Plattenwärmetauscher auslegen: Aufbau, Prägung, Werkstoffe und Baureihen
Geschraubte Plattenwärmetauscher übertragen auf kleinem Raum große Wärmeleistungen, auch bei sehr kleinen Temperaturdifferenzen. Ob ein Gerät wirtschaftlich arbeitet, entscheidet sich bei der Auslegung: Prägung, Plattenzahl, Durchgänge, Werkstoffe und Dichtungen müssen zu den Medien und Betriebsdaten passen. Was hier steht, stammt aus den technischen Unterlagen von FUNKE. Wir vertreten den Hersteller seit seiner Gründung 1974.
Inhalt:
- Aufbau und Funktion
- Die wichtigsten Auslegungsgrößen
- Plattenprägung: thermisch lang, kurz und Off-Set
- Durchgänge und Anschlusslage
- Baureihen: FP, FPX, FPQ/FPC und FPDW
- Plattenwerkstoffe und Dichtungen
- Typische Anwendungen
- Wartung, Reinigung und Erweiterung
- CREATE: Online-Auslegung
- Diese Daten brauchen wir für die Auslegung
1. Aufbau und Funktion
Das Herzstück eines Plattenwärmetauschers ist ein Paket profilierter Platten mit Durchlassöffnungen. Die Platten sind jeweils um 180° zueinander gedreht. So entstehen auf beiden Seiten jeder Platte Strömungskanäle, durch die abwechselnd das warme und das kalte Medium fließen. Dichtungen auf jeder Platte schließen die Kanäle nach außen ab und trennen die beiden Medien.
Beim geschraubten (gedichteten) Plattenwärmetauscher wird das Plattenpaket in einem Gestell zwischen Fest- und Losplatte mit Spannbolzen gleichmäßig verpresst. Die Anschlüsse liegen an der Festplatte, bei mehrwegigen Geräten auch an der Losplatte. Das Gerät lässt sich öffnen, reinigen und später durch zusätzliche Platten erweitern.
Gelötete Plattenwärmetauscher sind kompakter und günstiger, lassen sich aber weder öffnen noch erweitern. Sie eignen sich für saubere Medien in geschlossenen Kreisläufen, etwa in der Hydraulik oder Kältetechnik. Geschraubte Geräte sind die richtige Wahl bei großen Leistungen und Volumenströmen, bei Medien, die verschmutzen können, und wenn das Gerät gereinigt, umgebaut oder später erweitert werden soll.
Gegenüber Glattrohr-Wärmeübertragern erreichen Plattenwärmetauscher im Schnitt drei- bis fünfmal höhere Wärmedurchgangswerte. Temperaturdifferenzen von 1 K und weniger lassen sich nutzen. Das Gerät braucht bis zu 75 % weniger Platz, wiegt weniger und enthält weniger Flüssigkeit, und die stark turbulente Strömung hält die Platten länger sauber.
Für sehr hohe Drücke und Temperaturen oder stark verschmutzte Medien bleibt der Rohrbündelwärmetauscher die robustere Lösung, mehr dazu im Ratgeber Rohrbündelwärmetauscher auslegen. Beides liefert FUNKE, wir helfen bei der Wahl der passenden Bauart.
2. Die wichtigsten Auslegungsgrößen
Grundlage jeder Auslegung ist die Wärmebilanz. Die Wärmeleistung, die ein Medium abgibt, nimmt das andere auf:
Q = ṁ · cp · (Te − Ta)
Die erforderliche Fläche folgt aus dem Wärmedurchgangskoeffizienten k und der mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz ΔTm:
Q = k · A · ΔTm ΔTm = (ΔTgr − ΔTkl) / ln(ΔTgr / ΔTkl)
ΔTgr und ΔTkl sind die größte und die kleinste Temperaturdifferenz zwischen den beiden Medien an den Enden des Wärmetauschers.
