Pladevarmevekslere

Pladevarmevekslere er blandt de mest effektive varmevekslere i mange applikationer. De giver typisk en stærk termisk løsning i et bredt tryk- og temperaturområde, inden for det udstyrsbegrænsninger tillader.

GPHE – pakningsforsynede pladevarmevekslere

Rækken af pakningsforsynede pladevarmevekslere (GPHE – Gasket Plate Heat Exchangers) dækker kapaciteter fra få kW og op til mange MW.

GPHE-vekslere er velegnede til mange forskellige medier, og især hvor:

mediet fouler/tilsmudser, og
man derfor ønsker at kunne åbne veksleren for rengøring og service.

Materialevalg til GPHE-plader

Vi tilbyder forskellige pladematerialer afhængigt af væsken, der kommer i berøring med pladerne, f.eks.:

AISI304
AISI316
Titan
Hasteloy C
m.fl.

BPHE – fuldloddede pladevarmevekslere

Rækken af fuldloddede pladevarmevekslere (BPHE – Brazed Plate Heat Exchangers) har kapaciteter fra ca. 7,5 til 400 kW.

De er udviklet til applikationer inden for køleindustrien og kan leveres til:

temperaturer fra –160 til +200 °C
tryk op til 30 bar

Test og sikkerhed
Hver BPHE-veksler gennemgår:

vakuum- og trykprøvning på begge sider
et innovativt “auto-check” (L/C-system), som mindsker risikoen for forurening mellem de to medier

Tilslutninger og tilpasning
Der findes et bredt udvalg af tilslutningsstudse, som kan tilpasses den enkelte OEM’s ønsker.

Fordele ved pladevarmevekslere

De mest bemærkelsesværdige fordele ved en pladevarmeveksler er:

Kompakt og pladsbesparende
Pladevarmevekslere optager markant mindre plads end en traditionel shell & tube (rørvarmeveksler).

Effektiv varmeoverførsel
Pladerne er tynde, så varmen kun skal passere et minimalt materiale. Det giver optimal varmeoverførsel.

Høj turbulens og selvrensning
Den høje turbulens i kanalerne skaber:

høj konvektion og dermed effektiv varmeoverførsel
høj varmeoverførselskoefficient pr. areal-enhed

Turbulensen giver også en selvrensende effekt, så fouling reduceres betydeligt sammenlignet med rørvarmevekslere. Det betyder længere drift mellem rengøringsintervaller.

Fleksibel opbygning
Pladevarmeveksleren består af en ramme med flere varmeoverføringsplader, og kapaciteten kan:

udvides ved at tilføje plader
nemt serviceres og rengøres ved åbning (gælder GPHE, ikke svejsede/loddede)

Variabel termisk længde
Plader fremstilles med to hovedmønstre:

smalt mønster: højere trykfald men højere effektivitet (lang termisk kanal)
bredt mønster: lavere trykfald men lavere effektivitet (kort termisk kanal)

Ved at kombinere plader med forskellige mønstre opnås et kompromis mellem trykfald og effektivitet.

Varmeoverførsel – grundlæggende teori

Naturens love betyder, at energi i et system altid flyder mod ligevægt. Varme forlader derfor det warmeste medium og overføres til det kolde, så længe der er temperaturforskel.

Grundprincipper

Varme overføres altid fra et varmt medium til et koldt medium
Der skal være en temperaturforskel mellem medierne
Den varme, der tabes af det varme medium, svarer til varmen optaget af det kolde medium (minus små tab til omgivelserne)

Tre måder varme overføres på

Stråling: energi via elektromagnetisk stråling (f.eks. solen)
Ledning: energi mellem faste stoffer eller stationære væsker via atom/molekyle-bevægelse
Konvektion: energi via bevægelse/blanding i et medium
- naturlig konvektion: bevægelse pga. tætheds- og temperaturforskelle
- tvungen konvektion: bevægelse styret af ekstern påvirkning (f.eks. pumpe)

Typer af varmevekslere

Der findes to hovedtyper varmevekslere:

Direkte varmevekslere

Medierne er i direkte kontakt, men må ikke blandes.
Eksempel: køletårn, hvor vand afkøles ved kontakt med luft.

Indirekte varmevekslere

Medierne er adskilt af en væg, hvor varmen overføres gennem overfladen.
Hovedtyper: plade, shell & tube, spiral m.fl.

Hvorfor pladevekslere ofte er bedst

I mange tilfælde er plade-typen den mest effektive løsning på termiske opgaver, både pga. høj varmeoverførsel og kompakt design.

Dimensionering og beregning

For at løse en termisk opgave skal flere parametre kendes. Når de er fastlagt, kan resten beregnes.

