Warmteoverdracht via Pillow Platen

Iedereen die voor het eerst een Pillow Plate in handen neemt, begrijpt meteen waar de naam vandaan komt: twee aan elkaar gelaste metalen platen, waartussen koel- of verwarmingsmedium stroomt, buigen naar buiten uit tot een kussenachtige, driedimensionale structuur. Wat eruitziet als een eenvoudig ontwerpprincipe is in feite het resultaat van tientallen jaren ontwikkelingswerk aan een warmteoverdrachtselement dat tegenwoordig buizenbundel- en spiraalsystemen vervangt in de voedselverwerking, de farmaceutische industrie, de chemische verwerking en de industriële koeling – overal waar efficiëntie, reinigbaarheid, flexibiliteit en duurzaamheid van belang zijn.

Dit artikel legt uit hoe Pillow Platen zijn opgebouwd, hoe ze worden ontworpen, welke configuraties geschikt zijn voor welke toepassingen en waar ze in de industriële praktijk concrete voordelen bieden ten opzichte van conventionele warmtewisselaartechnologieën. De productpagina van HTT AG biedt een technisch overzicht. Dit artikel behandelt de achtergrond: de fysica, de ontwerpprincipes en een solide basis voor besluitvorming voor ontwerpers en installatiebeheerders.

Een Pillow Plate bestaat uit twee dunne metalen platen die volgens een bepaald patroon aan elkaar zijn gelast. Na het lassen wordt de ruimte ertussen onder druk gezet, waardoor de platen tussen de laspunten naar buiten uitpuilen. Zo ontstaat een netwerk van kanalen waar het warmteoverdrachtsmedium doorheen stroomt, samen met een driedimensionaal gestructureerd buitenoppervlak dat actief is aan de product- of proceszijde.

Het ontwerpverschil met andere warmtewisselaars komt neer op drie kenmerken:

Geometrische flexibiliteit. Een Pillow Plate is geen standaardproduct met vaste afmetingen. Lengte, breedte, wanddikte, laspatroon en kanaalindeling worden allemaal speciaal ontworpen voor de specifieke toepassing. HTT AG maakt gebruik van CNC-gestuurde laserlassystemen die elke geometrie uit de ontwerptekening direct in de productie omzetten. Dat maakt het mogelijk om Pillow Platen te vervaardigen in de vorm van rechthoeken, segmenten, cilinders, conische vormen of op maat gemaakte geometrieën voor niet-standaard vaten.

Gebruik als constructie-element. Pillow Platen kunnen niet alleen worden gebruikt als hangende warmtewisselaars, maar ook als constructie-elementen en als de wand van het vat zelf. Een Pillow Plate met enkelzijdige reliëfvorming kan dienen als constructie-element en als tankmantel die tegelijkertijd functioneert als warmtewisselaar, constructie-element en vatwand in één. Hierdoor is een afzonderlijke warmtewisselaar overbodig en wordt de benodigde ruimte aanzienlijk verminderd.

Gedrag bij lastige media. De open, kanaalachtige structuur aan de proceszijde heeft geen nauwe spleten waar zich afzettingen kunnen ophopen. Media met deeltjes, zeer viskeuze producten en media die vaste stoffen bevatten, kunnen worden gekoeld of verwarmd zonder dat verstopping of een verhoogde drukval een beperking vormt. Dat onderscheidt Pillow Platen van platenwarmtewisselaars met hun smalle, geprofileerde kanalen.

Het fundamentele onderscheid tussen Pillow Platen ligt in de versies met enkelvoudige en dubbele reliëfstructuur. Beide werken volgens hetzelfde principe, maar zijn ontworpen voor verschillende toepassingen.

Kussenplaat met enkel reliëf

Bij de enkel-gepreegde versie is één plaat vlak en de andere gepreegd. De vlakke zijde rust tegen de wand van het vat en vormt een constructie-element of een tankmantel. Het warmteoverdrachtsmedium stroomt door de kussenvormige kanalen tussen de vlakke wand en de gepreegde plaat.

