Kissenplatten: Einführung

Kissenplatten-Wärmeaustauscher (KPWA, engl. Pillow Plate) sind eine spezielle Wärmeaustauscher-Bauart, bei der zwei aufeinanderliegende Bleche zu einem geschlossenen Druckraum verschweißt werden. Um im Druckraum die kundenseitig geforderte Druckfestigkeit zu erlangen und zusätzlich maximale strömungsmechanische und thermodynamische Effizienz zu generieren, wird ein lasergeschweißtes oder widerstandsgeschweißtes Punktmuster innerhalb des Druckraums definiert. Das Punktmuster ist das charakteristische Element von Kissenplatten-Wärmeaustauschern und wird von den Ingenieurinnen und Ingenieuren bei BUCO seit vielen Jahrzenten in Perfektion festgelegt.

Abbildung 1: Beispielhaftes Punktmuster

Nachdem der Kissenplatten-Wärmeaustauscher vollständig verschweißt ist, wird das Volumen des Druckraumes durch das Innenhochdruck-Umformen, dem sogenannten Aufdrücken, bestimmt. Dieser Parameter ergänzt die oben genannten Variablen und wird von Ingenieurinnen und Ingenieuren bei BUCO festgelegt. Die sogenannte Aufdrückhöhe, maximaler lichter Abstand beider Blechinnenseiten, definiert die Strömungsquerschnitte im vorab geschweißten Punktmuster und bildet das charakteristische optische Design eines Kissenplatten-Wärmeaustauscher. Darüber hinaus wird durch die Kaltverfestigung während der Aufdrückvorgangs die Stabilität der Kissenplatte erzeugt.

Abbildung 2: Beispielhafte Aufdrückhöhe im Punktmuster

Entsprechend den Kundenanforderungen definieren wir das Punktmuster und die Aufdrückhöhe als Resultat verschiedener Variablen, wie:

  • Blechwerkstoff (z.B. DC01, DC04, 1.4301, 1.4307, 1.4404, 1.4571, 1.4462, 1.4539, 254 SMO usw.)
  • Blechwandstärken (z.B. 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,5 mm, 2,0 mm, 3,0 mm usw.)
  • Maximal zulässiger Druck
  • Maximal zulässige Temperatur
  • Fluid innerhalb der Kissenplatte
  • Fluid außerhalb der Kissenplatte
  • Volumenstrom durch die Kissenplatte
  • Maximal zulässiger Druckverlust.

Unsere Jahrzehnte lange Kompetenz im Zusammenspiel mit den genannten Variablen lässt sich auf alle erdenklichen Fluide in der Wärmeaustauschplatte anwenden. Dazu zählen:

  • Einphasige Flüssigkeiten wie Wasser, Thermoöle oder auch hochviskose Flüssigkeiten wie Kälteträger
  • Einphasige überhitzte Gase
  • Fluide, die in der Wärmeaustauschplatte verdampfen (z.B. natürliche Kältemittel, Freone)
  • Fluide, die in der Wärmeaustauschplatten kondensieren (z.B. Wasserdampf)

Maximal zulässige Drücke PS >70bar oder maximal zulässige Temperaturen TS > 400°C sind durch das herausragende Know-How von BUCO zu erreichen.

Die Vielseitigkeit von Kissenplatten-Wärmeaustauschern führt zu einer nahezu unbegrenzten Anwendungsmöglichkeit, besonders dort, wo komplexe Kissenplattengeometrien aufgrund komplizierter Grundkörper und Montagemöglichkeiten notwendig sind.

Druckfestigkeit und Berstdruckversuch

Die ausreichende Druckfestigkeit der Kissenplatten wird über Berstdruckversuche nachgewiesen. Diese Berstdruckversuche werden in der Regel an Mustern der Kissenplatte durchgeführt, die die gleichen festigkeitsbestimmenden Eigenschaften haben wie die zu fertigenden Druckbehälter (Werkstoff, Blechdicke, Schweißpunktmuster usw.). Zur Bestimmung des Berstdrucks PB wird im Beisein eines Sachverständigen der zuständigen Prüforganisation der Druck imPrüfmuster solange schrittweise erhöht, bis dieser birst. DiesesVerfahren gehört somit zu den zerstörenden Prüfungen. Das Punktmuster der Kissenplatte um eine gewünschte Druckfestigkeit zu erreichen, wird von den Ingenieurinnen und Ingenieuren bei BUCO festgelegt. Berstdrücke > 450 bar sind ohne weiteres erreichbar. Die Berechnung des maximal zulässigen Drucks PS aus dem erreichten Berstdruck PB erfolgt z.B. nach AD 2000 Merkblatt S5 oder den ASME-Code. Stark vereinfacht muss der Berstdruck mehr als das Fünffache des maximal zulässigen Drucks betragen.

Strömung und Wärmeübergang

Damit der Kissenplatten-Wärmeaustauscher für alle Fluidgruppen möglichst effizient arbeitet, hat eine optimale Stromführung innerhalb des Druckraumes höchste Priorität. Dazu werden u.a. Abschweißungen in das Punktmuster gelegt, um das Fluid durch die Kissenplatte zu führen. Eine optimale Kombination aus Punktmuster und Aufdrückhöhe unterstützen die bestmögliche Strömungsverteilung, indem die Strömungsquerschnitte gezielt beeinflusst werden. Dadurch werden Toträume und schlecht durchströmte Bereiche in der Kissenplatte minimiert. Dies wird seit Jahrzehnten durch Verifizierungen an Testständen und Kundenanlagen bestätigt, so dass die kundenspezifischen Kissenplattengeometrien von BUCO die
effizientesten auf dem Markt sind.

Aufgrund der Strömung innerhalb des dreidimensionalen Kissenprofils mit regelmäßig sich wiederholenden Querschnitts- und Richtungsänderungen, lassen sich auch bei niedrigen Reynoldszahlen schon turbulente Strömungen erzeugen, wodurch schon früh vergleichsweise hohe innere Wärmeübergangskoeffizienten erreicht werden. Dadurch steigt bei gleichen Bedingungen außerhalb der Wärmeaustauschplatte der Wärmedurchgangskoeffizient und die erforderliche Wärmeaustauschfläche wird geringer. Dieser Vorteil zeigt sich insbesondere im Vergleich zur Rohrströmung in Rohrbündeln, welche aus geometrischen Gründen deutlich ineffizienter sind. Somit sind die Kissenplatten-Wärmeaustauscher von BUCO auch ressourcenschonender und nachhaltiger, da der Materialbedarf an Stahl deutlich geringer ist als bei Lösungen mit Rohren. Zudem sind Lösungen mit Rohren, Rohrschlangen oder Rohrbündeln äußerst unflexibel im Design, so dass sie den Kissenplatten in vielen Anwendungsfällen unterlegen sind. Die genannten Vorteile lassen sich auf alle oben genannten Fluidgruppen anwenden, welche von BUCO seit vielen Jahrzenten in Perfektion beherrscht werden.

Abbildung 3: Simulation der Strömung in der Kissenplatte durch numerische CFD-Berechnung (M. Piper et al., International Journal of Thermal Sciences, 120 (2017), 459-468)
Abbildung 4: Beispielhafte Strömungsführung mit Abschweißungen

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