Wat zijn plaatwarmtewisselaars?
Plaatwarmtewisselaars zijn een van de meest gebruikte soorten warmtewisselaars die tegenwoordig worden toegepast; een ander veelvoorkomend type warmtewisselaar is de mantel- en buiswarmtewisselaar. De spiraalwarmtewisselaar wordt ook gebruikt voor industriële toepassingen, maar het gebruik ervan is beperkt in vergelijking met de andere twee typen van warmtewisselaars.
Plaatwarmtewisselaars worden veelvuldig toegepast in de technische wereld vanwege hun efficiëntie, robuustheid en eenvoudig onderhoud.
Samengestelde Plaatwarmtewisselaar
Onderdelen van de Plaatwarmtewisselaar (PHE)
Plaatwarmtewisselaars bestaan uit relatief weinig onderdelen. Omdat ze worden gebruikt voor warmteoverdracht, hebben ze inlaten en uitlaten nodig voor de stromende media - of fluïda - om de warmtewisselaar binnen te komen en te verlaten. Een fluïdum kan zowel een vloeistof als een gas zijn. Om verwarring te voorkomen, gebruiken we de term stromend medium.
Plaatwarmtewisselaar (Exploded View)
Pakkingen en platen worden gebruikt om de stromende media te scheiden en te voorkomen dat ze mengen; pakkingen worden slechts aan één zijde van elke plaat bevestigd. De platen hangen aan een draagstang en worden samengeperst met behulp van klemmenbouten. Wanneer de platen samen worden geperst, vormen ze een ‘plaatstapel’. Een geleidestang zorgt ervoor dat de platen correct zijn uitgelijnd wanneer de plaatstapel wordt geopend en gesloten.
Onderdelen van de Plaatwarmtewisselaar
De laatste belangrijke onderdelen zijn de twee afdekkingen aan de uiteinden van de plaatstapel. Eén afdekking is beweegbaar, terwijl de andere vast is. De beweegbare afdekking en vaste afdekking worden ook wel het frameplaat en drukplaat genoemd. Let op dat de inlaten en uitlaten alleen op de vaste afdekking zijn gemonteerd.
Geniet je van dit artikel? Zorg ervoor dat je onze Introductie tot Warmtewisselaars Videocursus en Plaatwarmtewisselaar Grondbeginselen Videocursus bekijkt. Elke cursus bevat een quiz, handboek en je ontvangt een certificaat na voltooiing. Veel plezier!
Hoe Werken Plaatwarmtewisselaars
De onderstaande video is een fragment uit onze Warmtewisselaars Online Videocursus.
In dit artikel bespreken we een hypothetische plaatwarmtewisselaar met twee stromende media, waarvan er één koud en de ander heet is. Het hete medium moet worden gekoeld door het koude medium, en dit vindt plaats in de plaatwarmtewisselaar.
Het hete medium komt de warmtewisselaar binnen via de inlaat voor het hete medium. Pakkingen geleiden het hete medium terwijl het door de warmtewisselaar stroomt. Elke plaat heeft een afwisselend pakkingspatroon. Het hete medium stroomt in de ruimte tussen een paar platen, maar stroomt niet in de ruimte tussen het volgende paar platen omdat de pakkingen dit voorkomen. Het proces gaat door zodat elke tweede set platen gevuld is met het hete stromende medium.
Plaatwarmtewisselaar Plaatpakkingen
Tegelijkertijd komt het koude medium de warmtewisselaar binnen via de inlaat voor het koude medium, maar deze keer zijn de pakkingen zo geplaatst dat het koude medium kan stromen in de ruimte waar geen heet medium aanwezig is. De warmtewisselaar is nu gevuld met zowel hete als koude stromende media. Elk medium stroomt uit zijn bijbehorende uitlaat en het proces is continu.
Merk op dat de twee stromende media altijd naast elkaar liggen in de warmtewisselaar. De stromende media hebben dus een heet, koud, heet, koud stromingspatroon terwijl ze door de warmtewisselaar stromen. Beide stromende media zijn volledig gescheiden van elkaar door de pakkingen en platen, ze mengen niet.
Afwisselend Koud/Heet Patroon
Vanwege de nauwe nabijheid van de stromende media wordt warmte tussen hen uitgewisseld. Het hete medium verwarmt de plaat en de plaat geeft een deel van deze warmte door aan het koude stromende medium; zo neemt de temperatuur van het hete medium af terwijl de temperatuur van het koude medium toeneemt.
