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Kühner Glossar

Wissen, was wichtig ist

Hier finden Sie alle wichtigen Fachbegriffe rund um Kühner Wärmetauscher und Wärmerückgewinnungs-Systeme.

AD 2000 – Merkblatt HP 0 und DIN EN ISO 3834-2

Nachweis zur schweißtechnischen Voraussetzung zur Fertigung von Druckgeräten gemäß Druckgeräterichtlinie 97/23/EG. Diese ist durch eine zugelassene Prüfstelle regelmäßig zu prüfen und wird durch ein Zertifikat bescheinigt.

Bezugstemperatur

Temperatur, auf die sich der angegebene Volumenstrom bezieht. Fluide ändern mit der Temperatur die Dichte, dies beeinflusst den resultierenden Massenstrom. Dieser ist für Berechnung der Wärmeübertragung aber maßgeblich. Die Einheit beträgt üblicherweise [°C].

Dampf

Ist ein klassisches Wärmeträgermedium – Details siehe Wärmeträgermedium.

Druckverlust

Der Druckverlust, auch Druckabfall ist die durch Wandreibung und innere Fluidreibung in Rohrleitungen, Formstücken, Armaturen usw. entstehende Druckdifferenz. In der Technik wird für lokal in eine Rohrleitung eingebaute Elemente (Ventile, Blenden, Strömungsvereinigung, -teilung usw.) eine Widerstandszahl ζ angesetzt, die Tabellenwerken entnommen werden kann. Die Widerstandszahl selbst kann vom Volumenstrom, Geometrie, Reynoldszahl usw. abhängig sein. Der Druckverlust durch Wandreibung wird durch die Rohrreibungszahl λ ermittelt. Die Rohrreibungszahl ist abhängig von der Reynoldszahl im Falle einer laminaren Strömung. Wenn die Strömung turbulent ist, geht insbesondere die Rauigkeit der Oberfläche mit ein.

Die empirische Gleichung für Druckverluste in durchströmten Rohrleitungen inkl. Formteilen (z. B. Bögen, Reduzierungen und Armaturen) unter der Voraussetzung einer konstanten Dichte lautet nach Darcy-Weisbach:

Δpₐₑ = ρ/2 (λ∙l/d + Σζi)

Es handelt sich hier um einen Druckverlust-Ansatz der erweiterten Bernoullischen Energiegleichung. Diese zunächst reibungsfreie (ideale) Bernoulli-Energiegleichung (in Differenzdruckform) wird um den Druckverlustterm  erweitert:

pₐ + ρ/2 uₐ² + ρghₐ = pₑ + ρ/2 uₑ² + ρghₑ + Δpₐₑ

also

Δpₐₑ = pₐ - pₑ + ρ/2 (uₐ² - uₑ²) + (hₐ - hₑ)

Dabei ist:

> ρ – Dichte (SI-Einheit: kg/m3)
> u – mittlere Strömungsgeschwindigkeit (SI-Einheit: m/s)
> λ – Rohrreibungszahl
> l – Länge der Rohrleitung (SI-Einheit: m)
> d – Innendurchmesser der Rohrleitung (SI-Einheit m)
> ζ – Druckverlustbeiwert
> h – geodätische Höhe von einem gewählten Bezugspunkt (SI-Einheit: m)
> g – Schwerebeschleunigung (SI-Einheit: m/s2)

Druckverluste entsprechen stets Energieverlusten. Nach der erweiterten Energiegleichung werden die Druckverluste aus der potentiellen Druckenergie im Fluid und an der Rohrwandung in Reibungswärme- und Schallenergie umgewandelt (dissipiert). Der Schallenergieanteil ist allerdings sehr klein und somit technisch vernachlässigbar. Bei der Erweiterten Energiegleichung wird davon ausgegangen, dass die Energie über die Systemgrenze Rohrwand übertragen wird und somit dem Fluid nicht zur Verfügung steht.

Tatsächlich dissipiert die Druckenenergie als Reibungswärme im Fluid und führt zu einer Erhöhung der Fluidtemperatur. Die Anhebung der Fluidtemperatur ist aufgrund der geringen Dissipationsenergie je Zeiteinheit bei inkompressiblen Fluiden (z.B. Wasser) kaum messbar, so dass die Modellannahme der konstanten Dichte technisch gesehen stets gewährleistet ist.

