Wärmeübertrager werden heute noch vielfach Wärmetauscher genannt, obwohl ja die Wärme nicht gegen irgendetwas anderes getauscht wird.

Ein Wärmeübertrager, Wärmetauscher, seltener auch Wärmeaustauscher, ist ein Bauteil mit dessen Hilfe Wärmeenergie von einem Medium auf ein anderes übertragen werden kann. Die Funktion eines Wärmetauschers beruht auf dem Übergang von Wärme zwischen Medien unterschiedlicher Temperaturen: im Wärmetauscher kühlt sich ein wärmeres Medium unter Abgabe von Wärme ab, während sich die Temperatur eines kälteren Mediums durch Aufnahme der Wärmeenergie erhöht. Da Wärme stets vom wärmeren auf das kältere Medium übergeht und somit Wärme übertragen aber nicht ausgetauscht wird, wird ein Wärmetauscher korrekterweise auch als Wärmeübertrager bezeichnet.

Je nach Einsatzzweck kann ein Wärmetauscher sowohl zur gezielten Abkühlung als auch zum Aufwärmen eingesetzt werden. In der Regel werden Wärmetauscher bei flüssigen oder gasförmigen Medien eingesetzt. Es gibt aber auch Varianten wie beispielsweise Erdkollektoren, die auch von Feststoffen Wärme aufnehmen können, oder Verdampfer, in denen ein Phasenwechsel stattfindet.

Hinsichtlich der Art der Wärmeübertragung kann zwischen einer indirekten, einer direkten sowie einer halbindirekten oder auch halbdirekten Wärmeübertragung unterschieden werden. Häufig wird im Zusammenhang mit Wärmetauschern insbesondere die indirekte Übertragung betrachtet. In diesem Fall strömen zwei Medien durch separate Räume, die über eine gemeinsame Kontaktfläche, die Wärmeübertragungsfläche, miteinander verbunden sind. Die übertragene Wärmemenge hängt dabei ab von der Größe der Wärmeübertragungsfläche, der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Medienströmen sowie einem Wärmedurchgangskoeffizienten des Wärmetauschers, der die Güte des Wärmeübergangs widerspiegelt. Bei direkten Verfahren kommen die Medienströme unmittelbar in Kontakt miteinander. Dies ist beispielsweise bei Nasskühltürmen der Fall. Neben diesen beiden Varianten dienen bei halbdirekten bzw. halbindirekten Verfahren Wärmetauscher auch als kurzzeitige Energiespeicher, die nacheinander von den beiden Medien durchströmt werden. Nur beim indirekten Verfahren ist eine strikte Trennung der Medien möglich. Bei direkten Verfahren kommen die Medienströme direkt miteinander in Kontakt; bei den halbdirekten bzw. halbindirekten Verfahren können die einzelnen Medienströme zumindest durch Rückstände im Wärmetauscher verunreinigt werden.

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie spielen Wärmeübertrager an vielen Stellen eine bedeutende Rolle:

Überirdische Anlagen

Wärmeübertrager dienen der Trennung von Kreisläufen mit unterschiedlichen Arbeitsmitteln. In einem Kraftwerk trennen sie den Thermalwasserkreislauf vom ORC- oder Kalinakreislauf. In einer Wärmepumpe trennen sie das Arbeistmittel der Erdsonden von dem Nutzerkreislauf.

Technisch unterscheiden wir meist zwischen Plattenwärmeübertragern und Rohrwärmeübertragern, es gibt aber auch viel andere Bauformen.

Plattenwärmetauscher

Je nach eingesetztem Medium (Thermalwasser, Heizwasser, Arbeitsmittel) kommen Plattenwärmetauscher als gedichtete, teilgeschweißte oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. Neigt das Medium zu Ausfällungen und Verschmutzungen werden gedichtete Wärmetauscher eingesetzt, bei sauberen Medien mit großen Anforderungen an die Dichtheit und für hohe Prozessdrücke kommen teil- oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. In ORC-Geothermiekraftwerken werden für die Fernwärmeauskoppelung gedichtete Apparate verwendet, die leicht demontiert und gereinigt werden können. Bei Kalinaanlagen werden hohe Anforderungen an die Dichtheit gestellt. Somit werden hier als Vorwärmer, Verdampfer und Kondensatoren teil- oder vollverschweißte Apparate eingesetzt.
Als Werkstoff kommen z.B. – je nach Thermalwasserzusammensetzung – für die Wärmetauscher-platten Titan, vollaustenitische Stähle (z.B. 1.4539), Duplex Stähle (z.B. 1.4462) und für die Dichtungen bei nicht verschweißten Ausführungen Viton, Teflon, NBR oder EPDM zum Einsatz. 

