Wärmetauscher Heizung: Aufgabe, Aufbau, Funktionsweise, Typen, Einsatz

Kennt ihr dieses Bauteil eurer Heizung: Wärmetauscher? Wir stellen es euch heute vor! In diesem Blogbeitrag liefern wir Antworten auf die Fragen: Was ist ein Wärmetauscher? Heizung: Wärmetauscher – welche  Aufgabe hat das Bauteil? Wie ist ein Wärmetauscher aufgebaut? Welche Wärmetauscher-Typen gibt es? Wo kommen Wärmetauscher zum Einsatz? Welche Vor- und Nachteile haben Wärmetauscher? 

Was ist ein Wärmetauscher? (einfache Definition/ Begriffserklärung)

Ein Wärmetauscher ist – einfach erklärt – ein Bauteil, das Wärme (thermische Energie) von einem sich bewegenden Stoff (auch Stoffstrom genannt) auf einen anderen sich bewegenden Stoff überträgt. Deshalb wird das Bauteil auch Wärmeübertrager genannt. Und tatsächlich wird die Bezeichnung Wärmeübertrager der Aufgabe des Wärmetauschers in gewisser Weise gerechter.

Das beste Beispiel dafür findet ihr in eurer Heizung: Wärmetauscher sind dort unter anderem die Heizkörper: Sie übertragen die Wärme des durch sie hindurch strömenden warmen Heizwassers auf die Luft der zu beheizenden Räume.

Wo kommen Wärmetauscher zum Einsatz?

Feuerheizungen

In Heizungen, die fossiles Heizgas, fossiles Heizöl oder erneuerbare Holzpellets zur Wärmeerzeugung verfeuern, kommen Wärmetauscher zum Einsatz. Die beim Verfeuern der festen Brennstoffe entstehende Wärme erwärmt mit Hilfe eines Wärmetauschers das in der Heizungsanlage zirkulierende Heizwasser. Das heiße Heizwasser strömt durch die Heizkörper. Diese sind so ausgelegt, dass sie die Wärme vom Heizwasser großflächig an die Raumluft abgeben. Wichtig: Bei modernen, hocheffizienten Brennwertanlagen wird dank des Einsatzes geeigneter Wärmetauscher selbst noch die Restwärme in den Abgasen abgegriffen und zum Heizen genutzt.

Wärmepumpen

Umweltheizungen (Wärmepumpen) sammeln Wärme aus der Umgebung, zum Beispiel aus der Umgebungsluft, dem Erdreich, dem Grundwasser. Diese Wärme übertragen sie mit Hilfe eines Wärmetauschers auf ein Kältemittel. Das verdampft zu Gas, welches eine Verdichter zusammendrückt (komprimiert). Dabei steigen Druck und Temperatur des Gases. Die Wärme wird über einen zweiten Wärmetauscher auf den Heizkreis übertragen.

Lüftungsanlagen

Bei Lüftungsanlagen in hocheffizienten Häusern wie Passivhäusern greift ein Wärmetauscher die Wärme aus der Abluft der Lüftungsanlage ab (sogenannte Wärmerückgewinnung, kurz: WRG) und erwärmt damit die hereinkommende Frischluft – es kommt zu einem Vorheizungseffekt. Da ein Großteil der Wärme der Abluft auf diese Weise noch genutzt wird, sorgt der Wärmetauscher für eine hohe Effizienz der Lüftungsanlage. 

Solarthermie-Heizungen

Herkömmliche, marktübliche Solarthermie-Anlagen verwenden zur Gewährleistung ihres Betriebes auch bei Frosttemperaturen – anders als wir mit unseren Paradigma Solarthermie-Anlagen: Wir nutzen reines Wasser! – ein frostsicheres, teures und regelmäßig aufwendig zu entsorgendes chemisches Gemisch aus Wasser und Glykol. Das zirkuliert im solaren Heizkreis (auch Solarkreis genannt) dieser Anlagen. Der Solarkreis ist komplett vom Heizkreis der Heizungsanlage getrennt. Über einen Wärmetauscher wird die Wärme vom Solarkreis auf den Heizkreis übertragen. Der Wärmetauscher sitzt meist als gewendeltes Stahlrohr (sogenannter Glattrohr-Wärmetauscher) im Speicher.

