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Funktionsprinzip und Kapazität von Plattenwärmetauschern

• Kapazität von Plattenwärmetauschern
• Effizienz von Plattenwärmetauschern
• Plattenstärke und Kanalmuster (H, M oder L)
• Umwälzpumpen
• Wärmeverlust des Wärmetauschers
• Anschluss der Ports

Kunden benötigen in der Regel Plattenwärmetauscher für Anwendungen ohne Phasenwechsel – gängige Beispiele sind Wasser-Wasser-Wärmetauscher für Heizsysteme oder Öl-Wasser-Kühler.

In bestimmten Fällen durchläuft das Arbeitsmedium im Wärmetauscher einen Phasenwechsel:

• Verdampfer: Das Kältemittel verdampft und wechselt vom flüssigen in den gasförmigen Zustand.
• Kondensator: Das Kältemittel kondensiert und wechselt vom gasförmigen in den flüssigen Zustand.

Kapazität von Plattenwärmetauschern

Die Kapazität ist ein zentraler Aspekt für Anwender, jedoch ist die Wärmeübertragungskapazität eines Plattenwärmetauschers nicht für ein bestimmtes Modell festgelegt. Ein einziges Gerät kann je nach Betriebsbedingungen 20 kW oder 100 kW leisten. Mehrere Faktoren beeinflussen die Leistung, darunter:

• Abmessungen des Wärmetauschers (Breite, Höhe)
• Anzahl der Platten
• Kanalmuster
• Durchflussraten
• Temperaturdifferenz zwischen primärem und sekundärem Kreislauf
• Physikalische Eigenschaften der Medien (z. B. Viskosität, Wärmeleitfähigkeit, Aggregatzustand)

Konstruktionsüberlegungen für Plattenwärmetauscher

Plattenwärmetauscher werden üblicherweise in Gegenstromanordnung betrieben, was die Effizienz im Vergleich zur Gleichstromanordnung deutlich steigert.

• Längere Platten verbessern die Wärmeübertragung, da sie eine größere Temperaturannäherung zwischen dem primären Eintritt und dem sekundären Austritt ermöglichen.
• Druckverluste steigen mit längeren Platten, wodurch eine leistungsstärkere Pumpe erforderlich ist, um den Durchfluss aufrechtzuerhalten.
• Eine Erhöhung der Plattenanzahl reduziert den Druckverlust (eine Verdopplung der Plattenanzahl verringert die Druckverluste auf ein Viertel).

Effizienz von Plattenwärmetauschern

Ein idealer Wärmetauscher würde eine Effizienz von 100 % erreichen, doch in realen Systemen treten stets Verluste auf. Dennoch zählen Plattenwärmetauscher zu den effizientesten Typen und erreichen häufig eine Effizienz von über 90 %. In der Praxis bedeutet dies, dass das kalte Medium auf eine höhere Temperatur erwärmt wird, als es bei einer einfachen Vermischung der beiden Medien der Fall wäre. Diese hohe Effizienz ist maßgeblich auf die Gegenstromanordnung zurückzuführen, die den Wärmeaustausch maximiert.

Für eine hohe Effizienz ist eine große Wärmeaustauschfläche erforderlich. Dies wird durch folgende Maßnahmen erreicht:

• Gestapelte Edelstahlplatten (üblicherweise AISI 316, 0,5 mm dick).
• Gewellte Oberflächen, die die Wärmeaustauschfläche vergrößern, Turbulenzen erzeugen, die Leistung steigern und selbstreinigende Eigenschaften bieten.
• Abwechselnde Kanäle für heiße und kalte Medien, die eine Trennung der Medien gewährleisten und gleichzeitig den Wärmeaustausch maximieren.

Abdichtungsmethoden

• Gelötete Plattenwärmetauscher: Verwenden Kupfer- oder Nickellot zur Abdichtung der Kammern, was auch zur Wärmeübertragung beiträgt.
• Gedichtete Plattenwärmetauscher: Nutzen Gummidichtungen anstelle von Lötmaterial, wodurch sie zur Reinigung geöffnet oder durch Hinzufügen weiterer Platten erweitert werden können.

Effizienz vs. Kosten

Bei der Konstruktion eines Wärmetauschers ist ein Gleichgewicht zwischen Kosten und Effizienz entscheidend. In vielen Anwendungen ist eine extrem hohe Effizienz nicht erforderlich, da ungenutzte Wärme einfach zur Quelle zurückkehren kann. Zudem werden zusätzliche Effizienzsteigerungen zunehmend kostspieliger.

Anzahl der Wärmetauscherplatten

Eine Erhöhung der Plattenanzahl verbessert die Leistung, jedoch mit abnehmendem Ertrag – anfängliche Zuwächse sind signifikant, während weitere Platten nur geringe Effekte erzielen. Um Leistungssteigerungen aufrechtzuerhalten, müssen auch die Durchflussraten erhöht werden.

