Wärmeübertragung in Plattenwärmetauschern

Wärmeübertragung ist die Kernfunktion eines Wärmetauschers.

Die Gesetze der Thermodynamik bilden die Grundlage für das Design von Wärmetauschern:

1. Hauptsatz der Thermodynamik: Ein Wärmetauscher kann keine Energie erzeugen oder vernichten, es besteht immer ein Gleichgewicht zwischen der heißen und der kalten Seite.

2. Hauptsatz der Thermodynamik: Wärme fließt von einem warmen Medium zu einem kalten Medium, um den Temperaturunterschied auszugleichen.

Wärmeübertragung ist der Austausch von Wärme zwischen warmen und kalten Körpern. Dabei gibt es drei grundlegende Mechanismen:

• Wärmeleitung
• Wärmestrahlung
• Konvektion

Die Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher ist eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion. Wärmeleitung und Konvektion werden in jedem Fall der Wärmeübertragung berechnet.

Berechnung der Wärmeübertragung

Der Wärmeübergangskoeffizient U wird als die Summe des konvektiven Wärmeübergangs von beiden Seiten der Wärmeübertragungsfläche (hhot side und hcold side), sowie der Wärmeleitung durch die Wärmetauscherplatte (kplate) berechnet.

Die Wärmeleitfähigkeit wird aus der Wärmeleitfähigkeit des Plattenmaterials und der Materialdicke berechnet. Das Plattenmaterial ist typischerweise Edelstahl mit einer Dicke zwischen 0,7 mm und 1,5 mm. Je dünner das Material, desto effizienter die Wärmeleitung. Allerdings ist der Einfluss der Materialleitfähigkeit bei Plattendicken bis 1,0 mm im Vergleich zur gesamten Wärmeübertragung meist vernachlässigbar.

Wichtiger als die Wärmeleitung ist der konvektive Wärmeübergang zwischen Plattenoberfläche und strömendem Medium. Konvektion – oder konvektiver Wärmeübergang – beschreibt den Wärmetransport durch die Bewegung von Fluiden (h in obiger Formel).

Der konvektive Wärmeübergang ist die größte Herausforderung bei der Berechnung. Es gibt unterschiedliche Berechnungsverfahren für verschiedene Geometrien sowie für Flüssigkeiten, Gase, Kondensations- und Verdampfungsprozesse. Theoretische Gleichungen, wie die von Dittus-Boelter, werden anschließend durch experimentelle Tests an unterschiedlichen Wärmetauschertypen überprüft und angepasst.

In Plattenwärmetauschern ist die Konvektion der dominierende Mechanismus, weshalb es entscheidend ist, die konvektiven Kräfte zu optimieren.

Der Koeffizient des konvektiven Wärmeübergangs wird durch die Fluideigenschaften und die Geometrie der Wärmetauscheroberfläche beeinflusst. Das Fluid selbst ist in der Regel durch den Prozess vorgegeben und nicht veränderbar, doch der Typ und die Struktur des Wärmetauschers können so ausgelegt werden, dass die bestmögliche Wärmeübertragung erreicht wird.

Warum die Wärmeübertragung in Vahterus Plate & Shell Wärmetauschern besser ist als in Rohrbündelwärmetauschern

Der Einsatz von Wärmeübertragungsplatten anstelle von Rohren vergrößert die für die Strömung verfügbare Oberfläche und erzeugt einen Strömungspfad, der bereits bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten stärkere Turbulenzen bewirkt. Die Strömung zwischen den Platten weist im Vergleich zur Rohrströmung eine höhere Anzahl an Grenzschicht-Neuanlagerungen auf, was den Unterschied im Wärmeübergangskoeffizienten erklärt. Grenzschicht-Neuanlagerung bedeutet, dass das Fluid nicht gleichmäßig über die Wärmeübertragungsfläche strömt, sondern seine Richtung ständig ändert – selbst bei niedrigen Geschwindigkeiten – und dadurch die Wärmeübertragung verbessert wird.