Vergleich von Wärmetauschern in Kaltwassersätzen: Welche Wahl für welchen Einsatz?

Wärmetauscher sind Schlüsselelemente von Kältemaschinen, die sich direkt auf die Effizienz der Wärmeübertragung, die Energieeffizienz und die Zuverlässigkeit der gesamten Kältemaschine auswirken.

Im vorigen Artikel haben wir bereits die Kriterien für die Auswahl des Kühlmediums des Verflüssigers erörtert. Wenn Sie die Wasserkühlung analysiert haben, ist der nächste logische Schritt die Auswahl des Wärmetauschertyps.

Abbildung 1. Beispiel einer Kältemaschine auf der Basis von Plattenwärmetauschern

Abb. 2. Beispiel einer Kältemaschine auf der Basis von Rohrbündelwärmetauschern

Dieser Artikel vergleicht die beiden Haupttypen von Wärmetauschern, die als Verdampfer und/oder Verflüssiger verwendet werden: Plattenwärmetauscher (PHE) und Rohrbündelwärmetauscher (SHE). Beide Lösungen haben ihre eigenen Konstruktionsmerkmale, Vorteile und Einschränkungen, die bei der Auswahl der Ausrüstung für bestimmte Betriebsbedingungen entscheidend sind. Die gute Nachricht ist, dass die Parameter, anhand derer Sie und ich Wärmetauscher vergleichen werden, sowohl für den Verflüssiger als auch für den Verdampfer einer Kältemaschine gelten. Es ist selten, dass zwei verschiedene Typen von wassergekühlten Wärmetauschern in ein und demselben Gerät eingesetzt werden.

Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Art von Wärmetauscher am besten zu Ihren Anforderungen passt, können unsere Experten Ihnen bei der Auswahl helfen!

Plattenwärmetauscher (PHE)

In einem Plattenwärmetauscher erfolgt die Wärmeübertragung zwischen zwei sich nicht vermischenden Strömen (Flüssigkeiten oder Gase) über dünne Platten mit gewellten Oberflächen unterschiedlicher Profile. Diese Konstruktion gewährleistet intensive Turbulenzen und eine hohe Wärmeübertragungseffizienz.

Je nach Art des Aufbaus werden Plattenwärmetauscher unterschieden in:

• zusammenklappbar;
• gelötet;
• halbgeschweißt;
• geschweißt (hochspezialisiert, außerhalb des Rahmens dieses Artikels).

Zusammenlegbare Wärmetauscher in Plattenbauweise

Der Hauptunterschied dieses Geräts besteht darin, dass das Plattenpaket bei der regelmäßigen Wartung vollständig demontiert und wieder zusammengebaut wird, was nicht nur die Spülung der Platten, sondern auch eine mechanische Reinigung ermöglicht. Die Nichtvermischung der beiden Medien wird durch eine Dichtung zwischen den beiden Einzelplatten gewährleistet.

Abbildung 3. Schematische Darstellung der Medienströme in einem Plattenwärmetauscher

Abb. 4. Einzelne Platte eines kollabierenden Wärmetauschers mit Dichtung

Es ist auch erwähnenswert, dass die Möglichkeit der vollständigen Demontage der Einheit es erlaubt, im Falle von Leckagen nicht die gesamte Einheit zu ersetzen, sondern nicht funktionierende Elemente schnell zu identifizieren, sie zu ersetzen und den Wärmetauscher wieder in Betrieb zu nehmen. Wenn die erforderlichen Ersatzteile verfügbar sind, dauert der gesamte Vorgang nur wenige Stunden.

Direkt als Teil einer Kältemaschine werden Sie ein solches Gerät höchstwahrscheinlich nicht antreffen, da es nicht für die Drücke ausgelegt ist, bei denen der Kältemittelkreislauf arbeitet, und der Einbau eines solchen Wärmetauschers als Verdampfer oder Verflüssiger zur Extrusion von Dichtungen und zum Austreten von Kältemittel führen wird. Als zusätzlicher Wärmetauscher zur Trennung des „sauberen Kreislaufs“ ist er jedoch eine der besten Lösungen.

Halbgeschweißte Wärmetauscher

Bei halbverschweißten Wärmetauschern wird das Plattenpaket in kombinierter Weise hergestellt. Die Platten werden paarweise zusammengeschweißt, und die Dichtungen werden an der Außenseite eines solchen Paares angebracht und wechseln sich dann mit dem nächsten geschweißten Plattenpaar ab.