Wichtig: Paradigma Solarthermie-Anlagen arbeiten ohne diesen Wärmetauscher zwischen Solarkreis und Heizkreis: Stattdessen ist der solare Heizkreis direkt am Pufferspeicher angeschlossen, der die Solarwärme speichert. Das bedeutet, dass das Paradigma AquaSOLAR System sich kaltes Heizungswasser unten aus dem Wärmespeicher holt, mit Hilfe der Sonnenstrahlung in den Kollektoren erhitzt und anschließend oben wieder heiß in den Speicher schichtet.

Die Frostsicherheit gewährleistet Paradigma mit der bewährten Paradigma Solarregelung und den hochleistungsfähigen CPC Vakuumröhrenkollektoren. In unseren Anlagen zirkuliert das Wasser demnach im Solarkreis und im Heizkreis.

Allerdings sitzt in unseren Paradigma Frischwasserstationen (FriWa) ein Wärmetauscher, denn Trinkwarmwasser muss hygienisch sauber vom Wasser im Solarkreis-Heizkreis getrennt werden. Der Vollständigkeit halber muss geschrieben werden: Auch zwischen dem Heizungswasser für die Heizkörper und einer (diffusionsoffenen) Fußbodenheizung wird oft ein Wärmetauscher eingesetzt, um den Eintrag von Sauerstoff in den Heizungskreislauf und somit Korrosion zu vermeiden.

Der Vorteil der AquaSolar Anlagen ohne Wärmetauscher zwischen Solarkreis und Heizkreis liegt auf der Hand: Nahezu jeder bereits vorhandene Wärmespeicher kann dank dessen zum Solarspeicher upgedatet werden. Darüber hinaus müsst ihr wissen, dass jeder Wärmetausch beziehungsweise jede Wärmeübertragung mit einem Wärmeverlust behaftet ist. Der Grund: das Temperaturgefälle zwischen heißer (zum Beispiel solarer) Seite und kalter Seite (zum Beispiel Heizung), das bestehen muss.

Wärmetauscher Heizung: Welche  Aufgabe hat das Bauteil?

Der Wärmetauscher hat die Aufgabe, die Wärme des warmen Stoffstroms aufzunehmen und an den kühleren abzugeben. Der wärmere Stoffstrom wirkt dabei als der Wärmespender, der kühlere als der Wärmeempfänger. Die beiden Stoffströme können den gleichen Aggregatzustand haben oder in verschiedenen Aggregatzuständen vorliegen – sowohl gasförmig als auch flüssig.

In einer Heizung ist der Wärmetauscher maßgeblich an der Erwärmung des Heizwassers und des Brauchwassers, das ihr in eurer Küche oder in eurem Bad zapft, beteiligt. Außerdem sorgt er für die Abgabe der Wärme von der Heizung auf den Raum. Der Wärmetauscher beeinflusst die Effizienz einer Heizung.

Was bringt ein Wärmetauscher Heizung an Vorteilen?

• Wärmetauscher machen eine Heizungsanlage effizienter, indem sie dafür sorgen, dass ein Großteil der Wärme – selbst die Restwärme aus Abgasen bei Feuerheizungen – dem Heizen und Warmwasserbereitstellen zugute kommt. Das spart Heizenergie und die daraus resultierenden Energiekosten.
• Sie können je nach Typ sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen zum Einsatz kommen.
• Die Energieeinsparung wirkt sich auch auf den CO₂-Fußabdruck eurer Heizung mit Wärmetauscher aus. Ihr emittiert damit weniger Treibhausgas, was die Umwelt schont.

Wie funktioniert Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher Heizung ?

Drei Eigenschaften machen einen effizient funktionierenden Wärmetauscher aus:

1. Er muss die Wärme gut leiten. Das heißt, seine sogenannte Wärmeleitfähigkeit muss hoch sein.
2. Er muss eine große Oberfläche haben.
3. Er muss zwei Stoffströme mit möglichst hohem Temperaturunterschied (hohe Temperaturspreizung) trennen.

Die Wärmeübertragung im Wärmetauscher findet gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik statt, der da lautet:

Wärme kann nicht von selbst von einem Körper niedriger Temperatur auf einen Körper höherer Temperatur übergehen.

Anders ausgedrückt: Wärme wird immer nur in Richtung warm zu kalt übertragen, also von einem höher temperierten auf ein niedriger temperiertes System.

