Die Rolle von Stiftverbindungen in Plattenwärmetauschern

Plattenwärmetauscher (PWT) sind aufgrund ihrer hohen thermischen Effizienz, ihrer kompakten Bauweise und ihrer Flexibilität wichtige Komponenten in verschiedenen industriellen, kommerziellen und privaten Anwendungen. Ein Schlüsselelement, das die strukturelle Integrität, die Dichtheit und die Betriebszuverlässigkeit eines PWT gewährleistet, ist das Befestigungssystem, das vorwiegend durch Stiftschraubenverbindungen realisiert wird. Dieser Artikel befasst sich mit der Funktion, den Konstruktionsaspekten und der betrieblichen Bedeutung von Stiftschraubenverbindungen in plattenförmigen Wärmetauschern mit Dichtungen.

Ein plattenförmiger PWT besteht aus mehreren gewellten Metallplatten, die zwischen zwei Rahmenplatten zusammengedrückt werden: einem festen Kopfstück und einer beweglichen Druckplatte. Das Plattenpaket wird durch eine Reihe von Längsankerstangen zusammengehalten, die mit Stiftschrauben, Muttern und Unterlegscheiben befestigt werden. Diese Befestigungselemente werden präzise vorgespannt, um eine gleichmäßige Druckkraft über das gesamte Plattenpaket auszuüben, wodurch eine ordnungsgemäße Abdichtung und mechanische Stabilität gewährleistet wird.

Die wichtigste Aufgabe der Stiftschrauben (Ankerbolzen) und der zugehörigen Muttern ist es, eine bestimmte Druckbelastung auf das Plattenpaket zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Diese Kompression dient zwei wichtigen Zwecken:

• Abdichtung: Sie komprimiert die elastomeren Dichtungen, die in den Nuten jeder Platte sitzen, und erzeugt so eine leckagefreie Abdichtung, die das Vermischen von Flüssigkeiten und das Austreten nach außen verhindert. Die richtige Kompression stellt sicher, dass die Dichtungen die Dichtungsspalte vollständig ausfüllen, ohne übermäßig gequetscht zu werden, was zu einer Beschädigung oder Extrusion der Dichtung führen könnte.
• Kontaktpunkte: Sie stellt sicher, dass die Kontaktpunkte zwischen benachbarten Platten fest aneinander gepresst bleiben. Diese Kontaktpunkte, die durch das Wellenmuster gebildet werden, sind unerlässlich, um die strukturelle Stabilität des Plattenpakets zu erhalten und dem Innendruck der Flüssigkeiten standzuhalten.

Während des Betriebs stehen die Flüssigkeiten in den PWT-Kanälen unter Druck. Dieser Druck erzeugt eine Trennkraft, die versucht, die Druckplatte vom festen Rahmen wegzudrücken. Die Stiftschraubenverbindungen stehen unter Zugspannung und sind so konstruiert, dass sie dieser Kraft entgegenwirken. Sie wirken als hochfeste Zuganker, die die gesamte Baugruppe gegen den Betriebsdruck zusammenhalten und verhindern, dass das Plattenpaket aufplatzt.

Ein wesentlicher Vorteil von PWT mit Dichtungen ist ihre Wartungsfreundlichkeit. Das Stiftschraubenverbindungssystem ist so konzipiert, dass es eine einfache Demontage und Wiederzusammenbau ermöglicht.

• Demontage: Durch Lösen der Muttern an den Stiftschrauben wird die Druckkraft freigesetzt. Die Druckplatte kann dann zurückbewegt werden, wodurch das Plattenpaket für die Inspektion, Reinigung oder den Austausch von Platten und Dichtungen vollständig zugänglich ist.
• Wiederzusammenbau: Der Wiederzusammenbau erfolgt durch erneutes Anziehen der Muttern in einer bestimmten Reihenfolge und mit einem vorgegebenen Drehmoment oder einer vorgegebenen Spannung. Dadurch wird sichergestellt, dass die gleichmäßige, kontrollierte Druckkraft über das Plattenpaket wiederhergestellt wird, wodurch die Dichtheit und die strukturelle Integrität wiederhergestellt werden.

Die Anzahl, der Durchmesser und die Positionierung der Stiftschrauben werden sorgfältig konstruiert, um die Druckbelastung gleichmäßig über die gesamte Oberfläche des Plattenpakets zu verteilen. Eine ungleichmäßige Belastung kann zu lokaler Überkompression (Beschädigung von Dichtungen und Platten) oder Unterkompression (Verursachung von Leckagen) führen. Moderne große PWT verwenden oft eine große Anzahl von Stiftschrauben (z. B. 10 oder mehr), die um den Umfang angeordnet sind, um diese Gleichmäßigkeit zu erreichen und sehr hohen Auslegungsdrücken standzuhalten.

