Leistungsfaehigkeit eines Waermeuebertragers
Die Angabe eines Wirkungsgrades im Sinne des ersten Hauptsatz der Thermodynamik ist fuer einen Waermeuebertrager
nicht sinnvoll. Die vom einen Stoffstrom abgegebene thermische Leistung wird im stationaeren Betrieb vom anderen Stoffstrom vollstaendig aufgenommen (wenn man von Verlusten an die Umgebung durch unvollstaendige
Waermedaemmung absieht). Dies folgt aus dem Energieerhaltungssatz, damit waere der Wirkungsgrad 100%.
In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 gepraegt, um die Leistungsfaehigkeit eines Waermeuebertragers
zu charakterisieren.
Die Leistungsfaehigkeit eines Waermeuebertragers ist offensichtlich dann gross, wenn er in der Lage ist, den zu
erwaermenden Stoffstrom moeglichst stark aufzuwaermen und den anderen Stoffstrom moeglichst stark abzukuehlen. Eine
natuerliche Grenze hierfuer wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Waerme immer
vom warmen zum kalten Stoffstrom fliesst. Hierzu ein Beispiel: Man stelle sich zwei Wasserstroeme vor, von denen
der eine eine Temperatur von 50°C (Warmwasser) und der andere eine von 10 °C (kaltes Leitungswasser) habe.
Weiterhin seien beide Wasserstroeme gleich gross, beispielsweise 1 kg/s. Mische ich nun beide Wasserstroeme, so
bekomme ich 2 kg/s Wasser von 30°C. Dies stellt gleichzeitig die theoretische Obergrenze fuer den
Gleichstromwaermeuebertrager dar.
Anders sind die Verhaeltnisse beim Gegenstron-Wue: Es ist offensichtlich nicht moeglich, den kalten Wasserstrom auf
eine hoehere Temperatur zu bringen als den warmen, also 50°C (weil sonst eben Waerme von der kalten zur warmen
Seite fliessen muesste). Die maximal moegliche Temperaturerhoehung betraegt dann also 40°C.
Der Temperaturwirkungsgrad (in der Raumlufttechnik auch Rueckwaermzahl genannt)ist nun so definiert, dass er die
mit dem realen Apparat erreichte Temeperaturaenderung zu der theoretisch moeglichen in Beziehung setzt. Fuer das
Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwaermende Wasser (Eintritt: 10°C) am Austritt aus dem Wue bis auf 48°C
erwaermt ist, also um 38°C waermer geworden ist. Dann betraegt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 = 95%.
Erhoeht man nun die die Wassermenge, die sekuendlich durch den Wue fliesst, so aendert sich auch die erreichbare
Temperaturaenderung. Das bedeutet:
Der Temperaturwirkungsgrad ist von den Einsatzbedingungen abhaengig.
Damit ist eine Angabe wie "Der Waermeuebertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 85%" unsinnig.
Ausfuehrung
Waermeuebertrager sind grossflaechig gestaltete Koerper, in den meisten Faellen aus Metall, jedoch auch Kunststoff oder
Glas.
In der Ausfuehrung als so genannte Kuehlkoerper bestehen diese aus einem gut waermeleitenden Metall wie Kupfer,
Aluminium oder auch Silber. Anwendung finden diese Elemente vorrangig in der Leistungselektronik oder auch auf
Prozessoren handelsueblicher Computer. Neuerdings werden dort auch Heatpipes eingesetzt.
In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Bestaendigkeit der Materialien
benoetigt wird.
Heizkoerper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, frueher aus Grauguss hergestellt.
Bei der Konstruktion von Waermetauschern wird gundsaetzlich versucht, bei geringem Bauraum eine moeglichst grosse
Oberflaeche zu erzeugen. Anschauliche Beispiele finden sich an den Rippen des Heizkoerpers, den Kuehlschlangen an
der Rueckseite eines Kuehlschrankes oder einer Klimaanlage, dem Kuehler des Autos. Der "Gegenspieler" der grossen
Oberflaeche ist die Notwendigkeit einen moeglichst guten (also widerstandsarmen) Durchfluss der Medien (Fluessigkeit
oder Gas) zu gewaehrleisten.
Wird z.B. das Rohr einer Kuehlschlange mit zu geringem Durchmesser ausgefuehrt, kann man zwar sehr viele Meter in
den Waermetauscher packen, der Durchmesser wirkt sich jedoch in der vierten Potenz auf den Durchflusswiderstand
aus. Man erhaelt einen hervorragend Waerme tauschenden Apparat, fuer den man jedoch einen (temperaturerhoehenden)
Kompressor braucht, um den Durchfluss zu ermoeglichen.
Beispiele von Waermeuebertraegern
Es gibt unterschiedliche Bauweisen von Waermeuebertraegern, z.B.
Heizkoerper: Kennzeichnend ist die gerippte Bauform, dadurch werden grosse
- Oberflaechen erzielt.
- Kuehlschlange im und an der Rueckwand von Kuehlschraenken.
- der Waermeuebertrager in einem Waeschetrockner ohne Abluftanschluss.
- Kuehlkoerper aus Aluminiumblech als aufsteckbare Kuehlsterne oder durch Aluminium-Druckguss hergestellten
- Profile sind zur Kuehlung von Leistungshalbleitern weit verbreitet. Beispiel: Endstufen von HiFi-Verstaerkern
- Kondensatoren in Klimaanlagen
- Abgaswaermetauscher in industriellen Anlagen
- Rohrbuendelwaermeuebertraeger
- Plattenwaermeuebertraeger
- Rotationswaermeuebertraeger
- Spiralwaermeuebertraeger
- Erdwaermeuebertraeger
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