Wärmetransportphänomene - Lehrstuhl für Thermodynamik - TUM

66KAPITEL 6. MASSEN- UND ENERGIEBILANZEN FÜR DURCHSTRÖMTE SYSTEME
Abbildung 6.3: Fluid- und Wärmeströme (unten) sowie Temperaturverläufe (oben) von Doppelrohrwärmetauschern.
Links: Gegenstrom, rechts: Gleichstrom
6.3 Wärmetauscher
So unterschiedlichen technischen Geräten und Anlagen wie Heizkörpern und -kesseln, Kühlschränken,
Kleingasturbinen und Kondensatoren von Dampfturbinen ist gemeinsam, dass sie
Wärmetauscher (auch Wärmeübertrager ) besitzen, welche Wirkungsgrad, Kosten, Größe
und Gewicht usw. wesentlich beeinflussen. In einem Wärmetauscher – verschiedene Bauformen
sind in Abb. 6.3 bis 6.5 gezeigt – wird Wärme zwischen zwei Arbeitsmedien übertragen,
welche den Wärmetauscher durchströmen und dabei nicht in unmittelbarem Kontakt miteinander
stehen oder sich gar durchmischen, sondern durch (Rohr-)Wände voneinander getrennt
sind. Die Arbeitsmedien mögen Gase oder Flüssigkeiten sein, in wichtigen Anwendungen auch
verdampfende oder kondensierende Fluide.
Die in den obigen Abschnitten vorgestellten Beziehungen der Wärmeleitung und v.a. der
Wärmeübertragung reichen in Kombination mit dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik
aus, um Wärmetauscher zu berechnen. Wegen der großen Anwendungsrelevanz sollen im
Folgenden nichtsdestotrotz Berechnungs- und Auslegungsverfahren sowie die maßgeblichen
dimensionslosen Kennzahlen diskutiert werden.
6.3.1 Dimensionslose Kennzahlen
Die maßgeblichen Größen eines Wärmetauschers beliebiger Bauart sind in Bild 6.6 skizziert.
Die Indices ”h”und ”c” verweisen auf den wärmeren bzw. kälteren Strom, gestrichene Größen
beziehen sich auf den Austritt eines Stroms. A bezeichne die gesamte für die Wärmeübertragung
zur Verfügung stehende Fläche, während k einen (mittleren) k-Wert darstellt, der von
Wärmeübergangskoeffizienten αh und αc und Wärmeleitung in den Rohrwänden bestimmt