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Instandhaltung und Störungen von Plattenwärmetauschern für Laien
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Instandhaltung und Störungen von Plattenwärmetauschern für Laien

  • Katarina Knafelj Jakovac

    31. Januar 2024

Plattenwärmetauscher sind eine weit verbreitete Art von Wärmetauschern zwischen dem warmen Medium, das gekühlt werden muss, und dem kalten Medium, das die Wärme aufnimmt, insbesondere in Anlagen mit begrenztem Platz, aufgrund ihrer praktischen Konstruktion, Betriebssimpelheit und Kompaktheit während der Installation.

Sie sind preislich teurer im Vergleich zu Rohrbündelwärmetauschern, haben jedoch niedrigere Wartungskosten und Kosten für Ersatzteile.

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Bild: Plattenwärmetauscher im Betrieb (Quelle)

Plattenwärmetauscher werden seit über 100 Jahren zur Optimierung von Prozessen in der chemischen, Lebensmittel-, pharmazeutischen, Erdöl- und petrochemischen Industrie eingesetzt. Der deutsche Erfinder Albrecht Dracke meldete das erste Patent für einen Plattenwärmetauscher an und ebnete so den Weg für den praktischen Wärmeaustausch zwischen zwei Arbeitsmedien.

Dr. Richard Seligman begann 1923 in seiner Firma Aluminum Plant and Vessel Company Ltd mit der kommerziellen Produktion von Plattenwärmetauschern. Die Entwicklung von Plattenwärmetauschern setzte sich fort, und ihre Beliebtheit unter Designern, Technikern und Ingenieuren stieg aufgrund ihrer hohen thermischen Effizienz, der Möglichkeit der Kapazitätserhöhung durch Hinzufügen von Rippenplatten sowie der Einfachheit beim Zerlegen und Reinigen.
Die technischen Merkmale und die Konstruktion von Plattenwärmetauschern werden durch die Europäische Druckgeräterichtlinie PED 2014/68/EU (Pressure Equipment Directive) sowie die Norm ASME Section VIII Div.1 definiert.

Was macht einen Plattenwärmetauscher aus?

Jeder Plattenwärmetauscher muss auf der äußeren Seite des Rahmenblechs zwingend ein Typenschild haben.

Auf dem Schild sind Informationen wie: Typ des Wärmetauschers, Seriennummer, zulässige Drücke [bar], zulässige Temperaturen [°C], Prüfdruck [bar], Volumen [L], Kompressionsabmessungen Lmax. und Lmin. [mm], Nettogewicht, Herstellungsjahr aufgeführt.
Im Bild ist ein typischer Plattenwärmetauscher dargestellt, der aus einem Rahmen und Trägern mit Führungen besteht.

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Bild: Teile eines Plattenwärmetauschers (Quelle: Gescanntes Bild aus dem Buch Velimir Ozretić - Ship Auxiliary Machinery and Devices)

Die rebrigen Platten sind in einem Stapel oder einem sogenannten Gitter auf den Führungen angeordnet.

Der Abstand zwischen den Platten beträgt normalerweise 1,3 bis 1,5 mm.

Die Rippen auf den Platten schaffen eine größere Kühlfläche und ermöglichen so eine bessere Kühlleistung, indem sie das turbulente Strömung des Arbeitsmediums verbessern.

Die Auswahl des Materials für die Herstellung der gerippten Platten hängt von den spezifischen Betriebsbedingungen des zukünftigen Benutzers ab, einschließlich Drücken, Temperaturen, Arbeitsmedien und Betriebsregimen.

Die gerippten Platten werden häufig aus Nickel, Kupfer, Stahllegierungen und Aluminium oder Stahl und Titan hergestellt, abhängig von der Verwendung des Wärmetauschers.

Nach einer gewissen Betriebszeit beginnen sich Ablagerungen von Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Silikaten auf den Oberflächen der gerippten Platten zu bilden oder es tritt Korrosion auf.

Korrosion ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Material der gerippten Platte und der chemischen Zusammensetzung des Arbeitsmediums.

Die entstandenen Ablagerungen verlangsamen den Wärmeübergang zusätzlich und verlangsamen die turbulente Strömung, was zu einer Verringerung der effektiven Kühlung führt.

