Was ist ein Plattenwärmeübertrager? Wie funktioniert er in Warmwasserspeichern und Heizsystemen?

Ein Plattenwärmeübertrager ist ein Wärmeübertrager, in dem gewellte dünne Metallplatten parallel zusammengepresst werden und zwei getrennte Fluide in benachbarten Kanälen im Gegenstrom strömen und dabei Wärme übertragen. Auf der einen Seite jeder Platte strömt das heiße, auf der anderen das kalte Fluid; die Wärme wird durch Wärmeleitung über die Plattenwand auf die kalte Seite übertragen. Das Fischgrätmuster auf den Platten versetzt die Strömung in Turbulenz und erhöht den Wärmeübergangskoeffizienten.

Die Turbulenz ist der eigentliche Grund für die Überlegenheit des Plattenwärmeübertragers gegenüber Rohrbündelwärmeübertragern. Bei gleicher Wärmeübertragungsfläche sorgt eine turbulente Strömung für einen um ein Mehrfaches höheren Wärmeübergang als eine laminare Strömung; deshalb beansprucht ein Plattenwärmeübertrager bei gleicher Leistung ein etwa 3–5-mal kleineres Volumen als ein Rohrbündelwärmeübertrager. In einem Heizraum eines Mehrfamilienhauses in Kadıköy ist die Platzersparnis oft allein der Grund, sich für die Plattenbauart zu entscheiden.

Ein Plattenwärmeübertrager besteht aus vier Hauptteilen: der festen Kopfplatte, der beweglichen Pressplatte, den dazwischenliegenden Wärmeübertragungsplatten und den Spannschrauben bzw. der Lötverbindung, die alles zusammenhalten. Die Platten werden in der Regel in einer Dicke von 0,4–0,6 mm aus Edelstahl AISI 316 oder Titan gefertigt. Die Fluide treten über die Anschlüsse in den vier Ecken ein und aus; Dichtungen oder Lötung sorgen dafür, dass jedes Fluid nur in seinen eigenen Kanälen bleibt, und verhindern so die Vermischung.

In Heizsystemen besteht die Aufgabe des Plattenwärmeübertragers darin, zwei Kreise voneinander zu trennen. Der Primärkreis ist die Kesselseite: geschlossenes, hoch temperiertes Wasser mit chemischem Inhibitor. Der Sekundärkreis ist die Verbraucherseite: sauberes Wasser oder ein anderer Heizbereich. Der Wärmeübertrager trennt beide physisch voneinander und lässt dabei die Wärme durch, sodass die Verschmutzung des Kesselwassers nicht auf die Verbraucherseite gelangt. Sie können sich unsere Produktgruppe Heizung ansehen. (Details: Heizung)

Plattenwärmeübertrager werden in drei Hauptgruppen unterteilt: gedichtet, gelötet und geschweißt. Die Einteilung beruht darauf, wie die Platten miteinander verbunden sind, und diese Verbindungsart bestimmt unmittelbar die Demontierbarkeit, die Druckfestigkeit und die Temperaturgrenze. Die falsche Wahl der Bauart wirkt sich unmittelbar sowohl auf die Anschaffungskosten als auch auf die Wartungskosten aus.

• Gedichtete Bauart – zwischen den Platten liegt eine NBR- oder EPDM-Dichtung, sie werden mit Schrauben verspannt; sie lassen sich zerlegen und reinigen, die Leistung kann durch zusätzliche Platten erhöht werden. Typische Grenze ca. 25 bar und 160 °C. Sie ist die verbreitetste Bauart bei Warmwasserspeichern und in der Gebäudeheizung
• Gelötete Bauart – die Platten werden mit Kupfer oder Nickel verlötet, sie ist dichtungslos und kompakt; sie lässt sich nicht zerlegen, hält aber höheren Drücken stand, typische Grenze 30–45 bar und 200 °C. Bevorzugt bei Kombithermen, Wärmepumpen und beengten Platzverhältnissen
• Geschweißte und teilgeschweißte Bauart – die Platten werden per Laser verschweißt, die dichtungslosen Kanäle halten aggressiven Fluiden stand; sie ist für industrielle Prozesse, Dampf und Hochtemperaturanwendungen gedacht, typische Grenze über 40 bar
• Kassettenbauart und Bauart mit Gussgehäuse – wird in Sonderprozessen, bei Hochdruckdampf und chemischen Fluiden eingesetzt; in der Heizungsinstallation selten anzutreffen

Der größte Vorteil des gedichteten Plattenwärmeübertragers ist seine Flexibilität. Reicht die Leistung nicht aus, kann die Pressplatte gelöst und im selben Rahmen eine weitere Platte ergänzt werden, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern; ebenso lässt sich der Wärmeübertrager zerlegen und mechanisch reinigen. Dagegen ist die Dichtung ein Verschleißteil und muss typischerweise alle 5–8 Jahre erneuert werden. Bei der Gebäudeheizung mit angeschlossenem Warmwasserspeicher ist diese Bauart Standard, weil verkalkte Platten geöffnet und gereinigt werden können.

Der gelötete Plattenwärmeübertrager ist in Kombitherme- und Wärmepumpenkreisen verbreiteter, weil er klein, leicht und druckfest ist. Da er sich aber nicht zerlegen lässt, wird ein verstopfter gelöteter Wärmeübertrager nicht mechanisch, sondern nur chemisch gereinigt; bei starker Verkalkung kann ein kompletter Austausch nötig werden. Deshalb ist es in Regionen mit hartem Wasser, wenn die gelötete Bauart eingesetzt wird, von entscheidender Bedeutung, das Füllwasser zu enthärten. Informationen zu Lösungen für die Wasseraufbereitung finden Sie hier (Details: Wasseraufbereitung).

