Lernfeld 11 · Prüfung Teil 2

Wärmeübertrager und thermische Verfahren

Wärmeübertrager und thermische Verfahren: Bauarten, Gleich- und Gegenstrom, Wärmestrom und Kühlwasserbedarf, Verschmutzung, Destillation und Trocknen.

14 Aufgaben dazu übenKostenlos, ohne Anmeldung, mit Lösungsweg

Darum geht es

Thermische Verfahren nutzen Wärme, um Stoffe zu erwärmen, zu kühlen, zu verdampfen, zu kondensieren oder zu trennen. Zentrales Gerät ist der Wärmeübertrager. Rohrbündelapparate halten hohe Drücke und Temperaturen aus und lassen sich mechanisch reinigen; U-Rohre, Schwimmkopf oder Mantelkompensator nehmen die unterschiedliche Wärmedehnung von Rohren und Mantel auf. Plattenwärmeübertrager sind sehr kompakt, gedichtete Ausführungen lassen sich öffnen und erweitern. Doppelrohr- und Spiralwärmeübertrager decken kleine Leistungen bzw. verschmutzende Medien ab.

Im Gegenstrom bleibt über die ganze Länge eine Temperaturdifferenz, das kalte Medium kann wärmer werden als das austretende warme. Den Wärmestrom eines Mediums berechnet man aus Massenstrom, spezifischer Wärmekapazität und Temperaturänderung; beim Apparat bestimmen Wärmedurchgangskoeffizient, Fläche und mittlere Temperaturdifferenz die Leistung. Beläge verringern den Wärmedurchgang: Die Austrittstemperaturen nähern sich den Eintrittstemperaturen, der Druckverlust steigt. Dampfbeheizte Apparate brauchen einen Kondensatableiter, damit kein Kondensat die Heizfläche überflutet.

Zu den thermischen Trennverfahren gehören Verdampfen, Destillieren und Rektifizieren nach unterschiedlichen Siedetemperaturen sowie das Trocknen. Konvektionstrockner arbeiten mit warmem Gas, Kontakttrockner mit beheizten Flächen, Strahlungstrockner mit Infrarot. Vor dem Einbinden prüft man Druck- und Temperaturstufe, Werkstoffe, Anschlüsse und den Platz zum Ziehen des Rohrbündels; nach dem Einbau werden Temperaturen und Druckverluste als Bezugswerte protokolliert.

Das solltest du dir merken

Im Gegenstrom wird mehr Wärme übertragen als im Gleichstrom bei gleicher Fläche.
Steigender Druckverlust und sinkende Leistung zeigen Verschmutzung an.
Beim Dampfbeheizen wird vor allem die Kondensationswärme genutzt; das Kondensat muss ablaufen.
Wärmeübertrager langsam füllen und entlüften; welche Seite zuerst, sagt die Herstelleranleitung (oft die kalte).
Destillation trennt nach Siedetemperatur, Rektifikation wiederholt das in vielen Stufen.

Formeln

Wärmestrom eines Mediums: $Q ˙ = m ˙ \cdot c \cdot Δ T$; $Q ˙$ Wärmestrom in kW, $m ˙$ Massenstrom in kg/s, $c$ spezifische Wärmekapazität in kJ/(kg·K), $Δ T$ Temperaturänderung in K
Wärmedurchgang im Apparat: $Q ˙ = k \cdot A \cdot Δ ϑ_{m}$; $k$ Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m²·K), $A$ Übertragungsfläche in m², $Δ ϑ_{m}$ mittlere Temperaturdifferenz in K

Typische Fehler in der Prüfung

Mit der Austrittstemperatur statt mit der Temperaturdifferenz gerechnet.
Kilogramm je Sekunde mit Kubikmeter je Stunde gleichgesetzt; der Faktor 3,6 fehlt.
Wärmeübertrager im Gleichstrom angeschlossen, obwohl Gegenstrom ausgelegt war.
Den Kondensatableiter ohne Schmutzfänger eingebaut; er setzt sich zu und hält Kondensat zurück.

Tipps aus der Werkstatt

Q̇ = ṁ · c · ΔT rechnet mit der Differenz, nicht mit der Austrittstemperatur. Kühlwasser in m³/h: kg/s mal 3,6. Steigt der Druckverlust und sinkt die Leistung, ist der Wärmeübertrager verschmutzt. Gegenstrom schlägt Gleichstrom.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

14 Aufgaben zu „Wärmeübertrager und thermische Verfahren“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Anlagenmechaniker/-in (2004 i. d. F. 2018), Lernfeld 11 (Integrieren anlagenspezifischer Teilsysteme). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.