Solarthermie-Speicher: Was ist ein Wärmetauscher?

In einem Heizungssystem mit Solarspeicher, das die Solarwärme, die die Solarthermie-Anlage auf dem Dach liefert, zum Erwärmen von Raum und Wasser nutzt, spielt ein Bauteil eine wichtige Rolle: der Wärmetauscher, auch Wärmeaustauscher oder Wärmeübertrager genannt. Wie er funktioniert, erklärt dieser Artikel.

Auch wenn die Bezeichnung „Wärmetauscher“ in der Praxis geläufiger ist, beschreibt „Wärmeübertrager“ treffender, was das gleichnamige Bauteil als Komponente einer Solarthermie-Anlage tut: nämlich Wärme übertragen. Oder physikalisch ausgedrückt: Thermische Energie wird von einem Stoffstrom (Achtung: Das Wort Strom hat hier nix mit Elektrizität zu tun!) auf den anderen übertragen. Wärme kann man auf dreierlei Weise (3er-Klassifizierung) übertragen:

• direkt
• indirekt
• halbindirekt

Heizkörper und Wärmetauscher lassen sich Großteils der Klasse „indirekte Wärmeübertragung“ zuordnen. Solche „indirekten“ Wärmetauscher nennt man dann auch Rekuperatoren. Denn dort sind die beiden Stoffströme räumlich voneinander getrennt – und zwar mit Hilfe einer Wand, die wärmedurchlässig ist. Wie viel Wärme von einem Stoffstrom auf den anderen jeweils übertragen wird, hängt vor allem davon ab, wie die Ströme zueinander fließen (Fließrichtung oder geometrische Führung). Drei Grundformen sind dabei zu unterscheiden:

• Gegenstrom: Hier kommen sich beide Stoffströme entgegen und fließen aneinander vorbei.
• Gleichstrom: Hier fließen beide Stoffströme einträchtig nebeneinander in die gleiche Richtung.
• Kreuzstrom: Hier kreuzen die Stoffströme einander.

Neben diesen drei Grundformen der Stromführung sind auch Kombinationen davon durchaus gebräuchlich, beispielsweise der „Kreuzgegenstrom“, wobei sich grundsätzlich entgegenkommende Ströme auch kreuzen.

Wie ermittelt man die Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers?

Als wichtige Komponente einer Heizungsanlage mit Solarthermie-Anlage kommt es darauf an, welche Leistung der Wärmetauscher erbringt. Seinen Wirkungsgrad erhält man, indem man nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik – der da lautet: „Jedes System besitzt eine innere Energie U (= extensive Zustandsgröße). Diese kann sich nur durch den Transport von Energie in Form von Arbeit W und / oder Wärme Q über die Grenze des Systems ändern. Oder als Gleichung ausgedrückt: dU=ðQ + ðW (ruhendes System) und dU + dE?=ðQ + ðW. (bewegtes System inklusive der Bewegungsenergie)“ – die aufgenommene thermische Energie auf der kalten Seite zu der abgegebenen Energie auf der warmen Seite ins Verhältnis setzt. Gut zu wissen: Auch mit der besten Wärmedämmung geht ein Teil der nutzbaren Wärme stets verloren, wobei das Ausmaß des Wärmeverlustes auch davon beeinflusst wird, wie stark die Temperaturen zwischen den Strömen und der Umgebung auseinanderklaffen.

Man kann demnach sagen, dass ein Wärmetauscher dann eine große Leistungsfähigkeit hat, wenn er den Stoffstrom, den es zu erwärmen gilt, möglichst stark wärmen und zugleich den, den es abzukühlen gilt, stark abkühlen kann. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik – der da lautet: „Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen.“ – beschreibt die natürliche Grenze der Leistungsfähigkeit eines Wärmetauschers demzufolge.

Zum besseren Verständnis der trockenen Theorie hier nun ein buchstäblich nasses Beispiel aus der Praxis: Angenommen, zwei Wasserströme der gleichen Größe (1 Kilogramm pro Sekunde), der eine mit 50 Grad Celsius sehr warm, der andere mit 10 Grad Celsius etwa so kalt wie kaltes Leitungswasser aus dem Hahn, bewegen sich im Gleichstrom zueinander. Mischte man die beiden, erhielte man 30 Grad Celsius lauwarmes Wasser. Die Temperaturerhöhung betrüge in diesem Beispiel theoretisch 20 Kelvin, praktisch ist diese „Obergrenze“ kaum erreichbar, denn die Wärmeübertragung ist aufgrund der Konstruktion der Bauteile niemals zu 100 Prozent möglich und es gibt mangels einer 100-prozentig funktionierenden Wärmedämmung stets Wärmeverluste an die Umwelt. Dennoch gibt es Möglichkeiten, den Wirkungsgrad zu erhöhen: Führte man die beiden Beispielströme im Gegenstrom aneinander vorbei, wäre es der Theorie nach sogar möglich, den kalten Strom auf die Temperatur des warmen zu erwärmen und umgekehrt. Die maximal erreichbare Temperaturerhöhung betrüge theoretisch 40 Kelvin. Ohne noch tiefer in die Physik einzusteigen, lässt sich an dieser Stelle festhalten, dass ein Wärmeübertrager, der nach dem Gegenstromprinzip arbeitet, grundsätzlich mehr Wärme übertragen kann als einer, der sich das Gleichstromprinzip zu Nutze macht.