Plattenanzahl und Wärmeübertragungsfläche sind zwei direkt proportionale Größen, die die Leistung eines Plattenwärmeübertragers bestimmen. Die gesamte Wärmeübertragungsfläche ist das Produkt aus der wirksamen Fläche einer einzelnen Platte und der Anzahl der an der Wärmeübertragung beteiligten Platten. Je größer die Fläche, desto größer ist bei gleicher Temperaturdifferenz die übertragbare Wärmemenge in kW.

Die Berechnung ist einfach. Die wirksame Wärmeübertragungsfläche einer einzelnen Platte liegt je nach Baureihe bei etwa 0,05–0,3 m². Werden z. B. 40 Stück einer Platte mit einer wirksamen Fläche von 0,10 m² verwendet, ergibt sich eine Gesamtfläche von etwa 40 mal 0,10 gleich 4,0 m². Da die Endplatten nicht an der Strömung beteiligt sind, werden in der praktischen Berechnung 2 von der Plattenanzahl abgezogen; bei einem Paket mit 40 Platten gelten 38 Platten als wärmeübertragend und die Kanalzahl als 39. Für die ingenieurmäßige Auslegung ist das eine ausreichende Näherung.

Eine Erhöhung der Plattenanzahl hat zwei verschiedene Effekte. Erstens vergrößert die Parallelschaltung der Platten statt einer Reihenschaltung den Strömungsquerschnitt und senkt damit die Strömungsgeschwindigkeit und folglich den Druckverlust. Zweitens bringt eine größere Wärmeübertragungsfläche die Austrittstemperatur näher an den Zielwert. Bei der Dimensionierung eines Wärmeübertragers werden diese beiden Ziele gegeneinander abgewogen: ausreichend Fläche, aber ein akzeptabler Druckverlust. Bei der gedichteten Bauart ist das Ergänzen von Platten einfach, bei der gelöteten unmöglich.

Die Kanalgeometrie ist ebenso wichtig wie die Fläche. Ist der Winkel des Fischgrätmusters auf den Platten groß, spricht man von einer harten Platte; die Wärmeübertragung ist hoch, aber auch der Druckverlust ist hoch. Ist der Winkel klein, spricht man von einer weichen Platte; der Druckverlust ist niedrig, die Wärmeübertragung aber schwächer. Der Hersteller stimmt die angestrebte Wärmeübertragung und den Druckverlust fein aufeinander ab, indem er harte und weiche Platten im selben Paket mischt. Deshalb muss nicht nur die Plattenanzahl, sondern auch der Plattentyp angegeben werden.

Die Leistung eines Plattenwärmeübertragers in kW wird aus dem Produkt des geförderten Volumenstroms und der Temperaturdifferenz zwischen Eintritt und Austritt berechnet. Die Grundbeziehung lautet Q gleich m Punkt mal c mal Delta T; dabei ist Q die thermische Leistung in kW, m Punkt der Massenstrom in kg/s, c die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit etwa 4,18 kJ/kg·°C und Delta T die Temperaturänderung des Fluids in °C. Diese Formel ist der Kern der Aussage, wie viel Wärme ein Wärmeübertrager transportieren kann.

Für Wasser gibt es eine praktische Abkürzung. Setzen Sie den Volumenstrom in m³/h ein, ergibt sich die Leistung mit der Beziehung Q gleich Volumenstrom mal 1,163 mal Delta T unmittelbar in kW; die Konstante 1,163 fasst Dichte und spezifische Wärmekapazität von Wasser mit der Einheitenumrechnung zusammen. Soll z. B. auf der Sekundärseite 1,0 m³/h Wasser von 10 °C auf 55 °C erwärmt werden, beträgt die erforderliche Leistung Q gleich 1,0 mal 1,163 mal 45 gleich 52,3 kW.

Der Volumenstrom der Primärseite wird aus derselben Leistung rückwärts berechnet. Für Primärwasser, das mit 80 °C vom Kessel kommt und mit 60 °C zurückläuft, ist Delta T gleich 20 °C. Um 52,3 kW zu übertragen, ergibt sich der erforderliche Primärvolumenstrom aus Volumenstrom gleich Q geteilt durch 1,163 mal Delta T gleich 52,3 geteilt durch 1,163 mal 20 gleich 2,25 m³/h. Wie man sieht, sinkt der erforderliche Volumenstrom, wenn die primäre Temperaturdifferenz groß ist; das erleichtert sowohl die Pumpenauswahl als auch die Wahl des Rohrdurchmessers.

Die Regel der Energiebilanz besagt, dass beide Seiten dieselbe Leistung transportieren: m Punkt 1 mal c mal Delta T 1 gleich m Punkt 2 mal c mal Delta T 2. Mit dieser Gleichung lässt sich die andere Seite lösen, wenn Volumenstrom und Temperaturen einer Seite bekannt sind. Ist z. B. der Primärvolumenstrom groß und die Temperaturdifferenz klein, kühlt diese Seite wenig ab; ist der Sekundärvolumenstrom klein und die Temperaturdifferenz groß, erwärmt sich diese Seite stark. Die Leistung beider Seiten ist stets gleich.