Neigt das Medium zu Ausfällungen und Verschmutzungen werden gedichtete Wärmetauscher eingesetzt, bei sauberen Medien mit großen Anforderungen an die Dichtheit und für hohe Prozessdrücke kommen teil- oder vollverschweißte Apparate zum Einsatz. In ORC-Geothermiekraftwerken werden für die Fernwärmeauskoppelung gedichtete Apparate verwendet, die leicht demontiert und gereinigt werden können. Bei Kalinaanlagen werden hohe Anforderungen an die Dichtheit gestellt. Somit werden hier als Vorwärmer, Verdampfer und Kondensatoren teil- oder vollverschweißte Apparate eingesetzt.

Als Werkstoff kommen z.B. – je nach Thermalwasserzusammensetzung – für die Wärmetauscher-platten Titan, vollaustenitische Stähle (z.B. 1.4539), Duplex Stähle (z.B. 1.4462) und für die Dichtungen bei nicht verschweißten Ausführungen Viton, Teflon, NBR oder EPDM zum Einsatz. 

Rohrbündelwärmetauscher

Rohrbündelwärmetauscher (tube and shell) werden häufig in der Prozessindustrie verwendet, wenn hohe Prozessdrücke und große Dichtigkeit zwischen den beiden Medien gefordert werden. Ausführungsformen von Rohrbündelwärmeübertragern sind gerade Rohre, U-Rohre und ziehbare Rohrbündel, die im Ganzen aus dem Mantel gezogen werden können.

Bei ORC-Geothermiekraftwerken kommen Rohrbündelwärmetauscher bei der Wärmeübertragung von Thermalwasser auf das ORC-Arbeitsmittel mit geraden Rohren und fest verschweißten Rohrbündeln zum Einsatz. Dabei ist das saubere Arbeitsmittel auf der Mantelseite, das Thermalwasser auf der Rohrseite. Bei Verschmutzungen auf der Thermalwasserseite können die Rohre mit mechanischen Bürsten oder durch den Einsatz von Säuren von Ablagerungen befreit werden, ohne dass der Arbeitsmittelkreislauf geöffnet werden muss. In Kalinaanlagen werden keine Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt, da sich dies als nicht zielführend herausgestellt hat. Als Werkstoff kommen je nach Thermalwasserzusammensetzung für thermalwasserführende Rohrbündel vollaustenitische und/oder Duplex Stähle zum Einsatz. 

Es gibt viele weitere Formen von Wärmeübertragern

• Rohrbündelwärmetauscher bestehen aus Rohrbündeln, die durch einen Behälter geleitet werden. Innerhalb der Rohre strömt ein erstes Medium, durch den Behälter ein zweites. Als Wärmeübertragungsfläche dient die Oberfläche der Rohre.
• Plattenwärmetauscher setzen sich aus mehreren verlöteten, verschraubten oder verschweißten Platten zusammen, die voneinander getrennte Zwischenräume bilden. Die Zwischenräume dienen zur Führung der Medien, die Platten als Übertragungsfläche.
• Doppelrohrwärmetauscher bestehen aus zwei längs ineinander gesteckten Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser. Im inneren Rohr strömt ein Medium, im Raum zwischen Innenrohr und Außenrohr ein zweites; die Wärme wird durch die Fläche des Innenrohrs übertragen.
• Lamellenwärmetauscher werden insbesondere für den Wärmeaustausch zwischen flüssigen und gasförmigen Medien eingesetzt und bestehen aus Rohren, die mit Lamellen bestückt sind. Das flüssige Medium fließt innerhalb der Rohre während das gasförmige Medium diese umströmt.
• Rippenrohrwärmetauscher werden ebenfalls häufig bei flüssigen und gasförmigen Medien genutzt und bestehen aus mit Rippen versehenen Rohren, die analog zum Lamellenwärmetauscher vom flüssigen Medium durchströmt und vom gasförmigen umspült werden.
• Wärmerohrwärmetauscher, auch Heatpipes genannt, bestehen aus abgeschlossenen evakuierten Rohren, die zum Teil mit einer Flüssigkeit befüllt sind und die jeweils zum Teil in zwei Medien hineinragen. Im unterem Teil, der sich im wärmeren Medium befindet, verdampft die eingeschlossene Flüssigkeit unter Wärmeaufnahme. Sie steigt im Rohr auf und kondensiert unter Wärmeabgabe im kälteren Medium, das den oberen Teil des Rohres umspült.
• Spiralwärmetauscher bestehen aus spiralförmig um einen Kern gewickelten Blechen. Zwischen den Wicklungen der Bleche bilden sich zwei Strömungskanäle, durch die die Medien geleitet werden.
• Rotationswärmetauscher bestehen aus einem rotierenden Rad, dem Regenerator, der je zur Hälfte von zwei voneinander getrennten, gasförmigen Medien durchströmt wird. Im Bereich des wärmeren Mediumstroms nimmt der Regenerator Wärmeenergie auf und speichert sie. Da sich der Regenerator kontinuierlich dreht, gelangt sein erwärmter Teil im Verlauf der Drehung in den kälteren Mediumstrom und gibt die gespeicherte Energie wieder ab. Es handelt sich also um eine halbdirekte Wärmeübertragung.
• Regenerative Wärmetauscher sind ebenfalls ein halbdirektes Verfahren zur Wärmeübertragung, sie basieren im Gegensatz zum Rotationswärmetauscher allerdings auf einer ortsfesten Wärmespeichermasse und arbeiten im Gegensatz zu den bisher genannten Wärmetauschern diskontinuierlich. Die Speichermasse wird zunächst von einem warmen Medium durchströmt und erwärmt sich dabei. Danach durchströmt ein kälterer Mediumstrom die Speichermasse und nimmt dabei die dort gespeicherte Wärme auf. Regenerative Wärmetauscher zählen zu den größten Wärmetauschern. Sie werden beispielsweise im Rahmen der Stahlherstellung als Winderhitzer für den Hochofen eingesetzt.
• Verbrennungsluftvorwärmer sind weniger eine Bauform als vielmehr eine spezielle Anwendungsklasse von Wärmetauschern, die zur Vorerwärmung von Verbrennungsluft durch Abwärme in Verbrennungsabgasen eingesetzt werden. Die zwei Hauptformen der Verbrennungsluftvorwärmer sind Rekuperatorbrenner und Regeneratorbrenner. Beim Rekuperatorbrenner werden die Abgase an den Zuluftleitungen des Brenners vorbeigeführt, um die heißen Abgase direkt zur Erwärmung der zugeführten Verbrennungsluft zu nutzen. Regeneratorbrenner verfügen über zwei regenerative Wärmespeicher, die im Wechsel mit heißen Verbrennungsabgasen oder kälterer Zuluft beaufschlagt werden.

