Optimierung von Plattenmustern für den Wärmeübergang im maritimen Bereich

Unterstützt durch eine 5.000-m²-große Fertigungshalle in Nantong und mehr als 100 Elektro- und Maschinenbauingenieure hat die SME-Gruppe seit über 20 Jahren die Offshore- und Maritime Ingenieurbranche betreut und liefert nach wie vor hochwertige und aktuelle Dienstleistungen in dieser Branche; jährlich führen wir über 500 Aufträge aus und beliefern mehr als 1.000 Schiffe pro Jahr. Dieser Blog behandelt das optimale Rippenmuster für den Plattenwärmeaustauscher, der das Herz des maritimen Systems bildet, und erläutert, wie diese optimalen Muster ihre thermischen und wirtschaftlichen Effizienzen durch ein besseres Verständnis der Steuerung von Fluidreibung und Wärmestrom in unseren Kühl-, Heiz- und Abwärmeaustauschsystemen erreichen.

Chevron-Winkel und sein Kompromiss zwischen Wärmeübertragung und Druckverlust

Der wichtigste geometrische Parameter bei der Konstruktion von PHE ist der Chevron-Winkel (auch Heringknochen-Winkel genannt). Wie immer führt ein größerer Chevron-Winkel (z. B. 60° bis 75°) zu stärkerer Turbulenz und damit zu einem erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten – allerdings verbunden mit einem entsprechend deutlichen Anstieg des Druckabfalls und der Pump-Leistung. Kleinere Winkel (30°–45°) erzeugen dagegen weniger Widerstand, weisen jedoch eine geringere thermische Leistung auf. Bei viskosen Medien wie Schmieröl in maritimen Anwendungen kommt SME üblicherweise nicht mit einer einzelnen Platte zum Einsatz. Der bisherige Anwendungsbereich von SME umfasst beispielsweise Mischplatten-Designs mit großem Wasser-Durchtrittswinkel und kleinerem Öl-Pfad-Winkel oder vergleichbare Kombinationsplatten, um eine akzeptable thermische Leistung ohne starken Druckverlust zu erreichen. Diese hybride Konstruktion stellt eine insgesamt thermisch-hydraulisch optimale Lösung dar, was bei den von SME betreuten Retrofit- und Neubau-Projekten von entscheidender Bedeutung ist.

Wellentiefe, Wellenabstand und Aspektverhältnis

Neben dem Winkel beeinflussen auch die Wellentiefe (h), der Wellenabstand (P) und das Aspektverhältnis (2b/λ) direkt die Leistung. Je tiefer die Wellungen sind, desto größer wird die Wärmeübertragungsfläche und desto stärker kommt es zur Strömungstrennung, wodurch die Wärmemenge im lokalen Bereich durch sekundäre Durchmischung gesteigert werden kann. Gleichzeitig erhöhen sie jedoch den Reibungsfaktor und führen so zu einem höheren Druckabfall. Untersuchungen mittels der Taguchi-Methode für marine Gasheizungen haben ein optimales Verhältnis ermittelt – beispielsweise bei einem Wellendurchmesser von 6 mm, einer Wellentiefe von 1 mm und einer Wellenneigung von 45°, was im Vergleich zum konventionellen Design eine Verbesserung des umfassenden Leistungsindex (TP) um 37,41 % ergab. Diese datengestützten Optimierungsmethoden werden bei SME genutzt, um die Plattengeometrie an die betriebsspezifischen Bedingungen des jeweiligen Fahrzeugs anzupassen, um thermische Leistungsvorteile nicht aufgrund unverhältnismäßig hoher Förderkosten einzubüßen.

Asymmetrische und modifizierte Muster für variable Durchflussanforderungen

Heißseitiger Durchfluss Im maritimen System kann der heiße Seitenstrom davon profitieren, dass sein Massenstrom signifikant von dem anderer Systeme abweichen kann – beispielsweise kann die Durchflussrate des Heizwassers das Mehrfache der Durchflussrate durch einen Aufenthaltsraum-Wasserhahn betragen. Wird dies symmetrisch über alle Strömungskanäle hinweg umgesetzt, führt dies zu einer insgesamt höheren Druckdifferenz im Hochdurchflusssystem, ohne dass sich die mechanische Festigkeit oder die thermische Effizienz ändern. Nicht einheitliche Strömungskanalplatten – bei denen eine Erhöhung der Querschnittsfläche in einem Kanal durch geringere Pressentiefe oder variierende Rippen in diesem Kanal erreicht wird – weisen in diesem breiteren Kanal einen so weit wie mechanisch zulässig reduzierten Druckverlust auf und besitzen gleichzeitig eine gute Wärmeübertragungsfähigkeit. Darüber hinaus haben jüngste Studien eine höhere thermo-hydraulische Leistung bei Chevron-Platten (mit einem Chevron-Winkel >1° bei separaten Heringknochen-Platten) erzielt, wobei der Effekt der Turbulenzverstärkung auf den Strömungswiderstand überwiegt. Diese hochentwickelte Optimierung wird von den Ingenieuren von SME für Schiffe mit stark unterschiedlichen Betriebsszenarien bewertet; die vorgeschlagenen Mehrwert-Lösungen ermöglichen es Reedern, den Energieverbrauch zu senken.

Gebuckelte und neuartige Oberflächengeometrien

Studien der letzten Jahre haben die Möglichkeit untersucht, die traditionellen Steppmuster durch gebuckelte (Wellenpunkt-)Platten mit kreisförmigen konvexen Platten zu ersetzen. Mithilfe numerischer Optimierung mit der Response-Surface-Methode wurden die optimalen Parameter ermittelt (Wellenpunktdurchmesser von ca. 5,2 mm, Tiefe von 0,9 mm und Neigungswinkel von 42°), um eine maximale Leistungssteigerung (JF-Faktor) von 11,92 % gegenüber herkömmlichen Steppdesigns zu erreichen. Bei diesem neuartigen Design fördern die Geometrien Turbulenz und thermische Grenzschicht, ohne einen unzulässigen Druckabfall zu verursachen. SME verfolgt solche neuen Entwicklungen weiterhin aufmerksam und setzt bewährte Innovationen gezielt bei Retrofit- und Neubaulösungen ein, um Kunden bei der Einhaltung der neuesten Effizienz- und Emissionsstandards zu unterstützen.

Fazit: Präzise Plattendesigns für maritime Effizienz

Die Optimierung der Plattenmuster ist kein Standardverfahren und erfordert eine detaillierte Untersuchung der Fluid-Eigenschaften, Durchflussraten, zulässigen Druckverluste und thermischen Leistung. SME Group ist nach ISO 9001/14001/45001 zertifiziert und bringt über zwei Jahrzehnte Erfahrung im Bereich maritimer Wärmeübertragung in jedes Projekt ein. Unser lokales Netzwerk gewährleistet schnelle Reaktionszeiten an Werften weltweit – insbesondere in Festlandchina – sodass Ihre Wärmeaustauscher stets optimal arbeiten. SME bietet Ihnen eine 12-monatige Garantie sowie das Bestreben, nicht nur Ihre Anforderungen zu erfüllen und zu übertreffen, sondern Ihnen dank der Optimierung der Plattenmuster noch mehr Energie einzusparen – mit messbaren Einsparungseffekten. Rufen Sie noch heute unsere technischen Experten an, um die spezifischen Heizanforderungen Ihres Schiffes zu besprechen.