Wie effizient sind Plattenwärmetauscher?

In modernen industriellen Anwendungen ist die Verbesserung der thermischen Energieausnutzung entscheidend, um die Systemleistung zu steigern. Plattenwärmetauscher sind äußerst effizient und verfügen oft über eine Wärmeübertragungskapazität, die mehrfach größer ist als die von Rohrbündelwärmetauschern. Sie können mit geringeren Temperaturdifferenzen arbeiten, Abwärme vollständig zurückgewinnen und somit erhebliche Energieeinsparungen erzielen.

Ein Plattenwärmetauscher besteht aus einer Reihe paralleler, dünner metallischer Wärmeübertragungsplatten. Diese Platten sind durch Dichtungen für Wärmetauscher oder durch Löten versiegelt und bilden so geschlossene Kanäle, in denen heißer und kalter Strom abwechselnd fließt. Im Vergleich zu traditionellen Rohrbündel-Wärmetauschern liegt der entscheidende Vorteil von Plattenwärmetauschern in ihrer einzigartigen gewellten Plattendesign. Dieses Design erhöht nicht nur die Wärmeübertragungsfläche erheblich, sondern erzeugt zudem eine intensive Turbulenz innerhalb des Fluids. Diese Turbulenz zerstört effektiv die Grenzschicht des Fluidstroms, verbessert die konvektive Wärmeübertragungseffizienz deutlich und verleiht dem System zudem eine gewisse Selbstreinigungswirkung.

Vorteile des Plattenwärmetauschers bezüglich der Effizienz

1) Höherer Gesamtwärmedurchgangskoeffizient U

Die wellenförmige oder zickzackförmige Struktur auf der Oberfläche der Platte erzeugt eine intensive Turbulenz in der Flüssigkeit und verbessert dadurch die Wärmeübertragungseffizienz erheblich. Typische kombinierte Wärmedurchgangskoeffizienten erreichen 2000–6000 W/㎡·K, während Schutzrohr-Wärmeaustauscher üblicherweise nur 500–1500 W/㎡·K aufweisen. Dünne Metallplatten (typischerweise 0,5–0,8 mm) weisen einen geringen Wärmewiderstand, enge Kanäle und eine hohe Oberflächenwirbelung auf.

Vergleich des Wärmewiderstands (Edelstahl, k ≈ 15 W/m·K)
Platte: δ/k ≈ 0,0006 / 15 ≈ 4×10⁻⁵ m²·K/W
Rohr: δ/k ≈ 0,002 / 15 ≈ 1,33×10⁻⁴ m²·K/W

✅ Der Wärmewiderstand von Platten beträgt etwa ein Drittel dessen bei üblichen Schutzrohr-Wärmeaustauschern, was hilft, den U-Wert zu verbessern.

2) Näher am „wirklichen Gegenstrom“, Korrekturfaktor F ≈ 1

Plattenwärmetauscher nähern sich aufgrund ihrer Bauart dem reinen Gegenstrom, wobei der Strömungskorrekturfaktor F typischerweise zwischen 0,95 und 1,0 liegt. Schlamtrohr-Wärmetauscher werden oft durch Mehrfachdurchgang/Querstrom beeinflusst, mit F ≈ 0,75–0,9.

✅ Bei gleichen Wärmeübertragungsbedingungen weist der Plattentyp eine größere effektive Temperaturdifferenz (F·LMTD) auf.

3) Starke Temperaturdifferenz-Kapazität am kleinen Ende (Wärmeübertragung bei geringer Temperaturdifferenz)

Die Austrittstemperaturdifferenz von PHE kann 1–3 K erreichen (abhängig vom Medium, der Last und den Druckverlustbedingungen), wobei die minimale Temperaturdifferenz bis auf 1 °C sinken kann.

✅ Dies macht die Rückgewinnung von Abwärme mit niedriger Qualität realistischer und verbessert die Energieeffizienz des Systems (z. B. COP und Primär/Sekundärenergieverbrauch).

4) Anti-Kalkbildung und Wartbarkeit

Hohe Schergeschwindigkeiten und starke Turbulenzen innerhalb der Plattenkanäle hemmen die Bildung von Ablagerungen. Der Design-Skalierungsfaktor Rf liegt typischerweise bei 2×10⁻⁵–1×10⁻⁴ m²·K/W (bei Rohrbündern ist dieser Wert oft 2×10⁻⁴–4×10⁻⁴). Falls die Leistung nachlässt, können Platten durch Reinigung/CIP wiederhergestellt werden, was die Wartung vereinfacht und Ausfallzeiten minimiert.

✅ Höhere langfristige äquivalente Effizienz

5) Höhere thermische Effizienz (ε, NTU-Verfahren)

Aufgrund des hohen Wärmedurchgangskoeffizienten U und F≈1 erreichen Plattenwärmetauscher bei gleicher Fläche höhere NTU-Werte, geringere Temperaturdifferenzen am heißen Ende und somit eine höhere thermische Effizienz (ε).

✅ Bei gleicher geforderter Effizienz ε betragen Volumen und Gewicht von Plattenwärmetauschern nur 1/3 bis 1/5 derer von Rohrbündelwärmetauschern, was kompaktere Geräte und geringere Wärmeverluste bedeutet.

6) Beispiel

Vergleich der benötigten Flächen bei gleichen Betriebsbedingungen

Um die gleiche 1-MW-Betriebsbedingung zu erreichen, beträgt die Fläche des Plattenwärmetauschers etwa 1/4,5 der Fläche eines Schlauchwärmetauschers. Eine geringere Fläche reduziert Wärmeverluste, Bodenfläche sowie Material- und Installationskosten.

7) Energieeffizienz über den Lebenszyklus und systembedingte Vorteile

Plattenwärmetauscher sind kompakt, weisen ein geringes Stagnationsflüssigkeitsvolumen auf und ermöglichen schnelleres An- und Abfahren, Lastenregelung sowie verbesserte Regelungseffizienz. Sie sind einfach zu warten, behalten über die Zeit einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) und vermeiden eine „Effizienzverminderung über die Zeit“. Zudem sind sie leicht erweiterbar; durch das einfache Hinzufügen von Platten lässt sich die Fläche bzw. Kapazität erhöhen, wodurch Energieverbrauch und Stillstandszeiten bei Nachrüstungen reduziert werden.

8) Kosten und Randbedingungen

Bei dem Wärmeaustauschprozess geht ein höherer Wärmeübergang mit einem höheren Druckabfall einher. Plattenwärmeaustauscher werden oft für 30–80 kPa pro Seite ausgelegt, während Schlauchbündelwärmeaustauscher typischerweise 10–30 kPa verwenden. Ein Kompromiss zwischen Pumpenleistung und Wärmeübertragung muss optimiert werden. Schlauchbündelwärmeaustauscher können zuverlässiger sein, wenn das Medium eine hohe Viskosität, einen hohen Feststoffgehalt, grobe Partikel aufweist oder bei extrem hohen Temperaturen und Drücken eingesetzt wird (z. B. >180 °C, >25 bar). Um eine Temperaturdifferenz von 1–3 K von Ende zu Ende zu erreichen, ist eine ausreichende Fläche und ein ausreichender Druckabfall erforderlich. Vermeiden Sie es, Kosten willkürlich zu senken.