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Ein ungelöstes Rätsel der Strömungsdynamik: Wie fördert das gewellte Design im Inneren einer Kissenplatte den Wärmeaustausch?
Der Kissenplatten-Wärmetauscher ist ein neuartiger vollverschweißter Wärmetauscher, der aufgrund seiner gewellten „Kissen“-Oberfläche und der im Herstellungsprozess verwendeten Expansionstechnologie allmählich industrielle Akzeptanz findet. Immer mehr Aufmerksamkeit aus der Welt. Im Vergleich zu herkömmlicheren Geräten wie Rohrbündel- und Rahmenwärmetauschern ist die Pillow-Plate-Technologie relativ neu, wird jedoch aufgrund ihrer geometrischen Flexibilität zunehmend in einer Vielzahl von Prozesszyklen eingesetzt.
Es ist bekannt, dass Kissenplatten bei Drücken von über 100 MPa und Temperaturen von bis zu 800 °C betrieben werden können.
Herstellungsprozess
Beim Herstellungsverfahren von Pillow-Plates werden zwei dünne Bleche mittels Laser- oder Widerstandsschweißen vollflächig punktuell verschweißt und die Kanten anschließend, mit Ausnahme der Stoßstellen, durch Rollnahtschweißen versiegelt. Der Spalt zwischen den Metallblechen wird dann mit einer Hydraulikflüssigkeit unter Druck gesetzt, wodurch sich die Bleche plastisch verformen und ihre charakteristische wellige Oberfläche entsteht. Entsprechend der unterschiedlichen Struktur können Kissenplatten in einfachkonvexe und doppeltkonvexe Platten unterteilt werden.
Vielfältige Einsatzmöglichkeiten
Aufgrund der Überlegenheit kissenförmiger Platten ist ihr Anwendungsbereich sehr breit. Sie kommen häufig in Bereichen zum Einsatz, in denen Flüssigkeiten und Gase sowie Medien mit hoher Viskosität oder hohem Schmutzanteil miteinander interagieren. Zudem können sie in Szenarien eingesetzt werden, in denen ein geringer Druckverlust erforderlich ist, wie etwa bei Kühl- und Heizprozessen. Besonders in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie der Chemie- und Pharmaindustrie kommen zunehmend Pillow Plates zum Einsatz. Sie können als „Tauchkühler“ verwendet und direkt in die Flüssigkeit eingetaucht werden, wodurch die Effizienz des Wärmeaustauschs erheblich verbessert wird.
„Das einzigartige Design der kissenförmigen Platte lässt sich hinsichtlich der Wärmeleitung individuell anpassen und so an eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsszenarien anpassen.“
Fluiddynamik der Wärmeübertragung
Obwohl das Pillow-Plate-Design viele Vorteile bietet, bleibt seine strömungsdynamische Leistung ein Rätsel. Studien haben gezeigt, dass die komplexe Wellengeometrie in den Pillow-Plate-Kanälen tatsächlich die Vermischung der Flüssigkeiten fördert, was die Wärmeübertragungsraten verbessert, aber auch die Druckverluste erhöht, da durch die Bildung von Schweißnähten Rückflussbereiche entstehen, die den Durchfluss beeinträchtigen. Die Durchgängigkeit der Im Rahmen ihrer weiteren Forschung entwickeln die Forscher nun kommerzielle Softwaretools, die dabei helfen sollen, die Auswirkungen dieser komplexen Flüssigkeitsverhalten zu verstehen und vorherzusagen.
Zukünftige Forschungsrichtungen
Studien zum Flüssigkeitsfluss und zur Wärmeübertragung durch Kissenplatten können in mehrere Hauptkategorien unterteilt werden, darunter geometrische Analyse, Analyse des Flusses in internen Kanälen und Analyse des Flusses zwischen benachbarten Kissenplatten. Durch den Einsatz der Finite-Elemente-Analyse (FEM) können die Oberfläche der Kissenplatte, der Flüssigkeitsinhalt und die Querschnittsfläche der Flüssigkeit genauer berechnet werden, was für thermodynamische Berechnungen von entscheidender Bedeutung ist.
AbschlussDie in den inneren Kanälen der Kissenplatten entstehenden Rückflussbereiche und Druckverluste müssen genauer untersucht und verstanden werden, da sich dies direkt auf die Effizienz des Wärmeaustauschs und seine Leistung in verschiedenen Anwendungen auswirkt.
Das Design von Kissenplatten-Wärmetauschern ist nicht nur flexibel und äußerst anpassungsfähig, sondern bietet auch neue Möglichkeiten für den technologischen Fortschritt. Doch angesichts der zunehmenden Verbreitung und Anwendung dieser Technologie ist eine eingehende Erforschung ihrer strömungsdynamischen Eigenschaften weiterhin unabdingbar. In Zukunft sollten wir darüber nachdenken, wie wir diese Technologien in bestehende Systeme integrieren können, um einen effizienteren Wärmeaustausch zu fördern und letztendlich unsere industriellen Prozesse zu verbessern.
