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Bieten hohe Betriebssicherheit

Modulverschweißte Plattenwärmeübertrager mit Hochleistungsprägestrukturen
Bieten hohe Betriebssicherheit

Das besondere Merkmal der modulverschweißten Thermoline-Plattenwärmeübertrager sind deutlich verkürzte Dichtungslängen. Sie eignen sich damit auch für aggressive Medien oder schwierige Prozeßparameter, bei denen herkömmliche Plattenwärmeübertrager aufgrund begrenzter Dichtungsbeständigkeit ausscheiden.

Dr.-Ing. Marcus Reppich

Dit ihrem kompakten Aufbau, ihrer Flexibilität bei der Anpassung an veränderte Betriebsbedingungen, ihrer hohen Wärmedurchgangskoeffizienten und ihrer Wartungsfreundlichkeit erschließen sich Plattenwärmetauscher ständig neue Anwendungsgebiete in der Verfahrens- und Prozeßtechnik. Gegenüber anderen Bauarten zeichnen sich Plattenapparate zudem durch ein günstiges Preis-Leistungs-Verhältnis aus.
Leistungsfähig und strömungsgünstig
Plattenwärmeübertrager bestehen aus geprägten Platten, die durch Spannschrauben zusammengehalten werden und nach außen durch Dichtungen oder Schweißnähte abgedichtet sind. Die Zu- und Ableitung der Medien erfolgt durch Anschlüsse an der feststehenden Druckplatte sowie gegebenenfalls an der beweglichen Endplatte. Druck- und Endplatte dienen zur Aufnahme der im Apparat entstehenden Druckkräfte. Die geprägten Platten werden aus umformbaren metallischen Werkstoffen gefertigt und stehen in verschiedenen Strukturen zur Verfügung, die miteinander kombiniert werden können.
Die Wahl einer geeigneten Plattenstruktur ermöglicht die optimale Anpassung des Apparates an die jeweiligen verfahrenstechnischen Betriebsbedingungen des Anwenders. Auf die Auswahl der Plattenstruktur haben z. B. der Aggregatzustand der Medien, das Vorhandensein von Feststoffpartikeln, die Viskosität und die zulässigen Druckverluste Einfluß. In den Strömungskanälen, die durch Kombination verschiedener Platten entstehen, wird der jeweils zulässige Druckverlust bestmöglich für den Wärmeübergang ausgenutzt. Die Kanalströmung zwischen den Platten ist im Vergleich zur Rohrströmung in Rohrbündelwärmeübertragern durch eine erheblich höhere Turbulenz bei geringeren Strömungsgeschwindigkeiten gekennzeichnet. Aufgrund der hohen Turbulenz erreicht man im Plattenapparat im Vergleich zum Rohrbündelapparat einen bis zu vierfachen Wärmedurchgangskoeffizienten. Der Foulingwiderstand verringert sich demgegenüber auf ein Viertel.
Mit spezieller Prägetechnik
Für den Einsatz in der chemischen Industrie wurden für die Thermoline-Wärmetauscher Platten mit Hochleistungsstrukturen entwickelt, die geringe Prägetiefen und flache Prägewinkel aufweisen. Mit diesen Strukturen lassen sich bei flüssigen Medien außerordentlich hohe Wärmeübergangskoeffizienten bei wirtschaftlichen Druckverlusten erzielen. Für Verdampfungs- und Kondensationsvorgänge stehen Strukturen mit größeren Prägetiefen und steilen Prägewinkeln zur Verfügung, um entstehenden Dampf bzw. Kondensat ungehindert abzuführen und möglichst geringe Druckverluste zu verursachen. Durch den Einbau von sogenannten Schaltplatten können Apparate bei Bedarf mehrgängig ausgeführt werden, um bei kleinen Temperaturdifferenzen zwischen beiden Medien den Strömungsweg zu verlängern oder längere Verweilzeiten im Apparat zu erzielen.
Gedichtet oder modulverschweißt
Die Werkstoffe der Wärmeübertragungsplatten sowie der Dichtungen zwischen den Platten lassen sich gemäß den Betriebsbedingungen und Eigenschaften des jeweiligen Mediums wählen. Für Anwender in der chemischen Industrie sind insbesondere Wärmeübertragungsplatten aus den Werkstoffen 1.4541, 1.4571, 1.4539, Avesta 254 SMO, Hastelloy und Titan interessant, die neben Platten aus den austenitischen Standardedelstählen 1.4301, 1.4401 und 1.4404 zur Verfügung stehen. Als Dichtungsmaterialien sind u. a. NBR, EPDM, Chloropren, Viton und Butyl einsetzbar, außerdem gibt es kostengünstige PTFE-ummantelte Dichtungen. Die Dichtungen werden mechanisch fixiert oder bei einer häufig erforderlichen Demontage eingeklebt.