Beregningsmetode – vigtigste input

De seks vigtigste parametre er:

den varme der skal overføres (varmekapacitet / varmelast)
indløbs- og udløbstemperaturer på primær og sekundær side
maximalt tilladt trykfald på primær og sekundær side
maximalt driftstemperatur
maximalt driftstryk
masseflow på primær og sekundær side

Kendes flow, specifik varme og temperaturforskel (ΔT) på den ene side, kan varmekapaciteten beregnes.

Temperaturprogram

Temperaturprogrammet er ind- og udløbstemperaturer for begge medier:

T1: indløb varm side
T2: udløb varm side
T3: indløb kold side
T4: udløb kold side

Varmelast

Ser man bort fra varmetab til atmosfæren (typisk ubetydeligt), er varme tabt på den ene side lig varme tilført på den anden.

Varmelasten (P) angives i kW eller kbtu/h.

Logaritmisk middel temperaturforskel (LMTD)
LMTD er den effektive drivkraft i varmeveksleren og bruges i dimensioneringen.

Termisk længde (Theta)
Termisk længde beskriver opgavens “sværhedsgrad” termisk set:

Θ = δt / LMTD

Høj-Theta opgaver (Θ > 1) er typisk ved stramme temperaturprogrammer, fx køling. De kræver ofte:

længere plader (længere køletid)
lav pressedybde (mindre væske pr. plade)

Pladevekslere kan håndtere Theta-værdier på 10+; rørvarmevekslere ligger typisk omkring maks. Θ ≈ 1, medmindre flere sættes i serie.

Parametre og deres betydning

Massefylde (tæthed)
Tæthed (p) er masse pr. volumen, angivet i kg/m³ eller lb/ft³.

Strømningshastighed (flow rate)
Flow kan angives som:

vægtflow: kg/h eller lb/h
volumenflow: m³/h eller gpm

Volumenflow konverteres til vægtflow ved at gange med massefylden.

Pladevarmevekslere kan bruges til meget høje strømningshastigheder.

Trykfald
Trykfald (Δp) hænger direkte sammen med vekslerens størrelse:

højere tilladt trykfald → mindre og billigere varmeveksler
men giver højere pumpeomkostninger

Som vejledning accepteres ofte 20–100 kPa for vand/vand opgaver.

Specifik varme (cp)
Specifik varme er energien til at opvarme 1 kg stof 1 °C.
Vand ved 20 °C: 4,18 kJ/kg/°C.

Viskositet
Viskositet beskriver hvor let en væske strømmer.
Lav viskositet → let flow. Angives i cP eller cSt.

Samlet varmeoverførselskoefficient (k)
k-værdien dækker modstanden mod varmeflow:

plademateriale
fouling
mediets egenskaber
veksler-type

Angives i W/m²°C eller Btu/ft²h°F.

Parametres indvirkning på valg og pris
Materialevalg påvirker primært styrke og korrosion – ikke effektivitet.
Pladevekslere har typisk høje k-værdier pga. turbulens, tynde plader og lav fouling. Traditionelle rørvarmevekslere har lavere k-værdier.

Vigtige faktorer for at minimere omkostninger:

Trykfald: større tilladt trykfald → mindre veksler
LMTD: større temperaturforskel → mindre veksler

Materialer, tryk og drift

Byggematerialer

AISI316 rustfri stålplader bruges i de fleste vand/vand applikationer.
Hvis kloridindholdet tillader det, kan AISI304 anvendes for en billigere løsning.

Andre materialer kan vælges efter applikation.
Til loddede pladevekslere anvendes altid AISI316.
Til saltvand og brakvand bør der kun bruges titan.

Tryk- og temperaturgrænser

Maks. tryk og temperatur påvirker prisen.
Jo lavere krav, desto billigere varmeveksler.

Fouling og designmargin

Hvad er fouling?

Fouling kan udtrykkes som:

designmargin (M) i % ekstra areal, eller
fouling faktor (Rf)

Rf er generelt lavere i pladevekslere end i rørvekslere.

Hvorfor pladevekslere fouler mindre

Høj k-værdi giver lavere fouling faktor
Pladevekslere har typisk k-værdier på ca. 1050–1300 btu/ft²h°F (vand/vand), mens rørvekslere ofte ligger på 350–440 btu/ft²h°F. Derfor kræver pladevekslere mindre margin for samme sikkerhed.
Margin tilføjes forskelligt
1. Rørveksler: margin via længere rør → samme flow pr. rør
2. Pladeveksler: margin via flere parallelle kanaler → lavere flow pr. kanal → lavere turbulens

For høj fouling faktor i pladevekslere kan sænke turbulensen for meget og øge fouling-risikoen.
Til vand/vand opgaver er 0–15% margin ofte tilstrækkeligt, afhængigt af vandkvaliteten.