Das Funktionsprinzip des Wärmetauschers
Wärmetauscher, auch Wärmeübertrager genannt, werden überall dort eingesetzt, wo Wärme von einem Medium mit höherer Temperatur auf eines mit niedrigerer Temperatur übertragen werden soll. Das bekannteste Beispiel sind Heizkörper, die die im Heizungswasser gespeicherte Wärme an die kühlere Raumluft abgeben. Auch dieses Heizungswasser selbst nimmt zuvor Wärme an einem Wärmetauscher auf. Besonders eindrucksvolle Wärmetauscher sind die Kühltürme von Kraftwerken, mithilfe derer überschüssige Wärme aus der Stromerzeugung an die Umwelt abgegeben wird.
Um seine Aufgabe effizient zu erfüllen, wird ein Wärmetauscher aus einem Material gefertigt, das über gute Wärmeleiteigenschaften verfügt. Üblicherweise handelt es sich dabei um ein Metall wie Stahl, Kupfer oder Aluminium, es können aber auch Keramikwerkstoffe oder Glas zum Einsatz kommen. Um den Wärmetauscher noch leistungsfähiger zu machen, vergrößern Ingenieure und Werkstoffspezialisten seine Oberfläche durch Rippen oder Lamellen.
Zum Zweck der eigentlichen Wärmeübertragung müssen die beiden Medien direkt oder indirekt miteinander in Kontakt kommen. Eine direkte Wärmeübertragung ist selten, sie findet vor allem in den erwähnten Kühltürmen statt, in denen warmes Wasser im direkten Kontakt mit der kühleren Umgebungsluft einen Teil seiner Wärme abgibt. Bei der indirekten Wärmeübertragung findet der Wärmetransport über das wärmeleitende Material des Wärmetauschers statt, so dass sich die beiden Medien nicht berühren und dabei vermischen können. Die Medien (Flüssigkeiten oder Gase) fließen dafür z. B. zwischen den wärmeleitenden Platten eines Plattenwärmetauschers oder durch die Rohre eines Rohrwärmetauschers. Das wärmere Medium gibt einen Teil seiner Wärme an das Material des Wärmetauschers ab, der diese seinerseits auf das kühlere Medium überträgt.
Der Wärmetauscher als Teil einer Wärmepumpe
Vielen Menschen ist der Wärmetauscher vor allem als Teil einer Wärmepumpe ein Begriff. Hier entzieht er einer Wärmequelle in der Umgebung Wärme, um sie dem Menschen zur Verfügung zu stellen. Bei der Wärmequelle kann es sich z. B. um ein Grundwasser- oder Erdwärmevorkommen handeln. Der Wärmetauscher ist in diesen Fällen ein Rohr, in dem ein Wärmeträgermedium fließt, das die Wärme aufnimmt. Weil sich das Wärmeträgermedium dabei in einem geschlossenen Kreislauf befindet und nicht direkt mit der Wärmequelle in Kontakt kommt, sind Verunreinigungen und damit Umweltschäden ausgeschlossen.
Die aufgenommene Wärme transportiert das Wärmeträgermedium zur Wärmepumpe. Dort gibt es die Wärme über einen zweiten Wärmetauscher an ein Arbeitsmedium ab. Dadurch verdampft das Arbeitsmedium, das nun ein Verdichter unter Einsatz von Strom komprimieren kann. Dieser Vorgang steigert die Temperatur des Arbeitsmediums weiter. An einem dritten Wärmetauscher gibt es diese Wärme, die sich aus der Wärmeenergie der genutzten Wärmequelle und der umgewandelten elektrischen Energie des Stroms zusammensetzt, an einen Heizkreislauf oder an ein Wärmenetz ab. Auf diese Weise lässt sich umweltfreundliche und (wenn zum Betrieb der Wärmepumpe Ökostrom genutzt wird) CO2-neutrale Wärme bereitstellen, mit der Gebäude beheizt oder Wasser erwärmt werden kann.
Eine besonders effiziente Wärmequelle liegt dabei gleich unter unseren Füßen: das Abwasser. Eine ganzjährig hohe Temperatur von ca. 10 bis 20 °C macht es zur idealen Wärmequelle für Wärmepumpen. Zudem ist Abwasser leicht erschließbar und liegt genau dort vor, wo auch die Wärme benötigt wird, nämlich in der Nähe des Menschen. Abwasserwärmepumpen, die dem Abwasser mithilfe spezieller Abwasserwärmetauscher einen Teil seiner Wärme entziehen, arbeiten somit besonders effizient, können über ein Wärmenetz zahlreiche Abnehmer mit Wärme versorgen und sind dabei ebenso umwelt- und klimafreundlich wie andere Wärmepumpen.
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