Es gibt eine Art energiesparendes Gerät, das als Wärmetauscher bezeichnet wird und den Wärmeaustausch zwischen zwei oder mehr Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Temperaturen ermöglicht. Für die Beheizung großer Flächen ist der Einsatz von Wärmetauschern absolut unverzichtbar.
Je nach Art der Wärmeübertragung lassen sich Wärmetauscher in drei Hauptkategorien einteilen:
Es gibt eine Art von Anlage, die als Direktkontakt-Wärmetauscher oder auch als Mischwärmetauscher bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung, bei der kalte und warme Fluide direkt miteinander in Kontakt kommen, um einen Wärmeaustausch zu bewirken. Im Allgemeinen handelt es sich bei den beiden Fluiden, die direkt miteinander in Kontakt kommen, um ein Gas und eine Flüssigkeit mit relativ niedrigem Verdampfungsdruck.
Wärmespeicher-WärmetauscherArbeitsprinzip, Dies geschieht mithilfe der Wärmeleitfähigkeit fester Stoffe. Genauer gesagt wird der feste Stoff zunächst durch das heiße Medium auf eine bestimmte Temperatur erhitzt; anschließend entzieht das kalte Medium dem festen Stoff Wärme, wodurch im Rahmen dieses Vorgangs eine Wärmeübertragung stattfindet.
Es gibt eine Art von Wärmetauscher, den sogenannten Trennwand-Wärmetauscher, der die Wärmeübertragung mithilfe eines Zwischenmediums nutzt. Das kalte und das heiße Medium sind durch eine feste Trennwand voneinander getrennt, über die der Wärmeaustausch stattfindet. In der Wärmeversorgungsbranche finden Wandwärmetauscher die breiteste Anwendung. Je nach Bauweise lassen sie sich in Rohrwärmetauscher, Plattenwärmetauscher und Wärmerohrwärmetauscher unterteilen.
I. Rohrbündelwärmetauscher
Das als Rohrbündelwärmetauscher bezeichnete Bauteil wird auch als Rohrbündelwärmetauscher bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine Art Trennwand-Wärmetauscher, bei dem die Wandflächen des in einem Gehäuse eingeschlossenen Rohrbündels als Wärmeübertragungsfläche dienen. Seine Konstruktion ist relativ einfach, ist im Betrieb zuverlässig und lässt sich aus verschiedenen Werkstoffen herstellen, wobei hier vor allem Metallwerkstoffe im Mittelpunkt stehen. Da er sich für den Einsatz unter hohen Temperaturen und hohem Druck eignet, ist er derzeit der am weitesten verbreitete Typ.
Rohrbündelwärmetauscher
Je nach den verwendeten Kompensationsmaßnahmen lassen sich Rohrbündelwärmetauscher in vier Typen unterteilen: Wärmetauscher mit festem Rohrboden, Wärmetauscher mit schwimmendem Kopf, U-Rohr-Wärmetauscher sowie Wärmetauscher mit Stopfbuchse.
II. Wärmetauscher mit feststehenden Rohrböden
Zu den Rohrbündelwärmetauschern gehört der Wärmetauscher mit festen Rohrböden, bei dem die Rohrböden an beiden Enden durch Schweißen mit dem Gehäuse verbunden sind. Er besteht im Wesentlichen aus dem Gehäuse, den Rohrböden, dem Rohrbündel sowie dem Deckel (Endkappe) und weiteren Bauteilen.
Wärmetauscher mit feststehenden Rohrböden
Die Vorteile eines Wärmetauschers mit feststehenden Rohrböden sind:
Einfacher Aufbau;
Bei gleichem Gehäusedurchmesser gibt es die meisten Rohrreihen und die wenigsten Bypässe;
Jedes Wärmetauscherrohr kann ausgetauscht werden, und die Reinigung im Inneren der Rohre ist einfach.
Die Nachteile von Wärmetauschern mit feststehenden Rohrböden sind:
Das Gehäuse darf nicht maschinell gereinigt werden;
Sollte der Temperaturunterschied zwischen dem Wärmetauscherrohr und dem Mantel deutlich größer sein und 50 °C überschreiten, entstehen Temperaturspannungen. Um dieses Problem zu lösen, wird ein Dehnungsstück am Mantel angebracht, weshalb der Druck im Mantelraum aufgrund der Festigkeitsgrenzen des Dehnungsstücks nicht zu hoch sein darf.
