Berechnung eines Plattenwärmetauschers für die Lebensmittelproduktion: Welche Daten werden für die Auslegung benötigt?

Die Anfrage „Wir benötigen einen Wärmetauscher für 10.000 l/h“ reicht für die Auswahl nicht aus. Bei gleichem Durchsatz erfordern Milch, Sahne und Zuckersirup unterschiedliche Berechnungen, Plattenkonfigurationen und Medienvolumenströme.

Eine korrekte Auslegung beginnt mit der Wärmebilanz, den Produkteigenschaften und der Prüfung der verfügbaren Versorgungsmedien. Im Folgenden finden Sie die erforderlichen Eingangsdaten, Formeln und Rechenbeispiele für die Erstellung eines Lastenhefts.

Welche Daten werden für die Berechnung eines Wärmetauschers benötigt?

Für eine erste Auslegung müssen beide Seiten des Wärmetauschers beschrieben werden: das Produkt und das Medium, das es erwärmt oder kühlt.

Sind die genauen Produkteigenschaften noch nicht bekannt, sollte dies angegeben werden. Für eine vorläufige Berechnung können Annahmen verwendet werden. Kritische Parameter müssen jedoch vor der Bestellung bestätigt werden.

1. Die thermische Leistung berechnen

Für die Erwärmung oder Abkühlung einer Flüssigkeit ohne Phasenwechsel gilt:

Q = ṁ × cₚ × ΔT

Dabei gilt:

• Q – thermische Leistung, kW;
• ṁ – Massenstrom, kg/s;
• cₚ – spezifische Wärmekapazität, kJ/(kg·°C);
• ΔT – Temperaturänderung des Produkts, °C.

Wird der Durchsatz in Litern pro Stunde angegeben, muss er zunächst in einen Massenstrom umgerechnet werden.

Beispiel: Milch von 20 auf 4 °C abkühlen

Für die Berechnung nehmen wir an:

• Durchsatz – 10.000 l/h.
• Milchdichte – 1,03 kg/l.
• Spezifische Wärmekapazität – 3,9 kJ/(kg·°C).
• Eintrittstemperatur – 20 °C.
• Austrittstemperatur – 4 °C.

Dichte und spezifische Wärmekapazität sind für dieses Beispiel angenommene Werte. Für die endgültige Auslegung müssen die Eigenschaften des konkreten Produkts verwendet werden.

Schritt 1. Den Massenstrom berechnen:

10.000 × 1,03 = 10.300 kg/h.

Schritt 2. In Kilogramm pro Sekunde umrechnen:

10.300 ÷ 3.600 ≈ 2,86 kg/s.

Schritt 3. Die thermische Leistung berechnen:

Q = (10.300 ÷ 3.600) × 3,9 × (20 − 4) ≈ 178,5 kW.

Unter diesen Bedingungen müssen der Milch somit etwa 178,5 kW Wärme entzogen werden.

Dies ist eine thermische Leistung, keine elektrische Leistungsaufnahme. Der Stromverbrauch der Kälteanlage und der Pumpen wird separat berechnet.

Ist der Wärmetauscher Teil eines Pasteurisierers mit Wärmerückgewinnung, muss die Leistung für jede Sektion bestimmt werden. Die insgesamt auf das Produkt übertragene Wärme entspricht nicht dem externen Heizbedarf.

2. Den erforderlichen Kühlmedienvolumenstrom prüfen

Das vom Produkt abgegebene Wärmepotenzial muss vom Kühlmedium aufgenommen werden.

Für dasselbe Beispiel nehmen wir folgende Wassertemperaturen an:

• Eintritt in den Wärmetauscher – 1 °C.
• Austritt – 6 °C.

Der erforderliche Wassermassenstrom beträgt:

ṁ = Q ÷ (cₚ × ΔT)

Bei einer spezifischen Wärmekapazität des Wassers von 4,18 kJ/(kg·°C):

ṁ = 178,5 ÷ [4,18 × (6 − 1)] ≈ 8,54 kg/s.

Das entspricht ungefähr 30.750 kg/h beziehungsweise 30,8 m³/h bei einer angenommenen Wasserdichte von rund 1.000 kg/m³.

Die Anforderung an das Kühlsystem ist nun konkret: Kann es dauerhaft etwa 30,8 m³/h Wasser mit 1 °C bereitstellen und die entsprechende Wärmelast aufnehmen?

