Was sind Plattenwärmetauscher?
Plattenwärmetauscher gehören zu den am häufigsten verwendeten Wärmetauscher-Typen in der heutigen Zeit; ein weiterer verbreiteter Typ ist der Rohrbündelwärmetauscher. Der Spiralwärmetauscher wird ebenfalls in industriellen Anwendungen eingesetzt, jedoch seltener als die anderen zwei Typen von Wärmetauschern.
Plattenwärmetauscher sind in der Ingenieurwelt weit verbreitet, da sie effizient, robust und leicht zu warten sind.
Montierter Plattenwärmetauscher
Komponenten des Plattenwärmetauschers (PWT)
Plattenwärmetauscher bestehen aus relativ wenigen Komponenten. Da sie zur Wärmeübertragung eingesetzt werden, benötigen sie Ein- und Auslässe, durch die die Medien - oder Flüssigkeiten - in den Wärmetauscher ein- und austreten können. Eine Flüssigkeit kann ein flüssiges oder gasförmiges Medium sein. Da Flüssigkeiten oft nur als flüssig angenommen werden, verwenden wir den Begriff strömendes Medium, um Missverständnisse zu vermeiden.
Plattenwärmetauscher (Explosionsansicht)
Dichtungen und Platten werden verwendet, um die strömenden Medien zu trennen und deren Vermischung zu verhindern; Dichtungen sind nur auf einer Seite jeder Platte angebracht. Die Platten sind an einer Tragstange aufgehängt und werden mit Spannbolzen zusammengepresst. Wenn die Platten zusammengepresst werden, spricht man von einem ‘Plattenstapel’. Eine Führungsstange sorgt dafür, dass die Platten beim Öffnen und Schließen des Plattenstapels korrekt ausgerichtet sind.
Komponenten des Plattenwärmetauschers
Die letzten wesentlichen Komponenten sind die beiden Abdeckungen an den gegenüberliegenden Enden des Plattenstapels. Eine Abdeckung ist beweglich, während die andere fest ist. Die bewegliche Abdeckung und die feste Abdeckung werden manchmal auch als Rahmenplatte und Druckplatte bezeichnet. Beachten Sie, dass die Ein- und Auslässe nur an der festen Abdeckung montiert sind.
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Wie funktionieren Plattenwärmetauscher
Das untenstehende Video ist ein Auszug aus unserem Online-Videokurs zu Wärmetauschern.
In diesem Artikel betrachten wir einen hypothetischen Plattenwärmetauscher mit zwei strömenden Medien, eines ist kalt und das andere ist heiß. Das heiße Medium muss vom kalten Medium gekühlt werden, und dies geschieht im Plattenwärmetauscher.
Das heiße Medium tritt durch den Heißmedium-Einlass in den Wärmetauscher ein. Dichtungen leiten das heiße Medium, während es durch den Wärmetauscher fließt. Jede Platte hat ein wechselndes Dichtungsmuster. Das heiße Medium fließt in den Raum zwischen einem Plattenpaar, fließt jedoch nicht in den Raum zwischen dem nächsten Plattenpaar, da die Dichtungen dies verhindern. Der Prozess setzt sich fort, sodass jedes zweite Plattenpaar mit dem heißen strömenden Medium gefüllt ist.
Plattenwärmetauscher-Plattendichtungen
Gleichzeitig tritt das kalte Medium durch den Kaltmedium-Einlass in den Wärmetauscher ein, aber diesmal sind die Dichtungen so positioniert, dass das kalte Medium in den Raum fließen kann, in dem kein heißes Medium vorhanden ist. Der Wärmetauscher ist nun voll von sowohl heißen als auch kalten strömenden Medien. Jedes Medium fließt aus seinem zugehörigen Auslass heraus und der Prozess ist kontinuierlich.
Beachten Sie, dass die beiden strömenden Medien im gesamten Wärmetauscher immer nebeneinander liegen. Die strömenden Medien haben somit ein heiß-kalt-heiß-kalt-Strömungsmuster, während sie durch den Wärmetauscher fließen. Beide strömenden Medien sind vollständig voneinander durch die Dichtungen und Platten getrennt, sie vermischen sich nicht.
Wechselndes Kalt/Heiß-Muster
Aufgrund der Nähe der strömenden Medien wird zwischen ihnen Wärme ausgetauscht. Das heiße Medium erwärmt die Platte und die Platte gibt einen Teil dieser Wärme an das kalte strömende Medium ab; somit sinkt die Temperatur des heißen Mediums, während die Temperatur des kalten Mediums steigt.