Grundsätzlich lässt sich Wärme auf dreierlei Weise übertragen:

1. Wärmeleitung (Beispiel: Heizkörper)
2. Wärmestrahlung (Beispiel: Sonnenstrahlen)
3. Konvektion (Beispiel: Heizstab)

Zur Wärmestrahlung solltet ihr wissen, dass dabei – wenn man es genau nimmt – Wärme nicht nur von warm nach kalt, sondern auch von kalt nach warm übertragen wird – darum auch der Ausdruck “Wärme tauschen”. Der Grund: Es gibt keine Oberflächen, die nicht strahlen. Aber: Der Wärmestrom von warm nach kalt ist stets größer als der von kalt nach warm. Das führt dazu, dass im Ganzen gesehen mehr Energie von warm nach kalt übertragen wird als von kalt nach warm. Oder noch einmal anders erklärt: Der Temperaturunterschied zwischen warm und kalt  wird insgesamt immer kleiner. Und auch das ist wissenswert: Wärmestrahlung ist die einzige Wärmeübertragungsart, die auch das Vakuum durchdringen kann – bestes Beispiel: Die Strahlen der Sonne strahlen durch das Weltall.

Wie ist ein Wärmetauscher aufgebaut?

In der Heiztechnik sind Wärmetauscher meist Bauteile aus dem sehr gut Wärme leitenden Material Metall, zum Beispiel aus Aluminium, Edelstahl oder Kupfer. Der Aufbau eines Wärmetauschers ist abhängig davon, wie er die Wärme überträgt. Es gibt diese drei Formen der Wärmeübertragung:

• direkt
• indirekt
• oder halbindirekt

Welche Wärmetauscher-Typen gibt es?

Bei Wärmetauschern für flüssige und gasförmige Stoffströme unterscheidet man diese Bautypen:

Wärmetauscher für direkte Wärmeübertragung

In einem Kühlturm sorgt ein Wärmeübertrager dafür, dass warmes Wasser in direktem Kontakt mit der Luft wieder abgekühlt wird (sogenannte Rückkühlung).

Wärmetauscher für indirekte Wärmeübertragung

Sind die Stoffströme räumlich voneinander getrennt, übertragen Wärmetauscher die Wärme indirekt von warm nach kalt. Trennendes Element ist beispielsweise eine wärmedurchlässige Wand. Diese Art indirekte Wärmetauscher nennt man auch Rekuperatoren. Bekanntestes Beispiel dafür ist ein Heizkörper. Seine metallene Wand gibt die Wärme aus dem Heizwasser an die Raumluft weiter.

Plattenwärmetauscher beziehungsweise Plattenwärmeübertrager: Dieser Wärmetauscher besteht aus ebenen Platten, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Zwischenräume zwischen den Platten durchströmen die beiden Stoffströme im Wechsel.

• Eine Sonderform des Plattenwärmetauschers ist der Spiralwärmetauscher: Statt ebener Platten kommt hie rein Blech zum Einsatz, das zu einer Spirale gebogen ist.

Rohrwärmetauscher beziehungsweise  Rohrbündelwärmeübertrager: In einem dicken Rohr oder Kessel (sogenannter Mantelraum) sind viele dünnere Rohre parallel angeordnet. Die dünnen Rohre werden von einem Stoffstrom durchströmt. Durch den Mantelraum strömt ein weiterer Stoffstrom. Die Summe der Innenräume der dünnen Rohr wird Rohrraum genannt. Man unterscheidet zwei Bauformen:

• In sogenannten U-Rohr-Wärmetauschern sind die Rohre U-förmig gebogen. Dank dessen lässt sich das Rohrbündel einfacher in den Mantelraum hineinschieben und wieder herausziehen. Es wird dann nämlich nur an einer Seite fixiert, beispielsweise am Deckel des Kessels festgeschweißt.
• Wärmerohre sind an beiden Enden verschlossen und mit einem Stoff zur Wärmeübertragung gefüllt, der ununterbrochen kondensiert und wieder verdunstet und aufgrund dessen im geschlossenen Rohr zirkuliert.

Daneben gibt es noch Mischformen (Hybride) aus Platten- und Rohrwärmetauschern, Mantelrohrwärmeübertrager (Rohr im Rohr) und sogenannte Heiz-/Kühlregister (Rohre mit Lamellen).

Wärmetauscher für halbdirekte Wärmeübertragung

Damit die halbdirekte Wärmeübertragung gelingt, braucht es einen geeigneten Wärmespeicher. Die beiden Stoffströme kalt und warm haben zeitversetzt Kontakt mit dem Speicher, so dass dieser mal warm und mal kalt ist. Er puffert die Wärme und gibt sie an den kühleren Stoffstrom ab. Solch ein Wärmetauscher wird auch Regenerator genannt und kommt vor allem bei gasförmigen Stoffströmen zum Einsatz.

Wie genau strömen Stoffe in Wärmetauschern?