Wärmetauscher:

Die Wärme des Motorkühlwassers und der heißen Abgase müssen abgeführt werden und in einem Pufferspeicher zwischengespeichert werden. Aus diesem Pufferspeicher wird die Heizungsanlage versorgt und Warmwasser erzeugt, wenn der Motor des BHKWs nicht läuft.

Ein Wärmetauscher soll somit die Energie eines auf höherem Temperaturniveau liegenden Mediums auf eines mit niederem übertragen und dies mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad. Hinzu kommt, dass die Wärmeübertragung in einem kurzen Zeitraum erfolgen muß, so dass das Volumen des Pufferspeichers in den Betriebszeiten des BHKWs voll geladen werden kann.

Ein zu groß dimensionierter Tauscher ist prinzipiell immer besser, verursacht jedoch unnötige Kosten. Ein zu klein dimensionierter Wärmetauscher, lässt den Motor den thermischen Heldentod sterben.

Ein richtig dimensionierter Wärmetauscher erhöht die Lebensdauer des Motors beträchtlich, da die Motortemperatur auf einem konstanten Niveu gehalten wird.

Zunächst einige physikalische Größen ( im ein oder anderen Fall werden die Größen zum besseren Verständnis nicht immer physikalisch korrekt benutzt, ich bitte dies nachzusehen):

Wärmeleistung Pth [kW]:
Die Wärmeleistung, die durch den Wärmetauscher übertragen wird, sie ist der Wärmeleistung des Motors gleichzusetzen, da Verluste in den gut isolierten Zuleitungen vernachlässigt werden können.

Volumenstrom Vq [l/ h, m³/ h oder kg/ h]
Zu beachten ist ebenso wieviel Wärme das Medium herbeischafft. Je höher die herantransportierte Wärmemenge ist, desto mehr Wärme kann übertragen werden. Der Volumenstrom sollte immer in kg/ h umgerechnet werden, da die spez. Wärmekapazität immer auf ein kg bezogen ist: Q = Volumen x Dichte des Mediums.

Spezifische Wärmekapazität c in [kJ/kg K]

Dieser Wert erlaubt eine Aussage über die Wärmespeicherfähigkeit eines Mediums.C = 1 kJ/ kg K besagt, dass dieses Medium 1 kJ Energie pro kg aufnehmen oder abgeben kann wenn die Temperatur um 1 K steigt bzw. sinkt.

Wasser:  c = 4,19 kJ/ kg K

Luft :         c = 1,01 kJ/ kg K

Glykol/ Wasser- Gemisch (40%/ 60%): 3,7 kJ/ kg K

Temperaturdifferenz ΔT in [K]
Dies ist die Differenz der Temperatur zwischen Vor- und Rücklauf; zb: Die Mediumtemperatur im Vorlauf zum Wärmetauscher beträgt 85°C und der Rücklauf 70°C. Die Temperaturdifferenz beträgt somit 15 K (Kelvin).

Die Wärmeleistung berechnet sich nach folgender Gleichung:

Pth = (Vq x ΔT x c) / 3600s/h   [kW]

Dies läßt sich an einem Beispiel verdeutlichen:

Medium: Glykol/ Wasser Gemisch mit 40% Glykol c = 3,7 kJ/ kg K;

Vq = 1000kg/ h;

Vorlauf: 85°C

Rücklauf: 65°C

Pth = (1000kg/h x (85°C – 65°C) x 3,7 kJ/ kg K) / 3600s/h

Pth = 20,56 kW

 

1. Es ist ersichtlich, dass die Wärmeleistung proportional zum Volumenstrom ist.

2. Die Wärmeleistung läßt sich auch durch eine größere Temperaturdifferenz steigern.

Die Temperaturdifferenz ist zwar entscheidend, sie läßt sich jedoch nicht so einfach maximieren, da die Betriebstemperatur eines Verbrennungsmotors konstant bleiben sollte. Bei einem zu kalten Rücklauf kann es zu Materialspannungen kommen, die einen erhöhten Verschleiß an bewegten mechanischen Teilen und evtl. sogar  Risse zur Folge haben. Die Temperaturdifferenz sollte nicht über 20 K liegen.

Eine zu kleine Temperaturdifferenz ist unwirtschaftlich und eine zu große verschleißt den Motor.

Die maximale thermische Leistung des Motors gibt die abzuführende Wärmemenge vor, die Temperaturdifferenz wird zu 20 K (90°C – 70°C) gewählt, somit muß der  erforderliche Volumenstrom des Kühlmittels ermittelt werden, der durch den Motor und den/ die Wärmetauscher fließt.