Design des Plattenwärmetauschers
Die Platten sind der Hauptgrund, warum Plattenwärmetauscher so effizient sind.
Die Platten eines Plattenwärmetauschers mögen ein einfaches Design haben, aber jede Platte ist voller interessanter ingenieurtechnischer Designmerkmale. Zum Beispiel:
- Wenn die Platten zusammengedrückt werden, um einen Plattenstapel zu bilden, ist der Abstand zwischen den Platten sehr gering, was einen guten thermischen Kontakt zwischen den beiden strömenden Medien gewährleistet. Der Abstand zwischen den Platten wird auch als ‘Freiraum’ bezeichnet.
- Platten sind dünn und haben eine große Kontaktfläche, was jeder Platte eine hohe Wärmeübertragungsrate verleiht.
- Platten werden aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt, was die Wärmeübertragungsrate weiter erhöht.
- Riffelungen auf den Plattenoberflächen verhindern laminare Strömung und fördern turbulente Strömung, was die Wärmeübertragungsrate erhöht und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit von Ablagerungen auf den Plattenoberflächen reduziert.
- Die Riffelungen dienen auch dazu, die Plattenstruktur zu versteifen, was die Verwendung einer dünneren Platte ermöglicht im Vergleich zu einer Platte ohne Riffelungen. Beachten Sie, dass Plattenriffelungen manchmal als ‘Fischgrätenmuster’ bezeichnet werden.
Riffelungen im Fischgrätenmuster
Die Platten sind nicht der einzige Teil eines Plattenwärmetauschers mit umfangreichen Designmerkmalen, auch die Dichtungen haben interessante Designmerkmale:
- Dichtungen können eine Abdichtung zwischen den Platten aufrechterhalten, selbst wenn der Systemdruck und die Temperatur variieren.
- Löcher in jeder Dichtung - bekannt als Indikatoren - werden verwendet, um leckende Dichtungen zu identifizieren. Diese Funktion ermöglicht es den Bedienern, die betroffene Platte zu wechseln, bevor das leckende Medium durch die nächste Dichtung leckt und das andere strömende Medium kontaminiert.
Plattenwärmetauscher-Indikator
- Da die Dichtungen den Fluss durch den Wärmetauscher leiten, ist es wichtig, dass sie in der richtigen Reihenfolge installiert werden. Aus diesem Grund sind Dichtungen oft mit Markierungen versehen, damit die Bediener überprüfen können, ob jede Platte in der richtigen Reihenfolge im gesamten Plattenstapel installiert ist. Eine andere Möglichkeit, die Reihenfolge des Plattenstapels sicherzustellen, besteht darin, eine diagonale Linie über den gesamten Plattenstapel zu sprühen, wenn er montiert ist.
Plattenstapel mit diagonaler Linie
- Obwohl wir in diesem Artikel bisher nur zwei Dichtungsdesigns gezeigt haben, gibt es drei! Dichtungen wechseln sich im gesamten Wärmetauscher ab, außer bei den ersten und letzten Platten im Plattenstapel, die gegen die festen und beweglichen Abdeckungen drücken. Platten, die gegen die festen und beweglichen Abdeckungen drücken, werden als Anfangs- und Endplatten bezeichnet, aufgrund ihrer Position im Plattenstapel. Der Zweck der Anfangs- und Endplatten besteht darin, den Fluss in den Raum zwischen der festen Abdeckung und der Anfangsplatte sowie in den Raum zwischen der beweglichen Abdeckung und der Endplatte zu verhindern. Auf diese Weise werden die Abdeckungen nicht aktiv zur Wärmeaustauschung genutzt; dies macht Sinn, da die Abdeckungen ziemlich dick sind, keine Riffelungen haben und schlecht für den Wärmeaustausch geeignet sind.
Plattendichtungen (Endplattendichtung rechts gezeigt)
Variieren der Kühlkapazität
Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Kühlkapazität eines Plattenwärmetauschers zu variieren:
- Regulieren Sie die Auslassventile, um den Fluss zu erhöhen oder zu verringern; diese Methode ist nützlich, da der Wärmetauscher nicht demontiert werden muss. Drosseln/regulieren Sie nicht die Einlassventile, da dies den Wärmetauscher aushungern und zu lokaler Überhitzung führen kann.