Dieses Phänomen wird als Verschmutzungsfaktor oder Verschmutzungsfaktor Rf (Fouling Faktor, m2K/W) definiert.

Fouling Faktor repräsentiert tatsächlich den thermischen Widerstand der Ablagerungen auf der Oberfläche der Platten des Wärmetauschers gegenüber dem Wärmeübertrag des Arbeitsmediums.

Der Schmutz auf der Oberfläche der Platte wirkt wie ein Isolator und reduziert den Wärmeaustausch, was die Effizienz des Wärmetauschers direkt verringert.

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Bild: Platten des Wärmetauschers mit Ablagerungen von Schmutz (Quelle)

Die häufigste Art der Verschmutzung ist Ablagerung fester Substanzen aus der Flüssigkeit auf die Oberfläche zur Wärmeübertragung.
Andere Arten der Verschmutzung der Oberfläche umfassen chemische Verschmutzung (z.B. Korrosion) und biologisches Wachstum durch das Wachstum von Algen.

Der Verschmutzungsfaktor der Oberfläche hängt weitgehend von den chemischen und physikalischen Eigenschaften des Arbeitsmediums, der Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums und der Art des Plattenmaterials ab.

Eine Fließgeschwindigkeit von 0,9 m/s oder weniger führt zu einer schnelleren Verschmutzung der Plattenoberfläche.

Die Druck- und Rahmenplatte drücken die gerippten Platten im Stapel zusammen, und der gesamte Stapel wird durch Paare von Spannschrauben für Vorspannung gespannt.

Die Konstruktion des Plattenwärmetauschers hat in der Regel mindestens 4 Paare von Schrauben für die Vorspannung. Das Austreten des Mediums wird durch Dichtungen an den Rändern der gerippten Platten verhindert und ermöglicht einen alternativen Durchgang des Arbeitsmediums.

Dichtungen sind Verschleißteile, die anfällig für chemische, thermische und mechanische Schäden sind.

Die Auswahl des Materials für die Herstellung der Dichtungen hängt ebenfalls von den angegebenen Drücken, Temperaturen und den Eigenschaften der Arbeitsmedien ab.

Die Dichtungen sind in zwei Gruppen unterteilt: a) Elastomer-Dichtungen mit 2 oder 4 Augen, befestigt durch Eindrücken oder mit speziellem Klebstoff, je nach Hersteller des Wärmetauschers.

b) Harte Dichtungen aus Mineralwolle, die zwangsläufig mit Klebstoff befestigt werden.

Elastomer-Dichtungen altern im Laufe der Zeit und werden spröde.

Harte Dichtungen haben nicht die Eigenschaft, Änderungen in ihrer Struktur aufgrund einer Änderung der Temperaturbelastung auszugleichen, z.B. beim Starten aus dem kalten Zustand, was zu einem Leck des Arbeitsmediums führen kann.

Die Lebensdauer der Dichtungen wird durch die Betriebsweise des Wärmetauschers beeinflusst.

Bei unsachgemäßer Verwendung wird es zwangsläufig zu einer verkürzten Lebensdauer und damit zu höheren Wartungskosten kommen, da der Benutzer sie vorzeitig austauschen muss.

Wenn die Dichtungen vollständig ausgetauscht werden, muss die Kompressionsgröße L gleich dem auf dem Typenschild angegebenen Wert Lmax. sein.

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Bild: Seitenansicht des Plattenwärmetauschers mit angegebener Kompressionsgröße L (angepasst nach Quelle)

Wenn die Platten des Wärmetauschers nur gereinigt und die Dichtungen nicht ausgetauscht wurden, muss die vorhandene Kompressionsgröße L vor dem Öffnen des Plattenwärmetauschers gemessen und aufgezeichnet werden, und der Stapel auf den aufgezeichneten Wert L gespannt werden.

Wenn es zu einer Änderung der Anzahl der Platten im Stapel des Wärmetauschers kommt, sei es durch Hinzufügen neuer Platten oder Reduzieren der Anzahl vorhandener, muss die neue Lmax.-Kompressionsgröße mit dem Originalhersteller des Wärmetauschers (OEM) abgestimmt und bestätigt werden.

Dann müssen die Daten aktualisiert, ein neues Typenschild mit der neuen Lmax.-Wert angefertigt und angebracht werden.

