Auslegung eines Nordic Tec Plattenwärmetauschers für einen Glykol-Lufterhitzer – wie geht das?

In diesem Beitrag befassen wir uns mit einem wichtigen Thema, nämlich der Auslegung eines Wärmetauschers für einen Glykol-Lufterhitzer – wobei dieser nicht zwingend mit Glykol betrieben werden muss. Die Beheizung mittels Lufterhitzern kommt eher nicht in Einfamilienhäusern zum Einsatz, wird jedoch in Lagerhallen oder Unternehmen recht häufig verwendet. Wir erklären kurz, wie Lufterhitzer funktionieren und nach welchem Prinzip diese Art der Beheizung arbeitet. Im zweiten Teil des Beitrags widmen wir uns dann dem eigentlichen Thema, nämlich der Auswahl eines Nordic Tec Plattenwärmetauschers für einen solchen Lufterhitzer.

Falls Dich ausschließlich die Auslegung des Wärmetauschers für den Lufterhitzer interessiert und Du bereits weißt, wie ein Lufterhitzer und dieses Heizsystem funktionieren, kannst Du direkt zum zweiten Teil des Artikels springen.

Wie funktioniert ein Lufterhitzer und warum wird häufig Glykol verwendet?

Ein Lufterhitzer ist eine Vorrichtung, deren Aufgabe darin besteht, den durchströmenden Luftstrom mithilfe eines heißen Wärmeträgers zu erwärmen, der in der Anlage zirkuliert. Dieser Wärmeträger, von dem die Wärme an die Luft übertragen wird, ist häufig Glykol – dann spricht man von Glykol-Lufterhitzern. Es kann jedoch auch Wasser verwendet werden. Warum in vielen Lagerhallen oder Produktionsbetrieben in den Kreisläufen der Lufterhitzer Glykol statt reinem Wasser eingesetzt wird, erklären wir im Folgenden.

Meist handelt es sich dabei um ein Wasser-Glykol-Gemisch, da dieses einen Frostschutz bei niedrigen Temperaturen bietet. Dies ist besonders wichtig in Lüftungszentralen, Industrieanlagen sowie in Systemen, die außerhalb von Gebäuden betrieben werden, wo reines Wasser gefrieren und den Lufterhitzer oder die gesamte Anlage beschädigen könnte. Der Zusatz von Glykol senkt den Gefrierpunkt des Mediums und erhöht dadurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit des gesamten Systems. Gleichzeitig verschlechtert er jedoch die Wärmeübertragung im Vergleich zu reinem Wasser geringfügig, da Glykol Wärme etwas schlechter überträgt.

Voraussetzung für den zuverlässigen Betrieb eines solchen Lufterhitzers, der einen warmen Luftstrom bereitstellen soll, ist daher die Versorgung mit einem warmen Wärmeträger. Doch woher erhält dieser Wärmeträger seine Wärme?

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Ein Glykol-Lufterhitzer benötigt eine Wärmequelle – z. B. einen Heizkessel

Ein Lufterhitzer in einer Lüftungszentrale muss mit einem warmen Wärmeträger versorgt werden, der seine Wärme an die durch den Lufterhitzer strömende Luft abgibt. Dazu wird eine Wärmequelle benötigt – beispielsweise ein Gas- oder Pelletkessel, es kann jedoch auch eine Wärmepumpe sein. Nachdem das Glykol im Lufterhitzer seine Wärme an die Luft abgegeben hat, fließt es abgekühlt zur Wärmequelle zurück, wird dort erneut erwärmt und anschließend wieder zum Lufterhitzer geleitet – im Kreislauf. Das System kann somit zuverlässig arbeiten. Doch wozu wird in diesem Fall überhaupt ein Plattenwärmetauscher benötigt?

