Exakte Prägung für hohen Wärmeübergang

Dipl.-Ing. Volker Wagner

Obwohl Plattenwärmeübertrager bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts erfunden wurden, nahmen sich erst in den 70ern verschiedene Hochschulen und Institute der Erforschung der Strömungsvorgänge in den engen Plattenfließspalten an. So wurden einige maßgebliche Geometrieparameter, wie z. B. Wellenlänge, Prägetiefe und Anstellwinkel der Fischgräten-ähnlichen Prägungen und deren Einfluss auf die Wärmeübertragung und auf den Druckabfall, näher untersucht. Die einzelnen Platten sind grundsätzlich in drei Hauptsektionen aufgeteilt. Das Einlauf- oder Verteil- segment hat die Aufgabe, den eintretenden Volumenstrom möglichst gleichmäßig auf den sich anschließenden Hauptwärmeübertragungsteil zu verteilen. Das darauf folgende Sammlersegment führt den Volumenstrom wieder zusammen und aus dem Plattenspalt wieder heraus.

Zunächst konzentrierten sich die Forschungen ausschließlich auf die Geometrie der Wellenstruktur im Hauptwärmeübertragerteil. Sie sorgten für ein optimales Verhältnis zwischen aufzuwendendem Druck und erzeugtem Wärmeübergang. Im nächsten Schritt galt es, die Verteilung der Strömung im Plattenspalt so homogen wie möglich zu bewerkstelligen, um so die Wärmeübertragungsfläche am effizientesten nutzen zu können. Eine Strömungsverteilung innerhalb kleiner oder auch schmaler Plattentypen bereitet verständlicherweise deutlich weniger Probleme, als dies bei großen bzw. relativ breiten Plattentypen der Fall ist. Um dieses Problem zu lösen, nutzte API Schmidt-Bretten jetzt vor allem Computersimulationen für die Optimierung der Strömungsverteilung. Dazu werden bei der Neukonstruktion von Wärmeübertragerplatten zunächst dreidimensionale Modelle der Platten erstellt. Mit Hilfe der Computersimulationen werden dann die Strömungen in den Plattenspalten ohne Tot- und Rückströmzonen gleichmäßig in die Hauptwärmeübertragungssektionen verteilt, um so die Austauschfläche mit beiden, an der Wärmeübertragung beteiligten Medien homogen zu beaufschlagen. Dadurch wird über die gesamte Wärmeübertragungsfläche eine gleich bleibende Wärmestromdichte erzeugt und integral dann ein Wärmestrommaximum erreicht. Darüber hinaus minimiert ein homogenes Strömungsbild den Druckabfall über die gesamte Strömungslänge.

Dabei liegt in Wärmeübertragern eigentlich ein Paradoxon vor, da Energie in Form von Druck zur Verfügung gestellt werden muss, um anschließend Wärmeenergie übertragen zu können. D. h., der Wärmeübergang kann gesteigert werden, wenn die Strömungen turbulenter sind. Dies bedeutet aber, dass mehr Energie in die Strömung gesteckt werden muss. Daher ist es besonders wichtig, dass Wärmeübertrager ein bestmögliches Verhältnis zwischen Druckverlust und Wärmeübergang haben. Durch die maximale Ausnutzung der Wärmeübertragungsfläche und dem relativ hierzu reduzierten Druckabfall konnte bei den SigmaFit-Plattenwärmeübertragern der Nutzungsgrad gegenüber den traditionell entwickelten Plattenwärmeübertragern deutlich gesteigert werden.

In vielen Anwendungsgebieten wie der Lebensmitteltechnik, der Pharmazie oder auch in der chemischen Industrie werden an die Wärmeübertrager hohe Anforderungen hinsichtlich Verweilzeit oder auch minimierter Neigung zu Fouling bzw. optimaler Reinigungsfähigkeit gestellt. Auch hier verhalf die Computersimulation zu einer deutlichen Verbesserung. Durch die Homogenisierung der Strömungsgeschwindigkeiten wurde die Wandschubspannung, die maßgeblich dem Foulingaufbau entgegenwirkt, teilweise lokal um 20 bis 25 % erhöht. Dies führte letztendlich, je nach Anwendung, zu einer um bis zu 10 % längeren Standzeit.