Bei der Dimensionierung wird ein Sicherheitszuschlag berücksichtigt. Auf die berechnete Leistung wird für Verkalkung und Toleranz typischerweise ein Verschmutzungszuschlag von 10–15 Prozent aufgeschlagen; d. h., ein Wärmeübertrager, für den 52,3 kW berechnet wurden, wird in der Praxis mit einer sauberen Leistung von etwa 58–60 kW gewählt. Dieser Zuschlag verhindert, dass die Kalkablagerung der ersten Jahre die Leistung unter den Zielwert drückt. Zur Leistungsberechnung bei Wärmepumpen- und Fußbodenheizungsanschlüssen siehe unseren entsprechenden Ratgeber (Details: Wie funktioniert eine Wärmepumpe mit Fußbodenheizung? Wie richtet man das effizienteste System ein?).

Auch der Unterschied zwischen Massenstrom und Volumenstrom muss in der Berechnung beachtet werden. Das m Punkt in der Formel Q gleich m Punkt mal c mal Delta T ist der Massenstrom und hat die Einheit kg/s; der Wert, den Sie vor Ort messen, ist dagegen meist der Volumenstrom, also m³/h. Da die Dichte von Wasser bei 60 °C etwa 983 kg/m³ beträgt, ergibt diese Umrechnung bei hoher Temperatur einen kleinen Unterschied. Die praktische Konstante 1,163 enthält diese Umrechnung für mittlere Bedingungen; bei genauen industriellen Berechnungen wird die Dichte dagegen temperaturabhängig korrigiert. Deshalb ist es bei heißen Fluiden nahe der Siedegrenze sicherer, mit dem Massenstrom zu rechnen.

Auch das Verhältnis der Volumenströme beider Seiten ist ein verborgener Auslegungsparameter. Liegen Primär- und Sekundärvolumenstrom nahe beieinander, verteilen sich die Temperaturdifferenzen gleichmäßig über den Wärmeübertrager und die LMTD bleibt hoch; arbeitet eine Seite mit sehr hohem und die andere mit sehr niedrigem Volumenstrom, wird das Temperaturprofil gestört und dieselbe Fläche leistet weniger. Deshalb steigert es die Wärmeübertragung nicht, die Primärpumpe größer als nötig zu wählen und den Volumenstrom aufzublähen; es verursacht lediglich Stromkosten und Druckverlust. Den Volumenstrom entsprechend den angestrebten Temperaturdifferenzen auszugleichen, ist die Grundlage einer richtigen Dimensionierung.

LMTD ist die Abkürzung für die logarithmische mittlere Temperaturdifferenz und das logarithmische Mittel der Temperaturdifferenzen an den beiden Enden eines Wärmeübertragers. Die treibende Kraft der Wärmeübertragung ist die Temperaturdifferenz; da diese Differenz über den Wärmeübertrager hinweg aber nicht konstant ist, wird bei der Mittelwertbildung das logarithmische Mittel verwendet. Je größer die LMTD, desto mehr Wärme wird bei gleicher Fläche übertragen.

Die Formel lautet: LMTD gleich Delta T1 minus Delta T2, geteilt durch den natürlichen Logarithmus von Delta T1 geteilt durch Delta T2. Dabei ist Delta T1 die Differenz zwischen heiß und kalt an dem einen Ende, Delta T2 die am anderen Ende. Beispiel: Geht der Primärkreis von 80 °C auf 60 °C und der Sekundärkreis von 10 °C auf 55 °C, beträgt die Differenz an einem Ende 80 minus 55 gleich 25 °C, am anderen Ende 60 minus 10 gleich 50 °C. Es ergibt sich LMTD gleich 50 minus 25 geteilt durch ln 50 geteilt durch 25 gleich 25 geteilt durch 0,693 gleich 36,1 °C.

Die erforderliche Wärmeübertragungsfläche wird mit diesem Wert ermittelt: A gleich Q geteilt durch U mal LMTD. Dabei ist A die Fläche in m², Q die Leistung in W, U der Wärmedurchgangskoeffizient in W/m²·°C und LMTD in °C. Bei Plattenwärmeübertragern liegt der U-Wert bei Wasser-Wasser-Anwendungen typischerweise in der Größenordnung von 3.000–6.000 W/m²·°C; er liegt damit weit über dem von Rohrbündelwärmeübertragern. Für eine Leistung von 52.300 W, U gleich 4.500 und LMTD gleich 36,1 ergibt sich die Fläche A gleich 52.300 geteilt durch 4.500 mal 36,1 gleich 0,32 m².

Die Grädigkeit ist die kleinste Differenz zwischen der Austrittstemperatur des einen Fluids und der Eintrittstemperatur des Gegenfluids und zeigt, wie eng der Wärmeübertrager ausgelegt ist. Wird das Sekundärwasser z. B. auf 55 °C erwärmt und beträgt der Primäreintritt 80 °C, ist die Differenz groß; zwingen Sie das Sekundärwasser aber auf 58 °C, verengt sich die Grädigkeit. Ein Wärmeübertrager mit einer Grädigkeit von weniger als 5 °C benötigt zum Erreichen des Ziels eine unverhältnismäßig große Fläche.

Die Faustregel ist eindeutig: Die Grädigkeit unter 5 °C zu senken, treibt die Kosten rasch in die Höhe. Bei Warmwasserspeicher- und Heizungsanwendungen liegt der wirtschaftliche Bereich typischerweise bei 5–10 °C. Eine Senkung der Grädigkeit von 10 °C auf 5 °C kann die erforderliche Plattenanzahl und Fläche annähernd verdoppeln. Die Zieltemperatur nicht höher als nötig anzusetzen, bedeutet daher unmittelbar einen kleineren und günstigeren Wärmeübertrager.