Während der Montage des Plattenwärmetauschers sollte er gemäß den Anweisungen des Herstellers installiert werden, um spätere Übertragung von Kräften hoher Intensität, großen Momenten oder erhöhten Vibrationen über Rohre und Verbindungen mit dem Wärmetauscher zu vermeiden.

Es ist gängige Praxis, dass ein autorisierter Vertreter des Herstellers oder Lieferanten während der Montage des Plattenwärmetauschers und der Inbetriebnahme anwesend ist und die ordnungsgemäße Installation durch ein Abnahmeprotokoll bestätigt.

Wenn Sie Probleme mit der Verstopfung des Plattenwärmetauschers oder seiner Anschlussrohre während des ersten Betriebs vermeiden möchten, montieren Sie unbedingt einen Filter oder eine Umgehungsleitung für die erste Spülung des gesamten Rohrsystems.

Der Filter oder die Umgehungsleitung sollte entfernt werden, nachdem der Plattenwärmetauscher stabile Betriebsparameter erreicht hat.

Wie funktioniert ein Plattenwärmetauscher?

Das Loch oder die Öffnung an jeder Ecke der gerippten Platte ermöglicht es, dass gleichzeitig 2 Arbeitsmedien unterschiedlicher <u>Temperatur</u> eintreten, die dann in die Rippen bzw. schmalen Kanäle auf der Oberfläche der Platten eintreten.

Die Kanäle leiten den Fluss des Arbeitsmediums.

Die Dichtungen an den Rändern der Platten sind so montiert, dass das Arbeitsmedium einen abwechselnden Weg durchläuft, wobei das Medium "A" durch ungerade Durchgänge eintritt, während das Medium "B" zwischen geraden Durchgängen eintritt.

Das Bild zeigt die Funktionsweise eines klassischen Plattenwärmetauschers.

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Bild: Funktionsweise eines Plattenwärmetauschers (Quelle: Gescanntes Bild aus dem Buch Velimir Ozretić - Ship Auxiliary Machinery and Devices)

Der Flussdiagramm der Arbeitsmedien auf dem nächsten Bild zeigt, dass kaltes Medium (blau) und warmes Medium (rot) abwechselnd durch die Oberflächen der Platten fließen.

Kaltes und warmes Medium sind vollständig voneinander durch die Platten des Wärmetauschers getrennt.

Die Dichtungen an den Rändern der Platten gewährleisten, dass eine vollständige Vermischung der Arbeitsmedien vermieden wird.

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Bild: Diagramm des Flusses von kaltem und warmem Arbeitsmedium in einem Plattenwärmetauscher (Quelle)

Instandhaltung und Fehlerbehebung

Plattenwärmetauscher sollten immer in einem funktionsfähigen Zustand sein, um vorzeitigen Verschleiß spezifischer Teile aufgrund ungünstiger Umweltbedingungen zu vermeiden.
Die Qualität der Instandhaltung des Plattenwärmetauschers beeinflusst direkt die Häufigkeit von Störungen.

Zu den obligatorischen Instandhaltungs- und Überwachungsaktivitäten gehören:

  • Regelmäßige visuelle Inspektionen des Plattenwärmetauschers während des Betriebs, Überprüfung auf Lecks, kondensiertes Arbeitsmedium auf dem Rahmen und/oder Druckplatte sowie Anzeichen von Verdampfung.
  • Überwachung von Drücken und Temperaturen.
  • Überprüfung, ob das richtige Arbeitsmedium verwendet wird.
  • Regelmäßiges Entnehmen von Proben des Arbeitsmediums und Einsenden zur laboranalytischen Untersuchung.
  • Arbeiten innerhalb der angegebenen minimalen und maximalen Betriebsparameter auf dem Typenschild, im Datenblatt, im technologischen Handbuch und in den Standardbetriebsverfahren.
  • Vermeidung von plötzlichen Änderungen von Drücken und Temperaturen während des Betriebs.
  • Geplante externe Reinigung des Wärmetauschers mit einem Hochdruckreiniger (Miniwasch).
  • Geplante Reinigung "vor Ort", wenn anstelle des flüssigen Mediums Chemikalien zur Reinigung durch den Wärmetauscher strömen. Die Chemikalienlösung löst Ablagerungen und entfernt sie von der gewellten Oberfläche, was durch turbulente Strömung zusätzlich verstärkt wird.