Folgende Punkte müssen gemeinsam geprüft werden:

• Verfügbare Kälteleistung.
• Verfügbarer Volumenstrom am Anschlusspunkt.
• Vorlauftemperatur unter Last.
• Verfügbare Druckdifferenz.
• Gleichzeitiger Betrieb weiterer Verbraucher.

Bei einem Wasser-Glykol-Gemisch muss die Berechnung mit dessen tatsächlicher Konzentration, spezifischer Wärmekapazität, Dichte und Viskosität wiederholt werden. Die Stoffwerte von Wasser können dafür nicht übernommen werden.

3. Die ungünstigste verfügbare Medientemperatur berücksichtigen

Eine Berechnung mit einer „idealen“ Vorlauftemperatur kann zu einer Anlage führen, die im Sommer oder bei Spitzenlast nicht die erforderliche Leistung erreicht.

Kehren wir zur Abkühlung von Milch auf 4 °C zurück.

Steigt die Wassereintrittstemperatur von 1 auf 3 °C und bleibt die Austrittstemperatur bei 6 °C, erhöht sich der berechnete Wasserbedarf:

ṁ = 178,5 ÷ [4,18 × (6 − 3)] ≈ 14,24 kg/s, also ungefähr 51,3 m³/h.

Eine Erhöhung des Volumenstroms allein garantiert jedoch nicht das gewünschte Ergebnis in einem bereits ausgewählten Wärmetauscher. Die treibende Temperaturdifferenz nimmt ab. Deshalb müssen die thermische und die hydraulische Berechnung wiederholt werden.

Im Lastenheft muss die Medientemperatur unter Produktionslast angegeben werden, einschließlich des vereinbarten ungünstigsten Betriebsfalls.

4. Warum sich die Plattenanzahl nicht allein aus der Leistung bestimmen lässt

Die Angabe „178,5 kW“ definiert noch nicht die erforderliche Baugröße des Wärmetauschers.

Vereinfacht gilt:

Q = U × A × ΔTₗₘ

Dabei gilt:

• U – Wärmedurchgangskoeffizient;
• A – effektive Wärmeübertragungsfläche;
• ΔTₗₘ – logarithmische mittlere Temperaturdifferenz.

Zur Veranschaulichung verwenden wir die bisherigen Bedingungen: Milch 20 → 4 °C, Wasser 1 → 6 °C, Gegenstrom.

Die Temperaturdifferenzen an den beiden Enden des Apparats betragen 14 und 3 °C. Die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz beträgt ungefähr 7,14 °C.

Wenn wir rein beispielhaft U = 1.500 W/(m²·°C) annehmen, ergibt sich:

A = 178.500 ÷ (1.500 × 7,14) ≈ 16,7 m².

Dies veranschaulicht die Formel und ist keine fertige Geräteauslegung. Der U-Wert darf nicht beliebig von einem anderen Produkt oder Wärmetauscher übernommen werden.

Bei der endgültigen Berechnung werden berücksichtigt:

• Eigenschaften beider Medien.
• Plattengeometrie und Prägemuster.
• Strömungsgeschwindigkeit in den Kanälen.
• Anzahl der Pässe.
• Ablagerungen auf den Wärmeübertragungsflächen.
• Zulässige Druckverluste.

Die Plattenanzahl wird für ein konkretes Modell und eine bestimmte Plattenanordnung ermittelt. Zwei Apparate mit derselben Fläche können unterschiedliche thermische und hydraulische Eigenschaften haben.

5. Viskosität und Partikel: Die Produktbezeichnung reicht nicht aus

Bezeichnungen wie „Sahne“, „Soße“ oder „Sirup“ liefern keine ausreichenden Informationen für die Auslegung.

Die Produkteigenschaften müssen über den gesamten Betriebstemperaturbereich bekannt sein. Dies ist beim Kühlen besonders wichtig: Mit sinkender Temperatur kann die Viskosität deutlich zunehmen.

Bei nichtnewtonschen Produkten reicht ein einzelner Viskositätswert ohne Angabe der Messbedingungen nicht aus. Idealerweise werden temperatur- und scherratenabhängige Daten oder entsprechende Versuchsergebnisse bereitgestellt.

Die Bewertung kann ergeben, dass breitere Kanäle oder eine andere Wärmetauscherbauart erforderlich sind, beispielsweise ein Rohr- oder Schabewärmetauscher. Die Eignung einer Plattenkonstruktion muss für das konkrete Produkt bestätigt werden.