Diese Art der Konstruktion ermöglicht den Einsatz von halbverschweißten Wärmetauschern in einer Kältemaschine, bei der innerhalb der verschweißten Platte das Kältemittel kondensiert oder kocht und auf der anderen Seite das Kältemittel gekühlt oder erwärmt wird. Durch die Verschweißung der Platten wird die Möglichkeit von Kältemittelleckagen im Kältekreislauf ausgeschlossen.

Abbildung 5. Platte eines halbverschweißten TVET

Gelötete Wärmetauscher

Gelötete Wärmetauscher bestehen ebenfalls aus einem Plattenpaket, aber der Unterschied zu den faltbaren Wärmetauschern besteht darin, dass sie miteinander verlötet sind und daher eine Montage/Demontage eines solchen Pakets unmöglich ist. Das Löten erfolgt mit Nickel oder Kupfer, so dass es zwei Haupttypen von gelöteten Plattenwärmetauschern gibt: nickelgelötete und kupfergelötete. Nickellot wird für Geräte verwendet, die mit aggressiveren Medien arbeiten sollen.

Abbildung 6. Gelöteter Plattenwärmetauscher

Abbildung 7. Herstellungstechnologie des gelöteten Plattenwärmetauschers. Edelstahlblech und Kupferfolie werden in einer hydraulischen Presse zusammengepresst (1A). Die so entstandenen gewellten Platten werden zu einem Paket zusammengestellt (1B). Dieses Plattenbündel wird dann in einen Vakuumofen gelegt und auf den Schmelzpunkt von Kupfer erhitzt. Aufgrund der Oberflächenspannung sammelt sich flüssiges Kupfer an den Kanten und Kontaktstellen der Platten und bildet abgedichtete Kanäle (1C).

Vor- und Nachteile von Plattenwärmetauschern

Vorteile:

• Einfacher Transport und Einbau, da der Plattenwärmetauscher kleiner ist als andere Arten von regenerativen Wärmetauschern.
• Einfache Wartung – zusammenklappbare, halbgeschweißte und geschweißte Wärmetauscher sind leicht zu waschen, da sie entweder vollständig zerlegt sind, wie im Falle der zusammenklappbaren Einheiten, oder teilweise zerlegt sind, was den Zugang zu den Platten ermöglicht, wie bei halbgeschweißten und geschweißten Einheiten. Für nicht demontierte FSP ist eine CIP-Waschtechnik verfügbar.
• Hohe Leistung – der Wärmeübergangskoeffizient des FHE ist 3-5 mal höher als der von Rohrbündelwärmetauschern.
• Preis – die Kosten von Plattenwärmetauschern sind aufgrund der wesentlich geringeren Metallintensität niedriger als die ähnlicher Rohrbündelwärmetauscher.

Benachteiligungen:

• Häufig ist eine Erdung erforderlich. Da die Platten eine geringe Dicke haben, sind sie Streuströmen ausgesetzt, was zu Löchern in den Platten führt.
• Höhere Anforderungen an die Qualität der Kühlmittelreinigung. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Arbeitsmediums im Inneren von Klappwärmetauschern lagern sich Ablagerungen und Verstopfungen auf den Innenflächen langsamer ab als auf den Oberflächen von Rohrbündelwärmetauschern. Da der Abstand zwischen den Platten jedoch gering ist, sind die Kanäle anfälliger für Verschmutzungen als die Innenflächen eines Rohrbündelwärmetauschers, was zu einem niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten führt.

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Rohrbündelwärmetauscher (STE)

Ein Rohrbündelwärmetauscher besteht aus einem Bündel von Rohren innerhalb eines zylindrischen Mantels. Ein Medium fließt durch die Rohre und das andere Medium umströmt die Rohre, was die Wärmeübertragung fördert. Um eine Durchbiegung der Rohre zu vermeiden, wenn das Verhältnis von Rohrlänge zu Rohrdurchmesser groß ist, werden im Mantel des Wärmetauschers Stützbleche verwendet.

Insider: Bei Rohrbündelwärmetauschern mit schlechter Bauqualität kommt es an den Stellen, an denen die Rohre durch das Stützleitblech laufen, aufgrund des losen Kontakts und der daraus resultierenden Schwingungen zu einem Reiben der Rohre.