Warmwasserspeicher und Plattenwärmeübertrager erzeugen gemeinsam Trinkwarmwasser, indem sie es physisch vom primären Heizkreis trennen. Es gibt zwei grundlegende Installationsarten: Bei Warmwasserspeichern mit Rohrwendel befindet sich der Wärmeübertrager im Speicher, bei Systemen mit externem Plattenwärmeübertrager erfolgt die Wärmeübertragung dagegen in einem separaten Plattenwärmeübertrager außerhalb des Speichers und das erwärmte Wasser wird in den Speicher zurückgefördert. Die zweite Methode ist bei großen Leistungen effizienter.

Das Speichersystem mit externem Plattenwärmeübertrager arbeitet wie folgt. Das vom Kessel kommende heiße Primärwasser strömt durch die eine Seite des Plattenwärmeübertragers. Das am Boden des Speichers entnommene kalte Wasser wird mit einer Ladepumpe durch die andere Seite des Wärmeübertragers geführt, erwärmt sich und strömt oben in den Speicher zurück. Dieser Zyklus läuft, bis das gesamte Speicherwasser die Zieltemperatur erreicht hat. Der Vorteil des Verfahrens ist, dass die Wärmeübertragungsfläche nicht auf die Rohrwendel im Speicher beschränkt ist; durch einen größeren Wärmeübertrager wird die Wiederaufheizzeit verkürzt.

Die Wahl zwischen einem Warmwasserspeicher mit Rohrwendel und einem System mit externem Wärmeübertrager hängt von der Leistung ab. Bei einem Warmwasserspeicher mit einer einzelnen Rohrwendel ist die Wärmeübertragungsfläche durch das Speichervolumen begrenzt; bei einem 300-Liter-Speicher liegt die Rohrwendelfläche in der Größenordnung von etwa 1,5–3 m². Mit einem externen Plattenwärmeübertrager lassen sich für dieselbe Leistung problemlos 5–10 m² Fläche erreichen, was eine schnellere Wiederaufheizung und eine niedrigere Grädigkeit bedeutet. Zu Speichertypen und den Unterschieden bei Rohrwendeln siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist ein Warmwasserspeicher? Unterschiede zwischen Speichern mit einer Rohrwendel, mit zwei Rohrwendeln und Elektro-Warmwasserspeichern).

Maßgeblich für die Kapazität eines Warmwasserspeichers ist die Aufheizleistung. Um einen 500-Liter-Speicher in 30 Minuten von 10 °C auf 60 °C zu erwärmen, wird zunächst die Energie berechnet: 500 Liter mal 50 °C mal 1,163 geteilt durch 1000 gleich 29,1 kWh. Um diese in 0,5 Stunden bereitzustellen, ist eine Wärmeübertragerleistung von 29,1 geteilt durch 0,5 gleich 58,2 kW erforderlich. Zur Speicherauswahl nach Litern siehe unseren Ratgeber (Details: Wie viele Liter Warmwasserspeicher sollte ich kaufen? Berechnung für 2, 4, 6, 10 und 20 Personen).

Primärkreis und Sekundärkreis sind die beiden getrennten Strömungsseiten des Plattenwärmeübertragers, und ihr richtiger Anschluss bestimmt die Effizienz der Wärmeübertragung. Der Primärkreis ist die wärmeabgebende Seite, in der Regel der Austritt von Kessel oder Wärmepumpe; der Sekundärkreis ist die wärmeaufnehmende Seite, also Trinkwasser oder ein separater Heizbereich. Beide Kreise müssen am Wärmeübertrager in entgegengesetzter Richtung, also im Gegenstrom, angeschlossen werden.

Der Gegenstromanschluss ist der Schlüssel zur Effizienz. Tritt das heiße Fluid an einem Ende und das kalte Fluid am gegenüberliegenden Ende ein, verteilt sich die Temperaturdifferenz gleichmäßig über den Wärmeübertrager, und die Sekundäraustrittstemperatur kann der Primäreintrittstemperatur maximal nahekommen. Beim Gleichstrom, also der parallelen Schaltung, kann der Sekundäraustritt nie die Mischungstemperatur der beiden Fluide überschreiten. Deshalb werden Plattenwärmeübertrager stets im Gegenstrom angeschlossen; die Anordnung der Anschlüsse erzwingt dies.

Wird eine hydraulische Trennung benötigt, wird ein Ausgleichselement dazwischengesetzt. Unterscheiden sich die Volumenströme von Kesselkreis und Verbraucherkreisen, müssen beide Kreise voneinander getrennt und jeweils mit einer eigenen Pumpe versorgt werden; diese Aufgabe übernimmt häufig die hydraulische Weiche. Auch der Plattenwärmeübertrager sorgt für eine Art Trennung, unterscheidet sich aber von der hydraulischen Weiche dadurch, dass er die beiden Kreise vollständig isoliert; Kesselwasser und Verbraucherwasser vermischen sich nie. Zur Funktion der hydraulischen Weiche siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist eine hydraulische Weiche? Warum wird sie in Heizkessel- und Wärmepumpensystemen eingesetzt?).

