Wärmeaustausch

Wärmeaustausch bezeichnet den Prozess, bei dem Wärme zwischen zwei oder mehr Stoffströmen übertragen wird, ohne dass sich das Material der Medien wesentlich ändert. Typisch handelt es sich um Wärmeübertragung zwischen Fluiden oder zwischen einem Fluid und einer festen Wandung durch eine Trennfläche oder eine Kontaktoberfläche.

Die drei grundlegenden Mechanismen sind Wärmeleitung (Konduktion) durch feste Materialien, konvektive Wärmeübertragung zwischen Fluiden und Oberflächen sowie Wärmestrahlung. In technischen Anlagen treten häufig Kombinationen dieser Mechanismen auf, abhängig von Temperaturunterschied, Strömungsbedingungen und der Art des Wärmetauschers.

Nach dem Aufbau werden meist Gegenstrom-, Parallelstrom- oder Kreuzstrom-Wärmetauscher unterschieden. Gegenstrom-Wärmetauscher ermöglichen oft die größte effektive Temperaturdifferenz über die Fläche und damit eine gute Wärmeübertragung, Parallelströmung führt zu einer geringeren, aber einfacheren Auslegung.

Zu den gängigen Wärmetauschersystemen gehören Shell-and-Tube, Platten-Wärmetauscher, Rohrbündel mit Finnen sowie spezialisierte Lösungen wie keramische oder Mikrokanal-Wärmetauscher. Die Leistungsgröße des Wärmeaustauschs wird durch Q = U A ΔT_lm beschrieben, wobei U der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient, A die Kontaktfläche und ΔT_lm die logaritmische Temperaturdifferenz ist. In der Praxis kommt häufig die NTU-Methode zur Auslegung zum Einsatz.

Anwendungsgebiete umfassen Heizungs- und Klimatechnik, Prozessindustrie, Kraftwerke, Kühlung von Elektronik sowie Fahrzeugtechnik. Ziel der Auslegung ist eine möglichst effiziente Wärmeübertragung bei geringem Druckverlust und minimierten Wärmeverlusten; dazu werden oft Wärmerückgewinnung und Wärmeintegration eingesetzt.