Quellennachweise:
> http://de.wikipedia.org/wiki/Druckverlust  (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

EG-Baumusterprüfung

Die EG-Baumusterprüfung wird im Rahmen geltender EG-Richtlinien durch eine Benannte Stelle (3rd party oder notified body) durchgeführt

Schritte der Durchführung

1. Hersteller erstellt die technische Dokumentation und Prototypen

2. Die EG-Baumusterprüfung wird bei einer Benannten Stelle beantragt.

3. Die Übereinstimmung mit den Schutzzielen der Richtlinie (Essential Safety and Health Regulations (ESHR)) wird durch die Benannte Stelle geprüft und deren Erfüllung durch die EG-Baumusterprüfbescheinigung bestätigt.

4. Der Hersteller stellt basierend auf die EG-Baumusterprüfbescheinung eine EG-Konformitätserklärung aus. Diese ist Bestandteil des Lieferumfangs des Produkts. Das Produkt wird mit dem CE-Kennzeichen und der Nummer der Benannten Stelle gekennzeichnet.

Nachweis Übereinstimmung mit den Schutzzielen der Richtlinie. Üblicherweise werden harmonisierte Normen zur Überprüfung angewendet. Hier gilt die Vermutungswirkung, so dass mit dem Erfüllen der normativen Prüfungen die Richtlinie als erfüllt gilt.

In-Verkehr-Bringen der Produkte
> Die Produkte dürfen nur unverändert wie das bei der EG-Baumusterprüfung vorliegende Prüfmuster in Verkehr gebracht werden.
> Neben dem Produkt wird eine Betriebsanleitung (hier ist der bestimmungsgemäße Gebrauch beschrieben) und die EG-Konformitätserklärung an den Betreiber geliefert.

Quellennachweise:
http://de.wikipedia.org/wiki/EG-Baumusterpr%C3%BCfung (Stand: 01.04.2014 – 12:00Uhr)

Europäische Druckgeräterichtlinie

Die Richtlinie 97/23/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 29. Mai 1997 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten über Druckgeräte (im Deutschen als „Druckgeräterichtlinie“ (DGRL), im Englischen als „Pressure Equipment Directive“ (PED) bezeichnet) legt die Anforderungen an die Druckgeräte für das Inverkehrbringen von Druckgeräten innerhalb des Europäischen Wirtschaftsraumes (EWR) fest.

Sie ist eine von vielen europäischen Harmonisierungsrichtlinien nach Artikel 95 des EG-Vertrages für den freien Warenverkehr. Die Druckgeräterichtlinie ist, wie alle europäischen Richtlinien, an die Mitgliedsstaaten gerichtet und sie muss daher von den einzelnen Mitgliedstaaten in nationales Recht umgesetzt werden. In Deutschland erfolgt dies heute durch das Produktsicherheitsgesetz (ProdSG) — welches das bis Ende 2011 geltende Geräte- und Produktsicherheitsgesetz ablöste — und die darauf basierende Druckgeräteverordnung (14. ProdSV). Bereits seit dem 29. Mai 2002 ist die DGRL in der gesamten Europäischen Union verbindlich. Die Eingruppierung der Druckgeräte nach der Richtlinie erfolgt neben Druck und Volumen (bei Rohrleitungen die Nennweite DN) unter anderem auch aufgrund der Fluidgruppe und des Aggregatzustandes.

Für die Erfüllung der Anforderungen entsprechend der Druckgeräterichtlinie können unterschiedliche Normen, Regelwerke und Spezifikationen verwendet werden. So kann beispielsweise das AD-2000 Regelwerk angewendet werden oder die harmonisierte Norm DIN EN 13 445 für unbefeuerte Druckbehälter. 

Quellennachweise:
> http://de.wikipedia.org/wiki/Druckger%C3%A4terichtlinie (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)
> http://www.vdtuev.de/publikationen/ad2000 (Stand 01.43.2014 – 12:00 Uhr)

Kältemittel

Ist ein typisches Wärmeträgermedium – Details siehe Wärmeträgermedium.

Korrosion

Korrosion (von lat. corrodere, „zersetzen, zerfressen, zernagen“) ist aus technischer Sicht die Reaktion eines Werkstoffs mit seiner Umgebung, die eine messbare Veränderung des Werkstoffs bewirkt und zu einer Beeinträchtigung der Funktion eines Bauteils oder Systems führen kann. Chemische Korrosion tritt an Metallen auf (DIN EN ISO 8044; ehemals DIN 50900). Die wohl bekannteste Art von Korrosion ist das Rosten, also die Oxidation von Eisen. 