Vorteile

• Ausgelegt für höhere Drücke und Temperaturen
• Geeignet für den Umgang mit verunreinigten Fluiden. Weniger anfällig für Verschmutzung als Plattenwärmetauscher.

Nachteile

• Sperrige Konstruktion, erfordert mehr Platz für die Installation. Infolgedessen hat der Kühler auch eine große Größe und ein hohes Gewicht.
• Weniger effizient als Plattenwärmetauscher bei kleinen Temperaturunterschieden.
• Schwierig zu warten: Die Reinigung der Rohre kann zeitaufwändig sein.

Je nach Anwendung kann der Rohrbündelwärmetauscher unterschiedliche Anschlusskonfigurationen haben.

Rohrbündelkondensator

In einem Rohrbündelverflüssiger werden die überhitzten Kältemitteldämpfe aus dem Verdichter auf Sättigungstemperatur abgekühlt und kondensiert. In einigen Fällen wird das entstehende Kondensat unter die Kondensationstemperatur abgekühlt (unterkühlt).

Das Zwischenkühlmittel fließt durch die Rohre und das Kältemittel kondensiert an deren Außenfläche. Der untere Teil des Gehäuses ist in der Regel nicht mit Rohren gefüllt und kann als Sammler für flüssiges Kältemittel verwendet werden.

Abbildung 8. Flussdiagramm des Medienflusses in einem Rohrbündelverflüssiger

Rohrbündelverdampfer

Im Rohrbündelverdampfer siedet das flüssige Kältemittel und wird zu Dampf, der vom Verdichter abgesaugt wird. Das Sieden des Kältemittels erfolgt durch Wärmeentzug aus dem im Verdampfer gekühlten Medium. In Rohrbündelverdampfern kann das Kältemittel sowohl innerhalb der Rohre als auch im Rohrzwischenraum sieden. Ein Rohrbündelverdampfer, bei dem das Kältemittel im Rohrzwischenraum siedet und das Kühlmittel in den Rohren fließt, wird als „gefluteter“ Verdampfer bezeichnet. Der Hauptnachteil von gefluteten Rohrbündelverdampfern ist die Gefahr des Einfrierens des Kühlmittels in den Rohren, wenn die Zirkulation unterbrochen wird, was zu Rohrbrüchen führen kann.

Bei Kaltwassersätzen für halbindustrielle und gewerbliche Anwendungen ist der Rohrbündelverdampfer mit Sieden des Kältemittels in den Rohren, der diesen Nachteil nicht hat, weiter verbreitet.

Abb. 9. Schema des Medienflusses im Rohrbündelverdampfer mit Inline-Sieden des Kältemittels

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Vergleich

Welcher Wärmetauscher ist der richtige für Ihre Anwendung? Die Wahl zwischen Platten- und Rohrbündelwärmetauschern hängt von Ihren spezifischen Anforderungen ab: Verwenden Sie einen Plattenwärmetauscher, wenn Sie eine hohe Effizienz, eine kompakte Bauweise und eine einfache Wartung für saubere Flüssigkeiten benötigen. Verwenden Sie einen Rohrbündelwärmetauscher bei Hochdruckanwendungen, für verschmutzte Flüssigkeiten oder wenn Langlebigkeit von größter Bedeutung ist. Dies ist eine kurze, einfache Antwort auf eine komplexe Frage. Bei der Entscheidung für den einen oder anderen Wärmetauschertyp müssen zahlreiche Parameter berücksichtigt werden. Eine nicht erschöpfende Liste von Vergleichsfaktoren findet sich in Tabelle 1.

Tabelle 1. Vergleiche von Rohrbündel- und Plattenwärmetauschern

Schlussfolgerungen

Sowohl Platten- als auch Rohrbündelwärmetauscher bieten deutliche Vorteile. Für Branchen, in denen eine kompakte und effiziente Kühlung erforderlich ist, kann ein Plattenwärmetauscher-Kühler die ideale Lösung sein. Andererseits eignet sich ein Rohrbündelkühler besser für Anwendungen, bei denen Langlebigkeit und die Fähigkeit, schmutzige Medien und hohe Drücke zu bewältigen, wichtig sind. Die Wahl des richtigen Wärmetauschers hängt von Faktoren wie Flüssigkeitstyp, Temperaturbereich, Platzangebot und Wartungsbedarf ab.

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Autor des Artikels:
Andrey Kohan, Kältetechniker
29.08.2025