Wärmetauscher

Um eine effektive Heizungsanlage nutzen zu können, bedarf es einiger Vorüberlegungen hinsichtlich Heizungsart, Leitungssystem, zentraler oder dezentraler Versorgung – und der Überlegung, einen Wärmetauscher für einen gesteigerten Wirkungsgrad zu installieren. Erfahren Sie mehr über die Funktionsweise, die Arten sowie Vor- und Nachteile, welche Sie bezüglich eines Wärmetauschers beachten und wissen sollten.

Was ist ein Wärmetauscher?

Der Wärmetauscher ermöglicht in der Heizungstechnik die Wiedergewinnung der im Abgas nach der Verbrennung vorhandenen thermischen Energie. Daher wird er auch als Wärmeüberträger bezeichnet. Als Erwärmer für den Brauchwasserkreislauf steigert er die Effizienz der gesamten Heizungsanlage – insbesondere in Kombination mit einer Brennwerttherme.

Welche Wärmetauscher existieren auf dem Markt?

Wärmetauscher werden in drei Klassen unterteilt:

Direkte Wärmeübertragung – Trennbare Stoffströme werden mittels kombinierter Stoff- und Wärmeübertragung unterhalten wie bei einem Nasskühlturm.

Indirekte Wärmeübertragung – Stoffströme werden hierbei durch eine wärmedurchlässige Wand gekennzeichnet, wie es bei einem Heizkörper realisiert wird. Diese Klasse wird auch Rekuperatoren genannt.

• Plattenwärmeübertrager
• Spiralwärmeübertrager
• Rohrwärmetauscher bzw. Rohrbündelwärmeübertrager
• U-Rohr-Wärmetauscher
• Wärmerohre
• Mantelrohrwärmeübertrager
• Heizregister bzw. Kühlregister
• Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager

Halbindirekte Wärmeübertragung – zeitversetzt werden beide Stoffe mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht. Im Wechsel erwärmt das heißere Medium den Speicher, während das kalte Medium die Energie aufzunehmen vermag. Zu diesen Regeneratoren gehört das Wärmerad.

• Rotationswärmeübertrager (Luftvorwärmer)
• Schirlingmotor

Dabei hängt das Maß der Wärmeübertragung von der Führung beider Stoffe ab. So ergeben sich auch hier für unterschiedliche bauliche Rahmenbedingungen fünf Formen:

• Gegenstrom – Entgegenkommend strömen beide Stoffe aneinander vorbei. Im Idealfall sollten die Temperaturen der Ströme ausgetauscht werden. Dies ist in der Praxis schwer möglich. Die Wärmerückgewinnung der Heizungsanlage ist ein frequentiertes Anwendungsgebiet.
• Gleichstrom – In gleicher Richtung fließen beide Stoffe nebeneinander, sodass beide Temperaturen angeglichen werden. Eine sichere Kühlung ist hierbei der große Vorteil, während die Materialbelastung durch die Unterschiede der Temperaturen höher liegt.
• Kreuzstrom – Kreuzende Richtungen der Stoffströme ermöglichen akzeptable Ergebnisse des Wärmeaustausches zwischen Gegen- und Gleichstrom. Anwendung findet dieses Modell, um einen der Stoffströme zu einer festgelegten Temperatur zu führen.
• Wirbelstrom – Zwischen zwei verschieden heißen Stoffströmen bewirkt eine Verwirbelung oft rasche Wunder bezüglich der Temperaturangleichung. Nur mit Hilfe einer Trennmöglichkeit der beiden Stoffe – etwa ein Wirbelrohr zur Trennung von kalten und heißen Gasen – ist dies durchführbar.
• Kreuzgegenstrom – Der teilweise parallel und quer verlaufende Charakter des Wärmeaustausches begünstigt einen optimalen Tausch der beiden Ausgangstemperaturen. Diese Modelle sind generell einfacher, strömungsgünstiger und kompakter.

