Die richtige Dimensionierung eines Wärmetauschers ist einer der wichtigsten Schritte bei der Auslegung jedes thermischen Systems. Ein zu klein dimensioniertes Gerät kann die geforderte Leistung nicht erbringen; ein überdimensioniertes Gerät verursacht unnötige Investitionskosten, erhöht den Druckabfall und kann zu Betriebsproblemen wie Strömungsinstabilität oder einer ungleichmäßigen Kältemittelverteilung führen.
Dieser Leitfaden führt Sie durch die wichtigsten Parameter und Schritte bei der Dimensionierung eines gelöteten Plattenwärmetauschers für eine typische HLK- oder Industrieanwendung.
Schritt 1: Bestimmung der thermischen Leistung
Der Ausgangspunkt für die Dimensionierung eines Wärmetauschers ist die thermische Leistung – die zu übertragende Wärmemenge. Diese wird in Kilowatt (kW) oder Megawatt (MW) angegeben und anhand der Durchflussmengen und Temperaturänderungen auf einer Seite des Wärmetauschers berechnet.
Q = ṁ × Cp × ΔT wobei Q = Wärmeleistung (kW), ṁ = Massendurchfluss (kg/s), Cp = spezifische Wärmekapazität (kJ/kg·K), ΔT = Temperaturdifferenz (K)
Beispiel: Eine Fernwärme-Unterstation muss Primärwasser bei einem Durchfluss von 5 m³/h von 80 °C auf 55 °C kühlen. Die thermische Leistung beträgt ungefähr: Q = (5000/3600) × 4,18 × (80–55) = 145 kW
Schritt 2: Festlegen der sekundärseitigen Parameter
Sobald die Primärleistung ermittelt ist, müssen die Ein- und Austrittstemperaturen sowie der Durchfluss auf der Sekundärseite definiert werden. Dies ermöglicht die Berechnung der Wärmebilanz und die Überprüfung, ob die thermische Leistung auf beiden Seiten konsistent ist.
Für das obige Beispiel gilt: Wenn der Sekundärkreislauf (Gebäudeheizung) mit 45 °C eintritt und mit 70 °C austreten muss, lässt sich der erforderliche Sekundärdurchfluss anhand derselben Formel berechnen.
Schritt 3: Berechnung der logarithmischen mittleren Temperaturdifferenz (LMTD)
Die LMTD ist die effektive durchschnittliche Temperaturantriebskraft für den Wärmeübergang durch den Wärmetauscher. Für einen Gegenstrom-Wärmetauscher (die normale Konfiguration für Plattenwärmetauscher):
LMTD = (ΔT1 – ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2) wobei ΔT1 = heißer Einlass – kalter Auslass, ΔT2 = heißer Auslass – kalter Einlass
Für das Fernwärmebeispiel: ΔT1 = 80 – 70 = 10 °C, ΔT2 = 55 – 45 = 10 °C. In diesem Fall ist LMTD = 10 °C (der symmetrische Fall).
Ein niedrigerer LMTD-Wert bedeutet, dass ein größerer Wärmetauscher erforderlich ist. Ein geringerer Temperaturunterschied zwischen den beiden Ausgangsströmen erhöht den LMTD-Wert und verbessert im Allgemeinen den Wirkungsgrad des Systems, führt jedoch zu einem größeren Wärmetauscher und höheren Kosten.
Schritt 4: Festlegen der Fluideigenschaften und Betriebsbedingungen
Die Auswahl des Wärmetauschers erfordert genaue Daten zu den Fluideigenschaften für beide Kreisläufe:
- Medientyp (Wasser, Glykollösung, Kältemittel, Öl usw.)
- Konzentration (bei Glykollösungen)
- Maximale und minimale Betriebstemperaturen
- Maximal zulässiger Druckabfall in jedem Kreislauf
- Maximaler Betriebsdruck
- Reinheit der Flüssigkeit / Verschmutzungsneigung
Schritt 5: Auswahlsoftware verwenden
Die manuelle Dimensionierung von Wärmetauschern nach den Grundprinzipien ist komplex und iterativ. In der Praxis stellen Wärmetauscherhersteller Auslegungssoftware zur Verfügung, die diese Berechnungen automatisch durchführt und das richtige Modell, die richtige Plattenanzahl und die richtige Konfiguration ermittelt.
