Warmtewisselaar: hoe je warmte overdraagt zonder iets te verspillen
Een warmtewisselaar is een apparaat dat warmte overbrengt van de ene stroom naar de andere, zonder dat die twee stromen met elkaar vermengen. Denk aan een dubbelwandige beker: warme koffie aan de binnenkant verwarmt je handen aan de buitenkant, maar de koffie zelf blijft keurig gescheiden van je huid. Een warmtewisselaar doet in essentie hetzelfde, maar dan met vloeistoffen of gassen die langs een dunne wand van metaal stromen, zodat warmte er dwars doorheen kan "lekken" terwijl de stoffen zelf apart blijven.
Dat klinkt eenvoudig, en de basisidee is dat ook al meer dan een eeuw. Toch is de warmtewisselaar een van de belangrijkste, meest onopvallende onderdelen van de energietransitie. Overal waar warmte over is die anders verloren zou gaan — in de uitlaat van een fabriek, in het water dat via het riool wegstroomt, in de koeling van een datacenter — kan een warmtewisselaar die warmte vangen en bruikbaar maken. In dit artikel leggen we uit hoe het werkt, wat mensen ermee willen bereiken, en wie eraan werken.
Wat is het precies?
Het principe achter elke warmtewisselaar is simpel: twee stromen met een verschillende temperatuur worden vlak langs elkaar geleid, gescheiden door een dunne wand. Warmte gaat vanzelf van de warme naar de koude kant, net zoals een ijsblokje in een glas water vanzelf smelt. Hoe groter het temperatuurverschil en hoe groter het contactoppervlak tussen de wand en beide stromen, hoe meer warmte er per seconde wordt overgedragen.
Er bestaan verschillende bouwvormen. Een plaatwarmtewisselaar bestaat uit een stapel dunne metalen platen, elk met een golfpatroon geperst, waartussen om en om de warme en de koude stroom langsstroomt. Dit type is compact en wordt veel gebruikt in warmtepompen en stadsverwarmingsinstallaties. Een buizenwarmtewisselaar (ook wel shell-and-tube genoemd) bestaat uit een bundel dunne buizen in een grotere mantel: de ene stroom gaat door de buizen, de andere stroomt eromheen. Dit type kan hogere drukken en temperaturen aan en wordt vaak toegepast in de zware industrie.
Ook de richting waarin de stromen langs elkaar bewegen maakt uit. Bij tegenstroom lopen de twee stromen in tegengestelde richting, wat het hoogste rendement oplevert omdat er over de hele lengte een gunstig temperatuurverschil blijft bestaan. Bij gelijkstroom lopen ze dezelfde kant op, wat minder efficiënt is. Kruisstroom, waarbij de stromen elkaar loodrecht kruisen, wordt vaak gebruikt in luchtbehandelingskasten en autoradiateuren.
Het materiaal van de wand is belangrijk: roestvast staal, koper, aluminium en soms titanium worden gebruikt, afhankelijk van de vereiste corrosiebestendigheid en warmtegeleiding. Een hardnekkig probleem is fouling: aanslag, kalk of vet dat zich op de wand afzet en de warmteoverdracht vermindert. Regelmatig onderhoud en de juiste materiaalkeuze zijn daarom essentieel voor een goed werkende installatie.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter het gebruik van warmtewisselaars is energie besparen door warmte te hergebruiken in plaats van te verspillen. Elk industrieel proces, elke koelinstallatie en elke elektriciteitscentrale produceert restwarmte die anders de lucht of het oppervlaktewater in zou gaan. Door die warmte via een warmtewisselaar over te dragen aan een ander circuit, kan ze gebruikt worden om gebouwen te verwarmen, water op te warmen of een ander proces te ondersteunen.
Warmtewisselaars zijn ook onmisbaar in de warmtepomp, het apparaat dat steeds vaker de gasgestookte cv-ketel vervangt. Een warmtepomp onttrekt warmte aan de buitenlucht, de bodem of grondwater en brengt die via een koudemiddel en een reeks warmtewisselaars naar een hoger temperatuurniveau, zodat het geschikt wordt om een huis mee te verwarmen. Zonder warmtewisselaar zou een warmtepomp niet kunnen functioneren.
Op grotere schaal spelen warmtewisselaars een sleutelrol in warmtenetten (ook wel stadsverwarming genoemd), waarbij restwarmte van industrie, datacenters of geothermische bronnen via een leidingnet naar woonwijken wordt gebracht. Ook in datacenters, die steeds meer elektriciteit verbruiken en dus steeds meer warmte produceren, worden warmtewisselaars ingezet om die warmte niet zomaar de atmosfeer in te blazen, maar te benutten. Het uiteindelijke doel is steeds hetzelfde: minder aardgas verbruiken, de CO2-uitstoot verlagen en de klimaatdoelen dichterbij brengen.