Wärmetauscher weisen, bezüglich der Langlebigkeit und aufgrund der Belastung des Temperaturgefälles, meist Metall als Material auf. Auf dem Absatzmarkt stehen folgende Materialien für Wärmetauscher zur Verfügung:

• Metalle
• Emaille
• Kunststoff
• Glas
• Siliziumkarbid

Oft wird Emaille für industrielle Anwendungen wie die Chemiewerke angewandt. Die Ansprüche hinsichtlich Belastbarkeit, Robustheit und Beständigkeit gegenüber diversen Einflüssen – mechanischer, chemischer und thermischer Art – werden in industriellen Einrichtungen ebenfalls gern mittels Exemplaren aus Stahl gerechtfertigt. Des Weiteren setzten sich für den Klimabereich Aluminium und Kupfer aufgrund von hygienischen Standards und Leichtbauweisen durch. Dagegen fordert die Aggressivität mancher chemischen Bestandteile die Verwendung von Modellen aus veredeltem Kunststoff oder Glas. Insbesondere Wärmetauscher aus Siliziumkarbid sind gegenüber Temperaturen oberhalb von 2200 Grad Celsius noch wirksam, während viele Metalle in ihrer Funktionalität einbrechen.

Wie funktioniert der Austauschprozess

Der Austausch der Temperaturen erfolgt in der Heizungstechnik anstatt unter direktem Kontakt mit Hilfe eines Mediums – einer Flüssigkeit oder einem Gas. Speziell an Heizkörpern funktioniert dies durch eine wärmedurchlässige Wand (Heizkörpermaterial), sodass die Temperatur des erwärmten Heizwassers zum größten Teil an die Raumluft abgegeben werden kann. Das Medium wird nach Abgabe und damit verbundener Abkühlung durch die Rückführung an den Kessel samt Gasflamme (bei einer Gasheizung) oder die Sonden in der Erde (bei einer Erdwärmepumpe) im Strom eines Kreislaufes erneut erwärmt – das Procedere beginnt von neuem. Somit wird beim Wärmetauscher ein einfaches Gesetz der Entropie genutzt: Die Natur möchte stets im Gleichgewicht existieren. Im Fall der Heizungsanlage betrifft dies den Ausgleich des Wärmegefälles. Der Austausch kann dabei über folgende Medien geschehen:

• Wasser
• Gase
• Öle
• Dampf
• alle gängigen Flüssigkeiten und Gase

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Welche Vorteile schenkt ein Wärmetauscher?

Bei der Verwendung eines Wärmetauschers kann sich der Nutzer über einige vorteilhafte Aspekte freuen:

• Nutzung der Abwärme
• Minimierung des Energieaufwands
• Senkung der Heizkosten
• Wartungsfreundlichkeit
• Gesteigerte Effizienz
• Kostenfreie Energie aus der Umwelt
• Hoher Wohnkomfort
• Ressourcenschonung
• Kühlung des Ausgangsmediums
• Mehr Wirtschaftlichkeit im Gesamtprozess

Welche Nachteile zeigt ein Wärmetauscher auf?

Bei einer Entscheidung für einen Wärmetauscher sollten ebenso die Nachteile bekannt sein – im Gegensatz zu den Vorteilen eine kurze Liste:

• Höhere Anschaffungskosten
• Komplizierte Bedienung
• Wirkungslose Anlage bei Öffnung eines Fensters

Hinweis: Zudem bestehen Abhängigkeiten der Effektivität hinsichtlich der Wärmekapazität des Speichermoduls und des Massenstroms.

Welche Einsatzgebiete eignen sich für einen Wärmetauscher?