6. Druckverluste: Mit den Pumpen abstimmen

Ein Wärmetauscher kann die thermischen Anforderungen erfüllen, ohne mit der vorhandenen Pumpe den benötigten Volumenstrom zu erreichen.

Stehen beispielsweise nur 0,5 bar für den Wärmetauscher zur Verfügung, erfüllt ein Angebot mit einem berechneten Druckverlust von 1,2 bar diese Bedingung nicht. Diese Werte dienen als Beispiel und sind keine empfohlenen Grenzwerte.

In der Berechnung müssen separat geprüft werden:

• Druckverlust auf der Produktseite.
• Druckverlust auf der Heiz- oder Kühlmedienseite.
• Widerstände von Rohrleitungen, Filtern, Ventilen und weiteren Komponenten.
• Erforderlicher Druck hinter dem Wärmetauscher.
• Betriebspunkt der Pumpe.

Betriebsdruck und zulässiger Druckverlust sind unterschiedliche Parameter. Die Druckfestigkeit des Apparats bedeutet nicht, dass die Pumpe den erforderlichen Volumenstrom durch ihn fördern kann.

Die Druckdifferenz zwischen den beiden Medien wird ebenfalls separat bewertet. Bei Prozessen mit erhöhten Hygieneanforderungen müssen die erforderlichen Druckverhältnisse auf Systemebene festgelegt werden.

7. Ablagerungen und CIP vor der Bestellung berücksichtigen

Die Leistung eines sauberen Wärmetauschers direkt nach dem Start zeigt nicht, wie er am Ende eines Produktionszyklus arbeiten wird.

Im Lastenheft sollten folgende Punkte angegeben werden:

• Erforderliche kontinuierliche Laufzeit zwischen den Reinigungen.
• Art der zu erwartenden Ablagerungen.
• Zulässige Veränderungen von Temperaturen und Druckverlusten.
• Verfügbare CIP-Volumenströme, Temperaturen und chemische Bedingungen.
• Verfahren zur Überprüfung der Reinigungswirksamkeit.

Eine Flächenreserve muss begründet sein. Das bloße Hinzufügen von Platten kann die Zahl paralleler Kanäle erhöhen und die Strömungsgeschwindigkeit verringern. Nach einer Änderung des Plattenpakets müssen Wärmeübertragung, Hydraulik und Reinigungsbedingungen daher erneut geprüft werden.

Die Verträglichkeit von Platten und Dichtungen muss gleichzeitig gegenüber Produkt, Heiz- oder Kühlmedium und Reinigungsmitteln bewertet werden. Eine Zulassung für den Lebensmittelkontakt ersetzt nicht die Prüfung der chemischen und thermischen Beständigkeit.

Welche Unterlagen sollte der Lieferant bereitstellen?

Zusammen mit dem Angebot für den Plattenwärmetauscher sollte ein Berechnungsdatenblatt mit folgenden Angaben angefordert werden:

Bei der Auswahl von APV- und API-Schmidt-Wärmetauschern ist die Berechnung der konkreten Konfiguration entscheidend. Die Baureihenbezeichnung oder der maximale Katalogdurchsatz bestätigt nicht die Leistung mit Ihrem Produkt.

Welche Daten sollten Sie für eine erste Berechnung senden?

Für den Beginn der Auslegung genügt eine kurze Beschreibung mit folgenden Angaben:

1. Welches Produkt erwärmt oder gekühlt werden soll.
2. Minimaler, nominaler und maximaler Durchsatz.
3. Produkteintrittstemperatur und erforderliche Austrittstemperatur.
4. Zusammensetzung, Viskosität und vorhandene Partikel.
5. Verfügbares Medium mit Temperatur und Volumenstrom.
6. Zulässige Druckverluste.
7. Produktionslaufzeit und CIP-Parameter.

Soll ein vorhandener Wärmetauscher ersetzt werden, ergänzen Sie ein Foto des Typenschilds, das Berechnungsdatenblatt, den Anschlussplan und tatsächliche Messwerte für Temperaturen, Volumenströme und Drücke.

Viravix Engineering unterstützt Sie bei der Berechnung und Auswahl eines Plattenwärmetauschers für die Lebensmittelproduktion, prüft die verfügbaren Versorgungsmedien und integriert das Gerät in Ihre Prozesslinie. Senden Sie uns Ihre Eingangsdaten – wir entwickeln eine Lösung, die Produkt, Betriebsbedingungen, Reinigung und Wartung berücksichtigt.

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