Die Unterscheidungsarten von Korrosion können unter anderem auch in der DIN EN ISO 8044 „Korrosion von Metallen und Legierungen – Grundbegriffe und Definitionen“ entnommen werden.

Quellennachweise:
> http://de.wikipedia.org/wiki/Korrosion (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Massenstrom

Der Massenstrom gibt die Masse eines Mediums, die sich innerhalb einer Zeitspanne durch einen Querschnitt bewegt, bezogen auf die Zeitspanne an.

Der Massenstrom wird mitunter auch als Durchsatz bezeichnet und in Kilogramm je Sekunde angeben, auch je Minute oder Stunde bei langsamem Fluss. 

Der Massenstrom ṁ = dm/dt ist in der Strömungslehre berechenbar durch

ṁ = ρ∙c∙A = ρ∙Ṽ = γ/g∙Ṽ

> – Massenstrom in kg/s
> ρ – Dichte des Mediums in kg/m³
> c – mittlere Strömungsgeschwindigkeit in m/s
> A – Querschnittsfläche in m²
>  – Volumenstrom in m³/s
> γ – spezifisches Gewicht in N/m³ = kg/(m²s²)
> g – Fallbeschleunigung in m/s²

Quellennachweise:
> http://de.wikipedia.org/wiki/Massenstrom (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Nusselt-Zahl

Die Nusselt-Zahl (Formelzeichen: Nu, nach Wilhelm Nußelt) ist eine dimensionslose Kennzahl aus der Ähnlichkeitstheorie der Wärmeübertragung, die die Verbesserung der Wärmeübertragung von einer Oberfläche misst, wenn man die tatsächlichen Verhältnisse mit denen vergleicht, wenn nur Wärmeleitung durch eine ruhende Schicht auftreten würde. Damit setzt sie die Intensität eines konvektiven Wärmeübergangs an einer Festkörperoberfläche ins Verhältnis zu einem bei ruhendem Fluid gedachten, wenn reine Wärmeleitung wirkt.

Quellennachweise:
VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, Hrsg. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC), 9. Auflage 2002, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Hongkong London Mailand Paris Tokio, ISBN 3-540-41201-8

Wagner, W.: Wärmeaustauscher, 3. Auflage 2005, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN-10: 3-8343-3026-4

Wagner, W.: Wärmeübertragung, 6. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2004, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN: 3-8023-1974-5

> http://de.wikipedia.org/wiki/Nusselt-Zahl (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Prandtl-Zahl

Die Prandtl-Zahl (Pr) ist eine nach Ludwig Prandtl benannte dimensionslose Kennzahl von Fluiden, das heißt von Gasen oder Flüssigkeiten. Sie ist definiert als Verhältnis zwischen kinematischer Viskosität und Temperaturleitfähigkeit: 

Pr = ν/α = η∙cp/λ

> η – dynamische Viskosität des Fluids in kg·mˉ¹·sˉ¹
> ν – kinematische Viskosität in m²·sˉ¹
> λ – Wärmeleitfähigkeit in W·mˉ¹·Kˉ¹
> α – Temperaturleitfähigkeit in m²·sˉ¹
> cp – spezifische Wärmekapazität in J·kgˉ¹·Kˉ¹ bei konstantem Druck.

Die Prandtl-Zahl kann als Maß für das Dickenverhältnis von Strömungs- und Temperaturgrenzschicht angesehen werden.

Quellennachweise:
VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, Hrsg. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC), 9. Auflage 2002, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Hongkong London Mailand Paris Tokio, ISBN 3-540-41201-8

Wagner, W.: Wärmeaustauscher, 3. Auflage 2005, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN-10: 3-8343-3026-4

Wagner, W.: Wärmeübertragung, 6. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2004, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN: 3-8023-1974-5

> http://de.wikipedia.org/wiki/Prandtl-Zahl (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Reynolds-Zahl

Dimensionslose Kennzahl, mit deren Hilfe die Frage nach der Turbulenz einer Strömung beantwortet werden kann. Ein Literaturwert für die kritische Reynolds-Zahl ist 2300. Das bedeutet, dass die Strömung von laminarer Strömung in einen Übergangsbereich übergeht, da es keinen abrupten Übergang von laminarer auf turbulente Strömung gibt. Bei einer Re-Zahl > 10000 spricht man in der Regel von einer (hoch)turbulenten Strömung. Die Reynolds-Zahl gibt das Verhältnis der Trägheitskraft zur Reibungskraft.

