Gelötete Plattenwärmeübertrager: Aufbau, Lotwerkstoffe und Einsatzgrenzen

Der gelötete Plattenwärmeübertrager ist die kompakteste verbreitete Bauform. Er kommt ohne Dichtungen, Gestell und Spannbolzen aus und besteht im Wesentlichen aus einem massiven Block profilierter Bleche mit vier Anschlüssen. Wo Bauraum knapp ist und der Apparat nicht geöffnet werden muss, ist er der Standard.

Aufbau und Fertigung

Dünne Bleche aus Edelstahl, meist 1.4401 oder 1.4404, werden mit einem Fischgrätmuster geprägt und abwechselnd um 180 Grad gedreht gestapelt. Dadurch kreuzen sich die Prägungen benachbarter Platten und stützen sich an den Kontaktpunkten gegeneinander ab. Zwischen die Bleche kommt eine Lotfolie, der Stapel wird unter Vakuum im Ofen erwärmt, und das Lot verbindet die Platten an jedem einzelnen Kontaktpunkt.

Genau diese Kontaktpunkte machen den Apparat druckfest: Die Last verteilt sich auf Tausende kleiner Stützstellen statt auf die freie Blechfläche. Zugleich erzwingen die gekreuzten Prägungen eine stark verwirbelte Strömung, was den Wärmeübergang gegenüber einem glatten Kanal um ein Vielfaches erhöht. Die Kanalweite liegt typischerweise zwischen zwei und fünf Millimetern.

Lotwerkstoffe

Kupferlot

Der wirtschaftliche Regelfall. Kupfer benetzt Edelstahl gut, ist gut verfügbar und deckt einen Temperaturbereich von etwa −195 bis 225 °C ab. Eingesetzt wird es in Heizungstechnik, Trinkwarmwasserbereitung über Systemtrennung, Kälteanlagen mit HFKW- und HFO-Kältemitteln sowie in Wärmepumpen.

Die Grenzen sind chemischer Natur: Ammoniak greift Kupfer an. Auch sehr weiches oder stark chloridhaltiges Wasser und einige Prozessmedien kommen mit Kupfer nicht in Frage.

Nickellot

Deutlich beständiger gegen aggressive Medien und der Weg für Ammoniakanlagen sowie für Anwendungen, in denen Kupferionen im Kreislauf unerwünscht sind. Die Fertigung ist aufwendiger und der Apparat entsprechend teurer, dafür steigt die chemische Beständigkeit erheblich.

Edelstahllot

Für Anwendungen, in denen weder Kupfer noch Nickel im Medienkontakt zulässig sind, etwa bei bestimmten hygienischen Anforderungen. Nischenlösung mit entsprechendem Preis.

Einsatzgrenzen

Typische Einsatzfelder

• Kältetechnik. Als Verdampfer und Verflüssiger. Das kleine Innenvolumen senkt die benötigte Kältemittelfüllmenge, was angesichts der Beschränkungen für fluorierte Treibhausgase unmittelbar auf Zulässigkeit und Kosten durchschlägt.
• Wärmepumpen. Auf der Quellen- wie auf der Senkenseite. Die kleinen darstellbaren Grädigkeiten verbessern die Leistungszahl direkt.
• Heizungstechnik. Systemtrennung zwischen Erzeuger- und Verbraucherkreis, Fußbodenheizkreise, Pufferentladung.
• Trinkwarmwasser. Im Durchflussprinzip, wo stehende Wassermengen hygienisch unerwünscht sind. Das geringe Volumen ist hier ein Vorteil, die Kalkbeständigkeit die Herausforderung.
• Öl- und Hydraulikkühlung. Sofern die Temperaturgrenzen eingehalten werden.

Was der Bauform schadet

• Kalk bei hoher Wandtemperatur. Auf der Trinkwasserseite fällt Kalk umso schneller aus, je heißer die Wand ist. Eine niedrigere Vorlauftemperatur bei entsprechend größerer Fläche ist fast immer die haltbarere Auslegung als eine kleine Fläche mit hoher Spreizung.
• Feststoffe und Fasern. Kanäle von zwei bis fünf Millimetern setzen sich zu und lassen sich nicht mechanisch räumen. Ein Filter vor dem Apparat ist keine Option, sondern Voraussetzung.
• Frost. Ein eingefrorener Kanal sprengt die Lötverbindung. In der Kältetechnik ist ein Frostschutzthermostat mit Durchflussüberwachung Standard.
• Häufige starke Temperaturwechsel. Sie belasten die Lötstellen durch Materialermüdung. Bei getakteten Prozessen ist das ein Auslegungskriterium.

Reinigung im eingebauten Zustand

Weil sich der Block nicht öffnen lässt, bleibt nur die chemische Spülung. Üblich ist eine verdünnte organische Säure, etwa auf Zitronen- oder Ameisensäurebasis, die mit einer Pumpe entgegen der normalen Strömungsrichtung zirkuliert wird. Anschließend wird neutralisiert und mit klarem Wasser gespült. Zwei Punkte entscheiden über den Erfolg:

• Früh genug spülen. Ein harter, gewachsener Belag löst sich schlecht. Steigt der Druckverlust bei gleichem Volumenstrom messbar an oder verschlechtert sich die Grädigkeit, ist der Zeitpunkt da.
• Materialverträglichkeit prüfen. Salzsäurehaltige Mittel greifen Edelstahl und Lot an. Die Freigabe des Herstellers ist kein Formalismus.

Wenn absehbar ist, dass regelmäßig mechanisch gereinigt werden muss, ist die Bauform falsch gewählt. Der Vergleich mit gedichteten und verschweißten Apparaten steht unter Bauarten von Wärmeübertragern.

Auslegung: worauf es bei dieser Bauform ankommt

Weil ein gelöteter Apparat nicht erweiterbar ist, muss die Reserve von Anfang an stimmen. Zugleich ist eine zu große Auslegung schädlich: Fällt die Geschwindigkeit im Kanal unter den turbulenten Bereich, sinkt der Wärmeübergang überproportional, und Ablagerungen werden nicht mehr ausgetragen. Die Praxis liegt bei einem moderaten Verschmutzungszuschlag und einer sauberen Filtration statt bei pauschalem Übermaß. Die Rechenwege dazu stehen unter Auslegung und Berechnung.