Plattenwärmetauscher

Gelötete Plattenwärmetauscher bestehen aus unter Vakuum miteinander verlöteten Edelstahlplatten. Je nach Anwendung wird Kupfer, Nickel oder Edelstahl als Lotmaterial verwendet. Durch das Lötverfahren sind die Plattenwärmetauscher dauerhaft miteinander verbunden, haben eine hohe Druck- und Temperaturbeständigkeit  und sind praktisch wartungsfrei ohne Dichtungen.
Die um 180° zueinander verdrehten Platten, bilden mit ihren Prägungen voneinander getrennte Strömungskanäle, in denen die Fluide in Entgegengesetzter Flussrichtung (im Gegenstromprinzip) geführt werden.
Die Edelstahlplatten gibt es mit unterschiedlichen thermischen Plattenprägemustern, diese sinusförmigen Wellenmuster, von standardmäßig 60° bis 130° sind entscheidend für die thermischen Eigenschaften.
Platten mit einem Prägungswinkel von 130° (H-Prägung) haben eine hochturbulente Strömung und damit eine hohe Wärmeübertragung und Druckverlust.
Prägungswinkel von 60° (L-Prägung) haben eine geringe Strömungsturbulenz, mit niedrigem Druckverlust und Wärmeübergang und eignen sich daher bestens für hohe Temperaturspreizungen und Volumenströme.
 

Gleich- und Gegenstromprinzip

Die maximale zu  übertragene Wärmeenergie eines Plattenwärmetauschers hängt nicht nur von der Größe der Aus-tauschfläche und der Wärmedurchgangszahl (k) ab, mit entscheidend sind auch die Flussrichtungen der Medien.
Wenn beide Medien im Plattenwärmetauscher in die gleiche Richtung fließen spricht man vom Gleichstromprinzip, wenn sie entgegengesetzt fließen vom Gegenstromprinzip.

Die Flussrichtung, ist entscheidend für die mittlere Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien.
 

  

 

Theoretische Betrachtung der beiden Anschlussmöglichkeiten eines Plattenwärmetauschers:

Für die Betrachtung nehmen wir an das es sich um zwei Medien mit gleicher Wärmekapazität und gleichem Massenstrom handelt.

Medium 1: 80°C
Medium 2: 20°C

Die maximal erreichbare Temperatur beim Gleichstromprinzip für beide Medien wäre 50 °C, dies würde der Mischungstemperatur entsprechen.
Beim Gegenstromprinzip hingegen ist die maximal erreichbare Temperatur für Medium 2: 80°C und für
Medium 1: 20°C.

Daraus folgt, bei Verwendung des Gegenstromprinzips kann eine größere Wärmemenge bei gleicher Austauschfläche übertragen werden.

 

Die Grädigkeit:

Die Temperaturdifferenz zwischen der Primär-Eintrittstemperatur und Sekundär-Austrittstemperatur bezeichnet man als Grädigkeit. Als Richtwert sollte bei Heizungsanlagen mindestens ≥ 5 Kelvin und bei Kühlanlagen ≥ 2 Kelvin gewählt werden.
Bei geringerer Grädigkeit und gleicher thermischer Leistung nimmt die benötigte Austauchfläche stetig zu.
 

Plattenwärmetauscher

Ein Plattenwärmetauscher ist eine technische Vorrichtung, die in zahlreichen industriellen Anwendungen für die effiziente Übertragung von Wärme zwischen zwei Fluiden eingesetzt wird. Dieses Gerät besteht aus einer Anordnung von dünnen Metallplatten, die so gestapelt sind, dass sich dazwischen Kanäle für die beiden beteiligten Fluide ergeben. Die Hauptziele eines Plattenwärmetauschers sind die Maximierung des Wärmeaustauschs und die Minimierung des Druckverlustes während dieses Prozesses. Ein wichtiger Begriff im Zusammenhang mit Plattenwärmetauschern ist die "Grädigkeit" (auch Temperaturdifferenz oder Temperaturübertragungsdifferenz genannt). Die Grädigkeit gibt die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluiden in einem Wärmetauscher an. Sie ist entscheidend für die Effizienz des Wärmeaustauschs. Je kleiner die Grädigkeit, desto effizienter ist der Wärmeübertragungsprozess. Es ist wichtig zu beachten, dass die Grädigkeit im Laufe der Zeit zunehmen kann, was auf Ablagerungen auf den Platten oder andere Faktoren zurückzuführen sein kann.

Die Spreizung ist ein weiterer wichtiger Aspekt bei Plattenwärmetauschern. Sie bezieht sich auf den Unterschied zwischen den Eintritts- und Austrittstemperaturen der beiden Fluide. Eine größere Spreizung ermöglicht einen effektiveren Wärmeaustausch, da mehr Wärme übertragen werden kann. Allerdings kann eine zu große Spreizung zu Problemen wie Materialermüdung oder sogar Beschädigung des Plattenwärmetauschers führen. Die Funktionsweise eines Plattenwärmetauschers beruht auf dem Prinzip der Konvektion und des Temperaturaustauschs zwischen den beiden Fluiden. Wenn die Fluide durch die Kanäle zwischen den Platten strömen, kommt es aufgrund der Temperaturunterschiede zu einem Wärmeaustausch. Die dünnen Platten dienen dabei dazu, die Wärmeübertragungsfläche zu maximieren und den Prozess effizienter zu gestalten. Plattenwärmetauscher finden in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung, darunter Heizung, Lüftung, Klimaanlagen, chemische Verfahrenstechnik und Lebensmittelindustrie. Die Flexibilität und Effizienz dieser Wärmetauscher machen sie zu einer bevorzugten Wahl in vielen industriellen Prozessen. Insgesamt sind die Grädigkeit und die Spreizung zwei Schlüsselparameter, die die Leistungsfähigkeit eines Plattenwärmetauschers beeinflussen. Eine genaue Auswahl dieser Parameter sind entscheidend, um sicherzustellen, dass der Wärmetauscher optimal arbeitet und die gewünschten thermischen Ergebnisse erzielt werden.

 

Formeln zur thermischen Berechnung von Wärmetauscher: