenwärmeaustauscher, geschraubt.

Neben den geschraubten Platten-Wärmeaustauschern, die im Temperaturbereich bis ca. 130 bis 150°C einzusetzen sind, haben sich im Bereich der Haustechnik dichtungslose Kompakt-Platten-Wärmeaustauscher kontinuierlich durchgesetzt (Bild 4). Das verwendete Material ist Edelstahl. Die Lotmaterialien sind Kupfer und seit neuerer Zeit auch Nickel. Die dichtungslosen Wärmeaustauscher sind in Verbindung mit dem Kupferlot für 225°C Betriebstemperatur und 30bar Betriebsüberdruck zugelassen, während nickelgelötete Platten-Wärmeaustauscher bis zu Temperaturen von 400°C eingesetzt werden können.

Bild 4: Plattenwärmeaustauscher, dichtungslos.

Jeder gelötete Wärmeaustauscher wird aus einzelnen geprägten Wärmeübertragungsplatten zu einem Plattenpaket zusammengestellt, mit Anschlüssen versehen und in einem Vakuumofen mit einer Schmelztemperatur von ca. 1200°C unter Ausschluß von Luft-Sauerstoff erwärmt. Das Lot verläuft an den einzelnen Kontaktstellen zwischen den Platten, verbindet diese untereinander und dichtet den Apparat nach außen hin ab. Der Lötprozeß sorgt dafür, daß das Plattenpaket sein homogenes austenitisches Gefüge beibehält und der Apparat spannungsfrei den Lötvorgang beendet. Spannungsriß-Korrosionen können so nicht eintreten.

Bild 5: Fernwärmekompaktstation für indirekte Betriebsweise.

Neben dem Vorteil des geringen Platzbedarfes der Kompakt Hochleistungs-Rohrbündel- und Platten-Wärmeaustauscher gegenüber konventionellen Wärmeaustauschern kommt ein weiterer, der des geringen Produktinhaltes im Wärmeaustauscher hinzu. Durch den in den letzten Jahren stark anwachsenden Markt der Fernwärmeversorgung in dichtbesiedelten Regionen, haben Platten-Wärmeaustauscher eine wesentliche Rolle gespielt, um kostengünstige, leistungsstarke Hausanschlußstationen zu entwickeln, die in den Abmessungen nicht größer als ein Heizkessel sind (Bild 5).

B i l d e r : Cetetherm GmbH, Hamburg

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