Bei Rohrströmungen werden als charakteristische Größen üblicherweise der Innendurchmesser L = d, der Betrag der über den Querschnitt gemittelten Geschwindigkeit V = Vmitel und die Viskosität des Fluids ν verwendet.

Re = Vmitel ∙ d/ ν

Es gilt dann: Re (krit) ͌ 2040 ± 10

In der Literatur wird häufig ein Wert von R = 2300 zitiert. Er geht zurück auf Messungen von Julius Rotta (um 1950).

Quellennachweise:
VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, Hrsg. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC), 9. Auflage 2002, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Hongkong London Mailand Paris Tokio, ISBN 3-540-41201-8

Wagner, W.: Wärmeaustauscher, 3. Auflage 2005, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN-10: 3-8343-3026-4

Wagner, W.: Wärmeübertragung, 6. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2004, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN: 3-8023-1974-5

> http://de.wikipedia.org/wiki/Reynolds-Zahl (Stand 07.03.2011 – 12:00 Uhr)

Rohrtypen

Für den Bau von Wärmetauschern können in Abhängigkeit zum jeweiligen Einsatz unterschiedliche Rohrarten zum Einsatz kommen. In der Regel handelt es sich um:

Glattrohre

Lamellenrohre

Spiral- oder Bimetallrippenrohr

Die Methoden der Verbindung von Rohr und Lamelle bzw. Rippe sind vielfältig, ebenso wie die Materialkombinationen.

Sole

Ist ein klassisches Wärmeträgermedium – Details siehe Wärmeträgermedium.

Thermische Grenzschicht

Die thermische Grenzschicht ist der Bereich eines Fluids, der durch einen Wärmestrom aus einer oder in eine Wand beeinflusst wird, wenn die Wand eine andere Temperatur hat als das Fluid. Statt einer Wand kann auch ein anderes Fluid eine thermische Grenzschicht erzeugen.

Es ist nicht erforderlich, dass das Fluid strömt; in der Regel wird sich infolge freier Konvektion im Grenzschichtbereich eine Strömung bilden. Hat das Fluid eine Anströmgeschwindigkeit, bezeichnet man den Wärmestrom als "erzwungene Konvektion".

Die thermische Grenzschicht wird einerseits durch die Wand begrenzt, andererseits durch eine gedachte Fläche, an der sich die Temperatur in Richtung zum Inneren des Fluids nicht mehr ändert.

Die Dicke der thermischen Grenzschicht nimmt in Richtung der Strömung zu, da je nach Wandtemperatur dem Fluid Wärme zugeführt oder entzogen wird. Strömt das Fluid in einem Rohr oder einem Kanal, so können die thermischen Grenzschichten von beiden Seiten nach einer bestimmten Strecke in der Mitte zusammenwachsen. Von da ab nimmt die flächenbezogene Wärmeübertragungsleistung ab, da die Temperaturdifferenz zwischen Wand und Kernströmung ebenfalls abnimmt. Die Wärmeübertragungsleistung kann also nicht beliebig gesteigert werden, indem man den Strömungsweg verlängert.

Wird eine ausgebildete Rohrströmung betrachtet, so hat das Fluid eine bestimmte Fluidtemperatur und das begrenzende Rohr eine bestimmte Wandtemperatur. Der Bereich, in dem der Übergang von der einen auf die andere Temperatur stattfindet, ist der Bereich der thermodynamischen Grenzsicht.

Quellennachweise:
Wagner, W.: Wärmeaustauscher, 3. Auflage 2005, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN-10: 3-8343-3026-4

Wagner, W.: Wärmeübertragung, 6. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2004, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN: 3-8023-1974-5

> http://de.wikipedia.org/wiki/Thermische_Grenzschicht (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Thermoöl

Ist ein klassisches Wärmeträgermedium – Details siehe Wärmeträgermedium.

Verdampfung / Kondensation

Das Verdampfen ist der Phasenübergang einer Flüssigkeit oder eines Flüssigkeitsgemisches in den gasförmigen Aggregatzustand. Dazu wird in der Regel Energie in Form von Wärme benötigt..

Durch den Phasenübergang (flüssig – gasförmig) nimmt das Volumen des Fluids stark zu, was auf einer Entfernungsänderung der Moleküle beruht. Die zugeführte Energie in Form von Wärme wird dabei zur Überwindung der vorliegenden Kohäsionskräfte benötigt.