Wärmetauscherfachchinesisch

• Grädigkeit =”Übertragungsverlust” von Primär- auf Sekundärseite in Kelvin im Spitzenlastbetrieb, Beispiel: VL Primär:+70°C, VL Sekundär: +65°C = 5K Grädigkeit,Je kleiner die Grädigkeit, umso größer wird der Tauscher. Unter 5 K Grädigkeit macht “jedes weitere Kelvin weniger” den Tauscher erheblich größer oder erfordert spezielle Tauscher.
• Spreizung =Temperaturdifferenz auf einer der beiden Seiten in Kelvin im Spitzenlastbetrieb, Beispiel: VL Primär:+70°C, RL Sekundär: +50°C = 20K Spreizung primärseitig, Je kleiner die Spreizung, umso größer werden die Anschlüsse am Tauscher (mehr Wasserdurchsatz bei gleicher Leistung). Je größer die Spreizung, umso “thermisch länger” muss der Tauscher sein.
• Druckverlust =Druckdifferenz auf einer der beiden Seiten im Spitzenlastbetrieb Je kleiner der Druckverlust, umso größer wird der Tauscher.

• Unterirdische Wärmeübertrager

Um Wärmeenergie aus dem Untergrund fördern zu können muss diese entweder zusammen mit dem Wasser, das diese Energie enthält gefördert werden (hydrothermales System) oder sie muss vom Gestein auf ein Arbeitsmittel (meist Wasser) übertragen werden. Die Realisierung dieses Wärmeübergangs vom Gestein zum Arbeitsmittel Wasser nennt man unterirdischen Wärmeübertrager. Er kann entweder von Natur aus vorhanden sein oder künstlich hergestellt werden. Eine Zwischenform ist die künstliche Verbesserung eines vorhandenen Wärmeübertragers (Stimulation).

Die Schaffung, Beherrschung und Nutzung untertägiger Wärmeübertrager ist ein entscheidendes und notwendiges Know How der Tiefengeothermie.

Literatur

Müller-Steinhagen, H.: Modellierung der Ablagerungsbildung in Wärmeübertragern. Lehrst. f. techn. Thermodynamik, Univ. Erlangen, 2000 

Gec-co global engineering & consulting: Vorbereitung und Begleitung bei der Erstellung eines Erfahrungsberichts gemäß § 97 Erneuerbare-Energien-Gesetz, Teilvorhaben II b): Geothermie, Zwischenbericht, 2018

Weblinks

https://www.enargus.de/pub/bscw.cgi/d14243-2/*/*/W%c3%a4rmetauscher.html?op=Wiki.getwiki

zuletzt bearbeitet September 2022, Änderungs- oder Ergänzungswünsche bitte an info@geothermie.de