Bei Prozessbedingungen über 300 bar und 600 °C stoßen herkömmliche Rohrbündel- oder Plattenwärmetauscher an ihre Grenzen. Der PCHE (Photochemisch geätzte Wärmetauscher) mit seinem kompakten, diffusionsgebundenen Kern und den photochemisch geätzten Strömungskanälen hat sich als Standardlösung für überkritische CO₂-Kraftwerke, die Offshore-Gasverarbeitung und Hochtemperatur-Chemiereaktoren etabliert. Im Folgenden erläutern wir detailliert, wie diese Technologie solch anspruchsvolle Fluide bewältigt, ohne Kompromisse bei Leistung oder Sicherheit einzugehen.
Das Herzstück eines PCHE (Platten-Kühlblocks) bilden seine flachen Metallplatten, die chemisch mit geraden oder gewundenen Mikrokanälen geätzt werden. Diese Kanäle sind typischerweise 0,5 bis 2 mm breit und 0,5 bis 1 mm tief. Die Platten werden gestapelt, ausgerichtet und anschließend durch ein Hochtemperatur-Diffusionsschweißverfahren verbunden. Das Ergebnis ist ein massiver, monolithischer Block ohne Dichtungen, Schweißnähte oder Lötverbindungen, die unter extremer Belastung versagen könnten.
Diese Konstruktion verleiht dem PCHE einen entscheidenden Vorteil: Die Strömungskanäle sind im Prinzip mikroskopische Druckbehälter. Da der Kanaldurchmesser so gering ist, bleibt die Umfangsspannung im Material selbst bei extrem hohem Innendruck niedrig. Konkret bedeutet dies, dass ein für 600 bar ausgelegter PCHE eine Wandstärke von nur 1,5 mm aufweisen kann, während ein vergleichbarer Rohrbündelwärmetauscher um ein Vielfaches dickere Rohre erfordern würde, was Gewicht und Kosten erheblich erhöhen würde.
Die kompakte Bauweise bedeutet auch, dass ein PCHE bei gleicher Wärmeleistung nur etwa ein Fünftel des Volumens und ein Zehntel des Gewichts eines herkömmlichen Wärmetauschers aufweist. Dies ist ein entscheidender Faktor auf Offshore-Plattformen und schwimmenden Produktionsschiffen, wo der Platz begrenzt ist.
Nicht alle Metalle sind für die Kombination aus hohem Druck und hoher Temperatur sowie für chemisches Ätzen und Diffusionsschweißen geeignet. Die gängigsten Werkstoffe für die Herstellung von PCHE-Anlagen sind Edelstahl 316L, Legierung 617 und Titanlegierungen. Unter weniger aggressiven Bedingungen bietet 316L eine gute Korrosionsbeständigkeit und ist kostengünstig. Für überkritische CO₂-Kreisläufe, die über 500 °C betrieben werden, wird häufig Legierung 617 bevorzugt, da sie ihre mechanische Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit auch bei hohen Temperaturen beibehält.
Titanlegierungen hingegen kommen zum Einsatz, wenn es sich bei dem Medium um Meerwasser oder ein anderes stark korrosives Medium handelt. Das Diffusionsschweißen von Titan erfordert eine sehr präzise Temperatur- und Druckkontrolle, um ein Kornwachstum zu vermeiden, das das Material schwächen könnte. Bei korrekter Durchführung ist die resultierende Verbindung jedoch so fest wie das Grundmetall selbst.
Es ist bemerkenswert, dass der Ätzprozess selbst keine Eigenspannungen oder Wärmeeinflusszonen erzeugt, die bei Schweißkonstruktionen häufig problematisch sind. Dadurch behält das Material seine vollen metallurgischen Eigenschaften über den gesamten Fließweg hinweg – ein Schlüsselfaktor für die Langzeitstabilität.