Einsatzgebiete für Wärmetauscher gibt es einige. Dabei werden hohe Temperaturen entweder abgekühlt beziehungsweise Wärme an kühlere Bauteile weitergeleitet. Zur Schonung von Belastungsgrenzen aufgrund von Überhitzung sowie zur möglichst verlustfreien Weitergabe von Erdwärme an die Umgebung, wie ein Wohngebäude, stellen sich durchaus zahlreiche Anwendungen zur Verfügung. Diese sind nach dem Einsatz der beteiligten Medien unterteilt:

Ein flüssiges und ein gasförmiges Medium

• Raumlufterwärmung per Heizkörper als Konvektor
• Regenerative Wärmerückgewinnung
• Wärmeübertragung zur Warmwassergewinnung in Gasthermen
• Lufterhitzung beziehungsweise -kühlung
• Zuluft in Klimaanlagen
• Speisewasservorwärmung von Dampfkesseln
• Luft-Wasser-Wärmetauscher zur Schaltschrankkühlung
• Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren bei indirekter Ladeluftkühlung

Ein gasförmiges Medium und eines im Phasenübergang (gasförmig / flüssig)

• Wärmeübertragung von Luft im Verdampfer von Wärmepumpen
• Wärmerohr (Heatpipe)
• Verdampfung und Kondensation des Kältemittels bei Klimaanlagen
• Verdampfung in Dampfkesseln von Kohlekraftwerken
• Kondensation bei Dampfturbinen
• Dampferzeugern in Kernkraftwerken
• Wärmeabgabe über Kühlschlange an der Kühlschrankrückseite
• Wärmeübertragung in Kondensationswäschetrocknern

Hinweis: Zudem bestehen Abhängigkeiten der Effektivität hinsichtlich der Wärmekapazität des Speichermoduls und des Massenstroms.

Ein flüssiges Medium und eines im Phasenübergang (gasförmig / flüssig)

• Verflüssiger von Wärmepumpen

Zwei flüssige Medien

• Grundwasserwärmeübertragung für Wärmepumpen
• Wärmeübertragung in Speicherkesseln von Solarthermie
• Wärmeübertragung in Fernwärmenetzen
• Wärmeübertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken
• Wärmeübertragung in einer Frischwasserstation
• Wärmeübertragung zwischen See- und Kühlwasser von Schiffsdieselmotoren

Info: Die Adern der Pinguinfüße verlaufen wie bei einem Gegenstromwärmetauscher, um den Wärmeverlust bei der Berührung mit dem teilweise eisigen Boden zu minimieren.

Des Weiteren verstehen sich einige Anwendungen für die optimierte Nutzung der thermischen Energie:

• Bleche / Rippen von Hochtemperatur-Heizkörpern
• Abgaswärmenutzung zum Vorwärmen angesaugter Verbrennungsluft

Anklang findet der Wärmetauscher deshalb auch in folgenden Bereichen:

• Heizungstechnik
• Blockheizkraftwerke
• Fernwärmeübergabestationen
• Lüftungsanlagen
• Abwassernutzung
• Getränke- und Lebensmittelindustrie
• Schwimmbadtechnik
• Trinkwassererwärmung
• Industrie und Chemie (Kondensator, Verdampfer, Unterkühler, Überhitzer)

Welcher Wärmetauscher passt zu welcher Heizungsleistung?

Wie sind die Kosten bei einem Wärmetauscher angesiedelt?

Die Kostenfrage bezüglich des Wärmetauschers kann nicht pauschal benannt werden. Die Ausgaben hängen von drei wesentlichen Punkten ab:

• Heiztechnik
• Hersteller
• Material

Generell kann aber ein Spektrum zwischen 200 bis 800 Euro in Betracht gezogen werden. Hierbei sind die Montagekosten noch nicht enthalten. Modelle mit Sondereigenschaften und für Spezialsituationen sind für Preise bis zu 1.500 Euro zu erwerben.

Was muss ich beim Kauf beachten?

Beim Kauf eines Wärmetauschers sollte auf einige Aspekte Wert gelegt werden. Dann kann der Einbau in das Heizungssystem unkompliziert und effektiv erfolgen:

