Bei der Konstruktion eines Rippenrohrwärmetauschers unterscheidet sich der Wärmeübergangskoeffizient zwischen der Flüssigkeit außerhalb des Rohrs und der Flüssigkeit innerhalb des Rohrs häufig erheblich. Der Wärmeübergangskoeffizient bezieht sich auf die Wärmeaustauschkapazität pro Flächeneinheit und pro Temperaturdifferenzeinheit (zwischen der Flüssigkeit und der Wand). Es ist die zentrale Messgröße, die angibt, wie effektiv eine Flüssigkeit Wärme mit einer festen Oberfläche austauscht.

Um dies zu verstehen, schauen wir uns die typischen Wärmeübergangskoeffizienten für verschiedene Flüssigkeitsbedingungen an:

• Wasserkondensation an einer Wand: 10.000 - 20.000 W/(m²·℃)
• An einer Wand kochendes Wasser: 5.000 - 10.000 W/(m²·℃)
• Durch ein Rohr fließendes Wasser: 2.000 - 10.000 W/(m²·℃)
• Luft oder Rauchgas strömen über eine Wand: 20 - 80 W/(m²·℃)
• Luft unter natürlicher Konvektion: 5 - 10 W/(m²·℃)

Wie die Daten zeigen, variiert die Wärmeaustauschkapazität je nach Flüssigkeit drastisch.

Stellen Sie sich nun ein praktisches industrielles Wärmeübertragungsszenario vor: In einem blanken Rohr fließt Wasser mit einem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten von 5.000 W/(m²·℃). Außerhalb des Rohrs strömt Rauchgas mit einem Koeffizienten von nur 50 W/(m²·℃). Das ist ein 100-facher Unterschied! Unabhängig davon, ob sich die Wärme von innen nach außen bewegt oder umgekehrt, wo liegt bei diesem Prozess der „Engpass“ bzw. der thermische Widerstand?

Die Antwort ist die Gasseite. Da das Rauchgas über eine so geringe Wärmeübertragungskapazität verfügt, wird die Gesamtwärmeaustauschrate stark eingeschränkt.

Wir können dies mit dem elektrischen Widerstand in einer Reihenschaltung vergleichen: Wenn ein Widerstand viel größer ist als die anderen, wird er zum Engpass für den Strom. Die einzige Möglichkeit, den Gesamtstrom zu erhöhen, besteht darin, diesen spezifischen dominanten Widerstand zu verringern. Der Wärmeübertragungsprozess funktioniert genauso.

Wie überwinden wir diesen Engpass und erreichen eine verbesserte Wärmeübertragung? Die effektivste Methode ist die Nutzung vergrößerter Flächen auf der Gasseite, also der Einsatz von Rippenrohren. Durch das Anbringen von Rippen an der Außenseite des Basisrohrs wird die tatsächliche Wärmeübertragungsfläche im Vergleich zu einem blanken Rohr um ein Vielfaches vervielfacht. Auch wenn der inhärente Wärmeübergangskoeffizient des Rauchgases weiterhin niedrig bleibt, wird dieser durch die massiv vergrößerte Oberfläche kompensiert. Dies steigert die Gesamteffizienz der Wärmeübertragung erheblich, reduziert den Metallverbrauch der Geräte und verbessert die Wirtschaftlichkeit des gesamten thermischen Systems.