Wärmetauscher – Was ist ein Wärmetauscher? Wie funktionieren Wärmetauscher? Wo werden sie eingesetzt und wieviel kosten Wärmetauscher?
Wärmetauscher, in der Fachsprache werden sie Wärmeübertrager genannt, sind Vorrichtungen oder Geräte, mit deren Hilfe Wärme von einem Stoffstrom auf einen anderen übertragen wird. Das klingt sehr theoretisch, lässt sich aber an einem Heizkörper einfach darstellen: Der Heizkörper selbst fungiert als Wärmeübertrager und überträgt die Wärme des in ihm zirkulierenden heißen Wassers auf die ihn umgebende Raumluft. Meist bestehen Wärmetauscher aus Metall, da Metall besonders gute Wärmeleitfähigkeitswerte aufweist.
Das Wichtigste in Kürze
- Ein Wärmetauscher überträgt Wärme von einem Stoffstrom auf einen anderen – meist getrennt durch eine Wand aus gut leitendem Metall.
- Ohne Wärmetauscher arbeitet keine moderne Heizung: Brennwertkessel, Solarthermie und Wärmepumpe sind darauf angewiesen.
- Eine Wärmepumpe nutzt gleich zwei davon – Verdampfer und Verflüssiger bilden das Herz ihres Kältekreislaufs.
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Verschiedene Typen von Wärmetauschern
Wärmetauscher ist nicht gleich Wärmetauscher. Sie werden im Allgemeinen klassifiziert nach der Art der Wärmeübertragung sowie der geometrischen Stoffführung. Und es gibt auch verschiedene Bauweisen bei Wärmetauschern.
Direkt, indirekt oder halbindirekt? Die drei Wege der Wärmeübertragung
| Art der Übertragung | Trennung der Medien | Typisches Beispiel |
|---|---|---|
| Direkt | keine Trennung – beide Medien mischen sich | Kühlturm, in dem Wasser und Luft direkt Kontakt haben |
| Indirekt | feste Wand zwischen den Medien | Heizkörper, Platten- und Rohrbündelwärmetauscher in der Heizung |
| Halbindirekt | zeitversetzt über einen Wärmespeicher | Regenerator, etwa in der Lüftungs-Wärmerückgewinnung |
- Wärmeübertrag: Die Wärmeübertragung kann sowohl direkt erfolgen als auch indirekt oder halbindirekt. Bei der direkten Wärmeübertragung gibt es zwischen den beiden Medien keine Trennung, bei der indirekten Wärmeübertragung sind die Medien voneinander durch eine Wand getrennt. Bei der halbindirekten Wärmeübertragung kommen die beiden Medien zeitversetzt mit einem Wärmespeicher in Kontakt: Er wird zuerst vom wärmeren Medium aufgeheizt und gibt die Wärme anschließend an das kältere ab.
- Stoffführung: Hier wird unterschieden danach, wie die beiden Medien aneinander vorbei strömen. Unterschieden werden hier Wärmetauscher, die mit Gegenstrom, Gleichstrom, Kreuzstrom und Wirbelstrom arbeiten.
- Bauweise: Wärmetauscher sind je nach Einsatzgebiet unterschiedlich konstruiert. So kommen sie mal als Plattenwärmetauscher daher, aber eben auch als Spiralwärmetauscher oder Mantelrohrwärmetauscher. Dabei sind verschiedene Technologien besonders gut für die Wärmeübertragung zwischen flüssigen Medien geeignet (Platten-, Rohrbündel- und Doppelrohrwärmetauscher), andere für den Übertrag von gasförmigen zu flüssigen Stoffen und umgekehrt geeignet (Rippenrohr-, Lamellen- und Spiralwärmetauscher) und wieder andere sind besonders gut geeignet für die Wärmeübertragung zwischen gasförmigen Medien (Rotations- und Wärmerohrtauscher).
Wärmetauscher aus Heizungssystemen nicht wegzudenken
Im Alltag treffen wir immer wieder auf verschiedene Arten von Wärmetauschern. So sind sie in Autos zu finden oder eben wie oben beschrieben als Heizkörper in Wohnung und Haus. Eine moderne Heizungsanlage wiederum ist ohne Wärmetauscher nicht vorstellbar. Hier sorgen Wärmetauscher für eine möglichst effiziente Übertragung von Wärme. So finden sich Wärmetauscher in Gas- und Ölbrennwertheizungen, bei Pelletheizungen genauso wie bei Solarthermieanlagen oder Wärmepumpen. Immer werden Wärmetauscher notwendig, um die Wärme des einen Mediums auf das andere zu übertragen.
Wärmetauscher in Gas- und Öl-Heizungen
Bei einer normalen Gas- oder Ölheizung wird Wasser durch Flammen erwärmt, die bei der Verbrennung von Gas oder Öl entstehen. Dieses Wasser fließt durch Rohre, die an den Flammen vorbeiführen und die als Wärmetauscher fungieren. Das heiße Wasser fließt sodann durch die Heizkörper und gibt dort wiederum die Wärme an die Raumluft ab.