Dies gilt nur für Fälle, in denen die Flüssigkeit sauber ist und sich nicht leicht ablagert, sowie für Anwendungen, bei denen der Temperaturunterschied zwischen den beiden Strömen gering ist oder zwar ein relativ großer Temperaturunterschied besteht, der Druck im Mantelraum jedoch nicht sehr hoch ist.
III. Wärmetauscher mit schwimmendem Kopf
Eine Art Schwimmerkopf-Wärmetauscher, der zu den Rohrbündelwärmetauschern gehört, bei dem die Rohrplatte an einem Ende nicht mit dem Gehäuse verbunden ist und sich in axialer Richtung frei bewegen kann; dieses Ende wird auch als Schwimmerkopf bezeichnet. Dieser schwimmende Kopf besteht aus einer schwimmenden Rohrplatte, einem Hakenring und einer Endkappe für den schwimmenden Kopf; er ist als lösbare Verbindung ausgeführt, sodass das Rohrbündel aus dem Gehäuse herausgezogen werden kann.
Wärmetauscher mit schwimmendem Kopf
Die Vorteile eines Wärmetauschers mit schwimmendem Kopf sind:
Wenn zwischen dem Wärmetauscherrohr und dem Gehäuse ein Temperaturunterschied besteht, d. h. wenn sich das Gehäuse oder das Wärmetauscherrohr ausdehnt, entstehen keine Temperaturspannungen.
Die Rohrbündel lassen sich aus dem Gehäuse herausziehen, was die Reinigung innerhalb der Rohre und zwischen den Rohren erleichtert.
Die Nachteile von Wärmetauschern mit schwimmendem Kopf sind:
Die Konstruktion ist relativ komplex, der Materialaufwand hoch und die Baukosten sind hoch;
Angenommen, die Dichtung zwischen dem Schwimmerdeckel und der schwimmenden Rohrplatte ist undicht, kommt es zu einer inneren Leckage, wodurch sich die beiden Medien vermischen.
IV. U-förmiger Rohrwärmetauscher
Der U-Rohr-Wärmetauscher, der aus Bauteilen wie Rohrplatten, Gehäuse und Rohrbündeln besteht, gehört zu den Rohrbündelwärmetauschern. Jedes Rohr ist zu einer U-Form gebogen, und die Ein- und Auslässe sind an derselben Rohrplatte auf beiden Seiten angebracht. Die Endplatten sind durch Trennwände in zwei Kammern unterteilt, sodass sich jedes Rohr frei ausdehnen und zusammenziehen kann, ohne dass diese Bewegung mit den anderen Rohren oder dem Mantel in Zusammenhang steht.
U-förmiger Rohrwärmetauscher
Die Vorteile eines U-Rohr-Wärmetauschers sind:
Die Rohrbündel können frei schwingen, sodass Temperaturunterschiedsspannungen keine Rolle spielen; sie eignen sich daher für Anwendungen mit großen Temperaturunterschieden;
Es verfügt nur über eine Rohrplatte, hat wenige Flansche, wenige Leckstellen und einen einfachen Aufbau;
U-Rohr-Wärmetauscher zeichnen sich durch einen zuverlässigen Betrieb und niedrige Anschaffungskosten aus.
Die Nachteile von U-Rohr-Wärmetauschern sind:
Da die Rohre einen bestimmten Biegeradius aufweisen müssen, ist die Reinigung im Rohrinneren relativ schwierig, und zudem ist die Auslastung der Rohrböden relativ gering.
Da der Abstand zwischen den innersten Rohren groß ist, kann es im Mantelraum leicht zu Kurzschlüssen kommen. Ist die Strömungsgeschwindigkeit im Rohr zu hoch, führt dies zu starker Erosion im Bereich des U-Bogens, was wiederum dessen Lebensdauer beeinträchtigt.
Ist das Innenrohr beschädigt, kann es nicht ausgetauscht werden, weshalb die Ausschussquote relativ hoch ist.