Voorbeelden uit de praktijk
In Rotterdam wordt al sinds de jaren 2000 restwarmte uit de haven-industrie, onder meer van afvalverbrander AVR en diverse raffinaderijen, via een warmtenet naar duizenden woningen in de stad gebracht. Warmtewisselaars zorgen er daarbij voor dat het proceswater uit de industrie niet rechtstreeks door de huizen stroomt, maar zijn warmte afgeeft aan een apart, schoon circuit dat wel de wijken in gaat.
In het Westland, het centrum van de Nederlandse glastuinbouw, wordt op verschillende plekken aardwarmte (geothermie) gebruikt om kassen te verwarmen. Heet water van soms wel meer dan 1500 meter diepte wordt opgepompt en geeft via een warmtewisselaar zijn warmte af aan een gesloten circuit dat de kassen ingaat, waarna het afgekoelde water via een tweede put weer teruggaat de bodem in. Dit soort installaties, ook wel doubletten genoemd, zijn sinds het begin van de jaren 2010 op meerdere plekken in het Westland in bedrijf.
Waterschappen en drinkwaterbedrijven experimenteren daarnaast met riothermie: het terugwinnen van warmte uit rioolwater. Afvalwater dat via het riool wegstroomt, is vaak nog altijd zo'n vijftien tot twintig graden warm. Met een warmtewisselaar in of naast de rioolbuis wordt die warmte overgedragen aan een apart circuit, dat vervolgens door een warmtepomp verder wordt opgewaardeerd voor de verwarming van nabijgelegen gebouwen. Waternet, het waterbedrijf van Amsterdam en omgeving, is een van de partijen die dit soort projecten heeft opgezet.
Ook datacenters, die grote hoeveelheden elektriciteit omzetten in warmte, worden steeds vaker gekoppeld aan warmtewisselaars om die restwarmte nuttig te maken. In Nederland lopen op meerdere plekken, onder meer in Noord-Holland waar zich datacenterparken bevinden, projecten en pilots om de restwarmte van serverzalen te benutten voor de verwarming van nabijgelegen gebouwen of kassen. De exacte schaal en het tempo van dit soort projecten verschillen sterk per locatie, en niet elk plan wordt daadwerkelijk voltooid.
Hoe ver is de techniek?
De warmtewisselaar zelf is geen nieuwe uitvinding: het principe wordt al meer dan honderd jaar toegepast in stoommachines, koelkasten en cv-ketels. Wat wél volop in ontwikkeling is, is de toepassing van warmtewisselaars binnen de energietransitie. Fabrikanten werken aan compactere ontwerpen die meer warmte per kilo materiaal kunnen overdragen, aan corrosiebestendigere materialen voor gebruik in agressieve waterstromen zoals rioolwater of zeewater, en aan additief vervaardigde (3D-geprinte) warmtewisselaars met ingewikkelde interne kanaalstructuren die met traditionele productietechnieken niet te maken zijn.
De grootste obstakels liggen niet zozeer in de techniek van de warmtewisselaar zelf, maar in de omgeving waarin hij wordt toegepast. Vervuiling (fouling) blijft een terugkerend probleem, vooral bij rioolwater en industriële processtromen, en vraagt om regelmatig onderhoud of zelfreinigende ontwerpen. Verder is er vaak een mismatch tussen het temperatuurniveau van beschikbare restwarmte en de temperatuur die een warmtenet of gebouw nodig heeft, wat extra warmtepompen of hulpbronnen nodig maakt. Ten slotte is het aanleggen van de leidingen en warmtenetten waarmee restwarmte bij de eindgebruiker komt vaak kostbaarder en trager dan het plaatsen van de warmtewisselaar zelf. De opschaling van dit soort warmtenetten in Nederland verloopt daardoor geleidelijker dan sommige plannen aanvankelijk voorzagen.
Wie werken eraan?
Internationaal zijn er enkele grote, gespecialiseerde fabrikanten van warmtewisselaars actief, zoals het Zweedse Alfa Laval, de Duitse bedrijven GEA Group en Kelvion, het Finse Vahterus en het Deense Danfoss. Ook Amerikaanse spelers zoals SPX Cooling Technologies leveren apparatuur voor onder meer koeltorens en industriële processen.
Nederland kent eigen fabrikanten in deze niche, waaronder HRS Heat Exchangers uit Boxtel, dat onder meer buizenwarmtewisselaars levert voor de voedingsmiddelenindustrie en de energiesector, en Bronswerk Heat Transfer, gespecialiseerd in warmtewisselaars voor de olie-, gas- en procesindustrie.
Op het vlak van onderzoek speelt TNO een belangrijke rol bij het ontwikkelen en testen van warmtepompen en warmteoverdrachtstechniek voor de gebouwde omgeving en de industrie. Ook de technische universiteiten, met name TU Delft en TU Eindhoven, doen fundamenteel onderzoek naar warmteoverdracht en efficiëntere ontwerpen. Daarnaast zijn waterschappen, regionale warmtebedrijven en de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) betrokken bij het opschalen van warmtenetten en het financieren van pilotprojecten rond restwarmtebenutting.