Wärmetauscher in Brennwertthermen
In Gasbrennwertheizungen ist der Wärmetauscher besonders wichtig: Er kühlt die heißen Abgase mit dem kühleren Rücklaufwasser so weit ab, dass Wasserdampf kondensiert und zusätzliche Kondensationswärme an das Heizsystem abgegeben wird. Je nach Gerätekonstruktion geschieht das in einem integrierten Brennwert-Wärmetauscher oder über einen zusätzlichen Abgaswärmetauscher.
Wärmetauscher bei Hybridheizungen
Kombiniert man eine Gasbrennwerttherme mit einer Solarthermieanlage oder einem Kamin mit Wassertasche, so wird ein Pufferspeicher notwendig. Im Pufferspeicher kann die Wärme gespeichert werden, die durch Solarkollektoren oder durch einen Kamin produziert wird, die aber nicht direkt, wenn sie produziert wird, benötigt wird.
Dabei sind im Pufferspeicher sowohl ein Wärmetauscher für die solare Wärme als auch einer für die Wärme der Gasheizung verbaut. Der solare Wärmetauscher wie auch ggf. der Wärmetauscher, der an den Kamin mit Wasserführung angeschlossen ist, sitzen im unteren Bereich des Pufferspeichers. Der Wärmetauscher, der die Wärme der Gasheizung beibringt, sitzt im oberen Bereich des Pufferspeichers. Zudem sorgt ein weiterer Wärmetauscher für die Erwärmung des Trinkwassers. Hier fließt durch eine spiralförmige Rohranlage das kalte Trinkwasser und wird dabei durch das heiße Wasser im Pufferspeicher erwärmt.
Wärmetauscher in Wärmepumpen
Wärmepumpenheizungen sind ebenso auf Wärmetauscher angewiesen wie Hybridheizungen. In Wärmepumpen arbeiten gleich zwei Wärmetauscher zusammen: der Verdampfer und der Verflüssiger. Der Verdampfer nimmt die Wärme der genutzten Umweltenergie auf. Das heißt, für die Aufnahme der Wärme aus Luft, Erdreich oder Grundwasser ist ein Wärmetauscher notwendig.
Ein Pufferspeicher kann bei einer Wärmepumpen-Heizung sinnvoll sein, ist aber nicht in jeder Anlage notwendig. Er speichert Wärme im Heizungswasser, kann die Hydraulik entkoppeln und hilft je nach Auslegung, häufiges Ein- und Ausschalten (Takten) zu reduzieren. Ob dafür ein integrierter Wärmetauscher nötig ist, hängt von Speicherbauart und Systemtrennung ab.
Verdampfer und Verflüssiger: das Herz des Kältekreislaufs
Die eigentliche Leistung einer Wärmepumpe entsteht im Zusammenspiel ihrer beiden zentralen Wärmetauscher. Am Verdampfer nimmt ein Kältemittel die Umweltwärme auf und geht dabei vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Ein Verdichter erhöht anschließend Druck und Temperatur des Gases. Am zweiten Wärmetauscher, dem Verflüssiger, gibt das heiße Kältemittel die Wärme an das Heizungswasser ab und wird wieder flüssig. Bei reversiblen Geräten lässt sich der Kältekreis für aktives Kühlen umkehren; außerdem gibt es passives Kühlen bei Sole- oder Wasser-Wasser-Wärmepumpen. Ob das sinnvoll funktioniert, hängt auch von Heizflächen und Taupunktüberwachung ab.
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Welches Material für den Wärmetauscher
Wärmetauscher sind wegen der guten Wärmeleitfähigkeit meist aus Metall; es gibt aber auch Bauarten aus Kunststoff. In Heizungsanwendungen finden sich häufig Kupfer, Edelstahl oder Aluminium-Legierungen. Edelstahl gilt als korrosionsbeständig und wartungsarm, ist aber nicht völlig unempfindlich: Wasserqualität, pH-Wert und Ablagerungen beeinflussen die Lebensdauer. In Brennwertkesseln muss der Wärmetauscher zusätzlich dem sauren Kondensat standhalten, das bei der Abgaskühlung entsteht – hier kommen daher vor allem korrosionsfester Edelstahl oder Aluminium-Silizium-Legierungen zum Einsatz.
Häufige Fragen zum Wärmetauscher
Woran erkenne ich einen defekten Wärmetauscher?
Wie lange hält ein Wärmetauscher?
Lässt sich ein Wärmetauscher reinigen?
Fazit
Ohne Wärmetauscher kann keine effiziente, moderne Heizung funktionieren. Auch Wärmepumpenheizungen sind ohne Wärmetauscher undenkbar. Je nach Einsatzgebiet, Material und Bauweise verursachen Wärmetauscher unterschiedliche Kosten. Wärmetauscher sind vergleichsweise robuste Bauteile, sollten sie jedoch defekt sein, dann ist es Aufgabe der Heizungsfachleute, diese zu tauschen.
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