• Leistungskennzahlen – Vor allem der Wert der kW/h sollte auf die jeweilige Heizleistung angepasst werden
• Einsatzgebiet – Dieser Punkt beeinflusst das Medium und die Materialauswahl der Wärmetauscher
• Material – Verschiedene Metalle oder Kunststoffe sind mitunter für ein spezielles Sondereinsatzgebiet konzipiert
• Medium – Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität sollten an das Einsatzgebiet angepasst werden
• Fläche – es kommt auf die Aktivfläche des Tauschers an
• Plattentiefe – Sie entscheidet sich nach dem benutzten Medium. Eine mehrschichtige Reihung schafft eine höhere Effizienz
• Verarbeitung – Entscheidung hinsichtlich gelöteter, geschweißter oder geschraubter Platten
• Erweiterbarkeit – Herrscht eine konstante oder wechselnde Heizleistung vor, können sich die Rahmenbedingungen ändern (Vergrößerung / Verkleinerung)
• Garantie – Abseits der handelsüblichen Angebote können Erweiterungen, bis zu 5 Jahren, ausgehandelt werden

Info: Eine hohe Fließgeschwindigkeit sowie eine besonders große benetzte Oberfläche beanspruchen ebenso mehr Energieaufwand.

Tipp: Obacht sollte auch auf einen angemessenen Druckverlust gelegt werden. Bei raschem Druckabfall steigt der Energiebedarf und es kommt zu höheren Betriebskosten.

Welche Fördermöglichkeiten gibt es für Wärmetauscher

Im Sinne der Förderung umweltfreundlichen und regenerativen Energieverbrauchs, bewilligen BAFA und KfW verschiedene Kredite zur Integration moderner Heizungstechnik. Dies schließt die Installation der Brennwerttechnik mit ein. Außerdem werden den Anträgen auf Förderung einer Solarthermieanlage sowie einer Wärmepumpe lohnenswerte Fördermaßnahmen zur Seite gestellt. Somit ist auch die Nachrüstung mittels Wärmetauschers zur Senkung der CO2-Emission und des Energieverbrauchs subventioniert.

Was muss beim Einbau beachtet werden?

Die Integration eines Wärmetauschers in einen bestehenden Heizungskreislauf ist kompliziert. Deshalb sollte dieses Modul bereits bei der Erstmontage der Energieversorgung eingeplant werden. Um jedem Ärger aus dem Weg zu gehen und die erwartete Effizienzsteigerung später auch genießen zu können, sollte auf einen Fachmann zurückgegriffen werden. Speziell bei der Nachrüstung im Altbau muss mit einigen Komplikationen und Mehrkosten gerechnet werden. Bei der Montage des Wärmetauschers sollten zudem folgende Aspekte beachtet werden:

• Gelötete Wärmetauscher nur stehend montieren
• Ausgewiesene maximale Anschlusskräfte einhalten
• Isolierungen gegen Kälte oder Wärmeverlust berücksichtigen
• Filter für Kleinpartikel einbeziehen
• Diffusionsdichte Isolierungen bei Kältetechnik

Tipp: Der störungsfreie Betrieb ist unter Berücksichtigung der Vorgaben des Herstellers gesichert.

Die Nähe zum Heizkessel oder der anderen Energiequelle ist elementar, weil es die Wege verkürzt. Daher sollte im Kellerraum oder in der Nähe der Erdsonde Platz für den Wärmetauscher eingeplant werden – der Platzbedarf ist nicht sonderlich groß.

Was bewirkt ein Wärmetauscher in der Heizungstechnik

Bezüglich der Heizungstechnik wirkt der Wärmetauscher als Transmitter zwischen der heißen Flamme der, als Beispiel genannten, Gastherme und dem Wasserkreislauf. Die Übertragung an das flüssige Medium kann somit realisiert werden. Außerdem übernehmen die Heizkörper eine Art Wärmetauscher, welcher die Hitze des Wassers an die Raumluft übermittelt.

Welchen Nutzen hat der Wärmetauscher in der Brennwerttechnik?

Für die Brennwerttechnik ist der Wärmetauscher unerlässlich. Erfolgt durch ihn die Option einer etwa 30-prozentigen Energieeinsparung durch Nutzung der Abgaswärme nach der Verbrennung. Die aufgefangene Wärme wird hierbei meist in einem Speicher bewahrt. Da das Rücklaufrohr der Heizungsanlage durch dieses Wärmesilo führt, erfolgt eine Vorerwärmung und deshalb eine Senkung der letztendlich aufgewandten Energie.