Der Wirkungsgrad im Sinne des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik für einen Wärmeübertrager ist das Verhältnis von aufgenommener thermischer Energie auf der kalten Seite zu abgegebener Energie auf der warmen Seite. Da Wärmedämmung die Wärmeabgabe an die Umgebung verringert, aber nicht verhindert, geht ein Teil der nutzbaren Wärme verloren. In Abhängigkeit davon, wie groß die Temperaturdifferenz zwischen den Medien und der Umgebung ist, kann dieser Verlust mehr oder weniger groß sein.

Die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers ist dann groß, wenn er in der Lage ist, den zu erwärmenden Stoffstrom möglichst stark aufzuwärmen und den anderen Stoffstrom möglichst stark abzukühlen. Eine natürliche Grenze hierfür wird durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik beschrieben, wonach Wärme immer vom warmen zum kalten Stoffstrom fließt.

Hierzu ein Beispiel:

Dies ist die theoretisch erreichbare Obergrenze für den Gleichstrom-Wärmeübertrager. Die Realität bleibt dahinter zurück, da begrenzte Austauschflächen der Medien nur begrenztes Ausschöpfen der Wärmeunterschiede erlauben und die unvollständige Wärmedämmbarkeit der Anlage zu Energieverlusten an die Umgebung führt.

Anders sind die Verhältnisse beim Gegenstrom-Wärmeübertrager: Hier ist es theoretisch möglich, den Warmwasserstrom bis auf die Kaltwassertemperatur auszukühlen und gleichzeitig den Kaltwasserstrom auf die Warmwassertemperatur aufzuwärmen. Die theoretisch maximal mögliche Temperaturerhöhung beträgt die vollen 40K.

Der Temperaturwirkungsgrad, in der Raumlufttechnik auch Rückwärmzahl genannt, vergleicht die vom realen Wärmeübertrager-Apparat erreichte Temperaturänderung mit der theoretisch möglichen. Für das Beispiel sei angenommen, dass das aufzuwärmende Wasser (Eintritt: 10 °C) am Austritt des Wärmeübertragers bis auf 48 °C erwärmt ist, also um 38K wärmer geworden ist. Dann beträgt der Temperaturwirkungsgrad 38/40 = 0,95 bzw. 95 %. Erhöht man nun die Wassermenge, die sekündlich durch den Wärmeübertrager fließt, so ändert sich auch die erreichbare Temperaturänderung. Das bedeutet, dass der Temperaturwirkungsgrad von den Einsatzbedingungen abhängig ist. Damit sind einfache Angaben wie „Der Wärmeübertrager hat einen (Temperatur-)Wirkungsgrad von 95 %.“ ohne weitere Angaben unvollständig und ergibt für sich allein keine verwertbare Aussage.

Generell gilt, dass ein Gegenstrom-Wärmeübertrager bei ansonsten gleichen Bedingungen mehr Wärme überträgt als ein Gleichstrom-Wärmeübertrager. Der Grund liegt in der höheren mittleren Temperaturdifferenz des Gegenstrom-Wärmeübertrager längs der Fläche, welche für den höheren Wärmestrom entscheidend ist.

In der Automobil-Industrie hat sich der Begriff des Q100 geprägt, um die Leistungsfähigkeit eines Wärmeübertragers zu charakterisieren.

Für eine gute Effizienz muss das Material, das die Medien trennt, eine gute Wärmeleitung und große Oberfläche aufweisen. Weiter muss der Wärmeübergang zwischen Oberfläche und strömenden Medien möglichst gut sein, dafür ist eine turbulente Strömung günstig; diese findet vor allem bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten statt, bzw. bei einer hohen Reynoldszahl, zu der eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und eine niedrige kinematische Viskosität des Mediums in gleichem Maße beitragen. Allerdings erhöht sich im Wärmeübertrager mit der Strömungsgeschwindigkeit auch der Strömungswiderstand, und die Effizienz reduziert sich wieder. Erhöhter Strömungswiderstand bedeutet erhöhter Energieaufwand, um die Medien durch den Wärmeübertrager zu pumpen.

Bei Wärmeübertragern, bei denen ein Medium eine Flüssigkeit, das andere Medium ein Gas (meist Luft) ist, unterscheidet sich die Wärmekapazität je Volumen der Medien sehr stark. Daher muss viel mehr Gas als Flüssigkeit durchströmen, und es ist notwendig, die Fläche für den Wärmeübergang an das Gas zu erhöhen. Dies erfolgt oft durch Rippen oder Bleche, z.B. bei Hochtemperatur-Heizkörpern, den Kühlschlangen an der Rückseite eines Kühlschrankes oder einer Klimaanlage und dem Kühler des Autos.

