Plate-and-Shell-Wärmetauscher kombinieren die Effizienz von Plattenwärmetauschern und die hohe Druckbeständigkeit von Rohrbündelwärmetauschern. Das macht sie für viele Anwendungen der Wärmeübertragung attraktiv. Eine Herausforderung ist allerdings die Materialermüdung durch Temperatur- und Druckwechselbeanspruchung.
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Spannungskonzentrationen erkennen
Die ersten Anzeichen für Ermüdungsbrüche sind kleine Risse im Material. Diese Risse können durch Fehler wie Schlackeneinschlüsse, Poren, Hinterschneidungen oder kleine Oberflächenrisse entstehen. Sie können sich aber auch an Stellen bilden, an denen keine Fehler sichtbar sind. Rissbildung in homogenen Bauteilen wird durch Fehler in der atomaren Struktur, sogenannte Versetzungen, verursacht. Unterliegt das Bauteil hinreichend großen externen Belastungen, können die Versetzungen wandern, sich aufstauen und mikroskopische Risse bilden. An den Enden der Risse kommt es zu Spannungskonzentrationen, wodurch sie mit jedem Lastwechsel größer werden und schließlich erfolgt der Bruch. Zur Minimierung von Materialermüdung ist es daher wichtig, Spannungskonzentrationen bereits während der Entwicklung zu identifizieren. Durch die Änderung der Konstruktion eines Bauteils kann die darauf wirkende Last auf eine größere Fläche verteilt und so die Spannung reduziert oder sogar komplett beseitigt werden.
Schweißnähte sind ebenfalls anfällig für
Materialermüdung. Im Schweißprozess entstehen Restspannungen an den am stärksten erwärmten Stellen. Außerdem verursacht die Materialerwärmung beim Schweißen von Kohlenstoff- oder legiertem Stahl eine Veränderung des Kristallgitters des Stahls im Schweißgut und an der erwärmten Stelle: Es entsteht Martensit, ein deutlich härterer, weniger elastischer und brüchigerer Stahl. Minimiert man den Wärmeeintrag beim Schweißvorgang, so werden Restspannungen und Sprödigkeit reduziert.
Materialermüdung vermeiden
Viele Wärmetauscher arbeiten bei zyklisch wechselnden Temperatur- und Druckverhältnissen, die zu Materialermüdung führen. Dabei kommt es auf die Intensität und Häufigkeit der Wechsel an, die Ausgangsspannung, wechselnde Parameter bei Temperatur, Druck oder beidem, den Aufbau der Wärmetauscher und die Höhe der Spannungsspitzen sowie die Qualität der Schweißnähte.
Zur Vermeidung von Materialermüdung können beispielsweise die Intensität der Wechsel reduziert oder abrupte Starts und Stopps vermieden werden. Ein zentraler Aspekt ist die Art des Wärmetauschers und ob er durch seine Konstruktion und Herstellungsweise eine hohe Ermüdungsbeständigkeit erreicht. Bei Plate-and-Shell-Wärmetauschern treten häufig drei Probleme auf.
Das Plattenmuster
Um die Wärmeübertragung zu maximieren, sind die Platten in einem herkömmlichen Plattenwärmetauscher gewellt, weil so die Turbulenz in den Kanälen erhöht wird. Aufgrund der Prägung weist die Platte in verschiedenen Richtungen unterschiedliche mechanische Eigenschaften auf. Ausdehnung und Kontraktion erfolgen überwiegend in einer Richtung, nämlich der schwächeren. Das Plattenpaket besteht aus zwei Arten von Platten, deren Prägung in verschiedene Richtungen ausgerichtet ist. Durch abwechselndes Stapeln der beiden Plattenarten wird die Turbulenz in den Kanälen erhöht. Das bedeutet aber auch, dass die Platten bei wechselnden Betriebstemperaturen oder -drücken in verschiedene Richtungen gedrückt werden, sodass sie sich ausdehnen und zusammenziehen. Diese hohen Wechselbeanspruchungen von Platten und Schweißnähten können zu Ermüdungsbrüchen führen. Die größte Schwachstelle sind die Schweißnähte im Bereich der Anschlüsse, wo die Belastung am höchsten ist.
