Wärmeübertrager sind das Herzstück unzähliger Prozesse – von der Heizung im Eigenheim über die Lebensmittelproduktion bis hin zu komplexen Industrieanlagen. Doch welche Technologie ist die richtige für welchen Zweck?
Jens Jüngel, Experte von Hexonic, gibt im Gespräch Einblicke in die Welt der Wärmeübertrager. Er erklärt die Unterschiede zwischen Rohrbündel- und Plattenwärmeübertragern, erläutert die Vor- und Nachteile von gelöteten und geschraubten Varianten und beleuchtet die besonderen Anforderungen bei der Arbeit mit natürlichen Kältemitteln wie Propan und CO₂.
KältenKlub: Wir reden heute über das Thema Wärmeübertrager. Wenn ich Wärme übertragen will, wo kann ich diese überall hernehmen?
Jens Jüngel: Wärmeübertrager sind tatsächlich überall in unserem Alltag zu finden: im Kühlschrank, im Auto, in der Heizung. Überall dort, wo Temperaturen geregelt werden sollen, kommen sie zum Einsatz. Ich benötige sie, um Wärme von einer Quelle – früher ein Feuer, heute vielleicht Geothermie oder andere Energiequellen – auf ein Medium zu übertragen, mit dem ich arbeiten möchte. Das geschieht im klassischen Sinne zum Heizen und Kühlen, aber auch in vielen Produktionsprozessen, etwa in der Lebensmittel- oder Chemieindustrie. Auch im Maschinenbau entsteht an Werkzeugmaschinen Wärme, die abgeführt werden muss, weil man sie dort, wo sie entsteht, gar nicht haben will.
KältenKlub: Das heißt, eure Produkte sind eine Art Zwischenstation. Es gibt den Wärmeerzeuger, und irgendwo muss die Energie hin, sei es zur weiteren Nutzung oder um sie abzuführen. Eure Produkte übertragen diese Wärme.
Jens Jüngel: Genau. Und Wärmeübertragung funktioniert physikalisch bedingt immer nur vom warmen auf das kalte Medium.
KältenKlub: Das habe sogar ich mir gedacht. Es gibt ja verschiedene Arten von Wärmeübertragern. Was habt ihr da im Angebot? Man hört von geschweißten, gelöteten, geschraubten …
Jens Jüngel: Grundsätzlich unterscheidet man im Wesentlichen zwischen Rohrbündel- und Plattenwärmeübertragern. Ein Rohrbündelwärmeübertrager ist im Prinzip ein Bündel aus Rohren in einem größeren Mantelrohr. Das eine Medium fließt in den Rohren, das andere umströmt sie im Mantel. Die Oberfläche der Rohre ist die Übertragungsfläche. Der zweite gebräuchliche Typ ist der Plattenwärmeübertrager, den es, wie du sagtest, in gelöteter und geschraubter Ausführung gibt. Für jeden Anwendungsfall gibt es das passende Produkt. Die Auswahl hängt von Faktoren wie Temperaturniveau, Druck und dem Medium selbst ab. Bei einem sehr pastösen Medium hätte man mit den engen Spalten eines Plattenwärmeübertragers Schwierigkeiten, da der Druckverlust steigt und die Strömung weniger turbulent ist. Hier würde man eher einen Rohrbündelwärmeübertrager einsetzen. Dieser ist bei gleicher Leistung allerdings deutlich größer und weniger kompakt als ein Plattenwärmeübertrager, hat aber eben seine Vor- und Nachteile.
Rohrbündel- vs. Plattenwärmeübertrager: Die grundlegenden Unterschiede.
KältenKlub: Wenn ich an Bereiche wie eine Bäckerei oder eine Fleischerei denke, also kleinere Betriebe – kann man eure Produkte dort genauso nutzen wie in der Großindustrie? Und wann entscheide ich mich zum Beispiel zwischen einem gelöteten und einem geschraubten Gerät?
Jens Jüngel: Ja, da spielen immer viele Einflussfaktoren eine Rolle. Die kleinsten und kompaktesten Geräte sind in der Regel gelötete Plattenwärmeübertrager. Das sind Edelstahlplatten, die mit einer Lotpaste versehen sind – klassischerweise Kupferlot, aber es gibt auch edelstahl- oder buntmetallfreie Lote für spezielle Anwendungen. Sie sind auch die kostengünstigste Variante und werden zum Beispiel häufig in Wohnungsübergabestationen oder Heizverteilerkreisen verbaut. Die Größe reicht von sehr klein bis hin zu Geräten von 1,50 Meter Höhe, die dann in großen BHKWs zum Einsatz kommen. Bei den geschraubten Wärmeübertragern habe ich zwischen den einzelnen Platten jeweils eine Elastomerdichtung anstelle der Lötung. Diese Dichtungen begrenzen den Einsatz bei gewissen Drücken und Temperaturen. Dafür kann ich mit geschraubten Varianten deutlich größere Platten und somit größere Übertragungsflächen realisieren. Um beim Beispiel BHKW zu bleiben: Dort, wo die Wärme entsteht, sind relativ große gelötete oder geschraubte Wärmetauscher verbaut, die die Energie aus dem Verbrennungsprozess aufnehmen und in einen Wärmeträger wie Heizwasser einspeisen. An den einzelnen Verbraucherstellen, also den angeschlossenen Häusern, sitzt dann in der Regel ein kleiner, gelöteter Plattenwärmeübertrager, der die Wärme in den Heizkreis des Hauses überträgt.
