Wärmetransportphänomene - Lehrstuhl für Thermodynamik - TUM

6.3. WÄRMETAUSCHER 75
Abbildung 6.9: Temperaturverläufe und Austausch von Verdampfungsenthalphie H beim
Wärmetauscher mit Verdampfen (links) und Kondensieren (rechts). Beachte, dass eine Unterscheidung
zwischen Gegenstrom- und Gleichstromwärmetauscher nicht mehr sinnvoll ist,
wenn die Temperatur eines Fluidstromes konstant ist.
6.3.6 Weitere Bauformen von Wärmetauschern
Die am Beispiel des Gegenstrom-Wärmetauschers entwickelten Methoden zur Berechnung
der Betriebscharakteristik und der mittleren Temperaturdifferenz ∆Tm lassen sich auch auf
einen (Doppelrohr) Gleichstrom-Wärmetauscher anwenden. Die Ergebnisse für die Betriebscharakteristik,
d.h. Wirkungsgrad ɛ und dimensionslose Übertragungsfähigkeit N sind in
Tabelle 6.1 zusammengestellt. Für ∆Tm findet man wieder die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
∆Tlog, siehe Gleichung (6.28), wobei allerdings zu beachten ist, dass nun mit
∆T2 = T ′ h − T ′ c und ∆T1 = Th − Tc die Temperaturdifferenzen am Ein- und Austritt des
Wärmetauschers anders lauten als bei der Gegenstromführung.
Ein Vergleich der Wirkungsgrade der beiden Varianten zeigt, dass zumindest bei ausreichend
hoher Übertragungsfähigkeit und bei Wärmekapazitätsströmen vergleichbarer Größenordnung
der Gegenstrom- dem Gleichstrom-Wärmetauscher überlegen ist:
lim
N→∞ ɛ↑↑ = 1
1+ ˙ Cr
Gleichstrom,
lim
N→∞ ɛ↑↓ = 1 Gegenstrom.
Hier ist mit ɛ↑↑ die Gleichstrom- und mit ɛ↑↓ die Gegenstrombauweise gekennzeichnet. Wie
man sieht, ist der Wirkungsgrad der Gegenstromanordung größer, solange ˙ Cr > 0, andernfalls
gilt wie oben schon gesagt ɛ↑↑ = ɛ↑↓ = 1 − exp(−N).
Eine Bauform, der man in der Praxis häufig begegnet, ist der Kreuzstrom-Wärmetauscher.
Hier kann zwischen einem einseitig quervermischten und einem unvermischten Kreuzstrom
unterschieden werden, siehe Bild 6.11 und 6.10. Der quervermischte Kreuzstrom ist mathematisch
einfacher zu behandeln, da die Temperaturänderungen in den beiden Raumrichtungen
dank der Quermischung gewissermaßen sequentiell berechnet werden können. Details finden
sich z.B. in Baehr und Stephan [1]. Es ist noch zu unterscheiden, ob das Fluid mit dem geringeren
oder dem höheren Wärmekapazitätsstrom ˙ C quervermischt ist, die Ergebnisse finden
sich in Tabelle 6.1. Für den ungemischten Kreuzstrom ist keine geschlossene Lösung zu finden;