In beiden Kreisen wird die Pumpe so gewählt, dass sie den Druckverlust des Wärmeübertragers überwindet. Die Primärpumpe deckt den Druckverlust auf der Kesselseite, die Sekundärpumpe den auf der Verbraucherseite. Ein Ungleichgewicht der Volumenströme kann den Wärmeübertrager nutzlos machen: Ist der Primärvolumenstrom zu niedrig, erreicht die Sekundärseite das Ziel nicht, ist er zu hoch, wird Energie verschwendet. Zur Pumpendimensionierung können Sie sich unsere Produktgruppe Pumpensysteme ansehen (Details: Pumpensysteme).

Bei der Warmwasserbereitung ist der Plattenwärmeübertrager ein Ladeelement, das Trinkwasser ohne Speicherung oder mit einem kleinen Speicher momentan erwärmt. Es gibt zwei Ansätze: Beim Durchlaufsystem erwärmt sich das Wasser beim Öffnen der Zapfstelle, während es den Wärmeübertrager durchströmt; beim Halbspeichersystem wird ein kleiner Pufferspeicher vom Wärmeübertrager gespeist. Im Durchlaufsystem ist die Speicherung so gut wie nicht vorhanden, deshalb wird die Wärmeübertragerleistung nach dem Spitzenvolumenstrom gewählt.

Im Durchlaufsystem wird die Leistung nach der Spitzenentnahme bestimmt. Werden in einer Wohnung gleichzeitig zwei Duschen geöffnet, beträgt der typische Volumenstrom etwa 12–18 Liter/Minute, also 0,72–1,08 m³/h. Um dieses Wasser von 10 °C auf 45 °C zu erwärmen, ist eine Leistung in der Größenordnung von Q gleich 1,0 mal 1,163 mal 35 gleich 40,7 kW erforderlich. Der Nachteil der Momentanerzeugung ist, dass sie in der Spitze eine hohe Leistung benötigt; deshalb wird in großen Gebäuden das Halbspeichersystem bevorzugt.

Im Halbspeichersystem senkt der Pufferspeicher den Spitzenleistungsbedarf. Der Speicher wird in Stunden mit geringer Entnahme aufgeheizt und gibt diese Energie in der Spitze ab; der Wärmeübertrager kann dadurch nach der mittleren Leistung kleiner gewählt werden. Ein System, das 40 kW Momentanleistung benötigt, lässt sich z. B. mit einem 500-Liter-Pufferspeicher und einem Wärmeübertrager von etwa 20–25 kW lösen. Das senkt sowohl die Kosten für Kessel als auch für Wärmeübertrager und sorgt für einen gleichmäßigeren Kesselbetrieb.

Die Wahl der Warmwassertemperatur betrifft sowohl den Komfort als auch die Hygiene. Wird Trinkwasser gespeichert, wird wegen der Legionellengefahr empfohlen, die Speichertemperatur auf mindestens 60 °C zu halten und die Verteilung nicht unter 55 °C fallen zu lassen. Der hohe Wärmeübergangskoeffizient des Plattenwärmeübertragers macht es leichter, das Sekundärwasser auch bei nur 70 °C warmem Primärwasser an 60 °C heranzuführen. Zur Legionellengefahr und zum Temperaturmanagement im Warmwasserspeicher siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist die Legionellengefahr im Warmwasserspeicher? Wie heiß muss das Warmwasser gehalten werden?).

Der Druckverlust ist der Druck, den das Fluid beim Durchströmen der Kanäle des Plattenwärmeübertragers durch Reibung verliert, und er bestimmt unmittelbar die Pumpenauswahl. Bei Plattenwärmeübertragern ist der Druckverlust wegen der engen und turbulenten Kanäle höher als bei Rohrbündelbauarten; der typische Auslegungswert wird auf beiden Seiten bei etwa 0,2–0,6 bar gehalten. Dieser Wert wird zur Förderhöhe der an die jeweilige Seite angeschlossenen Pumpe addiert.

Der Zusammenhang zwischen Druckverlust und Strömungsgeschwindigkeit ist quadratisch. Verdoppelt sich der Volumenstrom, steigt der Druckverlust auf etwa das Vierfache; deshalb verringert schon eine geringe Absenkung des Volumenstroms den Druckverlust deutlich. Auch die Übertragung derselben Leistung mit mehr Platten, also mit einem größeren Kanalquerschnitt, senkt den Druckverlust. Der Planer stellt dieses Gleichgewicht zwischen Wärmeübertragung und Druckverlust her.

Die Auswirkung auf die Pumpe ist konkret. Ein Wärmeübertrager mit 0,5 bar Druckverlust auf der Sekundärseite belastet die Pumpe dieses Kreises mit etwa 5,1 mWS zusätzlicher Förderhöhe, denn 1 bar entspricht etwa 10,2 mWS. Wird diese Zusatzlast nicht berücksichtigt, reicht die Pumpe nicht aus, der Volumenstrom sinkt, das Sekundärwasser erreicht das Ziel nicht, und der Wärmeübertrager wird beschuldigt. Dabei liegt das Problem an der zu knapp dimensionierten Pumpe.

Verschmutzung vergrößert den Druckverlust schleichend. Je mehr die Kanäle durch Kalk oder Schlamm verengt werden, desto höher wird der Druckverlust bei gleichem Volumenstrom; die Pumpe fördert bei gleicher Drehzahl weniger Wasser. Deshalb ist ein plötzlicher Anstieg des Druckverlusts der früheste Hinweis darauf, dass der Wärmeübertrager verschmutzt ist. Ein Schmutzfänger am Kreiseintritt verhindert, dass Schlamm den Wärmeübertrager erreicht. Zur Funktion des Schmutzfängers siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist ein Schmutzfänger? Wo und warum wird ein Y-Schmutzfänger eingesetzt?).