Als physikalische Kondensation bezeichnet man den Übergang eines Stoffes vom gasförmigen in den flüssigen Aggregatzustand. Als Produkt entsteht das Kondensat. Dieser Prozess erfolgt unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen, die man als Kondensationspunkt bezeichnet. Das Gegenteil der Kondensation ist das Verdampfen. Die bei der Verdampfung aufgebrachte Verdampfungswärme wird bei der Kondensation wieder an die Umgebung abgegeben.

Quellennachweise:
Frohn, A.: Einführung in die Technische Thermodynamik, 3. Auflage 1998, Verlag Konrad Wittwer GmbH, Stuttgart, ISBN 3-87919-263-4

Wagner, W.: Wärmeübertragung, 6. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2004, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN: 3-8023-1974-5

> http://de.wikipedia.org/wiki/Verdampfen (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)
> http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensation (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Volumenstrom

Unter einem Volumenstrom versteht man das Volumen eines Mediums, das sich innerhalb einer Zeitspanne durch einen Querschnitt bewegt bezogen auf die Zeitspanne.

Q = Ṽ = dV/dt 

> Q – Volumenstrom in m³/s, l/min oder m³/h
> V – Volumen in cm³, dm³ oder m³
> t – Zeit in s, min oder h

Des Weiteren gilt für Fluide (z. B. Gase und Flüssigkeiten) die Beziehung:

Ṽ  = c ∙ A

> – Volumenstrom in m³/s
> c – mittlere Strömungsgeschwindigkeit in m/s
> A – Querschnittsfläche an der Stelle in m²

Mit dieser Formel lässt sich bei bekannter Querschnittsfläche (Rohre, Kanäle) der Volumenstrom errechnen, wenn die Fließgeschwindigkeit an einem Ort gemessen wird.

Da die Strömungsgeschwindigkeit in einem Querschnitt nicht konstant ist (siehe Darstellung), wird die mittlere Strömungsgeschwindigkeit c durch Integration bestimmt:

c = 1/A ∙ ∫c∙ dA

> c – Geschwindigkeit an einer Stelle des Querschnitts (Eine Funktion des Ortes f(x,y), mit Strömungsrichtung z)

Quellennachweise:
Ebertshäuser H. / Helduser S.: Fluidtechnik von A bis Z, 2. Überarbeitete Auflage 1995, Vereinigte Fachverlage, Mainz, ISBN 3-8023-0420-9

> http://de.wikipedia.org/wiki/Volumenstrom (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität C eines Körpers gibt an, wie viel thermische Energie Q er bezogen auf die Temperaturänderung ΔT aufnimmt oder abgibt:

C = Q / ΔT

Die Wärmekapazität ist eine extensive Größe. Die Einheit ist C = J Kˉ¹ (Joule pro Kelvin).

Die umgesetzte Energie Q hängt im allgemeinen von der Prozessführung bei der Temperaturänderung ΔT ab. Man definiert daher insbesondere die Wärmekapazität bei konstantem Druck Cp und die Wärmekapazität bei konstantem Volumen Cv. 

Beide spezifischen Wärmekapazitäten unterscheiden sich wenig voneinander, in der Regel gilt Cp >= Cv. Vor allem bei festen und flüssigen Stoffen kann Cp ~ Cv angenommen werden.

Quellennachweise:
VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, Hrsg. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC), 9. Auflage 2002, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Hongkong London Mailand Paris Tokio, ISBN 3-540-41201-8

Frohn, A.: Einführung in die Technische Thermodynamik, 3. Auflage 1998, Verlag Konrad Wittwer GmbH, Stuttgart, ISBN 3-87919-263-4

Wagner, W.: Wärmeaustauscher, 3. Auflage 2005, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN-10: 3-8343-3026-4

Wagner, W.: Wärmeübertragung, 6. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2004, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN: 3-8023-1974-5

> http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

WärmeRückGewinnung

Wärmerückgewinnung (WRG) ist ein Sammelbegriff für Verfahren zur Wiedernutzbarmachung der thermischen Energie eines den Prozess verlassenden Massenstromes. Im einfachsten Fall, bei relativ kontinuierlicher Wärmeabgabe und -aufnahme, reicht ein Wärmeübertrager, sonst ist zusätzlich noch ein Wärmespeicher notwendig, beispielsweise ein Regenerator als Kurzzeit-Wärmespeicher.

Ziel der Wärmerückgewinnung ist die Minimierung des Primärenergiebedarfs. Neben energiewirtschaftlichen Bedürfnissen werden ökologische Forderungen erfüllt.