Ein Beispiel: 100 m³/h Wasser sollen um 5 K abgekühlt werden. Mit ρ ≈ 1.000 kg/m³ und cp ≈ 4,19 kJ/(kg·K) ergibt sich Q = 100 / 3.600 m³/s · 1.000 kg/m³ · 4,19 kJ/(kg·K) · 5 K ≈ 580 kW.
Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen den Medien (die Grädigkeit), desto größer wird die Fläche. Genau hier ist der Plattenwärmetauscher stark. Reiner Gegenstrom und hohe k-Werte machen Grädigkeiten von 1 bis 2 K wirtschaftlich, wie sie etwa bei Wärmepumpen, Geothermie und freier Kühlung gefordert sind.
Viel hängt auch am zulässigen Druckverlust. Darf er höher sein, strömt das Medium schneller, die Wärmeübertragung wird besser und das Gerät kommt mit weniger Platten aus. Ein knapp begrenzter Druckverlust macht es größer und teurer.
Bei Verschmutzungsfaktor Rf und Flächenreserve lohnt es sich, realistisch zu bleiben. Durch die hohe Turbulenz verschmutzen Plattenwärmetauscher langsamer als Rohrbündelapparate. Pauschal hohe Zuschläge führen deshalb schnell zu überdimensionierten Geräten.
Stoffdaten für Wasser, Wasser-Glykol und gängige Öle liegen vor. Bei anderen Medien brauchen wir Dichte, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Viskosität bei Ein- und Austrittstemperatur. Auslegungsdruck und Auslegungstemperatur bestimmen schließlich Gestellgröße, Plattendicke und Dichtungswerkstoff.
3. Plattenprägung: thermisch lang, kurz und Off-Set
Von außen sehen sich Plattenwärmetauscher sehr ähnlich. Der Unterschied liegt im Wellenmuster der Plattenprägung. Es bestimmt, wie viel Wärme pro Platte übertragen wird und wie viel Druckverlust dabei entsteht.
Thermisch lange Platten (H) haben einen stumpfen Wellenwinkel. Die Wege im Kanal sind länger, die Wärmeübertragung ist hoch, der Druckverlust entsprechend. Thermisch kurze Platten (L) mit spitzem Wellenwinkel nimmt man, wenn nur wenig Druckverlust zulässig ist. Beide Prägungen lassen sich in einem Paket mischen, so trifft die Auslegung Leistung und Druckverlust sehr genau.
Bei der symmetrischen Sinus-Welle sind die Kanäle auf beiden Seiten gleich groß. Das Off-Set-Profil von FUNKE erlaubt asymmetrische Strömungskanäle. Der Querschnitt der warmen und der kalten Seite kann damit um etwa ein Drittel größer oder kleiner gewählt werden. Das lohnt sich immer dann, wenn die Volumenströme der beiden Seiten stark verschieden sind, etwa beim Ölkühler mit großem Kühlwasserstrom. Gegenüber symmetrischen Platten lassen sich so bis zu 17 % Austauschfläche einsparen.
4. Durchgänge und Anschlusslage
Standardmäßig strömen beide Medien einwegig im Gegenstrom. Alle Anschlüsse liegen dann an der Festplatte, das Gerät lässt sich öffnen, ohne die Rohrleitungen zu lösen.
Sind die Volumenströme klein im Verhältnis zur benötigten Fläche, wird das Medium mehrwegig geführt. Es durchläuft das Plattenpaket dann zwei- oder dreimal. Die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Wärmeübertragung steigen. Dafür liegen Anschlüsse auch an der Losplatte, was bei Wartung und Erweiterung berücksichtigt werden muss.