Typische toepassingen:

• Constructie-element: Enkelreliëfplaten, zowel kleine als grote, worden als constructie-elementen in verwarmings- of koelconstructies ingebouwd. Ze verwarmen of koelen een specifiek oppervlak efficiënt.
• Pillowplate Tank Platen: Enkelzijdig geribbelde Pillow Platen die als buitenmantel rond cilindrische of rechthoekige tanks worden gemonteerd. De drukval aan de mantelzijde is laag dankzij de parallelle, vlakke kanalen, waardoor grote oppervlakken kunnen worden doorstroomd met pompen met een laag vermogen.
• Tankintegratie: De Pillow Plate wordt direct in de wand van het vat ingebouwd. Tank en warmtewisselaar vormen één geheel, waardoor de aanschaf- en installatiekosten van een afzonderlijke warmtewisselaar komen te vervallen.
• Wandkoeling in koelcellen en opslagfaciliteiten: Enkelzijdig geëmbosseerde platen met een groot oppervlak worden als wandpanelen geïnstalleerd in koelhuizen en koelcellen. Ze koelen de ruimte rechtstreeks via het wandoppervlak, zonder luchtkoelers en de daarmee gepaard gaande luchtbeweging.

Pillow Plate met dubbele reliëf

Bij de dubbelgepreegde uitvoering zijn beide platen symmetrisch ten opzichte van elkaar gepreegd. Dit zorgt voor een aanzienlijk grotere kanaaldoorsnede, meer turbulentie in het warmteoverdrachtsmedium en daardoor hogere warmteoverdrachtscoëfficiënten.

Typische toepassingen:

• Constructie-element: Platen met dubbele reliëf, zowel kleine als grote, worden als constructie-elementen in verwarmings- of koelconstructies ingebouwd. Ze verwarmen of koelen een specifiek oppervlak efficiënt.
• Zelfstandige warmtewisselaars: Platen met dubbele reliëfpatroon worden als hangende warmtewisselaars in tanks of vaten geïnstalleerd, hetzij gestapeld op een bepaalde afstand van elkaar, hetzij als afzonderlijke panelen.
• Koeling bij hoge warmtefluxdichtheden: Overal waar een grote hoeveelheid warmte uit een klein oppervlak moet worden afgevoerd, levert de dubbelgepreegde versie hogere k-waarden dankzij de grotere turbulentie.
• Gas-vloeistoftoepassingen: De grotere kanaaldoorsnede is noodzakelijk wanneer er gedeeltelijke verdamping plaatsvindt aan de zijde van het warmteoverdrachtsmedium (bijvoorbeeld bij direct gebruik van NH₃ als koelmiddel).

De warmteoverdrachtscoëfficiënt van een warmtewisselaar hangt in belangrijke mate af van de stroomsnelheid en de turbulentie van het medium aan het overdrachtsoppervlak. In gladde buizen of vlakke kanalen vormt zich nabij de wand een laminaire grenslaag die de warmteoverdracht belemmert.

Het geribbelde, driedimensionale oppervlak van een Pillow Plate verstoort deze grenslaag voortdurend. Het medium wordt herhaaldelijk omgeleid, waardoor er zelfs bij lage stroomsnelheden en bij zeer viskeuze media wervelingen ontstaan. Daarom realiseren Pillow Platen turbulente warmteoverdracht, zelfs bij lage Reynoldsgetallen – in stromingsregimes waarin conventionele warmtewisselaars laminair blijven.

Concreet gezegd: de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt (k-waarde) van een dubbel-geribbelde Pillow Plate bij vloeistof-vloeistof-toepassingen is doorgaans hoger dan die van vergelijkbare spiraalsystemen van gelijke afmetingen. Bij een gelijkwaardige k-waarde is het benodigde overdrachtsoppervlak kleiner, wat resulteert in een compactere eenheid.

HTT AG berekent k-waarden, drukval en warmteoverdrachtsoppervlakken op basis van de daadwerkelijke procesparameters: massastromen, in- en uitlaattemperaturen aan beide zijden, en de viscositeiten, warmtegeleidingscoëfficiënten en dichtheden van de betrokken media. Het resultaat is een ontwerp dat is afgestemd op het proces, en geen standaardontwerp met de ene veiligheidsmarge na de andere.

Het standaardmateriaal voor Pillow Platen in de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie is roestvrij staal 1.4301 (AISI 304) of 1.4404 (AISI 316L). Het laatste biedt een verbeterde corrosiebestendigheid tegen chloriden dankzij het molybdeengehalte, wat relevant is wanneer zeewater als koelmedium wordt gebruikt of wanneer er chloridehoudende reinigingsmiddelen aan te pas komen.