Die Beständigkeit des Dichtungsmaterials zwischen den einzelnen Platten schränkt häufig die Einsatzmöglichkeiten von Plattenwärmeübertragern ein. Für kritische Medien bzw. Betriebsbedingungen wurden daher die modulverschweißten Thermoline-Wärmeübertrager entwickelt. Module werden aus jeweils zwei Wärmeübertragungsplatten gebildet, die durch eine Laserschweißnaht gasdicht miteinander verbunden sind (Abb. 1). In diesem hermetisch abgedichteten Strömungskanal fließt das kritische Medium, für das eine Felddichtung nicht mehr notwendig ist. Die Dichtungslänge reduziert sich um etwa 90%. Lediglich in den Durchtrittsöffnungen von einem Modul zum nächsten werden hochbeständige Ringdichtungen eingesetzt. Im Übergangsbereich verhindert eine doppelte Schweißnaht zuverlässig Produktvermischung. Im Gegensatz zum vollverschweißten Apparat läßt sich der modulverschweißte Wärmeübertrager, falls erforderlich, demontieren und einseitig mechanisch reinigen. Wärmespannungen, die durch stark unterschiedliche Temperaturen zwischen den Medien beispielsweise bei häufigem An- oder Abfahren des Apparates entstehen können, werden vermieden. Die Leistung des Apparates kann ähnlich der gedichteten Ausführung nachträglich durch Hinzufügen bzw. Entfernen von Platten veränderten Betriebsparametern angepaßt werden. Geschweißte Module lassen sich problemlos austauschen. Modulverschweißte Apparate können standardmäßig für Betriebstemperaturen von -40 °C bis 180 °C und Betriebsdrücke von -1 bar bis 25 bar Überdruck eingesetzt werden. Gegenüber vollverschweißten Apparaten weisen modulverschweißte außerdem einen beträchtlichen Kostenvorteil auf.
Optimierungsmöglichkeitenberücksichtigt
Wie an alle verfahrenstechnischen Apparate wird auch an Wärmeübertrager die Forderung gestellt, Voraussetzungen für den sicheren und kostenoptimalen Betrieb einer Gesamtanlage während deren Nutzungsdauer zu schaffen. Als Optimierungskriterium kann das Minimum der Gesamtkosten, die sich aus Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten zusammensetzen, herangezogen werden.
Aus der Grundgleichung der Wärmeübertragung
Q = k • A • DTm
lassen sich verschiedene Optimierungsmöglichkeiten von Wärmeübertragern sowohl aus Sicht des Anlagenplaners als auch aus Sicht des Apparatebauers ableiten. Die mittlere Temperaturdifferenz zwischen beiden Medien DTm stellt die Triebkraft jedes Wärmeübertragungsprozesses dar. Sie wird im wesentlichen durch die Prozeßtemperaturen beider Medien bestimmt, die im allgemeinen durch die Betriebsbedingungen vom Anlagenplaner oder -betreiber vorgegeben werden. Der Anlagenplaner hat im Rahmen einer Pinch-Analyse die Möglichkeit, Stoffströme und Apparate zu sinnvollen Netzwerken zu verknüpfen, die sich durch minimale Gesamtkosten auszeichnen. Der Apparatebauer hat Einfluß auf die Gestaltung und Ausführung der Wärmeübertragungsfläche A sowie die Größe des Wärmedurchgangskoeffizienten k. Durch eine größtmögliche Übertragungsfläche je umbauter Volumeneinheit sollte ein kompakter Aufbau gewährleistet werden. Aufgrund ihrer platzsparenden Bauweise und ihres geringen Gewichtes bieten sich Plattenapparate zur Integration in modulare Anlagenbausteine an. Die Strömungsverhältnisse im Apparat müssen einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten k sicherstellen und der Bildung von Ablagerungen entgegenwirken. Der Wärmedurchgangskoeffizient wird vom Wärmeübergang auf beiden Seiten der wärmeübertragenden Wand, der Geometrie und dem Werkstoff der Übertragungsfläche sowie der Neigung zu Verschmutzungen beeinflußt wird. Bei der Strömung durch den Apparat entstehen Druckverluste, die laufende Betriebskosten zum Fördern der Medien verursachen. Die genannten Überlegungen flossen in die Entwicklung oben beschriebener Plattenwärmeübertrager mit Hochleistungsstrukturen ein.
Einsatzbeispiele
In der chemischen Industrie sind zahlreiche Plattenapparate in gedichteter und modulverschweißter Ausführung im Einsatz. Ein Installationsbeispiel zeigt Abbildung 2. Die Tabelle beinhaltet eine Auswahl verschiedener Anwendungsfälle in der chemischen Industrie. Platten- und Dichtungswerkstoffe wurden jeweils in Abhängigkeit der Medien und der Betriebsbedingungen gewählt. Für kritische Medien, beispielsweise toxische, aggressive, brennbare, diffundierende oder wassergefährdende Stoffe, wird der Einsatz von modulverschweißten Apparaten empfohlen. In diesen Fällen können die Ringdichtungen als PTFE-ummantelte Elastomer-Dichtungen ausgeführt werden.
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