Neben der Computersimulation muss natürlich auch die technische Umsetzung gewährleistet sein, d. h., die Plattengeometrien, die die Basis der Strömungsberechnungen waren, müssen dann auch notwendigerweise im realen Bauteil wiedergefunden werden. API Schmidt-Bretten hat durch die Einführung einer konsequenten CAD/CAM-Lösung eine Kette von der Konstruktion bis hin zur Herstellung der Prägewerkzeuge geschlossen. Auf diese Weise wird nicht nur sichergestellt, dass die realen Produktionswerkzeuge die geplanten Plattenformen auch herstellen können, sondern das auch eine bleibende Qualität dieser Platten bei anschließenden Instandsetzungs- oder Wartungsarbeiten der Werkzeuge gewährleistet ist.

Nicht nur die strömungstechnische Optimierung der Wärmeübertragungsplatten lässt sich über den Einsatz von Computerprogrammen durchführen, sondern auch die Festigkeit der Druckgestelle kann durch FEM-Berechnungen untermauert werden. Das Druckgestell dient zur Stabilität des Wärmeübertragers und hat auch die Aufgabe, die Kompression des in der Regel unter Überdruck stehenden Plattenpaketes aufrecht zu erhalten, damit die Strömungsraumgeometrien maximal genutzt werden können. Für den formschlüssigen Verbund der seitlichen Zuganker, der feststehenden und der beweglichen Druckplatte, ist ein Scale-up jedoch nicht gerade trivial. Zwar werden über die gesetzlichen Vorschriften Anleitungen für den Bau und die Dimensionierung von Druckgeräten gegeben, dennoch muss seitens der Hersteller bei größeren Apparaten konstruktiv Hand angelegt werden. Mit Hilfe des Computers entwickelte API daher Druckgestelle, die in allen Betriebszuständen die erforderlichen Steifigkeiten zeigen und somit bei minimalem Materialeinsatz einen sicheren und robusten Einsatz der SigmaFit-Plattenwärmeübertrager gewährleisten.

Dass das Scale-Up mit den beschriebenen Entwicklungstools funktioniert, beweist die SigmaFit-Plattenserie. Sie wurde um den bislang größten Plattentyp Sigma 229 erweitert.

Die SigmaFit-Baureihe besteht im Wesentlichen aus den Vorgänger-Modellen der 7er-Reihe, die mit Hilfe der Computersimulation optimiert wurde. Diese Reihe verfügte bisher über eine Nennweite bis zu DN 200 und Wärmeübertragungsflächen von 1,3 m2 pro Platte. Neu in der Reihe sind die Sigma 149, die die Nennweite DN 350 hat und ca. 1,6 m² Wärmeübertragungsfläche pro Platte aufweist, und die Sigma 229, die ebenfalls eine DN 350-Platte ist, aber ca. 2,3 m² Fläche pro Platte besitzt.

Die Gesamtwärmeübertragerfläche eines Apparates war bei der 7er-Reihe bisher auf ca. 720 m² pro Apparat bei einer max. Durchflussleistung von 750 m³/h begrenzt. Bei der Sigma 149 und 229 ist nun die max. Durchflussleistung auf 2200 m³/h erhöht worden und die Gesamtaustauschfläche bei Sigma 149 auf 1000 m² und bei Sigma 229 auf ca. 1350 m².

cav 402

Dass das Scale-Up mit den beschriebenen Entwicklungstools funktioniert, beweist die SigmaFit-Plattenserie. Sie wurde um den bislang größten Plattentyp Sigma 229 erweitert.

Die SigmaFit-Baureihe besteht im Wesentlichen aus den Vorgänger-Modellen der 7er-Reihe, die mit Hilfe der Computersimulation optimiert wurde. Diese Reihe verfügte bisher über eine Nennweite bis zu DN 200 und Wärmeübertragungsflächen von 1,3 m2 pro Platte. Neu in der Reihe sind die Sigma 149, die die Nennweite DN 350 hat und ca. 1,6 m² Wärmeübertragungsfläche pro Platte aufweist, und die Sigma 229, die ebenfalls eine DN 350-Platte ist, aber ca. 2,3 m² Fläche pro Platte besitzt.

Die Gesamtwärmeübertragerfläche eines Apparates war bei der 7er-Reihe bisher auf ca. 720 m² pro Apparat bei einer max. Durchflussleistung von 750 m³/h begrenzt. Bei der Sigma 149 und 229 ist nun die max. Durchflussleistung auf 2200 m³/h erhöht worden und die Gesamtaustauschfläche bei Sigma 149 auf 1000 m² und bei Sigma 229 auf ca. 1350 m².

Berechnung der Einlaufströmung von Plattenwärmeübertragern

Gedichtete Plattenwärmeübertrager im Überblick