• Eine Verdopplung der Plattenanzahl und der Durchflussraten führt zu einer Verdopplung der Wärmeübertragungskapazität.
• Längere Wärmetauscher verbessern die Effizienz, da sich die Temperaturen von primärem und sekundärem Kreislauf stärker annähern können.
• Höhere Effizienz geht mit größeren Druckverlusten einher, die durch das Hinzufügen weiterer Platten reduziert werden können.

Alternative Effizienzsteigerung: Doppelte Wärmetauscher

Die Effizienz kann auch durch die Reihenschaltung von zwei Wärmetauschern gesteigert werden. Dies ist jedoch nur bei niedrigen Durchflussraten praktikabel, da die Druckverluste steigen. Eine effizientere Lösung ist ein einzelner Wärmetauscher mit vier Anschlüssen, der beide Kreisläufe integriert.

Plattenstärke und Wärmeleitfähigkeit

Die Plattenstärke beeinflusst sowohl die Effizienz als auch die Haltbarkeit:

• Dünnere Platten verbessern die Wärmeübertragung, verringern jedoch die mechanische und chemische Beständigkeit.
• Dickere Platten bieten höhere Haltbarkeit, reduzieren jedoch die Wärmeleitfähigkeit.

Kanalmuster

Die meisten Hersteller bieten Plattenwärmetauscher mit Fischgrätenmustern in den Varianten L, M oder H an, oder Kombinationen wie L+M oder M+H. Diese Muster beeinflussen sowohl die Effizienz als auch den Druckverlust:

• H-Platten (High Theta, großer Winkel): Erzeugen stärkere Turbulenzen, was zu hoher Effizienz, aber auch zu höheren Druckverlusten führt.
• M-Platten (mittlerer Winkel): Bieten eine ausgewogene Kombination aus Effizienz und Widerstand.
• L-Platten (Low Theta, kleiner Winkel): Bieten geringeren Widerstand, aber auch eine niedrigere Effizienz.

Turbulenter Fluss & Überlegungen zu Druckverlusten

Die Wahl des Kanalmusters hängt von den Projektspezifikationen ab. Höhere Druckverluste erhöhen die Belastung der Umwälzpumpe. Wenn die Verluste zu hoch sind, kann das Hinzufügen weiterer Platten den Widerstand reduzieren. Eine zu starke Reduzierung des Druckverlusts ist jedoch unerwünscht, da sie den turbulenten Fluss schwächt, die Scherspannung verringert und das Risiko von Verschmutzungen erhöht. Turbulenter Fluss verhindert Ablagerungen und tritt auf, wenn:

• Reynolds-Zahl (R) > 150
• Scherspannung > 35 Pa (idealerweise 50 Pa)

Bei Verschmutzungsrisiken sollte der Wärmetauscher nicht überdimensioniert werden. Unsere Berechnungssoftware kann das optimale Kanalmuster für Ihr Projekt ermitteln.

Durchflussrate & Leistung des Wärmetauschers

Die Anpassung der Durchflussrate ermöglicht die Steuerung der Leistung des Wärmetauschers:

• Eine Verdopplung des Durchflusses in beiden Kreisläufen verdoppelt die Wärmeübertragungskapazität.
• Druckverluste steigen jedoch mit dem Quadrat der Durchflussrate, wodurch hohe Durchflussraten aufgrund der hohen Pumpkosten unpraktisch werden.
• In Standardkonstruktionen sind Durchflussraten von 1 bis 3 m³/h bei Druckverlusten von etwa 20 kPa in der Regel optimal.

Eine falsch dimensionierte Rohrleitung kann deutlich höhere Druckverluste verursachen als der Wärmetauscher selbst. Wichtige Faktoren sind:

• Fittings: Jedes zusätzliche Fitting erhöht den Widerstand. Beispielsweise entspricht ein einzelner Winkelstück einem Druckverlust von etwa 25-fachem Rohrdurchmesser.
• Beispielrechnung: In einem 1-Zoll-Rohr (Ø25 mm) mit sechs Winkelstücken ergibt sich eine zusätzliche äquivalente Länge von: 6 × 25 × 25 = 3,8 Meter.
• Alternative Lösungen: Die Verwendung von Bögen statt Winkelstücken kann Druckverluste um fast 50 % reduzieren.
• Sanfte Übergänge: Abrupte Durchmesseränderungen verursachen Turbulenzen und zusätzliche Verluste; sanfte Übergänge minimieren diesen Effekt.

Wärmeverluste in Plattenwärmetauschern

SWEP Plattenwärmetauscher haben zwei Kreisläufe:

• Interner Kreislauf (Anschlüsse links): Üblicherweise der Primärkreislauf, bestehend aus inneren Platten.
• Externer Kreislauf (Anschlüsse rechts): Üblicherweise der Sekundärkreislauf, wobei die erste und letzte Platte als Endplatten dienen.