Die Verkalkung eines Plattenwärmeübertragers entsteht dadurch, dass hartes Wasser beim Erwärmen die darin enthaltenen Calcium- und Magnesiumsalze als feste Schicht auf der Plattenoberfläche ablagert. Der Kalk wirkt wie eine Schicht, die die Wärmeübertragungsfläche der Platte dämmt; jeder 1 mm Kalk senkt die Wärmeübertragung um etwa 10–15 Prozent. Die Verkalkung beschleunigt sich mit steigender Temperatur und setzt sich deshalb am stärksten im heißesten Bereich der Primärseite ab.

Die Anzeichen der Verkalkung sind messbar. Das erste ist, dass die Sekundäraustrittstemperatur unter den Zielwert sinkt; bei gleicher Einstellung kommt das Wasser dann statt mit 55 °C nur noch mit 48 °C heraus. Das zweite ist der Anstieg des Druckverlusts; die Pumpe fördert bei gleicher Drehzahl weniger Wasser. Das dritte ist, dass sich die Differenz zwischen den Austrittstemperaturen von Primär- und Sekundärseite vergrößert. Treten diese drei Anzeichen gemeinsam auf, ist die Wärmeübertragungsfläche des Wärmeübertragers verschmutzt.

Die Reinigung erfolgt auf zwei Arten. Bei der gedichteten Bauart wird das Plattenpaket zerlegt, jede Platte wird mit einer weichen Bürste und einer geeigneten Lösung mechanisch gereinigt; ist die Dichtung beschädigt, wird sie erneuert. Bei der gelöteten und der geschweißten Bauart ist eine Demontage nicht möglich, daher erfolgt eine chemische Reinigung vor Ort: Eine an das System angeschlossene Umwälzpumpe lässt verdünnte Zitronensäure oder einen speziellen Kalklöser mehrere Stunden durch den Wärmeübertrager zirkulieren, anschließend wird mit Wasser gespült. Zitronensäure ist für Edelstahlplatten unbedenklich.

Die dauerhafte Lösung ist die Konditionierung des Wassers. In Regionen mit hartem Wasser unterbindet die Enthärtung von Füll- und Trinkwasser die Kalkablagerung an der Quelle; die Erwärmung von Wasser mit einer Härte von 25 °dH führt mehrfach schneller zu Kalkablagerungen als bei Wasser mit 5 °dH. Im Heizkreis verringern außerdem der Einsatz von Inhibitoren und ein Schlammabscheider mit Magnet sowohl den Kalk als auch den Magnetitschlamm. Zur Funktionsweise der Wasserenthärtungsanlage siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist eine Wasserenthärtungsanlage? Hilft sie wirklich gegen kalkhaltiges Wasser?).

Das Wartungsintervall wird nach der Wasserhärte geplant. In einem Kreis mit weichem Wasser und guter Filterung braucht ein Plattenwärmeübertrager unter Umständen jahrelang keine Reinigung; bei hartem Wasser und einem Kreis ohne Filter kann eine chemische Reinigung einmal im Jahr nötig sein. Ein Schlammabscheider im Rücklauf des Kreises und ein Schmutzfänger am Eintritt verlängern das Reinigungsintervall deutlich. Zu den Abscheidertypen siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist ein Abscheider? Unterschiede zwischen Luftabscheider, Schlammabscheider und hydraulischer Weiche).

Plattenwärmeübertrager und Warmwasserspeicher mit Rohrwendel sind zwei unterschiedliche Ansätze der Warmwasserbereitung, und die Wahl richtet sich nach Leistung, Platzbeschränkung und Komforterwartung. Der Warmwasserspeicher mit Rohrwendel gibt die Wärme gespeichert ab; ein System mit externem Plattenwärmeübertrager gibt sie momentan oder halbgespeichert ab, mit einer wesentlich größeren Übertragungsfläche. Im kleinen Wohngebäude tritt die Rohrwendel in den Vordergrund, im großen Gebäude der Plattenwärmeübertrager.

• Wärmeübertragungsfläche – Warmwasserspeicher mit Rohrwendel: durch das Speichervolumen begrenzt, bei 300 Litern etwa 1,5–3 m²; externer Plattenwärmeübertrager: unabhängig, 5–10 m² problemlos erreichbar
• Wiederaufheizzeit – mit Rohrwendel: wegen der begrenzten Fläche lang; mit Plattenwärmeübertrager: dank der großen Fläche deutlich kürzer
• Platzbedarf – mit Rohrwendel: ein Gehäuse, kompakt; mit Plattenwärmeübertrager: Speicher plus Wärmeübertrager plus Ladepumpe, mehr Platzbedarf
• Leistungserweiterung – mit Rohrwendel: ohne Austausch des Speichers nicht erweiterbar; Plattenwärmeübertrager: bei der gedichteten Bauart durch zusätzliche Platten erweiterbar
• Kalkreinigung – mit Rohrwendel: Rohrwendel nicht demontierbar, chemische Reinigung schwierig; Plattenwärmeübertrager: bei der gedichteten Bauart zu öffnen und zu reinigen
• Für wen geeignet – mit Rohrwendel: einzelne Wohnung, Villa, niedriger Spitzenvolumenstrom; mit Plattenwärmeübertrager: Mehrfamilienhaus, Hotel, hoher und schwankender Spitzenvolumenstrom

Das klare Urteil lautet: Liegt der Spitzenwarmwasserbedarf unter 40 kW und ist der Platz knapp, genügt ein Warmwasserspeicher mit Rohrwendel; ist der Spitzenbedarf hoch und schwankend und wird eine kurze Wiederaufheizzeit gewünscht, ist ein Halbspeichersystem mit externem Plattenwärmeübertrager die richtige Wahl. In Hotels und Wohnanlagen ist die zweite Methode nahezu Standard, weil plötzliche Lasten, bei denen viele Zapfstellen gleichzeitig geöffnet werden, nur von einer großen Übertragungsfläche gedeckt werden können.