Wärmeübertrager bestehen in den meisten Fällen aus Metall, jedoch auch aus Email, Kunststoff, Glas oder Siliciumcarbid. Im Klimabereich kommt überwiegend Kupfer und Aluminium aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit zum Einsatz. In der Industrie werden vor allem Stahl und hier besonders Edelstahl eingesetzt, da die Beständigkeit der Materialien benötigt wird. Heizkörper hingegen werden heute meist aus Stahlblech, früher aus Grauguss hergestellt. Kunststoff, Email, Glas oder Siliciumcarbid werden für Wärmeübertrager in der chemischen Industrie eingesetzt, wenn die Aggressivität der Fluide nicht den Einsatz metallischer Werkstoffe erlaubt. Siliciumcarbid kann aufgrund seiner extremen Temperaturbeständigkeit (Zersetzungstemperatur oberhalb von 2200 °C) auch bei Wärmeübertragern eingesetzt werden, deren Materialtemperaturen oberhalb der Einsatzgrenze der Metalle liegen. Solche keramischen Hochtemperatur-Wärmeübertrager sind allerdings noch in der Entwicklung.

Es werden hier nur die Bauformen von Wärmeübertragern für flüssige und gasförmige Medien behandelt:

• Nasskühltürme werden für Rückkühlaufgaben in Kraftwerken eingesetzt. Dabei wird warmes Wasser in direktem Kontakt mit der Umgebungsluft gekühlt.

Rekuperatoren besitzen für die beiden Medien je einen getrennten Raum.

• Plattenwärmeübertrager: Zahlreiche parallele Platten, die Zwischenräume werden abwechselnd vom einen und anderen Medium eingenommen. Eine Sonderform des Plattenwärmeübertragers ist der
• Spiralwärmeübertrager, bei dem statt ebener Platten ein spiralförmig aufgewickeltes Blech verwendet wird.
• Rohrwärmeübertrager bzw. Rohrbündelwärmeübertrager: Durch die Rohre („Rohrraum“; meist eine Vielzahl von parallelen Rohren) wird ein Medium gepumpt bzw. anderweitig gefördert. Die Rohre befinden sich im sogenannten Mantelraum, einem Kessel, durch den ein anderes Medium fließt. Vor allem Rohrbündelwärmeübertrager mit einer großen Anzahl paralleler Rohre sind in der Herstellung relativ aufwändig (viele Schweißstellen).
• U-Rohr-Wärmeübertrager, bei dem die Rohre U-förmig gebogen sind. Vorteil ist, dass das Rohrbündel leichter in den Kessel eingesetzt und herausgenommen werden kann, weil es nur auf einer Seite befestigt ist (z.B. in den Deckel des Kessels eingeschweißt).
• Doppelrohrwärmeübertrager bestehen aus zwei konzentrischen Rohren; das Medium im inneren Rohr wird durch das Medium im äußeren Rohr (meist Wasser) erhitzt oder gekühlt. Eingesetzt wird diese Bauform bei hochviskosen oder feststoffbeladenen Medien (z.B. Suspensionen, Schlämme), weist jedoch eine geringe Wärmeübergangsoberfläche und damit einen geringen Wirkungsgrad auf.
• Heizregister bzw. Kühlregister sind eine Kombination von Rohren (für das flüssige Medium) und daran befestigten Lamellen (für das gasförmige Medium).
• Gegenstrom-Schichtwärmetauscher (GSWT) ist ein rekuperativer Wärmeübertrager, der aus mehreren Lamellen-Wärmeübertragerschichten zusammengesetzt ist.

Regeneratoren werden abwechselnd vom heißen und vom kalten Medium durchströmt und funktionieren aufgrund ihrer Wärmekapazität.

• Regeneratoren werden vor allem für Luft eingesetzt; die Wärmeenergie wird in einem Festkörper zwischengespeichert und später von der selben Oberfläche an den anderen Luftstrom abgegeben. Man unterscheidet
  • bewegliche Speichermassen wie beim Rotationswärmeübertrager und
  • ortsfeste Speichermassen wie beim Winderhitzer oder dem Stirlingmotor.

In Rotationswärmespeichern werden z.B. Aluminiumbleche, für Regeneratoren in Stirlingmotoren Kupfergeflechte und für Winderhitzer feuerfeste Steine eingesetzt.