Ontwerp van de Plaatwarmtewisselaar
De platen zijn de belangrijkste reden waarom plaatwarmtewisselaars zo efficiënt zijn.
De platen op een plaatwarmtewisselaar lijken misschien eenvoudig, maar elke plaat bevat interessante technische ontwerpkenmerken. Bijvoorbeeld:
- Wanneer de platen samen worden geperst om een plaatstapel te vormen, is de opening tussen elke plaat zeer klein, wat zorgt voor goed thermisch contact tussen de twee stromende media. De opening tussen de platen wordt ook wel ‘speling’ genoemd.
- Platen zijn dun en hebben een groot contactoppervlak, wat elke plaat een hoge warmteoverdrachtsnelheid geeft.
- Platen worden vervaardigd uit een materiaal met hoge thermische geleidbaarheid, wat de warmteoverdrachtsnelheid verder verhoogt.
- Golfpatronen op de plaatoppervlakken voorkomen laminaire stroming en bevorderen turbulente stroming, wat de warmteoverdrachtsnelheid verhoogt en tegelijkertijd de kans op afzettingen op de plaatoppervlakken vermindert.
- De golfpatronen dienen ook om de plaatstructuur te verstevigen, waardoor een dunnere plaat kan worden gebruikt in vergelijking met een plaat zonder golfpatronen. Merk op dat plaatgolfpatronen soms worden aangeduid als een ‘visgraat’ patroon.
Golfpatroon Visgraat
De platen zijn niet het enige onderdeel van een plaatwarmtewisselaar met uitgebreide ontwerpkenmerken, de pakkingen hebben ook interessante ontwerpkenmerken:
- Pakkingen kunnen een afdichting tussen de platen behouden, zelfs wanneer de systeemdruk en temperatuur variëren.
- Gaten in elke pakking - bekend als telltales - worden gebruikt om lekkende pakkingen te identificeren. Deze functie stelt operators in staat om de aangetaste plaat te vervangen voordat het lekkende medium door de volgende pakking lekt en het andere stromende medium verontreinigt.
Plaatwarmtewisselaar Telltale
- Omdat de pakkingen de stroming door de warmtewisselaar leiden, is het essentieel dat ze in de juiste volgorde worden geïnstalleerd. Om deze reden zijn pakkingen vaak voorzien van markeringen zodat operators kunnen controleren of elke plaat in de juiste volgorde is geïnstalleerd door de hele plaatstapel. Een andere manier om ervoor te zorgen dat de volgorde van de plaatstapel correct is, is door een diagonale lijn over de hele plaatstapel te spuiten wanneer deze is gemonteerd.
Plaatstapel met Diagonale Lijn
- Hoewel we in dit artikel slechts twee pakkingsontwerpen hebben getoond, zijn er drie! Pakkingen wisselen elkaar af door de warmtewisselaar behalve voor de eerste en laatste platen binnen de plaatstapel, die tegen de vaste en beweegbare afdekkingen drukken. Platen die tegen de vaste en beweegbare afdekkingen drukken, worden bekend als start en eindplaten, vanwege hun positie binnen de plaatstapel. Het doel van de start- en eindplaten is om stroming in de ruimte tussen de vaste afdekking en startplaat te voorkomen, en om stroming in de ruimte tussen de beweegbare afdekking en eindplaat te voorkomen. Op deze manier worden de afdekkingen niet actief gebruikt om warmte uit te wisselen; dit is logisch omdat de afdekkingen vrij dik zijn, geen golfpatronen hebben en slecht geschikt zijn om warmte uit te wisselen.
Plaatpakkingen (eindplaatpakking rechts weergegeven)
Het Variëren van de Koelcapaciteit
Er zijn verschillende manieren om de koelcapaciteit van een plaatwarmtewisselaar te variëren:
- Reguleer de uitlaatkleppen zodat de stroming wordt verhoogd of verlaagd; deze methode is nuttig omdat er geen demontage van de warmtewisselaar plaatsvindt. Beperk/reguleer de inlaatkleppen niet omdat dit de warmtewisselaar kan uithongeren en plaatselijke oververhitting kan veroorzaken.
- Verhoog of verlaag het aantal platen in de plaatstapel. Het verhogen van het aantal platen in de plaatstapel geeft een overeenkomstige toename in koelcapaciteit. Het verlagen van het aantal platen in de plaatstapel geeft een overeenkomstige afname in koelcapaciteit. Kortom, meer platen betekent meer koelcapaciteit en minder platen betekent minder koelcapaciteit.