Das Diffusionsschweißen ist das Verfahren, das PCHEs von anderen kompakten Wärmetauschern unterscheidet. Die gestapelten Platten werden in einem Vakuumofen Temperaturen von etwa 80–90 % des Schmelzpunktes des Materials sowie einem uniaxialen Druck von 10–30 MPa ausgesetzt. Unter diesen Bedingungen wandern Atome benachbarter Platten über die Grenzfläche und bilden eine metallurgische Verbindung, die vollständig fest und porenfrei ist.
Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, dass die Klebeverbindung so fest ist wie das Grundmaterial und kein Füllmetall verwendet wird, das mit der Zeit korrodieren oder ermüden könnte. Dadurch ist der PCHE von Natur aus leckagefrei, was einen wesentlichen Sicherheitsvorteil beim Umgang mit brennbaren oder toxischen Flüssigkeiten unter hohem Druck darstellt. Bei Helium-Lecktests erreichen PCHE-Kerne regelmäßig Leckraten unter 1 × 10⁻⁹ mbar·L/s, was um mehrere Größenordnungen besser ist als bei abgedichteten oder geschweißten Plattenwärmetauschern.
Hochtemperaturfluide bringen die Herausforderung der Wärmeausdehnung mit sich. In einem starren, monolithischen Block können unterschiedliche Ausdehnungen zwischen der warmen und der kalten Seite erhebliche thermische Spannungen verursachen. Hersteller von Druckwärmetauschern begegnen diesem Problem durch eine sorgfältige Strömungsführung. Gegenstrom ist die gängigste Konfiguration, da sie den höchsten thermischen Wirkungsgrad bietet. Die Kanalanordnung kann jedoch auch so angepasst werden, dass der Temperaturgradient entlang der Wärmetauscherlänge minimiert wird.
Für Anwendungen mit sehr großen Temperaturdifferenzen, wie beispielsweise Gaskühler in einem überkritischen CO₂-Kreislauf, bei dem die Fluidtemperatur von 500 °C auf 70 °C sinkt, kann der PCHE mit mehreren Durchgängen oder mit variablem Kanalquerschnitt konstruiert werden, um die thermische Belastung gleichmäßiger zu verteilen. Diese hohe Anpassungsfähigkeit ist möglich, da das Ätzverfahren mit fotochemischen Masken arbeitet, wodurch sich praktisch jede Kanalgeometrie ohne zusätzliche Werkzeugkosten realisieren lässt.
Um die Leistungsfähigkeit zu verdeutlichen, betrachten wir einen typischen PCHE (Druckwärmetauscher), der in einer Abwärmenutzungsanlage eines 10-MW-Kraftwerks mit überkritischem CO₂ eingesetzt wird. Diese Anlage arbeitet mit einem Druck von 250 bar auf der Heißseite und 80 bar auf der Kaltseite, bei Eintrittstemperaturen von 550 °C bzw. 100 °C. Der Wärmeübergangskoeffizient (U-Wert) einer solchen Anlage liegt typischerweise zwischen 1.500 und 3.000 W/m²·K und ist damit 4- bis 6-mal höher als bei einem Rohrbündelwärmetauscher vergleichbarer Leistung. Diese hohe Effizienz resultiert direkt aus dem geringen hydraulischen Durchmesser der Kanäle, der selbst bei niedrigen Reynolds-Zahlen eine turbulente Strömung begünstigt.
Hinsichtlich des Druckverlusts verursachen die kompakten Kanäle zwar einen höheren Druckverlust als Rohre mit größerem Durchmesser. Der Kompromiss ist jedoch fast immer vorteilhaft: Ein PCHE kann die gleiche thermische Leistung mit einem für die meisten Systeme akzeptablen Druckverlust erzielen und benötigt dabei deutlich weniger Platz. Beispielsweise kann ein Gas-Gas-PCHE mit einem Auslegungsdruck von 300 bar und einer Temperatur von 650 °C eine thermische Leistung von 2 MW in einem Kern mit einer Länge von nur 1,2 Metern und einem Durchmesser von 0,6 Metern erbringen.
