Wärmenutzung mithilfe von Wärmeübertragern

Mithilfe von Wärmeübertragern kann Abwärme genutzt und als Wärme entweder direkt im selben Prozess bzw. derselben Anlage oder in anderen Prozessen bzw. in der Heizung weiter verwendet werden.

Allgemeine Informationen zu Wärmeübertragern

Die Wärmeübertragung  von einem warmen Medium auf ein kälteres kann mittels Wärmeübertragern bewerkstelligt werden, ohne dass sich dabei beide Medien berühren oder vermischen. Dazu überträgt das wärmere Medium seine Energie an eine Wärmeübertragungsfläche, welche sie aufnimmt und an ein kälteres Medium wieder abgibt. Entscheidend für die Wärmeübertragung sind die Eigenschaften des Materials der Wärmeübertragungsfläche, wobei deren Dicke und sowie Wärmeleitfähigkeit des Materials großen Einfluss haben. Auch die Wärmeeigenschaften des übertragenden Mediums wie Wärmeleitung, -kapazität und Dichte und deren Strömungseigenschaften beeinflussen die Wärmeübertragung. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Größe der Übertragungsfläche, welche von der Bauart des Wärmeübertragers abhängt. Je größer die Fläche desto größer auch die Wärmeübertragung. Allerdings nehmen damit auch der Materialeinsatz und die Kosten zu. Entsprechend der Vielzahl der Einflussfaktoren wurden verschiedene Wärmeübertrager konzipiert. Die Vielfalt dieses Prozesses hat unterschiedliche Formen herausgebildet, wie beispielsweise Rotations-, Rohrbündel- oder Plattenwärmeübertrager. Eine spezielle Art sind Abgaswärmeübertrager: sie entziehen heißen Abgasen ihre Wärmeenergie, um z. B. Speisewasser, Brauchwasser oder Verbrennungsluft vorzuwärmen.

Ein wichtiges Einsatzgebiet ist die Lüftungs- und Klimatechnik. Hier ist die Auswahl des Wärmeübertragers von den Volumenströmen und den Qualitätsanforderungen an die Luft abhängig. Ist keine Konditionierung der Abluft notwendig, empfiehlt sich der Einsatz von Rotationswärmeübertragern – andernfalls können z. B. Plattenwärmeübertrager oder ein Kreislaufverbundsystem eingesetzt werden. Die häufigste industrielle Anwendung haben Platten- und Rohrbündelwärmeübertrager, die im Folgenden näher beschrieben werden.

Beispielrechnung Verbrennungsluftvorwärmung mittels Wärmeübertrager

Leistung Brenner500kW
Einsparung durch Verbrennungsluftvorwärmung20%
Investition inklusive Planung und Installation19.320Euro
Voll-Laststunden2.000h
Kosteneinsparung7496Euro/a
Kapitalrendite39%

Praxisbeispiele Wärmenutzung mithilfe von Wärmeübertragern

Hier können Sie sich Praxisbeispiele zur Wärmenutzung mithilfe von Wärmeübertragern in der dena Referenzprojekte-Datenbank ansehen:

  1. Dampfreduzierung durch Wärmerückgewinnung bei der Metsä Tissue GmbH
  2. Energetische Optimierung durch Wärmerückgewinnung im Sudhaus bei der Bergquell Brauerei Löbau GmbH
  3. Energieoptimierung im Sudhaus bei der Brauerei C. & A. Veltins
  4. Abwärmeverstromung und Wärmerückgewinnung bei der Volkswagen AG im Werk Kassel
  5. Energieoptimierung der Hallenheizung mit Nutzung von Abwärme bei der Reiners + Fürst GmbH + Co. KG
  6. Wärmerückgewinnung aus Rauchgasen und Backschwaden bei der Bäckerei Riegler
  7. Dampferzeugung aus Abwärme eines Elektrolichtbogenofens bei der Georgsmarienhütte GmbH
  8. Innovativer Wärmetransfer in der Zementindustrie bei der Südbayerisches Portland-Zementwerk Gebr. Wiesböck & Co. GmbH

Plattenwärmeübertrager

Plattenwärmeübertrager sind aus mehreren Platten aufgebaut. Zwischen den Platten befindet sich je ein Spalt, durch den die Wärmeträgermedien strömen können. Die Profilierung und die hohe Anzahl der Platten vergrößern die Wärmeübertragerfläche und führen so zu sehr günstigen Wirkungsgraden bei einer geringen Baugröße. Plattenwärmeübertrager sind in vielfältigen Bauformen und Materialien verfügbar. Vorteile von Plattenwärmeübertragern sind die im Bezug auf die geringe Größe sehr hohe Wärmestromdichte und die günstigen Produktionskosten. Es können Abwärmetemperaturen bis 150°C verwendet werden und sie sind in thermischen Leistungsklassen von 2 bis 400.000 kW verfügbar.

Rohrbündelwärmeübertrager

Rohrbündelwärmeübertrager sind aus einer Vielzahl dünner Rohre aufgebaut, auf welche sich die Strömung des Wärmeträgermediums aufteilt. Zur Erhöhung des Wärmeübergangs mittels Oberflächenvergrößerung können diese Rohre auch mit Rippen ausgestattet werden. Die meist zu Rohrbündeln zusammengefassten Rohre werden durch einen Behälter geführt, der vom zweiten Wärmeträgermedium durchströmt wird. Die Wärmeübertragung wird durch Umlenkbleche erhöht, welche für eine gleichmäßige Durchströmung und einen längeren Strömungsweg sorgen. Vor allem bei der Wärmeübertragung zwischen flüssigen Trägermedien werden Rohrbündelwärmeübertrager eingesetzt, wobei auch gasförmige Medien genutzt werden können. Ein häufiger Anwendungsbereich ist die Verdampfung in Kälte- und Dampfprozessen. Geeignet sind sie für große Baugrößen mit hohen Durchsatzmengen und Anwendungen mit hohem Druck. Durch die komplexe Bauweise sind die Anschaffungskosten relativ hoch und Wartung und Reinigung schwieriger. Die Anwendung ist bis 300°C möglich und in Leistungsklassen zwischen 2 und 20.000 kW verfügbar.