- Gebruik een enkelvoudig of meervoudig doorstroomontwerp. Enkelvoudige doorstroomwarmtewisselaars laten de twee stromende media slechts één keer langs elkaar stromen. Meervoudige doorstroomwarmtewisselaars laten de stromende media meerdere keren langs elkaar stromen. De meeste plaatwarmtewisselaars gebruiken het enkelvoudige doorstroomontwerp.
Enkelvoudig en Meervoudig Doorstroomontwerp
Stromingstypen
Stroming door een plaatwarmtewisselaar kan parallel, kruis of tegenstroom zijn. Plaatwarmtewisselaars gebruiken meestal tegenstroom omdat dit het meest efficiënte type stroming is voor warmteoverdracht. Tegenstroom wordt soms ook wel contrastroom genoemd.
Parallelle, Tegenstroom en Kruisstroom
Ontwerp Overwegingen voor Platen
Omdat plaatwarmtewisselaars worden gebruikt voor uiteenlopende toepassingen, moeten ze worden ontworpen om de procesomstandigheden waarin ze werken te weerstaan, dit kan corrosieve en erosieve omgevingen omvatten. Het is mogelijk om plaatwarmtewisselaars te construeren uit verschillende materialen, waaronder metalen, legeringen en kunststoffen. Verschillende materialen maken de plaatwarmtewisselaar geschikter voor verschillende toepassingen. Bijvoorbeeld, als een bepaald stromend medium agressief reageert bij contact met bepaalde metalen, kunnen polymeer-gebaseerde materialen zoals Teflon in plaats daarvan worden gebruikt.
Voordelen van de Plaatwarmtewisselaar
Er zijn talrijke voordelen verbonden aan plaatwarmtewisselaars:
- Plaatwarmtewisselaars wegen minder, vereisen minder ruimte en zijn efficiënter vergeleken met andere warmtewisselaarontwerpen van dezelfde grootte.
- Het vervangen en reinigen van de platen is een eenvoudige taak omdat de plaatstapel gemakkelijk kan worden geopend.
- En in tegenstelling tot mantel- en buiswarmtewisselaars, vereisen plaatwarmtewisselaars geen extra ruimte voor demontage.
Nadelen van de Plaatwarmtewisselaar
Maar er zijn ook enkele nadelen verbonden aan plaatwarmtewisselaars:
- Plaatwarmtewisselaars zijn vaak duurder dan andere warmtewisselaarontwerpen.
- Als er een lekkende pakking is die ervoor zorgt dat het ene stromende medium met het andere mengt, is de lekkende plaat vaak moeilijk te lokaliseren.
- Vervanging van plaatpakkingen ter plaatse kan moeilijk of onmogelijk zijn. Sommige plaatpakkingen moeten naar de fabrikant worden teruggestuurd voor vervanging, wat zowel tijd als geld kost.
- Wanneer de platen samen worden geperst om een plaatstapel te vormen, is de speling tussen elke plaat klein, dit verhoogt de kans op vervuiling met een overeenkomstige vermindering van de warmteoverdracht.
- Bij het opnieuw monteren van de plaatstapel kan overmatig aandraaien van de klemmenbouten leiden tot het pletten van de platen, wat de plaatgolfpatronen beschadigt en de pakkingen eruit drukt. Als de pakkingen eruit worden gedrukt, zal de plaat niet langer correct afdichten.
- Plaatwarmtewisselaars zijn niet geschikt voor hogedruktoepassingen omdat de pakkingen door de systeemdruk zouden worden uitgeworpen; deze situatie wordt aangeduid als ‘pakkinguitbarsting’. Het is echter mogelijk om dit probleem te omzeilen door een pakkingloos ontwerp te gebruiken; deze ontwerpen gebruiken meestal gesoldeerde of gelaste platen. Gesoldeerde en gelaste plaatwarmtewisselaars zijn geschikter voor hogere temperatuur- en hogere druktoepassingen, maar ook voor toepassingen waar lekkage gevaarlijk/catastrofaal zou zijn, bijvoorbeeld giftige of schadelijke stromende media.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Plaatwarmtewisselaar Grondbeginselen
Introductie tot Warmtewisselaars
Aanvullende Bronnen
https://en.wikipedia.org/wiki/Plate_heat_exchanger
https://www.alfalaval.com/microsites/gphe/tools/how-gphes-work