Ein Problem bei Mikrokanälen ist die Verschmutzung. Enthält die Flüssigkeit Partikel oder neigt sie zur Ablagerung von Kesselstein, können die engen Kanäle verstopfen. In der Praxis eignen sich PCHEs am besten für saubere Flüssigkeiten. Für Anwendungen, bei denen mit einer gewissen Verschmutzung zu rechnen ist, können Hersteller die Kanalbreite vergrößern oder ein geradliniges Kanaldesign verwenden, das sich leichter chemisch reinigen lässt. Zudem ist zu beachten, dass die hohe Turbulenz in den Kanälen Partikel in der Schwebe hält und so die Ablagerungsrate im Vergleich zu laminaren Strömungsbedingungen verringert.
Da der Kern aus einem einzigen massiven Block besteht, ist eine mechanische Reinigung nicht möglich. Stattdessen werden Reinigungsverfahren vor Ort (CIP) mit chemischen Lösungsmitteln empfohlen. Die glatten, geätzten Oberflächen und das Fehlen von Totzonen machen CIP äußerst effektiv, und die meisten PCHE-Anlagen können durch eine einfache Säurewäsche wieder voll funktionsfähig gemacht werden.
Aufgrund der kritischen Natur von Hochdruckanwendungen werden PCHEs unter strengen Qualitätskontrollbedingungen gefertigt. Jeder Kern wird einer 100%igen Prüfung unterzogen, einschließlich Ultraschallprüfung zur Überprüfung der Integrität der Diffusionsverbindungen und Druckprüfung mit dem 1,5-fachen des Auslegungsdrucks. Viele Einheiten werden zudem einer Helium-Massenspektrometrie-Dichtheitsprüfung unterzogen, um sicherzustellen, dass sie die strengen Dichtheitsanforderungen der Öl-, Gas- und Kernindustrie erfüllen.
Konstruktionsnormen wie ASME Section VIII Division 1 und die europäische Druckgeräterichtlinie (PED) finden gängige Anwendung. Für spezielle Anwendungen, beispielsweise mit Wasserstoff oder Sauerstoff, werden zusätzliche Materialverträglichkeitsprüfungen und Reinigungsverfahren durchgeführt, um die jeweiligen Normen zu erfüllen.
Es ist hilfreich zu sehen, wie PCHEs im Vergleich zu Alternativen abschneiden.Kundenspezifisch entwickelte Leiterplatten-Wärmetauschersind die kompakteste Option.TP-geschweißte PlattenwärmetauscherSie bieten ein gutes Verhältnis von Kosten und Leistung für mittlere Drücke bis zu 40 bar, sind aber auf Dichtungen oder Schweißnähte angewiesen, die ihren oberen Temperaturbereich einschränken.HT-Block-geschweißte PlattenwärmetauscherSie können höhere Temperaturen als abgedichtete Einheiten vertragen, erreichen aber dennoch nicht die Temperaturbeständigkeit von über 600 °C eines PCHE. Bei sehr hohen Drücken über 500 bar ist der PCHE oft die einzig praktikable Option.
Ein weiterer Vergleichspunkt ist derWeitspalt-Schweißplattenwärmetauscher, das für Flüssigkeiten mit hohem Fouling-Potenzial ausgelegt ist. Obwohl es größere Durchflusskanäle bietet, kann es die Druck- und Temperaturgrenzen eines PCHE nicht erreichen. Ähnlich verhält es sich mitPlattenwärmetauscher mit DichtungSie sind wirtschaftlich für Niederdruckanwendungen, eignen sich jedoch nicht für Hochtemperatur- oder Hochdruckanwendungen.Kundenspezifisch konstruierte PlattenluftvorwärmerUndmaßgefertigte KissenplattenSie bedienen Nischenanwendungen, bieten aber nicht die gleiche Kombination aus Kompaktheit und Extrembedingungentauglichkeit.