Plattenwärmeübertrager und Rohrbündelwärmeübertrager sind zwei Familien von Wärmeübertragern, die dieselbe Aufgabe erfüllen, sich aber in Geometrie und Wirkungsgrad unterscheiden. Beim Rohrbündelwärmeübertrager strömt ein Fluid durch das Rohrbündel in einem Mantel und das andere durch den Raum zwischen den Rohren; der Plattenwärmeübertrager nutzt dagegen die engen Kanäle zwischen dünnen Platten. Dank der Turbulenz in den engen Kanälen erreicht die Plattenbauart einen wesentlich höheren Wärmeübergangskoeffizienten.

Der Unterschied im Wirkungsgrad lässt sich beziffern. Bei Rohrbündelwärmeübertragern liegt der Wärmedurchgangskoeffizient U bei Wasser-Wasser-Anwendungen typischerweise im Bereich von 1.000–2.500 W/m²·°C, beim Plattenwärmeübertrager steigt dieser Wert auf 3.000–6.000 W/m²·°C. Ein etwa zwei- bis dreimal höheres U bedeutet, dass dieselbe Leistung mit einer wesentlich kleineren Wärmeübertragungsfläche übertragen wird. Deshalb ist ein Plattenwärmeübertrager etwa 3–5-mal kleiner und leichter als ein gleichwertiger Rohrbündelwärmeübertrager.

Allerdings gibt es auch Bereiche, in denen die Rohrbündelbauart überlegen ist. Bei sehr hohem Druck, sehr hoher Temperatur und Fluiden mit festen Partikeln ist der Rohrbündelwärmeübertrager robuster; die weiten Rohrquerschnitte sind gegen Verstopfung widerstandsfähiger als die engen Kanäle der Plattenbauart. Bei der Dampfkondensation und in industriellen Prozessen mit großen Temperaturdifferenzen ist die Rohrbündelbauart nach wie vor verbreitet. Bei dem überwiegenden Teil der Heizungs- und Warmwasserspeicheranwendungen behauptet dagegen die Plattenbauart ihren Platz.

Beschränkungen bei Platz und Gewicht entscheiden oft die Wahl. In Heizräumen von Gebäuden und in engen Installationsschächten ist die Kompaktheit des Plattenwärmeübertragers ausschlaggebend; während ein Plattenwärmeübertrager mit derselben Leistung von 52 kW die Größe eines Koffers hat, ist das rohrbündelartige Äquivalent um ein Mehrfaches größer. Platzgewinn, einfache Montage und eine schnellere Inbetriebnahme dank geringerem Wasservolumen erklären die Dominanz der Plattenbauart in der Heizung. Zu Pumpen- und Installationslösungen sehen Sie sich unsere Produktgruppe an (Details: Pumpensysteme).

In Wärmepumpensystemen ist der Plattenwärmeübertrager das zentrale Element, das die Wärme zwischen dem Kältemittelkreis und dem Wasserkreis überträgt. In einer Wärmepumpe sind Verflüssiger und Verdampfer meist gelötete Plattenwärmeübertrager; das vom Verdichter geförderte heiße Kältemittel gibt seine Wärme im Plattenwärmeübertrager an das Heizungswasser oder das Speicherwasser ab. Da sie kompakt und druckfest ist, ist die gelötete Bauart für diese Aufgabe Standard.

Bei Wärmepumpenanwendungen ist die Grädigkeit besonders kritisch. Der Wirkungsgrad der Wärmepumpe, also die Leistungszahl, steigt umso mehr, je niedriger die Temperatur auf der Wasserseite ist; jedes zusätzliche 1 °C Wassertemperatur senkt den Wirkungsgrad um etwa 2–2,5 Prozent. Deshalb werden Wärmepumpen-Wärmeübertrager mit niedriger Grädigkeit, also mit großer Wärmeübertragungsfläche, gewählt. So erzeugt die Wärmepumpe das Wasser bei niedriger Temperatur, und der Stromverbrauch sinkt.

Ein zweiter Plattenwärmeübertrager dient der hydraulischen Trennung. Der Wasserkreis der Wärmepumpe kann über einen Plattenwärmeübertrager vom Fußbodenheizungs- oder Niedertemperatur-Heizkörperkreis getrennt werden; so bleiben Wasserqualität und Druck der beiden Kreise voneinander unabhängig. Diese Trennung verhindert auch, dass die Sauerstoffdiffusion in der Fußbodenheizung den Wärmepumpen-Wärmeübertrager verschmutzt. Zur Verbindung von Wärmepumpe und Fußbodenheizung siehe unseren Ratgeber (Details: Wie funktioniert eine Wärmepumpe mit Fußbodenheizung? Wie richtet man das effizienteste System ein?).