V. Sprühwärmetauscher
Der Sprühwärmetauscher gehört zu den Rohrwärmetauschern. Dabei werden die Wärmetauscherrohre in Reihen an einem Stahlrahmen befestigt; die heiße Flüssigkeit fließt durch die Rohre, während das Kühlwasser von der darüber liegenden Sprühvorrichtung gleichmäßig herabregnet, weshalb er auch als Sprühkühler bezeichnet wird. An der Außenseite der Rohre eines Sprühwärmetauschers bildet sich ein Flüssigkeitsfilm mit hoher Turbulenz, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient an der Rohraußseite deutlich höher ist als bei einem Tauchwärmetauscher. Zudem werden Sprühwärmetauscher meist an gut belüfteten Orten aufgestellt, sodass durch die Verdunstung des Kühlwassers ein Teil der Wärme abgeführt wird. Dies trägt dazu bei, die Temperatur des Kühlwassers zu senken und die Wärmeübertragungskraft zu erhöhen. Im Vergleich zu Tauchwärmetauschern ist die Wärmeübertragungsleistung von Sprühwärmetauschern deutlich verbessert.
Sprühwärmetauscher
Die Vorteile eines Sprühwärmetauschers sind:
Einfacher Aufbau, kostengünstig;
Dies trägt dazu bei, die Temperatur des Kühlwassers zu senken und die Wärmeübertragungskraft zu erhöhen;
hohe Druckbeständigkeit;
Einfache Wartung und Reinigung, geringe Anforderungen an die Wasserqualität.
Die Nachteile von Sprühwärmetauschern sind:
Eine ungleichmäßige Kühlwasserverteilung beeinträchtigt die Wärmeübertragung;
Darf nur im Freien installiert werden.
VI. Rohrbündelwärmetauscher
Der Mantel-Rohr-Wärmetauscher gehört zu den Rohrwärmetauschern. Er besteht aus zwei Standardrohren unterschiedlicher Größe, die zu einem konzentrischen Mantel verbunden sind, wobei der äußere Teil als Mantelseite und der innere Teil als Rohrseite bezeichnet wird. Zwei unterschiedliche Medien können im Mantel- und im Rohrraum durch gegenläufige (oder gleichläufige) Strömung einen Wärmeaustausch bewirken. Ein Mantel-Rohr-Wärmetauscher besteht in der Regel aus einem Gehäuse (bestehend aus Innen- und Außenmantel), U-förmigen Rohrbögen und einer Stopfbuchse.
Rohrbündelwärmetauscher
Die Vorteile von Rohrbündelwärmetauschern sind:
Einfacher Aufbau, hochdruckbeständig;
Die Wärmeübertragungsfläche lässt sich je nach Bedarf vergrößern oder verkleinern, was die Anwendung vereinfacht.
Die Nachteile von Rohrbündelwärmetauschern sind:
Es gibt viele Rohrverbindungen, wodurch es leicht zu Undichtigkeiten kommen kann;
Die Anlage nimmt viel Platz ein, und der Metallverbrauch pro Einheit der Wärmeübertragungsfläche ist hoch.
VII. Mantel-Rohr-Wärmetauscher
Der Mantelwärmetauscher gehört zu den Plattenwärmetauschern und wird durch Anbringen eines Mantels an der Außenwand des Behälters hergestellt; sein Aufbau ist relativ einfach. Allerdings wird seine Heizfläche durch die Behälterwand begrenzt, und der Wärmeübergangskoeffizient ist nicht besonders hoch. Um den Wärmeübergangskoeffizienten zu erhöhen und gleichzeitig eine gleichmäßige Erwärmung der Flüssigkeit im Reaktionskessel zu gewährleisten, kann im Reaktionskessel ein Rührwerk eingebaut werden. Wenn Kühlwasser oder ein Heizmedium ohne Phasenwechsel durch den Mantel geleitet wird, können zudem spiralförmige Trennwände oder andere Maßnahmen zur Erhöhung der Turbulenz im Mantel vorgesehen werden, um den Wärmeübergangskoeffizienten auf der Mantelseite zu verbessern. Um die unzureichende Wärmeübertragungsfläche auszugleichen, können im Kesselinneren außerdem Rohrschlangen installiert werden. Mantelwärmetauscher werden häufig zum Heizen und Kühlen in Reaktionsprozessen eingesetzt.
