A Kreuzstromwärmetauscher funktioniert, indem zwei Flüssigkeiten im rechten Winkel zueinander fließen, typischerweise indem eine Flüssigkeit durch Rohre fließt und die andere an der Außenseite der Rohre entlangströmt. Das Grundprinzip besteht darin, dass Wärme durch die Rohrwände von einer Flüssigkeit auf die andere übertragen wird. Hier ist eine schrittweise Erklärung der Funktionsweise:
Komponenten:
- Rohrseite: Eine der Flüssigkeiten fließt durch die Rohre.
- Schalenseite: Die andere Flüssigkeit fließt über die Rohre, über das Rohrbündel, in einer Richtung senkrecht zur Strömung der Flüssigkeit innerhalb der Rohre.
Arbeitsprozess:
- Flüssigkeitseinlass: Beide Flüssigkeiten (heiß und kalt) gelangen an verschiedenen Einlässen in den Wärmetauscher. Eine Flüssigkeit (sagen wir die heiße Flüssigkeit) gelangt durch die Rohre, die andere Flüssigkeit (kalte Flüssigkeit) gelangt in den Raum außerhalb der Rohre.
- Flüssigkeitsströmung:
- Die in den Rohren fließende Flüssigkeit bewegt sich auf einem geraden oder leicht gewundenen Weg.
- Die außerhalb der Rohre fließende Flüssigkeit überquert diese senkrecht. Der Weg dieser Flüssigkeit kann entweder ein Querstrom (direkt über die Rohre) oder eine komplexere Konfiguration sein, beispielsweise eine Kombination aus Quer- und Gegenstrom.
- Wärmeübertragung:
- Die Wärme der heißen Flüssigkeit wird auf die Rohrwände und dann auf die kalte Flüssigkeit übertragen, die durch die Rohre fließt.
- Die Effizienz der Wärmeübertragung hängt vom Temperaturunterschied zwischen den beiden Flüssigkeiten ab. Je größer der Temperaturunterschied, desto effizienter die Wärmeübertragung.
- Auslass: Nach der Wärmeübertragung tritt die nun kühlere heiße Flüssigkeit durch einen Auslass aus, die nun wärmere kalte Flüssigkeit durch einen anderen Auslass. Der Wärmeaustauschprozess führt zu einer Temperaturänderung in beiden Flüssigkeiten, während sie durch den Wärmetauscher fließen.
Designvarianten:
- Einstufiger Querstrom: Eine Flüssigkeit fließt in eine Richtung durch die Rohre, und die andere Flüssigkeit bewegt sich durch die Rohre.
- Mehrpass-Querstrom: Die Flüssigkeit in den Rohren kann in mehreren Durchgängen fließen, um die Kontaktzeit mit der Flüssigkeit außerhalb zu erhöhen und so die Wärmeübertragung zu verbessern.
Effizienzüberlegungen:
- Kreuzstromwärmetauscher sind im Allgemeinen weniger effizient als Gegenstromwärmetauscher, da der Temperaturgradient zwischen den beiden Flüssigkeiten entlang der Länge des Wärmetauschers abnimmt. Im Gegenstromverfahren bleibt der Temperaturunterschied zwischen den Flüssigkeiten konstanter, was die Wärmeübertragung effektiver macht.
- Kreuzstromwärmetauscher sind jedoch einfacher zu konstruieren und werden häufig in Situationen eingesetzt, in denen der Platz begrenzt ist oder Flüssigkeiten getrennt werden müssen (wie in Luft-Luft-Wärmetauschern).
Anwendungen:
- Luftgekühlte Wärmetauscher (wie in HLK-Systemen oder Autokühlern).
- Kühlung elektronischer Geräte.
- Wärmetauscher für Lüftungsanlagen.
Obwohl sie thermisch nicht so effizient sind wie Gegenstromwärmetauscher, sind Kreuzstromkonstruktionen vielseitig und werden häufig verwendet, wenn es auf Einfachheit oder Platzersparnis ankommt.