Die Reinigungschemikalien müssen kompatibel mit dem Material der gewellten Platten und dem Dichtungsmaterial sein, um Schäden und Korrosion zu vermeiden.

Die Reinigungslösung sollte maximal 5% Volumenanteil Natronlauge oder 0,5% Massenanteil Säure bei maximaler Temperatur von 70°C während des Spülens enthalten.

  • Geplante Schmierung der Gewinde an den Anzugschrauben und Überprüfung der Festigkeit aller Muttern.

  • Regelmäßiges Anstrichen der Rahmen- und Druckplatten durch Auftragen einer neuen Schutzbeschichtung.

Wenn der Plattenwärmetauscher für einen längeren Zeitraum außer Betrieb genommen wird, muss er vollständig von Druck des Arbeitsmediums entleert und entlastet werden.

Dann sollte er gründlich gereinigt, konserviert und für den nächsten Einsatz geeignet gelagert werden.

Die geplante Instandhaltung besteht hauptsächlich aus regelmäßiger Reinigung der gewellten Platten mit einem Hochdruckreiniger von beiden Seiten.

Das Reinigungsintervall wird durch die Überwachung des Zustands des Wärmetauschers bestimmt, d. h. durch Überwachung der Temperatur des Arbeitsmediums an den Manometern an den Ein- und Auslassrohren oder durch Überwachung des Druckunterschieds an einem Differenzmanometer.
Je geringer der Temperaturunterschied am Ein- und Auslass ist, desto schmutziger ist der Wärmetauscher und die Kühlleistung ist geringer, da der Wärmeübergang verringert ist.

Auf den Platten des Wärmetauschers lagern sich häufig Ablagerungen von Schlamm, Schlamm, Sand oder Algen ab. Das Wachstum von Algen tritt häufig bei Seewasser-Wärmetauschern auf, die Süßwasser mit Meerwasser kühlen.

Wärmetauscher für die Kühlung mit Wasser neigen eher zur Bildung von Schlammablagerungen, während Wärmetauscher für die Kühlung mit Schmieröl oder Kraftstoff zur Bildung von Koks-Ablagerungen neigen.

Das Zerlegen des Plattenwärmetauschers erfolgt durch Schließen aller Ventile für die Zufuhr und Ableitung der beiden Arbeitsmedien und gründliches Abkühlen des Wärmetauschers.

Dann sollten Sie den Wärmetauscher entlüften und entleeren, ihn reinigen und die Träger und Führungen schmieren sowie die Gewinde und Muttern der Anzugschrauben schmieren.
Wenn die Muttern festgeklemmt oder korrodiert sind, verwenden Sie WD 40 oder ein ähnliches chemisches Mittel.

Messen und notieren Sie die Länge zwischen Rahmen- und Druckplatte oben und unten auf beiden Seiten , d. h. die Kompressionsdimension L. Es sind 4 Längenmessungen erforderlich, jeweils zwei für jede Seite oben und unten.

Dann lösen Sie die Muttern der Anzugschrauben, oben links und unten rechts oder umgekehrt. Es ist wichtig, dass die Entlastung auf gegenüberliegenden Seiten erfolgt.

Entfernen Sie die Anzugschrauben und die Rahmenplatte, und beginnen Sie dann systematisch mit den Führungen, um die gewellten Platten zu entfernen, und markieren Sie sie mit Nummern, um die gleiche Reihenfolge bei der Montage einzuhalten.

Waschen Sie jede Platte separat auf beiden Seiten mit einem Wasserstrahl unter Druck und reinigen Sie sie mit einer weichen Bürste Es dürfen keine handelsüblichen Drahtbürsten aus Stahlfasern verwendet werden, da sie die Oberfläche der Platte beschädigen können. Wenn dicke Ablagerungen vorhanden sind, sollten die Platten in ein geeignetes chemisches Bad eingetaucht werden.

Überprüfen Sie gründlich alle Dichtungen auf allen Platten auf Beschädigungen.

Stellen Sie sicher, dass alle Platten gut gereinigt sind. Montieren Sie sie auf den Trägern, indem Sie sie auf die Führungen legen, so dass die zuletzt entfernte Platte zuerst montiert wird, und so weiter bis zur Montage der Druckplatte.