5. Baureihen: FP, FPX, FPQ/FPC und FPDW
FUNKE bietet rund 30 Plattenmodelle mit jeweils mindestens zwei Prägungen. Die geschraubten Plattenwärmetauscher sind in vier Baureihen gegliedert:
FP, die Standardbaureihe
Die FP-Baureihe passt für fast alle Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau, in der Verfahrens- und Energietechnik und in HLK-Anlagen. Anschlüsse DN 25 bis DN 500, Volumenströme von 0,3 bis 4.100 m³/h, Betriebsdrücke bis 25 bar und Temperaturen bis 200 °C. Leistungen bis etwa 85 MW und Austauschflächen bis 3.500 m² pro Gerät. Eine Doppeldichtung im Bereich der Durchtrittsöffnungen verhindert eine Vermischung der Medien.
FPX, neu für sehr kleine Temperaturdifferenzen
Die FPX-Platten sind für Anwendungen mit sehr kleiner mittlerer Temperaturdifferenz, hoher NTU-Anforderung und höheren Drücken entwickelt. Anschluss DN 150, Volumenströme von 6 bis 370 m³/h, bis 32,3 bar und 200 °C. Neu sind zwei Details. Center Lock sorgt für eine exakte Positionierung der Platten im Paket, HP-Plus ist eine Dichtungsnut-Geometrie mit höherer Druckfestigkeit an den Anschlussöffnungen. FPX eignet sich damit besonders für Wärmepumpen, Geothermie und Wärmerückgewinnung mit sehr knapper Grädigkeit.
FPQ und FPC mit AHRI-Zertifikat
Diese Baureihen sind für HLK, Fernwärme und Fernkälte sowie Rechenzentren ausgelegt, mit Wasser, Seewasser oder Glykol. Anschlüsse DN 25 bis DN 300, 0,3 bis 1.500 m³/h, bis 25 bar und 200 °C. Ihre thermische Leistung ist nach dem AHRI-Zertifizierungsprogramm für Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher (AHRI Standard 400) unabhängig geprüft.
Was bedeutet AHRI?
Das Air-Conditioning, Heating, and Refrigeration Institute (AHRI) lässt im Zertifizierungsprogramm für Flüssig-Flüssig-Wärmetauscher die Herstellerangaben durch unabhängige Prüfungen kontrollieren. Die angegebene Leistung und der Druckverlust sind damit bestätigt. In Ausschreibungen für Rechenzentren, HLK-Anlagen und Projekte mit US-Bezug wird AHRI-Zertifizierung häufig gefordert.
FPDW, Sicherheitsplatten mit Doppelwand
Die FPDW-Platten sind für Fälle gedacht, in denen sich die Medien unter keinen Umständen vermischen dürfen, etwa in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, bei Trinkwasser oder bei Ölkühlung mit Brauchwasser. Je zwei Platten sind im Verbund geprägt und an den Durchtrittsöffnungen lasergeschweißt. Bei einer Leckage tritt die Flüssigkeit sichtbar am Rand des Plattenpaares aus, statt ins andere Medium zu gelangen. Anschlüsse DN 25 bis DN 200, bis 16 bar.
FPDW ist die günstigere Lösung, solange Druck und Temperatur es zulassen. Liegen sie darüber, ist ein Rohrbündel-Sicherheitswärmetauscher mit Doppelrohren die richtige Wahl.
6. Plattenwerkstoffe und Dichtungen
Standardwerkstoff der Platten ist Edelstahl 1.4404 (AISI 316L). Der Molybdängehalt verbessert gegenüber 1.4301 (AISI 304) die Beständigkeit gegen Chloride. Je nach Medium kommen in Frage:
- 1.4301 (AISI 304): kostenoptimiert für unkritische Medien
- 1.4539 (904L): gegen Spannungsrisskorrosion, für schwach säure- und chloridhaltige Medien
- 1.4547 (254 SMO): chlorid- und säurebeständiger als 1.4404
- Alloy C-276, C-22 und Alloy 59: für Säuren und Chloride, zum Beispiel konzentrierte Schwefelsäure
- Nickel 200/201 und Tantal für Sonderfälle
- Titan Grade 1: Standard für Seewasser und Sole
- Titan-Palladium Grade 11: für Chloride bei höheren Temperaturen
Die Plattendicken liegen je nach Modell und Werkstoff zwischen 0,35 und 0,7 mm.
