Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient oder U-Wert gibt an, wie gut die Wärme über eine Reihe von resistenten Medien geleitet wird. Seine Einheit ist W/(m2°C).

Dampf vs. Heißwasser

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

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wird von der Dicke und der Wärmeleitfähigkeit des Mediums beeinflusst, durch das die Wärme übertragen wird. Je größer der Koeffizient ist, desto leichter wird die Wärme von der Quelle 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:

wobei

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, gilt: Je größer der U-Wert, desto größer die Wärmeübertragungsrate. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass für einen bestimmten Wärmetauscher und ein bestimmtes Produkt ein höherer U-Wert zu kürzeren Chargenzeiten und höherer Produktion/Ertrag führen kann.

Berechnung des U-Wertes

Zur Bestimmung des U-Wertes können verschiedene Gleichungen verwendet werden, eine davon ist:

wobei

Wärmeübertragung durch eine Metallwand

Bei der Erzeugung von z. B. heißem Wasser erfolgt die Wärmeübertragung grundsätzlich von Fluid 1 (Wärmequelle) durch einen leitfähigen Festkörper (Metallwand) zu Fluid 2 (Wasser, das zu erwärmende Produkt). Es muss jedoch auch der Schichtwiderstand berücksichtigt werden. Deshalb wird der konvektive Wärmeübergangskoeffizient (h), der manchmal auch als Filmkoeffizient bezeichnet wird, bei der Berechnung der Wärmeübertragung zwischen einem Fluid und einer leitfähigen Wand berücksichtigt.

Zusätzlich kann bei bestimmten speziellen Anwendungen, wie z. B. bei der Erwärmung von pharmazeutischen oder biotechnologischen Prozessen, die Wärmeübertragung durch mehrere Schichten von Wandmaterial erfolgen. In solchen Fällen kann die obige Gleichung angepasst werden, indem die Dicke (L) jeder Schicht des Festkörpers geteilt durch seine Wärmeleitfähigkeit (λ) einbezogen wird.

Um die nachfolgenden Beispielrechnungen zu erleichtern, können die folgenden Werte als Referenz für die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten verwendet werden:

Fluid	Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient (h)
Wasser	etwa 1000 W/(m2 °C)
Heißwasser	1000 – 6000 W/(m2 °C)
Dampf	6000 – 15000 W/(m2 °C)

Beispiel für den Vergleich der Wirkung verschiedener Wärmequellen auf U, Dampf oder Heißwasser

Zwei ummantelte Kessel aus Kohlenstoffstahl (λ = 50 W/(m °C) ) mit einer Innenwandstärke von 15 mm werden zur Wassererwärmung verwendet. Einer nutzt Heißwasser als Wärmequelle, der andere Dampf. Unter der Annahme von Wärmeübergangskoeffizienten von 1000 W/m2 °C für das zu erhitzende Wasser, 3000 W/m2 °C für Heißwasser und 10000 W/m2° C für Dampf berechnen wir die U-Werte für beide Erhitzungsprozesse.

Kohlenstoffstahl-Mantelkessel – Vergleich Wärmequelle Heißwasser vs. Dampf

Heißwasser:

Dampf:

In diesem Fall bietet Dampf eine berechnete U-Wert-Verbesserung von 17 %.

Stellen Sie sich nun vor, dass die gleiche Kesselübergangswand auch mit 1 mm dickem Glas ausgekleidet ist (λ = 0,9 W/(m °C) ). Wenn man diese Werte in die obige U-Wert-Gleichung einbezieht, erhält man folgende Ergebnisse:

Glasausgekleideter Mantelkessel – Vergleich Heißwasser vs. Dampf-Wärmequelle

Glasausgekleideter Mantelkessel – Vergleich Heißwasser vs. Dampf-Wärmequelle Wärmequelle Dampf

Heißwasser:

Dampf:

In diesem Fall des zusätzlichen Leitwiderstandes verbessert sich der U-Wert zwar immer noch, aber nur um 9 %; und das zeigt, wie ein schlechter Wärmeleiter wie Glas die Wärmeübertragung stark beeinträchtigen kann.

Bei bestimmten Wärmeaustauschgeräten, wie z. B. einem Kessel aus Kohlenstoffstahl, kann also ein Wechsel der Wärmequelle von heißem Wasser zu Dampf den U-Wert und die Wärmeübertragung potenziell erheblich verbessern, wenn das Wandmaterial hoch leitfähig ist. Der gleiche dramatische Effekt ist jedoch nicht zu erwarten, wenn ein Wärmetauscher mit mehreren Wandschichten verwendet wird, die auch Schichten aus nicht hochleitfähigem Material enthalten (wie z. B. ein emaillierter Kessel).

Dennoch erfordern einige Prozesse ein bestimmtes Wandmaterial, wie z. B. eine Emaillierung, um eine Reaktivität mit dem Produkt zu verhindern. Trotzdem kann die Wärmeübertragungsrate unter solchen Umständen verbessert werden, indem die Wärmequelle von Heißwasser auf Dampf umgestellt wird, um die Produktion zu optimieren.

Fortgeschrittenes Verständnis

Fouling

Fouling der Wandmaterialoberfläche kann ein zusätzliches Hindernis für die Wärmeübertragung darstellen. Dieses Problem kann sowohl auf der Heizmittelseite als auch auf der Produktseite aus verschiedenen Gründen auftreten. Einige Ursachen können Partikelablagerungen auf der Heizungsseite und zu hohe oder zu niedrige Temperaturen auf der Produktseite sein.

Zum Beispiel wird manchmal der Dampfdruck erhöht, um den notwendigen Druck zu erzeugen, damit das Kondensat durch das Auslassregelventil eines ebenen Topfes gedrückt werden kann. Mit dem Druckanstieg im Wärmetauscher steigt jedoch auch die Dampftemperatur entsprechend an, und diese übermäßige Wärme kann zu einer verstärkten Verschmutzung auf der Produktseite führen. Umgekehrt kann, wenn sich Kondensat in der Anlage ansammelt, Fouling auf der Heizungsseite durch die im angesammelten Kondensat mitgeführten Verunreinigungen und auf der Produktseite durch niedrigere Temperaturen verursacht werden, die zu einem Anbacken des Produkts auf der Oberfläche führen, wenn die erforderliche Produktviskosität nicht eingehalten wird.

Fouling kann zu der obigen Gleichung hinzugefügt werden, indem man das Verhältnis seiner Dicke (LF) zu seiner Leitfähigkeit (λF) einbezieht, auf die gleiche Weise, wie die Emaillierung oben hinzugefügt wurde, wird aber typischerweise in einen Tauscher, der „in Betrieb“ war, einbezogen und als Foulingfaktor ausgedrückt. Üblicherweise werden die Berechnungen zum Vergleich der Reduktion von U für den reinen gegenüber dem in Betrieb befindlichen Betrieb durchgeführt.

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