Gelötet, geschraubt oder geschweißt: Vor- und Nachteile der verschiedenen Bauarten.
KältenKlub: Ihr bietet also die gesamte Bandbreite von klein bis groß an. Warum sind die großen Modelle eigentlich geschraubt? Vermutlich, damit man sie zur Wartung und Reinigung auseinanderbauen kann?
Jens Jüngel: Genau. Ein großer Vorteil ist die Modularität. Wenn sich mein Kreis in Zukunft erweitert und ich mehr Leistung übertragen muss, kann ich später einfach weitere Platten hinzufügen, sofern das Gestell es zulässt. Und, wie du sagst, ich kann das Gerät öffnen, reinigen und spülen. Wartung ist immer ein Thema, je nachdem, welche Medien ich verwende. Wenn sich Kanäle durch organische Materialien zusetzen, steigt der Druckverlust und die Wärmeübertragung sinkt. Daran merke ich, dass der Wärmetauscher Aufmerksamkeit benötigt.
KältenKlub: Wer sind eigentlich eure Kunden?
Jens Jüngel: Unsere Kunden sind sehr breit gestreut, denn Wärmetauscher stecken in allen möglichen Prozessen – in der industriellen Herstellung, in der Lebensmittel-, Pharma- und Chemieindustrie, aber auch in den Bereichen Energie und Kühlung.
KältenKlub: Dann werfe ich mal die Schlagworte Propan und A2L-Kältemittel in den Raum. Gibt es da Besonderheiten zu beachten?
Jens Jüngel: Propan ist ein natürliches Kältemittel, das immer populärer wird. Es ist allerdings brennbar, weshalb man sicherheitstechnische Aspekte beachten und genau auf die Arbeitstemperaturen achten muss, um Leckagen zu vermeiden. Ein anderes aktuelles Thema ist CO₂. Es ist ebenfalls sehr populär, hat einen sehr geringen GWP-Wert, ist nicht giftig und gut verfügbar, benötigt aber einen hohen Druck. Dafür gibt es spezielle Wärmetauscher, eine Art Mischung aus geschraubt und gelötet. Bei uns heißt das Produkt L-Ultra: ein kompakter, gelöteter Plattenwärmeübertrager mit einem stabilen Rahmen, der Drücken von bis zu 140 bar standhält, wie sie für transkritische CO₂-Anwendungen erforderlich sind.
KältenKlub: Ich habe bei euch im Büro den Begriff „Plate-and-Shell-Wärmeübertrager“ gesehen. Was ist das?
Jens Jüngel: Das ist im Grunde eine Mischung aus einem Rohrbündel- und einem Plattenwärmeübertrager, die das Beste aus beiden Welten vereint. Wir hatten ja besprochen, dass der Rohrbündelwärmeübertrager bei gleicher Leistung mehr Volumen benötigt, aber robuster ist. Der Plate-and-Shell-Wärmeübertrager hat ein kompaktes Plattenpaket wie ein Plattenwärmeübertrager, das Ganze befindet sich aber in einem Mantel wie bei einem Rohrbündelgerät.
KältenKlub: Und wofür wird er eingesetzt?
Jens Jüngel: Wenn ich zum Beispiel kritische, gefährliche Kältemittel wie A3L habe, die besondere Sicherheitsvorkehrungen bei Druck und Temperatur erfordern, könnte ich so einen Plate-and-Shell-Wärmeübertrager, den wir JäcK® Shield nennen, einsetzen. Das Plattenpaket ist laserverschweißt und befindet sich in diesem Mantel. Dadurch habe ich eine sehr kompakte Wärmeübertragungseinheit mit geringen Kältemittelmengen. Gleichzeitig ist das System hermetisch abgeriegelt. Man kann es schraubbar oder vollverschweißt ausführen. Letzteres ergibt einen komplett hermetischen, kompakten Wärmeübertrager, der hohe Sicherheiten, Drücke und Temperaturen gewährleistet.
KältenKlub: Ich bedanke mich bei dir für das Gespräch.
Bild: KältenKlub
Der „Plate-and-Shell“-Wärmeübertrager vereint das Beste aus beiden Welten.
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