Die Technologie von gedichteten Plattenwärmetauschern (PWT) hat sich in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich weiterentwickelt. Parallel sind die technischen Anforderungen an die Elastomerdichtungen gestiegen. Hervorragende Temperaturbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften und chemische Beständigkeit der Dichtungslösungen auf Polymerbasis können ein Garant für eine lange, zuverlässige Betriebsdauer in immer anspruchsvolleren Anwendungen sein.
Die Autoren: Jon Cutler Materials Development Manager, PHE Gaskets, Trelleborg Sealing Solutions Jakub Marczyk Global PHE Product Manager, PHE Gaskets, Trelleborg Sealing Solutions Krzysztof Pawelek Materials Development Engineer, PHE Gaskets, Trelleborg Sealing Solutions
Gegenüber gelöteten oder vollverschweißten Plattenwärmetauschern (PWT) haben mit Elastomeren gedichtete Wärmetauscher einige Vorteile: Sie können für die Reinigung geöffnet werden, sie sind wartungsfähig und ihre modulare Konstruktion erlaubt bei Bedarf das Hinzufügen oder Entfernen von Platten. Insgesamt ist dieses Prinzip der Wärmeübertragung sehr flexibel und kostengünstig. Die Grenzen liegen im eingeschränkten Einsatzbereich, da Elastomere nur innerhalb eines begrenzten Temperatur-, Druck- sowie Medienbereiches funktionsfähig bleiben. Als sehr erfahrener Entwickler und Hersteller von Dichtungslösungen auf Polymerbasis schafft es Trelleborg Sealing Solutions jedoch immer wieder, die Einsatzbereiche der Elastomerdichtungen zu erweitern. Durch Entwicklung neuer Materialien oder spezieller Kombinationen bewährter Werkstoffe ergeben sich immer höhere Beständigkeiten gegenüber funktionsschädlichen Einflussfaktoren.
Schädliche Einflussfaktoren sind neben sehr hohen oder sehr tiefen Temperaturen vor allem Fette, Öle, Konzentrate, Wasser und Wasserdampf, Kältemittel, Reinigungsmedien oder auch Gase. Sie können die Dichtungen in ihrer Härte und ihrem Volumen verändern. Gedichtete PWT haben – eher unkonventionell – einen Nutfüllgrad von 100 %. Somit quillt das Volumen der Dichtung idealerweise über die gesamte Lebensdauer des Apparates nicht oder nur sehr wenig auf. Und dies, obwohl die Realität in der Anwendung für die Dichtung oftmals große Herausforderungen bereithält. So führt beispielsweise Rohöl aufgrund seiner vielfältigen chemischen Zusammensetzungen und Verunreinigungen zu einer Quellung vieler Elastomere. Die Betriebstemperatur von gedichteten PWT wird durch die Leistungsfähigkeit des Elastomers, insbesondere in heißen wässrigen Medien, bestimmt. Allgemein finden Elastomere ihren Anwendungsbereich bei Temperaturen von -50 bis +200 °C, in nicht wasserhaltigen Medien vielfach auch darüber. In fast allen PWT-Anwendungen werden jedoch Wasser oder Wasserdampf als erhitzendes oder kühlendes Medium verwendet. Insbesondere heißer Wasserdampf ist gegenüber den meisten Elastomeren sehr aggressiv. Bei Temperaturen >180 °C, beispielsweise, fängt der Dampf an, in die Elastomermatrix einzudringen und verursacht Hydrolyse, was die mechanischen Eigenschaften des Elastomers nach und nach schwächt und verändert.
Das flexible Plattensystem, kombiniert mit dem hohen Nutfüllgrad, verlangt der Elastomer-Dichtung unter schwierigeren Anwendungsbedingungen ein Zusammenspiel von besonderen Eigenschaften ab:
- Ein gutes Gleichgewicht von Härte und E-Modul, um dem Betriebsdruck standzuhalten und gleichzeitig das Risiko der Plattenverformung gering zu halten. Eine Härte von 80 IRHD hat sich sowohl im Labor als auch in Anwendungen bewährt.