• Siehe auch: Pumpen-Heizverteiler von Nordic Tec

Die Rolle des Plattenwärmetauschers in einem System mit Lufterhitzer

Der Plattenwärmetauscher übernimmt in einem System mit Lufterhitzer die Funktion eines Bindeglieds zwischen der Wärmequelle und dem Glykolkreislauf, der den Lufterhitzer versorgt. Seine Aufgabe besteht darin, die Wärmeenergie von der Heizungsanlage auf das Wasser-Glykol-Gemisch zu übertragen, ohne dass sich die beiden Medien vermischen. Dadurch werden der Heizkreis der Wärmequelle und der Kreislauf des Lufterhitzers voneinander getrennt, was die Betriebssicherheit erhöht, die Wartung erleichtert und unterschiedliche Betriebsparameter auf beiden Seiten des Wärmetauschers ermöglicht.

Beachten wir, dass im Heizsystem (vereinfacht gesagt im Heizkesselkreislauf) Wasser als Wärmeträger verwendet wird, während im Lufterhitzer in der Regel ein Wasser-Glykol-Gemisch zirkuliert. Um das Glykol vom wassergeführten Heizkesselkreislauf zu trennen, wird ein Plattenwärmetauscher eingesetzt. Er überträgt die Wärme vom Heizkreis auf das Glykol im Kreislauf des Lufterhitzers und sorgt gleichzeitig für eine vollständige hydraulische Trennung beider Kreisläufe. Der Plattenwärmetauscher überträgt die Wärme, ohne dass sich die Medien vermischen (er ist keine hydraulische Weiche).

Dies ist insbesondere in Lüftungs- und Industrieanlagen von großer Bedeutung, in denen der Lufterhitzer niedrigen Temperaturen ausgesetzt sein kann und der Einsatz von Glykol einen wirksamen Frostschutz gewährleistet.

Vereinfachtes Schema einer Anlage mit Plattenwärmetauscher und Lufterhitzer

Nachfolgend zeigen wir ein selbstverständlich stark vereinfachtes Schema, das die Rolle des Wärmetauschers in einer Anlage mit Lufterhitzer veranschaulicht. Das Schema lässt viele wichtige Details wie beispielsweise Ventile oder Umwälzpumpen außer Acht. Es dient dazu, die Position des Wärmetauschers als Verbindungsglied zwischen der Wärmequelle und dem Lufterhitzer darzustellen und zu verdeutlichen, dass ein solches System aus zwei voneinander unabhängigen Kreisläufen besteht.

Auslegung eines Nordic Tec Wärmetauschers für einen Glykol-Lufterhitzer

Die nachstehenden Auslegungsgrundsätze sind nicht universell und beziehen sich auf die Plattenwärmetauscher der polnischen Marke Nordic Tec. Bei anderen Herstellern müssen diese Grundsätze nicht in gleicher Weise gelten. Die Tatsache, dass Nordic Tec konkrete Richtwerte für die Plattenfläche verwendet, erleichtert die Auswahl der Wärmetauscher erheblich. Dennoch ist ein Vergleich der Plattenflächen von Modellen verschiedener Hersteller nicht immer sinnvoll, da sich die Platten hinsichtlich Dicke, Prägung und des Abstands zwischen den einzelnen Platten unterscheiden können. Dadurch kann der Wärmeübertragungskoeffizient trotz identischer Plattenfläche unterschiedlich ausfallen.

Anders ausgedrückt: Ein Wärmetauscher von Nordic Tec mit einer Plattenfläche von 1 m² kann eine höhere Wärmeübertragungsleistung bieten als ein vergleichbares Modell eines günstigeren Herstellers mit derselben Plattenfläche, da Nordic Tec auf Geräte mit einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten setzt. Die gleiche Plattenfläche bedeutet daher nicht zwangsläufig die gleiche Leistungsfähigkeit. Insbesondere der Kauf der günstigsten Wärmetauscher, die häufig nur geringfügig preiswerter sind, führt nicht unbedingt zu einer echten Ersparnis – oftmals handelt es sich lediglich um eine scheinbare Einsparung, die sich ohnehin nur auf relativ kleine Beträge beläuft.