Die Dichtungen werden je nach Typ geklebt oder kleberfrei im Clip-System befestigt. Das erleichtert den Dichtungswechsel deutlich.
- NBR, universell für wässrige und fetthaltige Medien, zum Beispiel Wasser und Öl
- EPDM, breites chemisches Einsatzspektrum ohne Mineralöl und Fette, auch für Heißwasser und Dampf
- FKM (Viton), sehr beständig gegen Chemikalien, Lösungsmittel, Schwefelsäure und Pflanzenöle bei höheren Temperaturen
Das Gestell ist standardmäßig lackiert. Für aggressive Umgebungen sind seeluftbeständige Lackierungen oder Gestelle und Verkleidungen in Edelstahl möglich. Dazu gibt es Isolierungen, Spritzschutz, Tropfwannen und Inline-Filter. Abnahmen nach Druckgeräterichtlinie und durch Klassifikationsgesellschaften wie DNV, ABS, BV oder LR sind möglich.
7. Typische Anwendungen
Plattenwärmetauscher arbeiten überall, wo zwei Flüssigkeiten Wärme austauschen sollen: Hydraulik- und Schmierölkühlung, Prozesskühlung und -erwärmung, Wärmerückgewinnung, Kondensation und Gaskühlung. Zwei typische Schaltungen aus der Gebäude- und Kältetechnik:
Beispiele aus unseren Branchen:
- Rechenzentren: Systemtrennung, freie Kühlung und Abwärmenutzung
- Geothermie: Übergabe vom Thermalwasser an die Fernwärme mit kleinster Grädigkeit
- Großwärmepumpen: Wärmequellen wie See-, Fluss- oder Abwasser
Aus der Praxis
Für ein Geothermieprojekt in Bayern hat FUNKE zwei geschraubte Plattenwärmetauscher mit je über 5 MW gefertigt. Das Thermalwasser kühlt von 80 °C auf 41,5 °C ab und erwärmt die Fernwärme von 40 °C auf 78,5 °C, bei nur 1,5 K Temperaturdifferenz. Mehr Projekte auf unserer Seite FUNKE.
8. Wartung, Reinigung und Erweiterung
Richtig ausgelegt und innerhalb der Betriebsbedingungen betrieben, ist der Wartungsaufwand gering. Die Dichtungen altern über die Lebensdauer jedoch. Je nach Einsatz kann das Plattenpaket mehrfach nachgespannt werden, bis das Mindestmaß PP-min erreicht ist. Danach bringt eine Neubedichtung das Gerät wieder auf volle Leistung.
Gereinigt wird im eingebauten Zustand per CIP (Cleaning in Place), mechanisch vor Ort oder chemisch im Tauchbad bei FUNKE. Eine Neubedichtung verbindet FUNKE immer mit einer Reinigung, auf Wunsch auch mit Haarrissprüfung. Hat das Gestell Reserve, passen zusätzliche Platten oder eine geänderte Plattenkonfiguration das Gerät an neue Leistungen an. Originalplatten und Dichtungen gibt es weltweit als Ersatzteil.
Tipp für die Planung
Wer eine spätere Leistungssteigerung erwartet, sollte das Gestell gleich mit Reserve für zusätzliche Platten bestellen. Die Mehrkosten sind gering, ein späterer Gerätetausch ist deutlich teurer.
Sie haben einen Plattenwärmetauscher eines anderen Herstellers? Für Geräte von Alfa Laval, Kelvion, API Schmidt-Bretten oder Sondex (heute Danfoss) finden wir eine passende Lösung, mehr dazu unter Wärmetauscher Alternative und Ersatz.