- Gute Zug-, Reiß- und Weiterreißfestigkeit, da die Dichtung, bedingt durch das Konstruktionsprinzip der Platten, nicht durchgehend gleichmäßig in der Nut liegt, d. h. der Anpressdruck von Bereich zu Bereich variiert stark. In den Übergängen zwischen den Extremen sowie an den Extrusionsspalten, z. B. der Leckagespalte oder an den Durchtrittsöffnungen, wird die Dichtung punktuell mechanisch extrem belastet.
- Gute Beständigkeit der mechanischen Dichtungseigenschaften über die gesamte Betriebstemperatur des PWT. Da der Wärmeausdehnungskoeffizient jedes Elastomers entsprechend der Einsatztemperatur variiert, nehmen die Verpressungskräfte auf die Dichtung zu, je heißer der Apparat wird. Parallel dazu schwächen sich die mechanischen Eigenschaften des Elastomers ab. Um eine gute Funktionalität der Dichtung zu gewährleisten und ein Reißen bei hohen Temperaturen zu vermeiden, muss das Elastomer gute mechanische Eigenschaften bei Temperaturen weit über 100°C aufweisen. Eine sorgfältige Auswahl von Polymer und Füllstoffen ist notwendig.
- Langzeitdichtverhalten: Um die Lebensdauer der statischen PWT-Dichtungen in Extremtemperaturbereichen zu maximieren, muss der Langzeit-Druckverformungsrest des Elastomers durch ein hohes Maß molekularer Verlinkung mit Hilfe spezieller hitzebeständiger Vernetzungssysteme minimiert werden. Antioxidanten und andere alterungsbeständige Chemikalien schützen gut vor Alterungsfolgen.
Prozessverständnis muss sein
Für die richtige Auswahl oder Empfehlung der Dichtungswerkstoffe in anspruchsvollen Anwendungen ist ein tiefes Verständnis der komplexen Anwendungsbedingungen im Prozess, vor allem die Zusammensetzung der Flüssigkeiten, der Betriebstemperatur und des Betriebsdruckes, unabdingbar. Als Elastomere werden in PWT-Dichtungen überwiegend NBR (Nitrile-Butadien-Kautschuk) und EPDM (Ethylene-Propylene-Diene-Kautschuk) eingesetzt. Diese Elastomere sind sehr kosteneffizient und bieten gute Beständigkeit in einem breiten Medienspektrum. Sie können auf gute mechanische Eigenschaften und Langzeitdichtverhalten konzipiert werden, aber auch auf zusätzliche Eigenschaften für bestimmte Märkte oder Anwendungen, wie zum Beispiel die Nahrungsmittelindustrie. In schwierigeren Einsatzbereichen haben sich Elastomere wie HNBR (Hydrierter NBR), verschiedene Typen von FKM (Fluorkautschuk), TFE/P (Tetra-Fluoro-Ethylen-Propylen) und FFKM (Perfluorkautschuk; Marke Isolast) im Einsatz bewährt. In aggressiveren Medien muss dabei oftmals bei hohen Temperaturen zuverlässig und auf Dauer abgedichtet werden. In speziellen Anwendungen, wie beispielsweise bei der Kühltechnik, werden darüber hinaus auch Butyl- und Chloropren-Kautschuk eingesetzt.
Die Herausforderungen wachsen
Immer anspruchsvollere Anwendungen der PWT mit immer höheren Betriebstemperaturen sowie zunehmend aggressiveren Medien erfordern alternative Lösungen und treiben die Elastomerentwicklung voran. Ein Beispiel sind PWT in Gasentschwefelungsanlagen. Darüber hinaus gibt es zunehmend mehr Restriktionen und schärfere Vorschriften, vor allem im Umwelt- und im Gesundheitsbereich sowie in Gefahrenbereichen. Daraus entsteht der Bedarf nach Elastomeren, die eine Freigabe von Behörden oder Instituten für spezielle Märkte und Anwendungen haben, zum Beispiel FDA, 3-A-Sanitär, WRAS und andere Trinkwasserstandards oder BfR für die Nahrungsmittelindustrie sowie Schwefel- und Halogenbegrenzung für die Nuklearindustrie. Die wachsenden Anforderungen erfordern eine hohe technische Expertise in Elastomerkonzeption und -entwicklung wie auch bei der Herstellung.
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