Das Verfahren der Wärmerückgewinnung lässt sich bei Gasen, Flüssigkeiten oder festen Stoffen für Wärme- oder Kälteprozesse einsetzen. Wärmerückgewinnungssysteme lassen sich nach ihrem Wärmeübertrager einteilen in:

Quellennachweise:
> http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmer%C3%BCckgewinnung (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Wärmeträgermedien

Ein Wärmeträger (auch: Wärmetransportmittel) ist ein Medium, das in einem Heiz- oder Kühlkreislauf Wärme von einem Ort höherer Temperatur zu einem Ort niedrigerer Temperatur transportiert. Wärmeträger werden je nach Anwendungszweck und Temperaturbereich auch als

> Heizmedium, seltener als Heizmittel (siehe andere Bedeutungen unter Heizmittel), oder als
> Kühlmittel (auch: Kühlmedium)
> Kälteträger, bei Verwendung unterhalb von 0 °C

bezeichnet.

 

Wärmeträger werden in Rohrleitungen transportiert. Um die Energieverluste zu minimieren, werden kurze und gedämmte Rohrleitungsführungen angestrebt.

An ein Wärmeträgermedium werden folgende Ansprüche gestellt:

> gute Wärmeübertragungseigenschaften, wie bspw. hohe spezifische Wärmekapazität, großer Wärmeübergangskoeffizient, gute Wärmeleitfähigkeit, …
> später Siedebeginn
> tiefe Erstarrungstemperatur
> über den gesamten Temperaturbereich gleichmäßige und niedrige Viskosität
> thermische Stabilität
> möglichst geringes Korrosionspotential
> träges Verhalten / unempfindlich gegenüber anderen Stoffen (z.B. Luft, …)
> möglichst geringes Gefährdungspotenzial (Gesundheit, Umwelt, Entflammbarkeit, …)
> einfach zu entsorgen – nicht giftig
> nicht brennbar oder explosiv
> so drucklos als möglich im Betrieb

 

Ein perfekter Wärmeträger, der in allen Belangen sehr gute Eigenschaften aufweist, wurde bisher noch nicht gefunden oder entwickelt. Daher muss entsprechend dem jeweiligen Einsatzbereich der beste Kompromiss ausgewählt werden.

Zur Auswahl stehen:

> Wasser
> Thermoöle
> Gase (z.B. Luft)
> Kältemittel
> Salzschmelzen
> Flüssige Metalle

 

Wasser und Wasserdampf:

Wasser ist aufgrund seiner sehr hohen spezifischen Wärmekapazität von zirka 4,2 kJ/kg K bzw. seiner hohen spezifischen Verdampfungsenthalpie von rund 2000 kJ/kg und seiner Schmelzenthalpie von 333 kJ/kg ein sehr guter Wärme- bzw. Kälteträger. Es wird insbesondere zur Wasserkühlung eingesetzt: Wasser stellt als Kühlwasser das häufigste Kühlmittel dar. Wasser wirkt in Verbindung mit Ionen oder Sauerstoff korrosiv. Es sollte allerdings auch kein vollentsalztes Wasser verwendet werden, da es zum einen keine Schutzschicht ablagern kann, zum anderen Änderungen des pH-Wertes nicht abpuffert und daher in besonderem Maße korrosiv wirkt und auch Dichtungsmaterial angreift.

Wasser wird nicht nur im flüssigen, sondern auch im gas- bzw. dampfförmigen Zustand als Wärmeträger und im teilweise festen bzw. eisförmigen Zustand als Kälteträger verwendet.

Die Verwendung als Dampf bietet den Vorteil, den Transport in Fernwärmeleitungen in Form überhitzten Hochdruckdampfes mit relativ geringen Energieverlusten vornehmen zu können. Am Zielort wird der überhitzte Dampf (Heißdampf) dann in Dampfumformstationen (Druckreduktion mit Wassereinspritzung) in Sattdampf umgewandelt. Der Sattdampf kann dann im nachfolgenden Wärmeübertrager sehr effektiv seine Wärme durch Kondensation wieder abgeben (analog: Hochspannungsleitung, Trafo-Station). Bei kürzeren Abständen vom Wärmeerzeuger zum Verbraucher können (auch hier analog zum Stromtransport) niedrigere Transportdrücke verwendet werden.

Die Verwendung als Eis bietet den Vorteil, relativ hohe Leistungen mit geringen Volumenströmen übertragen zu können (vgl. spezifische Wärmekapazität und Schmelzenthalpie). Um fließfähig (Eisbrei) zu bleiben, muss das Wasser dazu allerdings mit Gefrierschutzmitteln versetzt werden.