Für eine höhere Effizienz sollte das heiße Medium an den internen Kreislauf angeschlossen werden, um Wärmeverluste an die Umgebung zu minimieren. Eine Isolierung des Wärmetauschers verhindert Wärmeverluste und Kondensationsbildung. Hierfür steht spezielle Isolierung zur Verfügung.

Berechnungen für Wärmetauscher

Mehrere Faktoren beeinflussen die Wärmeübertragungskapazität. Für eine präzise Dimensionierung empfehlen wir eine individuelle Berechnung. Folgende Tools stehen zur Verfügung:

Online-Rechner für Wasser/Wasser-Wärmetauscher (auch für Kühler geeignet)

Online-Rechner für Öl/Wasser-Plattenkühler

SWEP BPHE-Kapazitätstabelle (70/50 °C heiß, 40/60 °C kalt)

ARES Gedichtete Wärmetauscher-Kapazitätstabelle (90/80 °C heiß, 75/85 °C kalt)

Anschluss des Plattenwärmetauschers

Allgemeine Installationsvorkehrungen

• Vermeidung von Pulsationen: Zyklische Druck- oder Temperaturschwankungen können den Wärmetauscher beschädigen.
• Vermeidung von Einfrieren: Das Medium im Wärmetauscher darf nicht gefrieren, da dies strukturelle Schäden verursachen kann.
• Minimierung von Vibrationen: Bei Vibrationen sollten Schwingungsdämpfer installiert werden, um den Wärmetauscher zu schützen.
• Einsatz von Regelventilen an den Einlässen: Beim Start langsam die Einlassventile öffnen, während der Auslass vollständig geöffnet bleibt.
• Installation von Entleerung und Entlüftung: Entleerungsventil am tiefsten Anschlusspunkt, Entlüftungsventil am höchsten Punkt (muss beim Start geöffnet werden).
• Schutz vor Überdruck: Falls der Systemdruck den Auslegungsdruck des Wärmetauschers überschreiten könnte, ein Überdruckventil an den Einlä0ssen installieren.

Kreislauforientierung & Positionierung

Wenn der Pfeil nach oben zeigt:

• Interner Kreislauf (linke Seite bei vertikaler Ausrichtung): Wird üblicherweise an die Wärmequelle oder das Kältemittel angeschlossen.
• Externer Kreislauf (rechte Seite bei vertikaler Ausrichtung): Nutzt Endplatten und wird in der Regel für das kalte Medium verwendet, um Wärmeverluste zu minimieren.

Für den Einsatz als Heizgerät (z. B. zur Warmwasserbereitung oder Raumheizung) kann der Plattenwärmetauscher vertikal oder horizontal installiert werden, mit Einlässen oben oder unten. Empfohlene Anschlüsse (diese Konfiguration reduziert Kalkablagerungen und verhindert unnötige Wärmeverluste):

• Heißer Kreislauf: Eintritt über F1, Austritt über F3.
• Kalter Kreislauf: Eintritt über F4, Austritt über F2.

Für asymmetrische Wärmetauscher (z. B. E8ASH, E8LASH):

• Der innere Kreislauf (F1-F3) ist schmaler und weist höhere Druckverluste auf.
• Bei Durchflussheizern sollte das erwärmte Brauchwarmwasser (DHW) an den äußeren, breiteren Kreislauf (F4-F2) angeschlossen werden, um optimale Leistung zu erzielen.

Kühler: Positionierung und Anschlüsse haben wenig Einfluss auf den Betrieb. Der Wärmetauscher kann vertikal oder horizontal installiert werden. Der äußere Kreislauf sollte für das heiße Medium verwendet werden, da Wärme in die Umgebung entweichen kann.

Kondensator: Das Kältemittel muss von oben eintreten und das Kondensat von unten abfließen. Wenn die Anschlüsse F1 und F3 identisch sind, kann der Wärmetauscher um 180 Grad gedreht werden. Für Dampf-Wasser-Anwendungen beachten Sie die Richtlinien für Dampfwärmetauscher.

Verdampfer: Das flüssige Kältemittel muss unten eintreten, verdampfen und die Dämpfe oben abgeführt werden. Einige Modelle verfügen bei F3 über eine Verteilungsvorrichtung für eine gleichmäßige Kältemittelverteilung. Richtlinien für die Kältemittelgeschwindigkeit zur Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Betriebs:

• Einlassgeschwindigkeit: 10–25 m/s
• Auslassgeschwindigkeit: 5–10 m/s (2,5–5 m/s bei horizontalen Anschlüssen)
• Die Einhaltung der richtigen Geschwindigkeit verhindert Ölansammlungen im Wärmetauscher.

Für weitere Details siehe:

• SWEP Betriebs- und Wartungshandbuch,
• ARES Betriebs- und Wartungshandbuch.