Wärmetauscher-Typen im Speicherwassererwärmer

Bei der Entwicklung leistungsfähiger Speicherwassererwärmer wurde das Ziel verfolgt, mit kleineren Volumenströmen und geringeren Temperaturen im Heizmedium, also mit einer möglichst großen Spreizung, gute Versorgungsleistungen zu erreichen. Systematisch wurden die Vor- und Nachteile verschiedener Rohrheizflächen untersucht.

Besondere Aufmerksamkeit wurde zunächst dem Rippenrohr geschenkt, aber die bekannten guten Ergebnisse in Wärmeübertragern liessen sich in Speicherwassererwärmern nicht wiederholen. Der Grund hierfür wurde bei einer Versuchsanordnung mit einem Speicherwassererwärmer mit Bullauge entdeckt: Wird eine Heizfläche in frischem Trinkwasser mit Heizmedium beaufschlagt, bilden sich auf der Oberfläche Gasblasen. Bei Rippenrohr bleiben diese Blasen zwischen den Rippen haften, was zu einer wirkungsvollen Dämmung der Rohroberfläche führt.

Die resultierende schlechte Wärmeübertragung hat noch einen nachteiligen Effekt: Das Restwasser unter den Gasblasen wird überhitzt, so dass vermehrt Kalk ausfällt. Bei Glattrohr vereinigen sich diese Gasblasen und steigen zur Oberfläche auf. Glattrohr ist also im Speicherwassererwärmer die bessere Lösung.

Will man ein ein Heizwendel mit einer grossen Übertragungsfläche einbauen, ist man geneigt, ein Rohr mit großem Durchmesser zu wählen. Diese Heizfläche ist bei großem Heizvolumenstrom gut wirksam. Bei Einsatz von Nah- und Fernwärme, an Brennwertkesseln oder Solarflächen oder auch an Wärmepumpen ist der Heizvolumenstrom entsprechend der Übergabeleistung aber  klein. Ein Heizwendel von 16 m Länge und 30 mm Durchmesser ergibt 1,5 m² Heizfläche. Bei einer Übergabeleistung von z. B. 10 kW bei 110/50°C fließen 2,5 l/min. mit einer Geschwindigkeit von 0,06 m/sek. durch das Rohr.

Bei dieser geringen Geschwindigkeit bildet sich im oberen Teil des Rohres ein ovaler Kernstrom, der nur etwa 25 % der Rohrinnenfläche bevorzugt mit entsprechend hohen Temperaturen beaufschlagt. Bedingt durch die unterschiedlichen Viskositäten bei verschiedenen Temperaturen, ist die Geschwindigkeit im Kernstrom hoch und entlang der unteren Rohrinnenwand sehr gering. So wird wenig Wärme aus dem Kernstrom übertragen. Wird eine solche Rohrheizfläche zusätzlich noch emailliert oder thermoglasiert, reduziert sich der Wärmeübergang noch erheblich. Sie ist für den Einsatz in der Fernwärme eigentlich ungeeignet.

Mit dem vorgenannten Volumenstrom werden in einem Heizrohrwendel mit 10 Rohren von 8 x 1 mm die 2,5-fache Fließgeschwindigkeit und vielfache Turbulenzen erzeugt. Die Rohrnennweite beträgt nur 6 mm; hier ist kaum Platz für einen ausgeprägten Kernstrom. Durch den verbesserten Wärmeübergang verstärken sich die Turbulenzen an der Rohraußenseite, was zu ausgeprägten thermischen Strömungen führt.