Bei der Integration eines PCHE in ein Hochdrucksystem ist besondere Sorgfalt bei den Rohrleitungsverbindungen geboten. Die Ein- und Auslassstutzen werden üblicherweise mithilfe eines Übergangsstücks, das auf die Wärmeausdehnungseigenschaften des Kernmaterials abgestimmt ist, an den Kern geschweißt. Bei großen Temperaturschwankungen empfiehlt es sich, flexible Schläuche oder Dehnungsschleifen in der externen Rohrleitung zu verwenden, um eine übermäßige Wärmebelastung des Kerns zu vermeiden.
Die Ausrichtung des PCHE kann die Leistung beeinflussen. Bei Zweiphasenströmungen ist eine vertikale Ausrichtung oft vorteilhaft, um den Kondensatabfluss zu erleichtern. Bei Einphasen-Gasströmungen ist eine horizontale Installation in der Regel ausreichend. Die Herstellerangaben sollten stets befolgt werden, da sie auf umfangreichen Tests der jeweiligen Kanalgeometrie basieren.
PCHEs (Druckluft-Kühler) bewältigen Hochdruck- und Hochtemperaturflüssigkeiten durch eine Kombination aus Kanälen mit kleinem Durchmesser, die mechanische Spannungen minimieren, einer diffusionsgebundenen Konstruktion, die Leckagen verhindert, und einer sorgfältigen Materialauswahl, die die Festigkeit bei hohen Temperaturen erhält. Sie sind zwar in der Anschaffung nicht die günstigste Option, aber ihre kompakte Bauweise, hohe Effizienz und außergewöhnliche Zuverlässigkeit führen oft zu niedrigeren Gesamtlebenszykluskosten, insbesondere in Anwendungen, bei denen Ausfallzeiten teuer sind.
Bei Prozessen mit Drücken über 200 bar oder Temperaturen über 500 °C ist ein Plattenwärmetauscher (PCHE) wahrscheinlich die robusteste und platzsparendste Lösung. Für weniger anspruchsvolle Bedingungen können andere Plattenwärmetauscher wirtschaftlicher sein. Es empfiehlt sich jedoch, vor einer endgültigen Entscheidung stets die langfristigen Vorteile eines PCHE zu prüfen.
Wir bieten Ihnen umfassende Außenhandelslösungen, um Unternehmen bei der globalen Entwicklung zu unterstützen.
Die Abgase von Industrieöfen und Kesseln enthalten große Mengen ungenutzter Wärmeenergie. Der kundenspezifische Plattenluftvorwärmer (PAPH) von SHPHE wurde speziell entwickelt, um diese Hochtemperatur-Abgase aufzufangen, wertvolle Abwärme zurückzugewinnen und sie direkt der einströmenden Verbrennungsluft oder den Prozessgasströmen zuzuführen. Durch die deutliche Erhöhung der Flammenzufuhrtemperatur optimieren unsere Systeme die Verbrennungsthermodynamik, ermöglichen massive Brennstoffeinsparungen und reduzieren den CO₂-Fußabdruck und die Emissionen der Industrie signifikant. Die für den Einsatz unter extremen Abgasbedingungen konzipierten SHPHE PAPH-Systeme sind die optimale Wahl für moderne, energieintensive Anlagen, die Wert auf die Einhaltung der Entkohlungsvorschriften und maximale thermische Effizienz legen.
Die Pillow Plate (auch als Noppenplatte oder Prägeplatte bekannt) wurde Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt, um die Fertigungsengpässe und Gewichtsbeschränkungen herkömmlicher, ummantelter Wärmekomponenten zu umgehen, und hat die Präzisionstechnik für Fluidwände revolutioniert. Bei SHPHE nutzen wir diese hochflexible Technologie und machen sie zur Grundlage für die maßgeschneiderte Integration industrieller Wärmeübertragung. Mithilfe modernster automatisierter CNC-Faserlaserschweißtechnik passen unsere Ingenieure die mechanischen Aufblasprofile und Punktraster exakt an Ihre spezifischen Anforderungen hinsichtlich Fluiddynamik, Druckgrenzen und Behälterkonfigurationen an. Die kundenspezifischen Pillow Plates von SHPHE sind heute unverzichtbare Komponenten für Verarbeitungsbetriebe weltweit, die höchste thermische Leistung, absolute Dichtheit und hygienische Prozesse priorisieren – und damit die optimale Lösung für die Kühlung in der Lebensmittel-, Pharma-, Chemie- und Schüttgutindustrie.