Vq = 3600s/h x Pth/ (20K x 3,7 kJ/ kg K

Wie schon an anderer Stelle im BHKW Projekt dargestellt, wird ein Generator von

11 kW Leistung verwendet, somit sollte der Motor im gleichen Leistungsbereich liegen. Für dieses Beispiel wird ein Motor mit 12 kW mech. Leistung gewählt, hieraus folgt eine max. thermische Leistung von 24 kW bei maximal Last (kein normaler Betriebszustand).

Vq = 3600s/h x 24 kW/ (20K x 3,7 kJ/ kg K)

Vq = 1168 kg/ h

Diese Förderleistung wird von einer normalen Heizungspumpe geliefert sofern die Förderhöhe unter 2m bleibt und der Leitungsquerschnitt groß gewählt wird. Bei den Leitungen ist auf eine glatte Innenwand und einen großen Innendurchmesser zu achten, da es sonst zu einem Druckabfall und Verzögerung des Stoffflusses kommt.

Soviel zur Praktischen Anwendung, nun folgen noch einige physikalische Grundlagen zur Wärmeübertragung:

Bei Wärmetauschern laufen mehrere physikalische Vorgänge parallel ab:

Die Wärmeleitung, ein Transport von Energie im atomaren bzw. molekularen Bereich; Wärme- und Temperaturleitzahlen sind temperaturabhängige Stoffkonstanten.

Der Wärmedurchgang durch eine Wand:

Es entsteht ein Gradient vom hohen zum niederen Niveau.

Ist eine Wandung aus mehreren Stoffen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit aufgebaut ergibt sich folgender Temperaturverlauf:

  1. Die Konvektion, ein Transport durch Bewegung größerer  Materieaggregate.

Beim Wärmeübergang von einer festen Wand auf ein fluides Medium und umgekehrt bildet sich eine an der Wand laminar fließende Grenzschicht durch die die Wärme nur durch Leitung transportiert werden kann. Hier entstehen Wärmeübergangswiderstände.

  1. Wärmedurchgang:

Als Wärmedurchgang wird der Wärmetransport aus dem Inneren einer fluiden Phase über Phasengrenzen und Wände hinweg in das Innere einer zweiten fluiden Phase bezeichnet.

Der gesamte Durchgangswiderstand setzt sich aus der Summe der einzelnen Wärmewiderstände zusammen.

Bei Wärmetauschern wird grundsätzlich zwischen direktem und indirektem Wärmetausch unterschieden.

Beim direkten Wärmetausch werden Medien unterschiedlicher Temperatur miteinander gemischt und es erfolgt so ein Temperaturausgleich.

Beim indirekten Wärmetausch werden die Medien unterschiedlicher Temperatur durch eine Wand getrennt, so dass keine Durchmischung der Medien erfolgt.

Der häufigste Wärmetausch ist der indirekte, hierbei wird noch einmal in folgende grundsätzliche Verfahren unterschieden:

Parallel- oder Gleichstrom

Wärmeabgebender und Wärmeaufnehmender Strom strömen entlang der Austauschfläche in gleicher Richtung.

Gegenstrom

Die im Wärmetausch stehenden Medien strömen beiderseits der Trennwand in entgegengesetzter Richtung.

Kreuz- und Querstrom

Hier stehen die Wärmetauschenden Medien rechtwinklig zu einander; bei Rohrbündeltauschern wird häufig ein Kreuzgegenstrom angewand, das Kühlmittel wird durch Umlenkbleche sinusförmig durch das Rohrbündel geleitet. Dieses Prinzip findet oft bei Luft/ Luft Wärmetauscher bei der Wärmerückgewinnung aus Abluft Anwendung.

Das Profil eines Gleichstromwärmetauschers:

 

Die Temperaturdifferenz ist am Einlaß am größten und nimmt dann ab. Somit können sehr schnell große Wärmemengen aufgenommen werden; es erfolgt zu Beginn eine starke Abkühlung. Das Aufnehmende Medium verläßt den Wärmetauscher aber immer mit einer Temperatur, die unter dem abgebenden Medium liegt.

Profil eines Gegenstromwärmetauschers:

Die Temperaturdifferenz ist über die gesamte Länge des Wärmetauschers fast konstant.

Bei entsprechender Länge des Wärmetauschers und einer Mittelwertbildung der Temperaturdifferenzen ergibt sich beim Gegenstromwärmetauscher ein höherer Wert, so dass mit dem Gegenstromprinzip mehr Wärmeenergie übertragen werden kann. Weiterhin hat der den Wärmetauscher verlassende aufnehmende Strom eine höhere Temperatur als der den Tauscher verlassende abgebende Strom. Der Gegenstromwärmetauscher ist somit das für unsere Anwendungen überlegenere Prinzip.

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