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Dem Ideal schon...

Autor: Michael Uhl, Universal Hydraulik GmbH

 

Dem Ideal schon ziemlich nahe

Rohrbündel mit Lamellen vervielfacht Wärmeaustauschfläche auf der Ölseite

 

Wärmetauscher Vergleich Platten- oder Rohrbündel-Wärmetauscher, diese Frage entscheiden Konstrukteure - wegen der Kompaktheit - oftmals zugunsten des Erstgenannten. Doch dieser vermeintliche Vorteil zählt nicht mehr, dank der Entwicklung eines Rohrbündelwärmetauschers mit Lamellen.

Einleitung
Für die Öl-Wasserkühlung von Hydraulikanlagen bietet der Markt zwei Wärmetauscher-Bauarten, die in den vergangenen Jahren immer mehr miteinander konkurrierten. Oftmals wird dabei dem Plattenwärmetauscher größere Kompaktheit und damit ein Platzvorteil eingeräumt.
Das trifft bei einem Vergleich mit einem klassischen Rohrbündelwärme-tauscher in der Tat zu, hingegen nicht bei einer Gegenüberstellung zu einem Rohrbündelwärme-tauscher mit Lamellen, der von einem Unternehmen aus dem Großraum Frankfurt angeboten wird. Im Folgenden werden die Vor- und Nachteile beider Bauformen näher erläutert.

Bauart: Standard - Glattrohrwärmetauscher
Der Rohrbündelwärmetauscher (CM, AM) besteht aus einem Mantelrohr, durch welches das Hydrauliköl geführt wird, sowie einem Bündel aus dünnen glatten Rohren, welches sich im Mantelrohr befindet. Durch dieses Rohrbündel fließt das Kühlmedium. Das Mantelrohr besteht üblicherweise aus Stahl (Edelstahl wahlweise), das Rohrbündel kann aus Cu, Cu-Ni (90-10) oder auch in Edelstahl 1.4401 (316) gefertigt werden. Das heiße Medium wird durch das Mantelrohr an Umlenkblechen vorbeigeführt, um den Wärmeübergang zu verbessern. Der Abstand der Umlenkbleche lässt sich variieren. Folge: höherer Druckverlust bei engerem Abstand bei zugleich verbessertem Wärmeübergang. Des Weiteren lassen sich auf der kalten (Wasser)-Seite die Enddeckel variieren. Das Wasser durchströmt entweder einmal (in diesem Fall empfiehlt sich dringend eine Gegenstromanordnung zum Öldurchfluss) oder aber zwei- und viermal. Die beiden letztgenannten Methoden bringen eine deutliche Wassereinsparung mit sich und verbessern darüber hinaus geringfügig die Kühlleistung. Grundsätzlich lassen sich Rohrbündelwärmetauscher wasserseitig durch die Abnahme der Enddeckel wesentlich besser reinigen als Plattenwärmetauscher. Einige Hersteller setzen sog. Rippenrohre auf der Kühlseite ein, um den Wärmeübergang zu verbessern. Dieses Konzept erreicht allerdings nicht die Effektivität des Rohrbündel-wärmetauschers mit Lamellen.

Bauart: Rohrbündelwärmetauscher mit Lamellen
Effizienter als übliche Rohrbündelwärmetauscher arbeiten die von Universal Hydraulik angebotenen Rohrbündelwärmetauscher (EKM) mit Aluminium-Lamellen auf der Mantelseite. Diese verfügen über eine um das Vielfache vergrößerte Wärmeaustauschfläche auf der Ölseite. Das wiederum erlaubt eine kleinere Bauform des Wärmetauschers (siehe Auslegungsbeispiel). Die Aluminium-Lamellen werden dabei im engen Abstand über die Wasserrohre gezogen und mechanisch geweitet. Die Abstandhalter auf den Lamellen verstärken zudem die Turbulenz - es entsteht ein optimaler Wärmeübergang. Die EKM-Baureihe ist dadurch ebenso kompakt wie ein Plattenwärmetauscher, bietet aber weitere Vorteile. So liegt etwa die Druckfestigkeit mit 35 bar höher als bei Platten- oder klassischen Rohrbündelwärmetauschern. Folge: Der Einbau in den Rücklauf der Hydraulik gestaltet sich wesentlich "gefahrloser" als der von anderen Wärmetauscher-Bauarten. Da die Rohrböden geschweißt und die Wasserrohre eingerollt werden, treten praktisch keine Leckage-Probleme auf. Des Weiteren steht für die EKM-Serie optional ein internes Rückschlagventil (patentiert) zur Verfügung. Vorteil: Einsparung eines externen Ventiles plus zugehöriger Verrohrung.

Für sehr große Kühlleistungen und hohe Öl-Volumenströme bietet sich die größere ECM-Serie an, oder die gleichfalls im Programm stehende Verrohrung mehrerer Wärmetauscher. Als platzsparend erweist sich zudem die Tankeinbau-Variante EKTM.

Bauart: Plattenwärmetauscher
Kompakter aufgebaut als die klassischen Rohrbündelwärme-tauscher sind auch die Plattenwärmetauscher. Bei dieser Bauart fließen die Medien zwischen mehreren hintereinander angeordneten Edelstahl-Platten. Die Platten sind mit einer Prägung versehen, so daß enge Strömungskanäle entstehen. Das führt zu einer stark turbulenten Strömung und damit zu einem guten Wärmeübergang.

Bauart: Gelöteter Plattenwärmetauscher
Bei den gelöteten Plattenwärmetauschern sind die Platten durch eine Kupfer- oder Nickel-Auflage mit einander verlötet. Dies erlaubt eine preiswerte Serienfertigung. Die engen Kanäle zwischen den Platten bewirken jedoch einen höheren Druckverlust als bei Rohrbündelwärmetauschern. Das erfordert bei großen Volumenströmen oftmals eine große Anzahl von Platten um den Druckverlust zu senken.

Darüber hinaus können die Kanäle zwischen den Platten bei schlechter Aufbereitung des Kühlwassers leicht verstopfen. Folge: sukzessive sich verschlechternde Kühlleistung des Plattenwärmetauschers. Aufgrund des Aufbaus lassen sich gelötete Plattenwärmetauscher zudem nur bedingt reinigen, sie müssen bei Verschmutzung ausgetauscht werden. Der Einsatz von Plattenwärmetauschern empfiehlt sich stets bei kleinen Temperaturdifferenzen.

Bauart: Geschraubter Plattenwärmetauscher
Beim geschraubten Plattenwärmetauscher werden die Platten in einen Rahmen eingehängt und über zwei Druckplatten miteinander verspannt. Derart lassen sich die Platten leicht demontieren, der Wärmeaustauscher kann leicht gereinigt und bei Bedarf durch den Einbau zusätzlicher Platten erweitert werden.

Dank verschiedener Prägungen lassen sich geschraubte Plattenwärmetauscher hinsichtlich des Druckverlustes und der Wärmeübergangszahl optimieren. Allerdings sind geschraubte Plattenwärmetauscher aufgrund ihrer hohen Grundkosten (Rahmen und Gestell) erst bei größeren Kühlleistungen wirtschaftlich interessant.