Seit der Erfindung des Plattenwärmetauschers (PHE) im Jahr 1923 hat sich die Wärmetechnik von Standardanwendungen in der Lebensmittelverarbeitung hin zu hochkomplexen industriellen Prozessen entwickelt. Wir bei SHPHE nutzen dieses klassische, vielseitige Design und fertigen daraus maßgeschneiderte Wärmeübertragungslösungen, die exakt auf Ihre spezifischen Prozessflüssigkeiten und Wärmelasten abgestimmt sind. Während herkömmliche Plattenwärmetauscher mit Dichtung hohe Effizienz und kompakte Bauweise bieten, optimiert SHPHE die Plattenwellenform, die Metallurgie und die Dichtungssysteme, um Ihre spezifischen Anforderungen an Chemikalien, Klimatechnik oder Energierückgewinnung zu erfüllen. Unsere individuell gefertigten Plattenwärmetauscher mit Dichtung bieten hervorragende Skalierbarkeit und Wartungsfreundlichkeit und sind somit ein unverzichtbarer Bestandteil für die Schwerindustrie – darunter Öl und Gas, Metallurgie und Lebensmittelverarbeitung –, wo Anlagenverfügbarkeit, Energierückgewinnung und langfristige Nachhaltigkeit höchste Priorität haben.
Industrieprozesse mit partikelhaltigen Suspensionen, hochviskosen Sirupen oder faserreichem Zellstoff erfordern mehr als Standardausrüstung – sie benötigen ein zielgerichtetes Wärmemanagement. Bei SHPHE konfigurieren wir den TP-Plattenwärmetauscher so, dass er die gravierenden Probleme von Ablagerungen, Verstopfungen und Erosion in Ihrer Anlage effektiv bekämpft. Durch die Kombination von maßgeschneiderten Kanalgeometrien, verschleißfester Metallurgie und integrierten CIP-Systemen (Cleaning-in-Place) gewährleisten wir absolute Produktionskontinuität, wo herkömmliche Wärmetauscher versagen.
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Die Pillow Plate (auch als Noppenplatte oder Prägeplatte bekannt) wurde Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelt, um die Fertigungsengpässe und Gewichtsbeschränkungen herkömmlicher, ummantelter Wärmekomponenten zu umgehen, und hat die Präzisionstechnik für Fluidwände revolutioniert. Bei SHPHE nutzen wir diese hochflexible Technologie und machen sie zur Grundlage für die maßgeschneiderte Integration industrieller Wärmeübertragung. Mithilfe modernster automatisierter CNC-Faserlaserschweißtechnik passen unsere Ingenieure die mechanischen Aufblasprofile und Punktraster exakt an Ihre spezifischen Anforderungen hinsichtlich Fluiddynamik, Druckgrenzen und Behälterkonfigurationen an. Die kundenspezifischen Pillow Plates von SHPHE sind heute unverzichtbare Komponenten für Verarbeitungsbetriebe weltweit, die höchste thermische Leistung, absolute Dichtheit und hygienische Prozesse priorisieren – und damit die optimale Lösung für die Kühlung in der Lebensmittel-, Pharma-, Chemie- und Schüttgutindustrie.
Maßgeschneidert für höchste Prozessanforderungen. Bei SHPHE liefern wir nicht nur Anlagen, sondern entwickeln individuelle Wärmelösungen. Unsere HT-Bloc-Plattenwärmetauscher werden von unseren erfahrenen Ingenieuren speziell konfiguriert, um Ihre branchenspezifischen Herausforderungen zu meistern – sei es der Umgang mit hochviskosen Medien, extremen Temperaturen oder beengten Platzverhältnissen.
