Bauarten von Wärmeübertragern: gedichtet, gelötet, verschweißt und Rohrbündel im Vergleich

Die Bauart eines Wärmeübertragers ist selten eine Frage des Geschmacks. Sie ergibt sich aus vier Randbedingungen: Druck und Temperatur, Verträglichkeit der Medien mit Dichtungs- und Lotwerkstoffen, Verschmutzungsneigung und der Frage, ob der Apparat später geöffnet werden muss. Dieser Beitrag stellt die verbreiteten Bauformen gegeneinander.

Gedichteter Plattenwärmeübertrager

Die klassische Bauform: profilierte Platten hängen in einem Gestell zwischen Kopf- und Druckplatte und werden über Spannbolzen zusammengepresst. Elastomerdichtungen führen die Medien und trennen die Kanäle. Ein Leck nach außen ist konstruktiv sichtbar, weil die Dichtungen so ausgeführt sind, dass ein Versagen ins Freie und nicht in das andere Medium führt.

• Druck: üblicherweise bis rund 25 bar
• Temperatur: abhängig vom Dichtungswerkstoff, NBR bis etwa 110 °C, EPDM bis etwa 160 °C, FKM für Öle und höhere Temperaturen
• Stärken: öffenbar, mechanisch reinigbar, durch Nachrüsten von Platten in der Leistung erweiterbar, Dichtungen und Platten einzeln tauschbar
• Grenzen: Dichtungen altern und sind das Verschleißteil, Medienverträglichkeit begrenzt den Einsatz, Gestell braucht Ausbauraum

Typische Einsätze sind Fernwärme-Übergabestationen, Trinkwarmwasserbereitung, Systemtrennung zwischen Heiz- und Verbraucherkreis, Schwimmbadbeheizung und Prozesswasserkühlung.

Gelöteter Plattenwärmeübertrager

Die Platten werden im Vakuumofen mit Kupfer oder Nickel verlötet. Es gibt keine Dichtungen und kein Gestell, der Apparat ist ein geschlossener Block. Details zu Werkstoffen, Kältemitteleignung und Reinigung stehen unter gelötete Plattenwärmeübertrager.

• Druck: je nach Baureihe bis 30 bar, in Kälteausführungen deutlich höher
• Temperatur: etwa −195 bis 225 °C bei Kupferlot
• Stärken: sehr kompakt, druckfest, kein Verschleißteil Dichtung, geringes Füllvolumen
• Grenzen: nicht öffenbar, nur chemisch reinigbar, nicht erweiterbar, Kupferlot bei Ammoniak und Trinkwasser mit hoher Aggressivität ungeeignet

Vollverschweißter Plattenapparat

Platten werden paarweise verschweißt oder der gesamte Block wird ohne Elastomere ausgeführt. Bei der Halbschweißvariante ist eine Seite verschweißt und die andere gedichtet, was aggressive Medien auf der geschlossenen Seite erlaubt und die reinigungsbedürftige Seite zugänglich hält.

• Druck und Temperatur: deutlich oberhalb gedichteter Apparate, je nach Bauform mehrere hundert Grad
• Stärken: beständig gegen Medien, die Elastomere angreifen, hohe Temperaturwechselbeständigkeit
• Grenzen: hoher Preis, eingeschränkte Reinigungsmöglichkeit, Reparatur aufwendig

Typische Einsätze: Ammoniakanlagen, aggressive Prozessmedien, Abhitzenutzung mit hohen Temperaturen.

Rohrbündelwärmeübertrager

Ein Bündel aus Rohren steckt in einem Mantel. Ein Medium fließt durch die Rohre, das andere um sie herum, umgelenkt durch Leitbleche. Die älteste industrielle Bauform, und in ihrem Einsatzfenster weiterhin die erste Wahl.

• Druck und Temperatur: sehr weiter Bereich, mehrere hundert bar und mehrere hundert Grad darstellbar
• Stärken: robust gegen Feststoffe, mechanisch reinigbar, einzelne Rohre lassen sich verschließen, große Volumenströme mit Phasenwechsel beherrschbar
• Grenzen: niedrige k-Werte, dadurch große Fläche, hohes Bauvolumen und Gewicht, großes Flüssigkeitsvolumen, Ausbauraum für das Bündel nötig

Spiralwärmeübertrager

Zwei aufgewickelte Blechbahnen bilden zwei durchgehende, spiralförmige Kanäle. Weil jeder Kanal einen einzigen Querschnitt über die gesamte Länge hat, wirkt eine lokale Ablagerung sofort als Geschwindigkeitserhöhung und wird tendenziell wieder ausgetragen. Das macht die Bauform für Schlämme, Faserstoffe und stark verschmutzende Medien interessant, etwa in der Abwasserbehandlung und der Zellstoffindustrie.

Der Vergleich in einer Tabelle

Auswahl in fünf Fragen

1. Welche Drücke und Temperaturen treten auf, auch im Störfall? Der Auslegungspunkt ist selten der kritische Punkt. Stillstand mit stehender Wärme oder ein Ausfall der Umwälzung entscheiden häufiger über die Bauart als der Normalbetrieb.
2. Vertragen Dichtungen oder Lot die Medien? Ammoniak und Kupferlot vertragen sich nicht. Öle brauchen FKM statt EPDM. Diese Prüfung kommt vor jeder Leistungsrechnung.
3. Wie stark verschmutzt das Medium? Feststoffe, Fasern und harte Beläge schließen enge Plattenkanäle aus.
4. Muss der Apparat geöffnet werden? Bei Trinkwasser, Lebensmitteln und hygienisch überwachten Kreisen ist die mechanische Reinigbarkeit oft vorgegeben.
5. Ist eine spätere Leistungserhöhung absehbar? Nur der gedichtete Plattenapparat lässt sich durch zusätzliche Platten nachträglich vergrößern, sofern das Gestell dafür ausgelegt wurde.

Wie aus diesen Randbedingungen dann konkrete Plattenzahlen und Druckverluste werden, steht unter Auslegung und Berechnung. Die physikalischen Größen dahinter erklärt der Beitrag zu den Grundlagen der Wärmeübertragung.