Montieren Sie die Anzugschrauben und ziehen Sie die Muttern leicht gegenüberliegender Schrauben an, ziehen Sie dann an bis zum Anschlag.

Die erneute Befestigung der Spannteile des Plattenwärmetauschers kann nur im Zustand erfolgen, wenn der Wärmetauscher vollständig entleert ist und kein Druck des Arbeitsmediums vorhanden ist, da andernfalls die Kompressionsdimension Lmin. kleiner sein kann.

Man sagt, dass der Plattenwärmetauscher entlastet sein muss. Überprüfen Sie, ob die gewellten Platten angemessen zwischen der Rahmen- und der Druckplatte gepresst sind, indem Sie den Abstand L zwischen ihnen an verschiedenen Stellen erneut messen, auf die gleiche Weise wie vor dem Auseinandernehmen.

Wenn alles korrekt positioniert ist, sehen die gewellten Platten seitlich wie ein Bienenwabenmuster aus.

Die häufigsten Störungen von Platten-Wärmetauschern sind das Austreten des Arbeitsmediums nach außen oder nach innen aufgrund beschädigter Dichtungen, zu hohe Temperaturen der Arbeitsmedien, unzureichende Festigkeit der Schrauben oder das Auftreten von Rissen auf den Platten aufgrund von Korrosion.
Ein starker Druckabfall resultiert aus einer größeren Menge von Ablagerungen auf den Plattenoberflächen, während gebogene Platten oder zu dicke Ablagerungen von Verunreinigungen das Festziehen der Anzugschrauben verhindern.

Das Auftreten von hohem Druck sollte unbedingt vermieden werden.

Hoher Druck wird durch falsche Kompressionsdimension L und Probleme im Fluss der Arbeitsmedien oder deren ungeeignete physikalische und/oder chemische Eigenschaften verursacht.

Schnelle Verbindungen wie der Austausch von Armaturen an den Rohren, die mit dem Plattenwärmetauscher verbunden sind, oder Störungen im Prozess wie beschleunigtes Auftreten von Kondensat oder Verdampfung führen ebenfalls zu hohem Druck des Arbeitsmediums.

Rohranschlüsse und andere Armaturen, die mit dem Plattenwärmetauscher verbunden sind, können manchmal die Ursache für Störungen sein, da sie den Wärmetauscher zur Seite ziehen und zu Biegungen der gewellten Platten führen.

Dies tritt auf, wenn die Belastung am Rohranschluss zu hoch ist, aufgrund des Gewichts des Rohrs, wenn der Dichtungsring schmutzig ist oder nicht richtig passt und der Flanschanschluss nicht ordnungsgemäß angezogen ist.

Jeder Plattenwärmetauscher muss ordnungsgemäß [geerdet] (https://www.iea.lth.se/publications/ms-theses/Short%20article/5422_Smf.pdf) sein.

Geschweißte Verbindungen an der Druck- und Rahmenplatte, an den Trägern und Führungen dürfen keine Risse aufweisen.

Im Falle von Rissen ist eine Reparatur durch Schweißen mit einer Silberelektrode mit einem Mindestanteil von 45% Silber erforderlich, wobei die Temperatur während des Schweißens 650°C nicht überschreiten darf.

Katarina Knafelj Jakovac
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31. Januar 2024

Katarina Knafelj Jakovac ist eine Maschinenbauingenieurin mit langjähriger Berufserfahrung in der Erdölindustrie. Sie ist zertifizierte Führungskraft für die Zuverlässigkeit von Ausrüstungen, spezialisiert auf maschinelle Ausrüstung und operative Exzellenz. Sie ist die Autorin des Blogs Strojarska Radionica(Mechanische Werkstatt), in dem sie ihr berufliches Wissen und persönliche Erfahrungen im Bereich Wartung verschiedener Rotationsmaschinen, Maschinensysteme und Prozessausrüstungen teilt. Sie liebt Mechanik, Wärmelehre und Verbrennungsmotoren. Ihr Engagement gilt der kontinuierlichen Verbesserung der Maschinenwartung und einer qualitätsvollen Verwaltung von Sachanlagen.