Plattenfläche des Plattenwärmetauschers im Verhältnis zur Leistung des Lufterhitzers

Geht man von den typischen Vorlauftemperaturen aus, die bei Heizsystemen mit Lufterhitzern verwendet werden, liegen diese in der Regel zwischen 50 und 70 °C. Unter diesen Bedingungen sollte man etwa 0,3–0,35 m² Plattenfläche je 10 kW Leistung des Glykol-Lufterhitzers vorsehen. Ist der Lufterhitzer größer, muss die Plattenfläche entsprechend proportional berechnet werden. Eine Überdimensionierung des Wärmetauschers stellt grundsätzlich kein Problem dar. Vermieden werden sollte jedoch eine Unterdimensionierung, also der Einsatz eines zu kleinen Geräts.

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Was ist, wenn im Kreislauf des Lufterhitzers statt Glykol Wasser verwendet wird?

Manche werden sich sicherlich fragen, wozu in diesem Fall überhaupt ein Wärmetauscher benötigt wird. Schließlich sollte dieser das Glykol vom Heizkreis trennen. Tatsächlich wird in vielen Anlagen mit Lufterhitzern Wasser eingesetzt, sofern der Investor und der Planer davon ausgehen, dass keine Frostgefahr besteht und somit kein Frostschutzmittel erforderlich ist. Aus Sicht der Auslegung des Wärmetauschers ist dies eine gute Nachricht, denn Wasser nimmt Wärme auf und gibt sie auch wieder ab – ungefähr 10 % besser als ein Wasser-Glykol-Gemisch (je nach Glykolkonzentration kann dieser Wert variieren).

Dadurch können etwas kleinere Plattenwärmetauscher verwendet werden, beispielsweise 0,25–0,3 m² Plattenfläche je 10 kW.

Wie sieht es bei Systemen mit niedriger Vorlauftemperatur aus, beispielsweise mit Wärmepumpen?

Dies ist eine etwas andere Fragestellung. Zunächst sollte erwähnt werden, dass Systeme mit Lufterhitzern, die für Vorlauftemperaturen unter 50 °C ausgelegt sind, vergleichsweise selten vorkommen. Hersteller von Lufterhitzern weisen in der Regel darauf hin, dass diese für eine hohe Heizleistung höhere Betriebstemperaturen benötigen. Dennoch werden im Zuge des allgemeinen Trends zu Niedertemperatursystemen auch Wärmepumpen zur Beheizung von Lufterhitzerkreisläufen eingesetzt. Wie bekannt ist, arbeiten Wärmepumpen besonders effizient bei niedrigeren Temperaturen, was entsprechende Auswirkungen auf die Auslegung hat.

In solchen Fällen ist leider ein größerer Wärmetauscher erforderlich. Dabei gilt die Faustregel: Je niedriger die Temperatur, desto größer der Wärmetauscher. Selbst Wärmetauscher mit einer Plattenfläche von 0,5–0,6 m² je 10 kW sind sinnvoll, wenn möglichst niedrige Betriebstemperaturen der Wärmequelle beibehalten werden sollen. Es lohnt sich jedoch zu überlegen, ob der Lufterhitzer auch bei einer einwandfreien Wärmeübertragung durch den Wärmetauscher tatsächlich in der Lage ist, das betreffende Gebäude ausreichend zu beheizen. Ist das Gebäude für derart niedrige Vorlauftemperaturen ausgelegt, spricht grundsätzlich nichts dagegen. Man sollte jedoch bedenken, dass Lufterhitzer sehr häufig in älteren Gebäuden eingesetzt werden.

Siehe auch:

• Wärmetauscher nach Wärmeübertragungsfläche
• Fußbodenheizungsverteiler von Nordic Tec
• Systeme für industrielle Entwässerung

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