Auch dafür gibt’s selbstverständlich eine hübsche Formel, mit deren Hilfe sich die Wärmeübertragungsleistung bestimmen lässt:

Legende:

= Wärmedurchgangskoeffizient (in Watt pro Quadratmeter und Kelvin, W/(m²K)),

= Übertragungsfläche (in Quadratmeter, m²) und

= mittlere Temperaturdifferenz (in Kelvin, K).

Hier der der Hinweis auf eine Internetseite, die eine kostenlose Berechnungssoftware für Wärmetauscher (Simulations-Programm zur Darstellung des Temperaturverlaufs im Wärmetauscher) anbietet: entweder zum Download oder zum Berechnen online.

Wie ist ein Wärmetauscher aufgebaut?

(Achtung, es wird jetzt buchstäblich TURBULENT!) Aus den theoretischen Betrachtungen eben ergibt sich für einen Wärmetauscher, dass er je effizienter ist, desto höher die Wärmeleitung des Materials ist, das die Ströme trennt, und desto größer die zugehörige Übertragungsfläche ist. Hinzu kommt, dass auch der eigentliche Übertrag der Wärme von der Oberfläche des trennenden Mediums auf die Ströme selbst möglichst gut sein sollte. Erfahrungsgemäß greift eine sogenannte turbulente Strömung die Wärme effektiv ab. Als Maßzahl gibt es hier die Reynolds-Zahl, die möglichst hoch sein sollte. Dann nämlich haben die Ströme eine hohe Strömungsgeschwindigkeit. Gleichzeitig sollte die Flüssigkeit eine geringe Zähigkeit (Viskosität, Zähflüssigkeit) haben. Das bedeutet für die technische Durchführung, dass auch die Pumpe, die die Ströme durch den Wärmetauscher pumpt, mit erhöhtem Energieaufwand betrieben werden muss.

Ein Wärmetauscher ist meist aus Metall, mitunter auch emailliertes. In Heizungsanlagen wird häufig Stahlblech eingesetzt. In Sachen Bauweise unterscheidet man bei Rekuperatoren, die für beide Ströme jeweils einen getrennten Raum haben nach:

• Platten-Wärmetauscher
• Spiral-Wärmetauscher
• Rohr- beziehungsweise Rohrbündel-Wärmetauscher
• U-Rohr-Wärmetauscher
• Mantelrohr-Wärmetauscher,

wobei der Name hier jeweils Bauprogramm ist. Soll heißen:

• Der Platten-Wärmetauscher besteht aus mehreren Platten, zwischen denen die beiden Ströme – jeweils von Zwischenraum zu Zwischenraum im Wechsel – hindurch fließen. Eine Sonderform davon ist der
• Spiral-Wärmetauscher, der statt der Metallplatten ein Blech nutzt, das aufgewickelt wurde. Im Querschnitt ergibt sich die namensgebende Spirale.
• Beim Rohr- oder Rohrbündel-Wärmetauscher sind unzählige Rohre parallel im sogenannten Mantelraum angeordnet, der deshalb mitunter auch „Rohrraum“ genannt wird. Der Mantelraum ist eigentlich ein Kessel, durch den hindurch der Strom geführt wird. Bautechnisch gesehen ist das Befestigen der zahlreichen Rohre mittels Schweißen ein großer Aufwand.
• Ein U-Rohr-Wärmetauscher schließlich hat Rohre, die in Form eines U gebogen sind. Das hat den Vorteil, dass das entsprechende Rohrbündel mit weniger Schweißstellen im Kessel befestigt werden kann – logischerweise auf nur einer Seite desselben, etwa in den Deckel. Dann lassen sich die Rohre damit auch herausheben.
• Der Mantelrohr-Wärmetauscher zu guter Letzt hat zwei konzentrische, also symmetrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnete Rohre (Rohr-im-Rohr), wobei der Strom, der durch das innere Roh fließt, von dem im äußeren Rohr erwärmt wird.

Foto: Baweg / photocase.de