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Was ist der Wärmetauscherwirkungsgrad?
In vielen Beschreibungen und Artikeln wird über den Wirkungsgrad von Wärmetauschern gesprochen - oft ohne zu erklären, was er überhaupt ist und wie man ihn berechnet. Wir klären auf.
Fachlich geprüft von Dipl.-Ing. Wolfgang Buschmeier und M.Sc. Marius Buschmeier
Definition
Der Wärmetauscherwirkungsgrad gibt an, in welchem Verhältnis sich die Austrittstemperatur eines zu erwärmenden oder abzukühlenden Mediums zur physikalisch möglichen Grenze befindet. Bei einem Wirkungsgrad von 100 % erreicht der Wärmetauscher seine Grenzleistung. Da der Wirkungsgrad stark von der Betriebsweise abhängt, spricht man häufig von der Betriebscharakteristik.
Die Berechnungsregel
Maßgeblich ist immer das Medium mit dem kleineren Wärmekapazitätsstrom: Nur seine Temperatur kann sich der Eintrittstemperatur des anderen Mediums vollständig annähern. Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis der tatsächlich erreichten Temperaturänderung dieses Mediums zur maximal möglichen Temperaturdifferenz - also der Differenz der beiden Eintrittstemperaturen.
Die Formel
Der Wärmekapazitätsstrom jedes Mediums ergibt sich aus Massenstrom ṁ und spezifischer Wärmekapazität cp:
Ẇ = ṁ · cp
Maßgeblich ist das Medium mit dem kleineren Ẇ. Für den Wirkungsgrad η gilt dann - je nachdem, welches Medium den kleineren Wärmekapazitätsstrom hat:
- warmes Medium maßgeblich: η = (t₁₁ − t₁₂) / (t₁₁ − t₂₁)
- kaltes Medium maßgeblich: η = (t₂₂ − t₂₁) / (t₁₁ − t₂₁)
Die Temperaturen bezeichnen t₁₁, t₁₂ Ein- und Austritt des warmen, t₂₁, t₂₂ Ein- und Austritt des kalten Mediums; t₁₁ − t₂₁ ist die maximal mögliche Temperaturdifferenz.
Beispiel 1: wenig heißes Wasser, viel kaltes Wasser
Heißes Wasser mit geringem Massenstrom soll kaltes Wasser mit großem Massenstrom erwärmen. Das “wenige” warme Wasser reicht nicht aus, um das kalte Wasser deutlich zu erwärmen - es kühlt aber selbst stark ab. Für den Wirkungsgrad zählt deshalb allein, wie weit sich die Austrittstemperatur des warmen Wassers der Eintrittstemperatur des kalten annähert. Bei ausreichend großer Heizfläche kann der Wärmetauscher so einen Wirkungsgrad von 100 % erreichen.
Beispiel 2: viel heißes Wasser, wenig kaltes Wasser
Ist der Massenstrom des heißen Wassers deutlich größer, verliert es kaum Temperatur, während sich das kalte Wasser stark erwärmt. Jetzt zählt für die Berechnung allein die Temperaturannäherung des kalten Wassers an die Eintrittstemperatur des heißen - die Austrittstemperatur des abkühlenden Wassers spielt keine Rolle.
Beispiel 3: gleiche Wärmekapazitätsströme
Sind beide Medien gleich (etwa Wasser mit identischem Massenstrom auf beiden Seiten), sind beide Wärmekapazitätsströme gleich groß. Dann führen beide Rechenwege zum selben Ergebnis: Die Temperaturannäherung ist auf beiden Seiten identisch.
Praxis: Auslegung vom Hersteller
Die Betriebscharakteristik entscheidet, welche Bauart und Heizfläche zu Ihrer Aufgabe passt. Senden Sie uns Ihre Betriebsdaten - Medien, Massenströme, Temperaturen - und wir legen den passenden Wärmetauscher nach VDI-Wärmeatlas aus.
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Soll ein Medium gekühlt oder erwärmt werden?
Soll ein Medium gekühlt werden, kann es bei unendlich großer Heizfläche die Temperatur des Kühlmediums erreichen - Umgekehrtes gilt beim Erwärmen.
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Zwischen welchen Medien wird die Wärme ausgetauscht?
Die Medien bestimmen die spezifische Wärmekapazität - die Fähigkeit eines Stoffes, thermische Energie zu speichern. Ist die spezifische Wärmekapazität des kalten Mediums niedriger als die des heißen, lässt es sich bei sonst gleichen Bedingungen schlechter erwärmen.
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Welches Medium hat den größeren Massenstrom?
Aus Massenstrom und spezifischer Wärmekapazität ergibt sich der Wärmekapazitätsstrom jedes Mediums - die zentrale Größe der Berechnung.
Häufige Fragen
Was sagt der Wärmetauscherwirkungsgrad aus?
Er gibt an, in welchem Verhältnis die erreichte Austrittstemperatur eines Mediums zur physikalisch möglichen Grenze steht. Bei 100 Prozent erreicht der Wärmetauscher seine Grenzleistung.
Warum spricht man von der Betriebscharakteristik?
Weil der Wirkungsgrad stark davon abhängt, wie der Wärmetauscher betrieben wird - mit welchen Medien, Massenströmen und Temperaturen.
Kann ein Wärmetauscher 100 Prozent Wirkungsgrad erreichen?
Theoretisch ja: Bei unendlich großer Heizfläche kann sich die Austrittstemperatur des einen Mediums der Eintrittstemperatur des anderen vollständig annähern. Praktisch bleibt der Wirkungsgrad darunter.
Senden Sie uns Ihre Betriebsdaten
Medien, Leistung, Temperaturen — wir legen den passenden Wärmetauscher aus und melden uns mit einem Angebot.