Stiftschrauben werden typischerweise aus hochfestem Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl (z. B. ASTM A193 B7) hergestellt und sind oft beschichtet oder plattiert (z. B. Zink oder Chrom), um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Für stark korrosive Umgebungen können Edelstahl (z. B. ASTM A193 B8M) oder noch exotischere Legierungen eingesetzt werden. Das Material muss eine hohe Zugfestigkeit und eine gute Ermüdungsbeständigkeit aufweisen, um zyklischen Belastungen während der Wärmeausdehnung und -kontraktion standzuhalten.

Die anfängliche Spannung, die auf die Stiftschrauben ausgeübt wird, die so genannte Vorspannung, ist von größter Bedeutung. Sie muss ausreichen, um das Plattenpaket unter dem maximalen Betriebsdruck und der maximalen Temperatur abzudichten, wobei die Entspannung der Dichtungen im Laufe der Zeit berücksichtigt werden muss.

• Drehmoment vs. Spannung: Traditionell wurden Muttern mit einem Drehmomentschlüssel angezogen. Das Drehmoment ist jedoch ein indirektes und oft ungenaues Maß für die tatsächliche Zugvorspannung in der Stiftschraube, da es zu Reibungsschwankungen kommt.
• Fortgeschrittene Methoden: Für kritische Anwendungen werden präzisere Methoden wie das hydraulische Spannen eingesetzt. Dabei werden hydraulische Werkzeuge verwendet, um die Stiftschrauben präzise auf eine vorbestimmte Dehnung zu dehnen, bevor die Mutter angezogen wird. Diese Methode gewährleistet eine hochpräzise und gleichmäßige Vorspannung über alle Stiftschrauben, was für große Wärmetauscher von entscheidender Bedeutung ist.

Die Rahmenplatten, Stiftschrauben und das Plattenpaket werden oft aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt (z. B. Titanplatten gegenüber Kohlenstoffstahlrahmen). Während des Anfahrens, Abschaltens oder bei Temperaturübergängen dehnen sich diese Komponenten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus und ziehen sich zusammen. Das Stiftschraubenverbindungssystem muss so konstruiert sein, dass es diese differentiellen Bewegungen aufnehmen kann, ohne die kritische Klemmkraft zu verlieren oder übermäßige Spannungen zu verursachen, die zu einem Ausfall der Stiftschrauben führen könnten.

Stiftschrauben sind zyklischen Belastungen durch pulsierende Drücke, Vibrationen und thermische Zyklen ausgesetzt. Die Konstruktion muss sicherstellen, dass die Spannungsamplitude in den Stiftschrauben unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze des Materials bleibt, um einen Ermüdungsbruch über die vorgesehene Lebensdauer des Wärmetauschers zu verhindern.

Bei der Montage müssen die Muttern an den Stiftschrauben in einer bestimmten Kreuzmusterreihenfolge angezogen werden, ähnlich wie beim Anziehen der Radmuttern an einem Autorad. Diese Vorgehensweise ist unabdingbar, um eine gleichmäßige Plattenkompression zu erreichen und eine Verformung der Druckplatte zu vermeiden, die zu Undichtigkeiten führen könnte.

Nach der ersten Montage und beim Erreichen der Betriebstemperatur ist es oft notwendig, die Spannung der Stiftschrauben zu überprüfen. Kriechverhalten der Dichtung und thermische Setzung können zu einem leichten Verlust der Vorspannung führen. Ein Nachziehen nach dem ersten Wärmezyklus ist eine bewährte Praxis, um die langfristige Integrität zu gewährleisten.

Die regelmäßige Inspektion von Stiftschrauben und Muttern ist Teil der vorbeugenden Wartung. Techniker sollten nach Anzeichen von Korrosion, Gewindebeschädigung, Dehnung oder Oberflächenrissen suchen. Beschädigte Befestigungselemente müssen durch Komponenten ersetzt werden, die den Spezifikationen des Originalherstellers entsprechen, um die Konstruktionsintegrität zu erhalten.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Stiftschraubenverbindungen in Plattenwärmetauschern alles andere als einfache Bolzen sind. Sie sind präzisionsgefertigte Komponenten, die die kritischen Funktionen der Abdichtung, des Widerstands gegen Druck, der Ermöglichung der Wartung und der Gewährleistung der Lastgleichmäßigkeit erfüllen. Ihre richtige Konstruktion, Materialauswahl, Installation und Wartung sind von grundlegender Bedeutung für die Sicherheit, Effizienz und Langlebigkeit des gesamten Wärmetauschersystems. Die Vernachlässigung der Bedeutung dieser Verbindungen kann zu katastrophalen Ausfällen führen, einschließlich Leckagen, verringerter thermischer Leistung und sogar mechanischem Ausfall. Daher sind ein tiefes Verständnis und eine sorgfältige Beachtung des Stiftschraubenverbindungssystems für Ingenieure und Techniker, die mit dieser hocheffizienten Klasse von Wärmeübertragungsgeräten arbeiten, unerlässlich.