Mantel-Rohr-Wärmetauscher
Die Vorteile eines Mantel-Rohr-Wärmetauschers sind:
Einfacher Aufbau;
Einfach zu bearbeiten.
Die Nachteile von Mantel-Rohr-Wärmetauschern sind:
Geringe Wärmeübertragungsfläche, geringe Wärmeübertragungseffizienz.
VIII. Spiralplattenwärmetauscher
Der Spiralplattenwärmetauscher gehört zu den Plattenwärmetauschern. Er wird durch das Aufrollen von zwei parallel zueinander liegenden Metallplatten hergestellt, wodurch im Inneren zwei konzentrische, spiralförmige Kanäle entstehen. In der Mitte des Wärmetauschers befindet sich eine Trennwand, die die spiralförmigen Kanäle voneinander trennt. Zwischen den beiden Platten sind Abstandshalter eingeschweißt, deren Aufgabe es ist, den Abstand zwischen den Kanälen aufrechtzuerhalten.
Spiralplattenwärmetauscher
Die Vorteile eines Spiralplatten-Wärmetauschers sind:
Hoher Wärmeübergangskoeffizient;
Es kommt kaum zu Kalkablagerungen und Verstopfungen;
kann Wärmequellen mit niedrigerer Temperatur nutzen;
Kompakte Bauweise.
Die Nachteile von Spiralplatten-Wärmetauschern sind:
Der Betriebsdruck und die Temperatur sollten nicht zu hoch sein;
Schwer zu warten
IX. Wärmerohr-Wärmetauscher
Ein Wärmerohr besteht aus einem versiegelten Metallrohr, aus dem nicht kondensierbare Gase entfernt wurden. Das Rohr ist mit einer bestimmten Menge einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt. Die Arbeitsflüssigkeit nimmt an der heißen Seite Wärme auf, siedet und verdampft; der entstehende Dampf strömt zur kalten Seite, kondensiert dort und gibt dabei latente Wärme ab. Die Kondensflüssigkeit fließt zurück zur heißen Seite, wo sie erneut verdampft. Dieser Kreislauf wiederholt sich, sodass die Wärme kontinuierlich von der heißen zur kalten Seite übertragen wird.
Wärmerohr-Wärmetauscher
Die Vorteile eines Heatpipe-Wärmetauschers sind:
Einfacher Aufbau, lange Lebensdauer, zuverlässiger Betrieb;
sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und gute Isothermeneigenschaften;
Die Wärmeübertragungsfläche auf der kalten und der heißen Seite lässt sich beliebig verändern, die Wärmeübertragung ist über große Entfernungen möglich und die Temperatur lässt sich regeln.
Die Nachteile sind:
Geringe Oxidationsbeständigkeit und geringe Hitzebeständigkeit.
Hinweise zur Verwendung des Wärmetauschers:
Vor Beginn der Arbeiten muss das Rohrleitungsnetz sauber gehalten werden, und auch nach Abschluss der Arbeiten muss es sauber bleiben. Das Rohrleitungsnetz muss gereinigt werden, um eine Verstopfung des Wärmetauschers zu verhindern. Darüber hinaus ist unbedingt darauf zu achten, dass Schmutzfänger und Filter gereinigt werden, damit der gesamte Wärmeaustausch reibungslos ablaufen kann.
Die Wasserenthärtung unterliegt strengen Kontrollen. Vor Beginn der Aufbereitung des Heizmediums muss die Wasserqualität im System sowie im Enthärtungsbehälter überprüft werden; erst wenn festgestellt wurde, dass die Wasserqualität den Standards entspricht, darf die Einleitung erfolgen.
Bei der Prüfung dieses kürzlich in Betrieb genommenen Systems darf der Wärmetauscher nicht sofort abwechselnd mit dem neuen System eingesetzt werden, sondern das neue System muss zunächst über einen festgelegten Zeitraum laufen. Erst nach Abschluss dieser Betriebsprüfung kann der Wärmetauscher in das System integriert werden. Der Grund dafür ist, zu verhindern, dass Verunreinigungen im Rohrleitungsnetz die inneren Komponenten des Wärmetauschers beschädigen.
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