Die Online-Auswahlplattform CAIRO von HEXONIC ermöglicht es Ingenieuren, die thermische Leistung, die Fluidparameter und die Druckbedingungen einzugeben und eine optimierte Wärmetauscherauswahl zu erhalten. CAIRO deckt die gesamte Produktpalette von HEXONIC ab, einschließlich gelöteter Platten-, Platten- und Rahmen- sowie Rohrbündelwärmetauscher.
- Zugriff auf CAIRO unter: cairo.hexonic.com
- Erforderliche Eingaben: thermische Leistung, Fluidtypen, Ein-/Auslasstemperaturen, maximaler Druckabfall, Betriebsdruck
- Ergebnis: empfohlenes Modell, Plattenanzahl, thermische Leistungsdaten, Druckverluste, Maßzeichnung
Schritt 6: Überprüfen Sie die Auswahl
Bevor Sie die Auswahl endgültig festlegen, überprüfen Sie:
- Die thermische Leistung entspricht der erforderlichen Leistung unter den ungünstigsten Betriebsbedingungen (nicht nur am Auslegungspunkt)
- Die Druckverluste liegen innerhalb der zulässigen Grenzen für die Pumpenauswahl
- Der Nennbetriebsdruck übersteigt den maximalen Systemdruck einschließlich der Toleranz für Hydraulikschläge
- Die Anschlüsse und Abmessungen mit dem Einbauraum kompatibel sind
- Das ausgewählte Modell ist für die angegebenen Medien und Temperaturen zugelassen (insbesondere für den Einsatz in der Lebensmittel- oder Pharmaindustrie)
Häufige Fehler bei der Dimensionierung, die es zu vermeiden gilt
- Unterdimensionierung für Spitzenlastbedingungen – dimensionieren Sie immer für die maximal zu erwartende Belastung, nicht nur für den Durchschnitt
- Nichtberücksichtigung des Verschmutzungszuschlags – bei nicht sauberen Wasserkreisläufen muss bei der Auswahl ein Verschmutzungsfaktor hinzugerechnet werden
- Festlegung einer zu engen Annäherungstemperatur – dies erhöht Größe und Kosten unverhältnismäßig stark; eine Annäherung von 3–5 °C ist typisch für HLK-Anlagen
- Nichtberücksichtigung der Glykolkonzentration – Glykol-Wasser-Gemische haben einen niedrigeren Cp-Wert und eine höhere Viskosität als reines Wasser, was die Dimensionierung erheblich beeinflusst
- Druckabfall vernachlässigen – ein ausschließlich nach thermischer Leistung ausgewählter Wärmetauscher kann einen übermäßigen Druckabfall verursachen, was eine größere Pumpe oder ein längeres Modell mit weniger Platten erfordert
Nutzen Sie das Online-Auswahltool CAIRO von HEXONIC für die sofortige Dimensionierung von Wärmetauschern – oder wenden Sie sich bei komplexen Anwendungen und individuellen Anforderungen direkt an unser Ingenieurteam.
Frequently Asked Questions
How many plates does a brazed plate heat exchanger typically have?
This depends entirely on the duty. Small DHW applications may require as few as 10–20 plates. Large district heating substations or industrial applications may use 60–100+ plates. The HEXONIC CAIRO selection software calculates the optimum plate count for any given duty.
Can I use the same heat exchanger for different duties?
A heat exchanger is sized for a specific set of operating conditions. Operating significantly outside its design envelope — particularly at much lower flow rates or very different temperature levels — can cause operational issues such as maldistribution or insufficient turbulence. Always re-verify the selection if system operating parameters change.
What information do I need to get a heat exchanger quote from HEXONIC?
To provide an accurate quotation, HEXONIC requires a process data sheet specifying: fluid types and properties, inlet and outlet temperatures for both circuits, flow rates, maximum allowable pressure drop, maximum working pressure, and any material or certification requirements. Our engineers will review your data and propose the optimum solution.