- Erhöhen oder verringern Sie die Anzahl der Platten im Plattenstapel. Eine Erhöhung der Anzahl der Platten im Plattenstapel führt zu einer entsprechenden Erhöhung der Kühlkapazität. Eine Verringerung der Anzahl der Platten im Plattenstapel führt zu einer entsprechenden Verringerung der Kühlkapazität. Kurz gesagt, mehr Platten bedeuten mehr Kühlkapazität und weniger Platten bedeuten weniger Kühlkapazität.
- Verwenden Sie ein Einweg- oder Mehrwegdesign. Einweg-Wärmetauscher ermöglichen es den beiden strömenden Medien, nur einmal aneinander vorbeizufließen. Mehrweg-Wärmetauscher ermöglichen es den strömenden Medien, mehrmals aneinander vorbeizufließen. Die meisten Plattenwärmetauscher verwenden das Einwegdesign.
Einweg- und Mehrwegdesign
Strömungstypen
Der Fluss durch einen Plattenwärmetauscher kann parallel, quer oder gegenläufig sein. Plattenwärmetauscher verwenden normalerweise Gegenstrom, da dies der effizienteste Strömungstyp für den Wärmeaustausch ist. Gegenstrom wird manchmal auch als Kontrastrom bezeichnet.
Parallel-, Gegen- und Querströmung
Designüberlegungen für Platten
Da Plattenwärmetauscher für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, müssen sie so konstruiert sein, dass sie den Prozessbedingungen standhalten, unter denen sie betrieben werden, einschließlich korrosiver und erosiver Umgebungen. Es ist möglich, Plattenwärmetauscher aus verschiedenen Materialien herzustellen, einschließlich Metallen, Legierungen und Kunststoffen. Unterschiedliche Materialien machen den Plattenwärmetauscher für unterschiedliche Anwendungen besser geeignet. Wenn beispielsweise ein bestimmtes strömendes Medium aggressiv reagiert, wenn es mit bestimmten Metallen in Kontakt kommt, können stattdessen polymerbasierte Materialien wie Teflon verwendet werden.
Vorteile von Plattenwärmetauschern
Es gibt zahlreiche Vorteile, die mit Plattenwärmetauschern verbunden sind:
- Plattenwärmetauscher wiegen weniger, benötigen weniger Platz und sind effizienter im Vergleich zu anderen Wärmetauscherdesigns gleicher Größe.
- Der Austausch und die Reinigung der Platten ist eine einfache Aufgabe, da der Plattenstapel leicht geöffnet werden kann.
- Und im Gegensatz zu Rohrbündelwärmetauschern benötigen Plattenwärmetauscher keinen zusätzlichen Platz für die Demontage.
Nachteile von Plattenwärmetauschern
Aber es gibt auch einige Nachteile, die mit Plattenwärmetauschern verbunden sind:
- Plattenwärmetauscher neigen dazu, teurer zu sein als andere Wärmetauscherdesigns.
- Wenn eine Dichtung undicht ist und ein strömendes Medium mit dem anderen vermischt, ist die leckende Platte oft schwer zu lokalisieren.
- Der Austausch von Plattendichtungen vor Ort kann schwierig oder unmöglich sein. Einige Plattendichtungen müssen zum Austausch an den Hersteller zurückgeschickt werden, was sowohl Zeit als auch Geld kostet.
- Wenn die Platten zusammengedrückt werden, um einen Plattenstapel zu bilden, ist der Freiraum zwischen den Platten klein, was die Wahrscheinlichkeit von Verschmutzungen erhöht mit einer entsprechenden Verringerung der Wärmeübertragung.
- Beim Zusammenbau des Plattenstapels kann ein Überziehen der Spannbolzen zum Zerdrücken der Platten führen, was die Plattenriffelungen beschädigt und die Dichtungen herausdrückt. Wenn die Dichtungen herausgedrückt werden, wird die Platte nicht mehr korrekt abgedichtet.
- Plattenwärmetauscher sind nicht für Hochdruckanwendungen geeignet, da die Dichtungen durch den Systemdruck herausgedrückt würden; diese Situation wird als ‘Dichtungsausbruch’ bezeichnet. Es ist jedoch möglich, dieses Problem durch die Verwendung eines dichtungsfreien Designs zu umgehen; diese Designs verwenden normalerweise gelötete oder geschweißte Platten. Gelötete und geschweißte Plattenwärmetauscher sind besser geeignet für Anwendungen mit höheren Temperaturen und höherem Druck, aber auch für Anwendungen, bei denen ein Leck gefährlich/katastrophal wäre, z.B. giftige oder schädliche strömende Medien.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger
https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work