Wasser wird sowohl in offenen als auch in geschlossenen Kreisläufen eingesetzt.

Wasser wird daher meist bis maximal ca. 150°C eingesetzt.

Wasserdampf wird in der Regel in Temperaturbereichen bis 200°C eingesetzt.

 

Alkohol-Wasser-Lösungen:

Kälteträger aus Wasser und Alkohol sind nicht oder kaum korrosiv. Sie sind allerdings unbedingt sauerstofffrei zu halten, da aus Alkoholen in Verbindung mit Sauerstoff stark korrosiv wirkende organische Säuren entstehen (zum Beispiel aus Ethanol Ethansäure, „Essigsäure“).

Als Gefrierschutzmittel verwendet werden vor allem Glycole wie Ethylenglycol, Propylenglycol und höhere Alkylenglycole. Glycole schmecken süßlich (glycos = süß) und sind nur schwach giftig, was im Glykolwein-Skandal missbraucht wurde.

Ethylenglycol weist die besten physikalischen Eigenschaften auf, ist allerdings nicht für die Lebensmitteltechnik zugelassen. Propylenglycol wird verwendet, wenn der Kälteträger in Kontakt mit Trinkwasser oder Lebensmitteln geraten kann. Höhere Alkylenglycole werden eingesetzt, wenn Beständigkeit auch bei höheren Temperaturen erforderlich ist. Da die Glycole eine deutlich geringere spezifische Wärmekapazität sowie eine höhere Viskosität als Wasser aufweisen, verschlechtern sich mit zunehmendem Glycolanteil die Kälteträgereigenschaften der Mischung.

 

Salz-Wasser-Lösungen:

Salz-Wasser-Lösungen lassen sich in chloridhaltige und chloridfreie Salz-Wasser-Lösungen unterteilen. Chloridhaltige Salz-Wasser-Lösungen sind etwa wässrige Lösungen von Natriumchlorid, Magnesiumchlorid und Kalziumchlorid. Chloridfrei ist zum Beispiel die wässrige Lösung von Kaliumcarbonat.

Im Gegensatz zu chloridhaltigen Lösungen sind Kälteträger aus Lösungen chloridfreier Salze mit Edelstahl gut verträglich.

Salzlösungen (Solen) können auch in der Lebensmitteltechnik eingesetzt werden. Ihre Viskosität ist niedrig.

 

Thermoöle:

Thermalöle (auch: Thermoöle) werden zur Ölkühlung und zur Beheizung von industriellen Anlagen und Prozessen [1] in geschlossenen Kreisläufen verwendet. Sie können je nach ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Sie lassen sich unterteilen in niedrigviskose, leicht entflammbare Öle mit tiefen Erstarrungs- und Siedepunkten und höherviskose, schwer entflammbare Öle mit höheren Erstarrungs- und Siedepunkten. Nach ihrer Herkunft können sie unterschieden werden in

> Mineralöle (zum Beispiel Dieselöle)
> Synthetiköle (zum Beispiel Silikonöle)
> Biologische Öle (zum Beispiel Limonen)

Mineralöle, besser Wärmeträgeröle, sind Kohlenwasserstoffe und werden aus Erdöl gewonnen. Sie sind relativ preisgünstig, jedoch üblicherweise brennbar und chemisch aggressiv gegenüber vielen Dichtungsmaterialien. Die Aussage zu Brennbarkeit ist dabei zu relativieren. Wärmeträgeröle auf Mineralölbasis sind im Anlieferungszustand bei Raumtemperatur nur schwer zu entzünden, erst nach thermischer Belastung bilden sich leichtsiedende Zersetzungsprodukte, die den Flammpunkt des Öles senken. Durch geeignete Pflegemaßnahmen können die Leichtsieder ausgeschleust werden, so dass der hohe Flammpunkt erhalten bleibt. Mineralische Wärmeträgeröle greifen keine IT- vergleichbaren Dichtungen an. Es gibt aber synthetische Öle, die besondere Dichtungssysteme fordern.

Silikonöle sind polymere Methylsiloxane oder polymere Phenylsiloxane. Silikonöle sind nicht korrosiv und nicht giftig; die höherviskosen Silikonöle sind auch für die Lebensmitteltechnik zugelassen. Allerdings sind die spezifischen Wärmekapazitäten relativ klein.