Der gedruckte Leiterplatten-Wärmetauscher (PCHE) von SHPHE markiert einen Paradigmenwechsel im Mikrokanal-Wärmemanagement und wurde präzise für die anspruchsvollsten industriellen Anwendungen weltweit entwickelt. Um die physikalischen Grenzen herkömmlicher Rohrbündelwärmetauscher in Umgebungen mit extrem hohem Druck zu überwinden, integrieren unsere kundenspezifischen PCHEs fortschrittliche photochemische Ätzverfahren und Festkörperdiffusionsschweißen. Dadurch bieten sie unübertroffene Sicherheit, thermische Effizienz und Integrität unter extremen Belastungen. Die PCHE-Technologie, die zunächst in sicherheitskritischen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Kernenergieerzeugung eingesetzt wurde, hat die Wärmebehandlung mit hoher Dichte revolutioniert. Heute überträgt SHPHE diese bahnbrechende Technologie auf die breite Anwendung in der Energiewende – darunter LNG-Verflüssigung, überkritische CO₂-Kraftwerke, Kohlenwasserstoffverarbeitung und Hochdruck-Wasserstoffsysteme. So können Anlagen die Energierückgewinnung maximieren, absolute Leckagesicherheit gewährleisten und die Umweltbelastung deutlich reduzieren.
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Nutzerkommentare
Serviceerfahrungen von echten Kunden
Meilen
Senior-ProzessingenieurWir haben in unserem Hochdruck-Gaskühlkreislauf eine ältere Rohrbündelwärmepumpe durch diesen PCHE ersetzt. Allein der Größenunterschied ist enorm – er benötigt nur ein Viertel der Stellfläche. Noch wichtiger ist jedoch, dass die thermische Leistung selbst bei Anlaufvorgängen absolut zuverlässig ist. Nach sechs Monaten Dauerbetrieb (24/7) kein einziges Leck. Die Schweißqualität des Kerns hat uns wirklich beeindruckt.
Priya
F&E-LabortechnikerFür einen Pilot-Kreislauf mit überkritischem CO2 war dieser Wärmetauscher ideal. Dank der kompakten Bauweise konnten wir alles auf einem kleinen Testaufbau unterbringen. Die Temperaturwechseltests verliefen reibungslos – nach häufigen Abschaltungen war keine Beeinträchtigung der Diffusionsverbindungen festzustellen. Ich vergebe nur vier Sterne, da die Anschlussadapter ohne Spezialschlüssel etwas fummelig anzuziehen waren, aber nach der Installation funktioniert er einwandfrei.
Tomás
InstandhaltungsleiterEhrlich gesagt war ich anfangs skeptisch gegenüber diesen Leiterplatten-Wärmetauschern – ich dachte, die Reinigung wäre eine Katastrophe. Aber nach einem Jahr im Einsatz mit einem korrosiven chemischen Prozessstrom hat sich dieses Gerät deutlich besser bewährt als unsere alten Graphitblöcke. Keine Ablagerungen, der Druckverlust blieb innerhalb der Spezifikationen, und das Teil ist so leicht, dass es beim Austausch problemlos von einer Person bewegt werden kann. Würde ich jederzeit wieder kaufen.
Lena
HLK-PlanungsingenieurWir haben diesen PCHE für eine hocheffiziente Wärmerückgewinnungsanlage in einem neuen Gewerbegebäude spezifiziert. Der Kunde wünschte sich eine kompakte Lösung für einen beengten Technikraum, und dieses Gerät erfüllte seine Anforderungen. Die Gegenstromanordnung ermöglichte eine deutlich geringere Annäherung der Temperatur als mit einer gelöteten Platte. Auch die Lieferzeit war angemessen – acht Wochen statt der üblichen zwölf für Sonderanfertigungen. Wir sind mit den bisherigen Leistungsdaten sehr zufrieden.