Der folgende Artikel zeigt, wie man den U-Wert für die Wärmeübertragung von Dampf und Heißwasser durch verschiedene Medien, einschließlich der Filmkoeffizienten und des eigentlichen Wandmaterials selbst, berechnet und vergleicht.

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wird von der Dicke und der Wärmeleitfähigkeit des Mediums beeinflusst, durch welches die Wärme übertragen wird. Je größer der Koeffizient ist, desto leichter wird die Energie von der Wärmequelle auf das zu erwärmende Produkt übertragen. In einem Wärmetauscher kann die Beziehung zwischen dem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten (U) und der Wärmeübertragungsrate (Q) durch die folgende Gleichung dargestellt werden:

Aus dieser Gleichung ist ersichtlich, dass der U-Wert direkt proportional zu Q, der Wärmeübertragungsrate, ist. Unter der Annahme, dass die Wärmeübertragungsfläche und die Temperaturdifferenz unverändert bleiben, ist die Wärmeübertragungsrate umso größer, je größer der U-Wert ist. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass bei einem bestimmten Wärmetauscher und einer konstanten Produktmasse ein höherer U-Wert zu kürzeren Chargenzeiten und einer höheren Produktionsmasse und damit einem höheren Ertrag führen kann.

Zur Bestimmung des U-Wertes können mehrere Gleichungen verwendet werden, von denen eine lautet:

h = konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, W/(m² K)     
L = Wandstärke, m          
λ = Wärmeleitfähigkeit, W/(m K)

Bei der Warmwasserbereitung erfolgt die Wärmeübertragung beispielsweise grundsätzlich von Fluid 1 (Wärmequelle, Primärmedium) durch einen leitfähigen Feststoff (Metallwand) zu Fluid 2 (Wasser, Sekundärmedium). Allerdings muss auch der Übergangswiderstand berücksichtigt werden. Deshalb wird der konvektive Wärmeübergangskoeffizient (h), der manchmal auch als Filmkoeffizient bezeichnet wird, bei der Berechnung des Wärmeübergangs zwischen einer Flüssigkeit und einer leitenden Materialwand berücksichtigt.

Bei bestimmten speziellen Anwendungen, wie der Beheizung von pharmazeutischen oder biotechnologischen Prozessen, kann die Wärmeübertragung auch durch mehrere Schichten verschiedener Wandmaterialien erfolgen. In solchen Fällen kann die obige Gleichung angepasst werden, indem jede Schicht mit ihrer Wandstärke (L) durch ihre Wärmeleitfähigkeit (λ) geteilt wird.

Zur Erleichterung der nachstehenden Beispielrechnungen können die folgenden Werte als Referenz für die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten verwendet werden:

Beispiel für den Vergleich der Auswirkungen verschiedener Wärmequellen (Dampf oder Heißwasser) auf U

Zum Erhitzen von Wasser werden zwei ummantelte Kessel aus C-Stahl, λ = 50 W/(m² K), mit einer Innenwandstärke von 15 mm verwendet. Bei einem wird heißes Wasser als Wärmequelle verwendet, bei dem anderen Dampf. Unter der Annahme von Wärmeübergangskoeffizienten von 1000 W/(m² K) für das zu erwärmende Wasser, 3000 W/(m² K) für Heißwasser und 10000 W/(m² K) für Dampf berechnen wir die U-Werte für beide Heizprozesse.

Kessel mit Kohlenstoffstahlmantel – Vergleich von Heißwasser und Dampf als Wärmequelle

Heißwasser:

Dampf:

In diesem Fall sorgt Dampf für eine rechnerische U-Wert-Verbesserung von 17 %.

Stellen Sie sich nun vor, dass dieselbe Kesselübertragungswand ebenfalls mit 1 mm dickem Glas ausgekleidet ist und der Wärmeleitfähigkeit λ nur 0,9 W/(m² K) beträgt. Das Einbeziehen dieser Werte in die obige U-Wert-Gleichung liefert folgende Ergebnisse:

Glasbeschichteter Kessel mit Doppelmantel – Vergleich von Heißwasser- und Dampfwärmequelle

Hot water:

Steam:

In diesem Fall des zusätzlichen Leitfähigkeitswiderstands wird der U-Wert zwar immer noch verbessert, aber nur um 9 %. Dies zeigt, wie sehr ein schlechter Wärmeleiter wie Glas die Wärmeübertragung erheblich beeinträchtigen kann.

Bei bestimmten Wärmetauschern, wie z. B. einem Kessel aus C-Stahl, kann ein Wechsel der Wärmequelle von Heißwasser zu Dampf den U-Wert und die Wärmeübertragung erheblich verbessern, wenn das Wandmaterial eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Allerdings ist derselbe dramatische Effekt nicht zu erwarten, wenn ein Wärmetauscher mit mehreren Wandschichten verwendet wird, darunter auch Schichten aus nicht gut leitendem Material (z.B. ein emaillierter Kessel).

Einige Verfahren erfordern jedoch ein bestimmtes Wandmaterial, z.B. eine Glasauskleidung, um eine Reaktion mit dem Produkt zu verhindern. Dennoch kann die Wärmeübertragungsrate unter diesen Umständen noch verbessert werden, indem zur Optimierung der Produktion die Wärmequelle von Heißwasser auf Dampf umgestellt wird.

Verschmutzung

Die Verschmutzung der Oberfläche des Wandmaterials kann ein zusätzliches Hindernis für die Wärmeübertragung darstellen. Dieses Problem kann aus mehreren Gründen sowohl auf der Seite des Heizmediums als auch auf der Produktseite auftreten. Ursachen können Partikelablagerungen auf der Heizseite sowie zu hohe oder zu niedrige Temperaturen auf der Produktseite sein.

Beispielsweise wird der Dampfdruck manchmal erhöht, um den erforderlichen Druck zu erzeugen, damit das Kondensat durch das Auslasssteuerventil eines Ausgleichbehälters gedrückt wird. Mit steigendem Druck im Wärmetauscher steigt jedoch auch die Dampftemperatur entsprechend an, und diese übermäßige Hitze kann zu verstärkter Verschmutzung auf der Produktseite führen. Wenn sich hingegen Kondensat in der Anlage ansammelt, kann es auf der Heizseite zu Verschmutzungen durch die im angesammelten Kondensat mitgeführten Verunreinigungen und auf der Produktseite zu niedrigeren Temperaturen kommen, die dazu führen, dass das Produkt an der Oberfläche verkrustet, wenn die erforderliche Viskosität des Produkts nicht aufrechterhalten wird.

Verschmutzung kann in die obige Gleichung hinzugefügt werden, indem das Verhältnis der Dicke (LF) zur Leitfähigkeit (λF) einbezogen wird, und zwar auf die gleiche Weise wie oben die Glasauskleidung; sie wird typischerweise in einen Verschmutzungsfaktor für einen Wärmetauscher „in Betrieb“ einbezogen und ausgedrückt. Üblicherweise werden die Berechnungen zum Vergleich der U-Wert-Reduzierung für den Leerbetrieb und den laufenden Betrieb durchgeführt.