Öle aus den Schalen von Zitrusfrüchten (Handelsname z. B. D-Limone) sind lebensmitteltechnisch unbedenklich und werden u. a. zur Kühlung von Gussformen in der Schokoladenproduktion eingesetzt.

 

Kältemittel:

Kältemittel transportieren Enthalpie (das heißt Wärmeenergie) von dem Kühlgut zur Umgebung. Der Unterschied zum Kühlmittel ist, dass ein Kältemittel in einem Kältezyklus dies entgegen einem Temperaturgradienten tun kann, so dass die Umgebungstemperatur sogar höher sein darf als die Temperatur des zu kühlenden Gegenstandes, während ein Kühlmittel lediglich in der Lage ist, in einem Kühlzyklus die Enthalpie entlang des Temperaturgradienten zu einer Stelle niedrigerer Temperatur zu transportieren.

Nach DIN EN 378-1 Abs. 3.7.1 ist das Kältemittel definiert als „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“ bzw. nach DIN 8960 Abs. 3.1 als „Arbeitsmedium, das in einem Kältemaschinenprozess bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt.“ Die Definitionen nach DIN beziehen sich auf Kompressions-Kältemaschinen. Als Zustandsänderung im Sinne der Norm ist eine Änderung des Aggregatzustandes gemeint (siehe Kältemaschine).

Kältemittel werden in geschlossenen oder offenen Kälteanlagen als Arbeitsmedium eingesetzt. Während bei Kältemitteln im engeren Sinne Wärme durch Verdampfung bei niedrigem Druck und niedriger Temperatur aufgenommen wird, geschieht dies in einer Kältemischung chemisch durch eine Mischungs- oder Lösungsreaktion. Die Regeneration erfolgt daher bei Kältemitteln durch Verflüssigung (in einem konventionellen Verdichter mit nachfolgendem Verflüssiger), bzw. bei Kältemischungen durch Entmischung (in einem „thermischen Verdichter“ einer Absorptionskältemaschine).

Ammoniak, Kohlenstoffdioxid und Wasser, aber auch Kohlenwasserstoffe und Luft werden, im Gegensatz zu halogenierten Kohlenwasserstoffen, auch als natürliche Kältemittel bezeichnet, da diese Substanzen in der Natur vorkommen. Natürliche Kältemittel tragen nicht zum Abbau der Ozonschicht bei und haben entweder keinen oder nur einen sehr geringen direkten Einfluss auf den Treibhauseffekt

 

Weitere, aber selten eingesetzte Wärmeträger sind:

Salzschmelzen:

Salzschmelzen können in einem Temperaturbereich bis ca. 550°C eingesetzt werden. Im Betrieb können Zersetzungen der Schmelze sowie Oxidation an sauerstoffberührten Oberflächen auftreten. Letzteres kann z.B. durch Inertgasabdeckung des Sammelbehälters vermieden werden.

Generell ist bei Salzschmelzen erhöhte Vorsicht gegenüber der jeweiligen Werkstoffauswahl geboten.

Flüssige Metalle:

Werden gerne in Temperaturbereichen bis 800°C eingesetzt. Im Einzelfall können auch 800°C überschritten werden. Hohe Siedepunkte und hohe Wärmeleitfähigkeiten ergeben tendenziell gute Eigenschaften der Wärmeübertragung.

Kritisch müssen bei flüssigen Metallen die Umweltverträglichkeit und die notwendigen Sicherheitsvorkehrungen betrachtet werden. Explosionsgefahr ist bei Einsatz von Natrium gegeben. Insgesamt müssen für Wärmeträger in Form von flüssigen Metallen hohe Aufwände betrieben werden.

 

Quellennachweise:
VDI-Wärmeatlas: Berechnungsblätter für den Wärmeübergang, Hrsg. Verein Deutscher Ingenieure, VDI-Gesellschaft Verfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (GVC), 9. Auflage 2002, Springer Verlag Berlin Heidelberg New York Barcelona Hongkong London Mailand Paris Tokio, ISBN 3-540-41201-8

Wagner, W.: Wärmeträgertechnik, 7. Überarbeitete und erweiterte Auflage 2005, Vogel Buchverlag, Würzburg, ISBN-10: 3-8343-3033-7

> http://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmetr%C3%A4ger (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)
> http://de.wikipedia.org/wiki/K%C3%A4ltemittel (Stand 01.04.2014 – 12:00 Uhr)

Wasser

Ist ein klassisches Wärmeträgermedium – Details siehe Wärmeträgermedium.

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