9. CREATE: Plattenwärmetauscher online auslegen
Mit CREATE bietet FUNKE seine Auslegungssoftware für Plattenwärmetauscher als Webservice an. Kunden, die regelmäßig Plattenwärmetauscher auslegen, etwa Anlagenbauer oder Planer, erhalten eine eigene Version, die auf ihre Anforderungen zugeschnitten ist.
CREATE läuft im Browser, ohne Installation und Wartung, auch auf Tablet und Smartphone. Gerechnet wird mit dem FUNKE Plattenprogramm und den aktuellen Plattenmodellen, Updates spielt FUNKE selbst ein. Neu ist die Bestellfunktion direkt aus dem System.
Die Freischaltung erfolgt auf Anfrage. Wir stimmen den Zugang mit FUNKE ab und unterstützen Sie bei den ersten Auslegungen.
10. Diese Daten brauchen wir für die Auslegung
Eine gewünschte Leistung lässt sich mit sehr unterschiedlichen Gerätekonfigurationen erreichen. Je vollständiger die Betriebsdaten, desto wirtschaftlicher wird das Ergebnis. Für beide Medien brauchen wir:
- Medium und Aggregatzustand (flüssig, gasförmig, kondensierend)
- Wärmeleistung oder Volumen- bzw. Massenstrom
- Ein- und Austrittstemperatur
- Betriebsdruck und zulässigen Druckverlust
- Verschmutzungsfaktor oder gewünschte Flächenreserve, falls vorgegeben
- Stoffdaten bei Medien, die nicht allgemein bekannt sind
- Auslegungsdruck und -temperatur, Bau- und Abnahmevorschriften
- Wunschwerkstoffe für Platten, Dichtungen und Gestell, Anschlussart
- maximale Abmessungen, Aufstellungsland, Stückzahl und Liefertermin
Fehlt etwas, ergänzen wir es gemeinsam. Den FUNKE Anfragebogen für Plattenwärmetauscher senden wir Ihnen auf Wunsch zu.
Häufige Fragen
Wann ist ein geschraubter Plattenwärmetauscher besser als ein gelöteter?
Bei großen Leistungen und Volumenströmen, bei Medien, die verschmutzen können, und immer dann, wenn das Gerät gereinigt, neu bedichtet oder später erweitert werden soll. Gelötete Geräte sind kompakter und günstiger, lassen sich aber nicht öffnen.
Wie klein darf die Temperaturdifferenz zwischen den Medien sein?
Mit geschraubten Plattenwärmetauschern sind Grädigkeiten um 1 K technisch möglich. Wirtschaftlich sinnvoll sind je nach Anwendung meist 1 bis 3 K. Für sehr knappe Grädigkeiten hat FUNKE die neuen FPX-Platten entwickelt.
Was ist der Vorteil asymmetrischer Platten?
Wenn die Volumenströme der beiden Seiten stark unterschiedlich sind, kann der Kanalquerschnitt jeder Seite passend gewählt werden. Gegenüber symmetrischen Platten spart das bis zu 17 % Fläche.
Warum AHRI-zertifizierte Plattenwärmetauscher?
Die AHRI-Zertifizierung bestätigt Leistung und Druckverlust durch unabhängige Prüfung. Sie wird vor allem bei Rechenzentren, HLK-Anlagen und internationalen Projekten gefordert. Bei FUNKE sind die Baureihen FPC und FPQ zertifiziert.
Kann ich meinen Plattenwärmetauscher später erweitern?
Ja, wenn das Gestell Reserve hat. Zusätzliche Platten erhöhen die Fläche und damit die Leistung. Ob das in Ihrem Fall reicht, prüfen wir mit einer Nachrechnung.
Wie bekomme ich Zugang zu CREATE?
Die Freischaltung erfolgt auf Anfrage. Schreiben Sie uns, wir stimmen den Zugang mit FUNKE ab.
Technische Angaben und Abbildungen: FUNKE. Für die einzelne Ausführung gelten die Angaben des Herstellers.