Eine spannungsarme Konstruktion verhindert solche Ermüdungsbrüche. Bei der Entwicklung der Duroshell-Plate-and-Shell-Wärmetauscher eliminierten die Ingenieure von Alfa Laval die zusätzliche Spannung, die durch bestimmte Prägemuster entsteht. Die Lösung war ein Muster, das in allen Richtungen die gleiche Wärmeausdehnung und mechanische Festigkeit aufweist. Dieses patentierte Muster besteht aus Vertiefungen und Erhöhungen, die so verteilt sind, dass Wärmeausdehnung und Festigkeit in allen Richtungen identisch sind. So können Spannungskonzentrationen in den Ein- und Austrittsbereichen vermieden werden.
Die mechanische Belastbarkeit
Normalerweise wird das Plattenpaket durch Stahlstangen, die an die dicken Endplatten geschweißt sind, an seinem Platz gehalten. Die Stahlstangen minimieren die zusätzliche Spannung in den Wärmeübertragungsplatten, die durch das Prägemuster verursacht werden. Allerdings haben die Stahlstangen nur eine geringe Stützwirkung auf die Platten, da sie sich an den Außenseiten des Plattenpakets befinden. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Ein- und Austrittsrohre nur mit der ersten Wärmeübertragungsplatte verschweißt sind. Daher sind diese Schweißnähte hohen Belastungen ausgesetzt und weisen ein beträchtliches Bruchrisiko auf.
Bei den Duroshell-Wärmetauschern werden die Ein- und Austrittsrohre doppelt genutzt und verstärken den gesamten Apparat. Die Rohre laufen einmal durch den gesamten Wärmetauscher. Dies stärkt das Plattenpaket erheblich und macht externe Stangen überflüssig. Die Ein- und Austrittsrohre sind nicht an die dünnen Wärmeübertragungsplatten geschweißt, sondern an die dicken Endplatten, die das gesamte Plattenpaket umschließen. Die Spannung ist minimal.
Die Schweißqualität
Schweißnähte sind die Schwachstellen in einem Wärmetauscher, der bei wechselnden Temperaturen oder Drücken betrieben wird. Ermüdungsrisse beginnen fast immer in der Wärmeeinflusszone oder dem Schweißgut. Daher ist die richtige Wahl der Schweißtechnik entscheidend. Gebräuchlich sind in diesem Bereich das Plasma- und das Laserschweißen. Das Laserschweißen ist hinsichtlich der Ermüdungsbeständigkeit die beste Option. Bei diesem Verfahren werden zwei übereinanderliegende Platten mithilfe eines schmalen Laserstrahls zusammengeschmolzen. Die Wärme, die in das Metall eindringt, beträgt im Vergleich zum Plasmaschweißen nur etwa ein Drittel, was die Qualität der Schweißnaht verbessert. Gegenüber dem Plasmaschweißen erzeugt Laserschweißen auch weniger Defekte, die als Ausgangspunkt für Ermüdungsrisse dienen können. Die Wärmeeinflusszone ist schmaler, wodurch viel mehr Material seine ursprünglichen Eigenschaften und Belastungsgrenzen behält, die Resspannung ist geringer und die Schweißnähte sind gleichmäßiger.
Die Kombination macht’s
Materialermüdung bei Plate-and-Shell-Wärmetauschern kann verhindert werden. Das Erfolgsrezept ist die Kombination aus einem besseren Prägemuster, zusätzlicher mechanischer Festigkeit und der Herstellung mittels Laserschweißen. Einen Beleg dafür liefern die Duroshell-Wärmetauscher. Bei Labortests wurde eine doppelt so hohe thermische Ermüdungsbeständigkeit und eine viermal geringere Ermüdung durch Druck als bei herkömmlichen Plate-and-Shell-Wärmetauschern nachgewiesen.
Alfa Laval Mid Europe GmbH, Glinde
Autor: Achim Heiming
Sales Manager,
Alfa Laval Mid Europe
