Kissenplatten

Kissenplatten-Wärmeübertrager (KPWA, engl. Pillow Plate) sind eine spezielle Wärmeaustauscher-Bauart in industriellen Anlagen, bei der zwei aufeinanderliegende Bleche zu einem geschlossenen Druckraum zu sogenannten Thermoblechen 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 von Thermoblechen ist das charakteristische Element von Kissenplatten-Wärmeübertrager-Systemen und wird von den Ingenieurinnen und Ingenieuren bei BUCO in der Thematik Wärmeaustausch seit vielen Jahrzenten in Perfektion festgelegt und darüber hinaus durch Rückopplung von Prozessdaten und Kundendaten stetig in die aktuelle Auslegung und Berechnung integriert.

Abbildung 1: Beispielhaftes Punktmuster

Nachdem der Kissenplatten-Wärmeüberträger 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

Wenig Zeit für Angebotssuche zu Thermoblechen? Sie suchen geschäftlich nach Thermoblechen?

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

  • Blechwerkstoff der Wärmetauscher anwenden (z.B. DC01, DC04, 1.4301, 1.4307, 1.4404, 1.4571, 1.4462, 1.4539, 254 SMO usw.)
  • Blechwandstärken der Wärmetauscher anwenden (z.B. 0,6 mm, 0,8 mm, 1,0 mm, 1,5 mm, 2,0 mm, 3,0 mm usw.)
  • Maximal zulässiger Druck der pillow-plate in der Anlage
  • Maximal zulässige Temperatur der pillow-plate in der Anlage
  • Fluid der Wärmeübertragung innerhalb der Kissenplatte
  • Fluid der Wärmeübertragung außerhalb der Kissenplatte
  • Volumenstrom der Wärmeübertragung durch das Thermoblech
  • Maximal zulässiger Druckverlust der Platte

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

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

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

Die Vielseitigkeit von Kissenplatten-Wärmeaustauschern führt zu einer nahezu unbegrenzten Anwendungsmöglichkeit der Wärmeübertragung oder Wärmerückgewinnung, ob Kühlung oder Erhitzung, besonders dort, wo komplexe Kissenplattengeometrien der pillow-plate aufgrund komplizierter Grundkörper und Montagemöglichkeiten notwendig sind.

Druckfestigkeit und Berstdruckversuch

Die ausreichende Druckfestigkeit der verfahrenstechnischen Kissenplatten wird über Berstdruckversuche nachgewiesen. Diese Berstdruckversuche werden in der Regel an Mustern der verfahrenstechnischen 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 im Prüfmuster solange schrittweise erhöht, bis dieser birst. Dieses Verfahren 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 von Thermoblechen

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 der Dimple Platten 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-Wärmeübertrager-Systemen in vielen Anwendungsfällen unterlegen sind. Die genannten Vorteile im Wärmeaustausch lassen sich auf alle oben genannten Fluidgruppen bei einzelnen Kissenplatten oder in Montage komplexer Wärmeaustauschsysteme mehrerer Kissenplatten in industriellen Anlagen anwenden, welche von BUCO seit vielen Jahrzenten in Perfektion beherrscht werden. Dies umfasst auch den Einbau an bestehenden Tanks oder als konstruktives Element von neuen Behältern.

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

Wenn Sie ein Projekt oder eine Anfrage für uns haben, oder Kontakt mit uns aufnehmen wollen.

Kontakt