Bei der Schwimmbadbeheizung tritt dagegen der Werkstoff in den Vordergrund. Wird ein Schwimmbad mit einer Wärmepumpe beheizt, wird für den dazwischengeschalteten Plattenwärmeübertrager, da er chlorhaltigem Wasser ausgesetzt ist, eine Ausführung mit Titanplatten gewählt; Edelstahl AISI 316 erleidet in chlorhaltiger Umgebung Lochkorrosion. Der Titan-Wärmeübertrager trennt das Beckenwasser vom Heizkreis, hält dadurch das Chlor aus dem System fern und sorgt zugleich für eine lange Lebensdauer. Zur Funktionsweise der Fußbodenheizung siehe unseren Ratgeber (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat).

Beim Plattenwärmeübertrager werden Platten- und Dichtungswerkstoff nach Art des Fluids und nach der Temperatur gewählt. Bei Heizungs- und Trinkwasseranwendungen werden die Platten typischerweise aus Edelstahl AISI 316 und die Dichtungen aus EPDM gefertigt. Bei aggressiven Fluiden mit Chlor, Salz oder Meerwasser genügt Edelstahl nicht; hier sind Titanplatten erforderlich. Die Werkstoffauswahl bestimmt unmittelbar die Lebensdauer.

Edelstahl AISI 316 ist die Standardwahl für den Heizkreis und für das städtische Leitungswasser. Da er bei Wasser mit hohem Chlorgehalt dem Risiko der Lochkorrosion unterliegt, wird Titan bevorzugt, wenn der Chlorgehalt unklar ist oder Meerwasser im Spiel ist. Titanplatten sind teuer, ihre Lebensdauer in chlorhaltiger Umgebung ist aber um ein Vielfaches länger; deshalb sind sie bei Wärmeübertragern für die Erwärmung von Beckenwasser verbreitet.

Der Dichtungswerkstoff muss mit Temperatur und Fluid verträglich gewählt werden. EPDM-Dichtungen sind in Warmwasser- und Heizkreisen bis etwa 140–160 °C sicher; NBR-Dichtungen werden bei öl- und kraftstoffhaltigen Fluiden eingesetzt, in heißem Wasser aber nicht bevorzugt. Eine falsche Dichtung wird innerhalb weniger Monate hart und undicht. Beim Kauf eines gedichteten Wärmeübertragers muss die Eignung des Dichtungstyps für das Fluid unbedingt bestätigt werden.

Auch der Lötwerkstoff ist ein Auswahlkriterium. Standardmäßige gelötete Wärmeübertrager sind kupfergelötet und für die meisten Heizungsanwendungen ausreichend; in ammoniakhaltiger Umgebung oder bei Trinkwasseranwendungen, in denen Kupfer ungeeignet ist, werden dagegen nickelgelötete Ausführungen verwendet. Auch in Kältemittelkreisen von Wärmepumpen kann Nickellot bevorzugt werden. Zu Alternativen bei Marke und Baureihe finden Sie Informationen auf unserer Seite Marken (Details: unsere Markenseite).

Luft und Schmutz im Plattenwärmeübertrager sind zwei getrennte Probleme, die die Wärmeübertragung verringern und den Druckverlust erhöhen. Luft füllt einen Teil der Plattenkanäle und stoppt in diesem Bereich die Wärmeübertragung; der luftgefüllte Teil des Kanals wirkt gewissermaßen wie eine Dämmung. Schmutz und Schlamm verengen dagegen die engen Kanäle, behindern die Strömung und führen zu Verstopfung. Beides zeigt sich als Leistungsverlust.

Die Entlüftung erfolgt mit einem Entlüfter. Am höchsten Anschluss des Plattenwärmeübertragers oder in dessen Nähe wird ein automatischer Entlüfter angebracht; die beim Füllen und im Betrieb angesammelte Luft wird hier abgeführt. In Kreisen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit wie der Fußbodenheizung ist Luft hartnäckiger, weil die Strömung die Blasen nicht mitreißen kann. Zur richtigen Position und Funktionsweise des automatischen Entlüfters siehe unseren Ratgeber (Details: Was ist ein Entlüfter? Wie wird die Luft aus der Anlage entfernt?).

Schmutz und Schlamm werden am Eintritt zurückgehalten. Ein Y-Schmutzfänger am Eintritt beider Kreise fängt Schweißschlacke, Sand und größere Partikel ab, bevor sie den Wärmeübertrager erreichen. Für den im Heizkreis mit der Zeit entstehenden Magnetitschlamm wird in der Rücklaufleitung ein Schlammabscheider mit Magnet ergänzt. Diese beiden Elemente unterbinden die häufigste Ursache für das Verstopfen von Plattenwärmeübertragern an der Quelle und verlängern das Reinigungsintervall.

Fußbodenheizungssysteme sind für Plattenwärmeübertrager ein Sonderfall. Durch sauerstoffdurchlässige Rohre eindringender Sauerstoff beschleunigt die Magnetitbildung; dieser Schlamm setzt sich in den Kanälen des Wärmeübertragers ab. Deshalb wird der Fußbodenheizkreis häufig über einen Plattenwärmeübertrager vom Kesselkreis getrennt und in seinem eigenen geschlossenen Kreislauf gehalten. Zur Funktionsweise der Fußbodenheizung siehe unseren Ratgeber (Details: Wie funktioniert eine Fußbodenheizung? Auswahl von Verteiler, Pumpe und Thermostat).