Voor agressievere media of hogere zuiverheidseisen (zoals bij de farmaceutische productie) worden speciale legeringen gebruikt. Koolstofstaal wordt gebruikt wanneer er geen voedselveiligheidseisen gelden en wanneer een hogere sterkte of lagere materiaalkosten de doorslaggevende factor zijn.

Wat de drukclassificatie betreft: in het ontwerp van HTT AG zijn Pillow Platen bestand tegen drukken tot 50 bar aan de kant van het warmteoverdrachtsmedium, en nog hoger in speciale uitvoeringen. Aan de proceszijde (de buitenkant van de mantel) is de drukbelasting doorgaans veel lager. Daardoor zijn Pillow Platen geschikt voor toepassingen waarvoor anders een op maat gemaakte, drukbestendige constructie in een conventionele warmtewisselaar nodig zou zijn.

De volledig gelaste roestvrijstalen constructie bevat geen pakkingen aan de productzijde. Dat is een aanzienlijk voordeel op het gebied van hygiëne: pakkingen vormen een potentiële bron van verontreiniging en moeten regelmatig worden vervangen. Bij Pillow Platen verdwijnt die onderhoudslast volledig.

De voedingsmiddelenindustrie is tegenwoordig het grootste toepassingsgebied voor Pillow Platen. De redenen hiervoor liggen in de combinatie van hygiënisch ontwerp, reinigbaarheid, geometrische flexibiliteit en het vermogen om temperaturen betrouwbaar rond 0 °C te handhaven.

Melkkoeling en zuivelverwerking

In melktanks worden dubbelgepreegde Pillow Platen direct rondom het vat geïnstalleerd als Pillowplate Tank Platen. Glycol of een direct koelmiddel stroomt door de mantel en houdt de melk op koeltemperatuur. Door de lage drukval in de mantel zijn mantels met een groot oppervlak mogelijk, waarbij kleine circulatiepompen volstaan. Bij directe expansie kan ammoniak als koelmiddel worden gebruikt, aangezien de volledig gelaste constructie lekkages aan de productzijde uitsluit.

Deegkoeling bij de productie van bakkerijproducten

Het kneden van deeg genereert wrijvingswarmte die de deegtemperatuur doet stijgen en ongecontroleerde gistfermentatie kan veroorzaken. Pillow Plate-warmtewisselaars koelen proceswater tot temperaturen rond 0 °C, dat vervolgens als koelmedium aan de menger wordt toegevoerd. Enkelvoudig geprofileerde Pillow Platen die aan de vorm van het vat zijn aangepast, kunnen ook direct in de mengkom zelf worden ingebouwd.

Verwerking van vis en zeevruchten

Visverwerkingsbedrijven koelen productwater, bulkmateriaal en vaten tot temperaturen tussen 0 en 2 °C. Pillow Platen, die worden gebruikt als constructie-elementen of tankmantels in procestunnels of vaten, houden deze temperaturen nauwkeurig op peil en zijn tegelijkertijd gemakkelijk te reinigen. Het open, gladde roestvrijstalen oppervlak voldoet aan de eisen voor hygiënisch ontwerp die gelden voor oppervlakken die in contact komen met levensmiddelen in de visindustrie.

Drankenindustrie en brouwerijen

Gistings- en opslagtanks in brouwerijen worden gekoeld en op temperatuur gehouden door middel van Pillow Plate-mantels. Nauwkeurige temperatuurregeling is cruciaal voor de kwaliteit van het gistingsproces. Aangezien brouwerijen vaak met enkele honderden tanks werken, heeft het lage drukverlies van de Pillow Plate-mantel een direct effect op de pompkosten van de totale bedrijfsvoering.

Chemische en farmaceutische industrie

In de chemische industrie voeren Pillow Platen reactiewarmte af bij exotherme processen, condenseren ze destillaten of brengen ze producten na de synthese op een bepaalde temperatuur. Ze blijven betrouwbaar functioneren, zelfs bij verontreinigde media, dampen of stromen met deeltjes, zonder risico op verstopping. Bij de farmaceutische productie zijn de reinigingseisen bijzonder streng: de volledig gelaste, pakkingloze constructie van hoogwaardig roestvrij staal is ontworpen voor CIP (Cleaning in Place) en SIP (Sterilization in Place).

Een toepassing die in de praktijk nog steeds wordt onderschat: het gebruik van Pillow Platen om warmte terug te winnen uit verontreinigde stromen. Afvalwater, procesafvalwarmte en condensaatstromen bevatten terugwinbare energie die met conventionele warmtewisselaars niet efficiënt kan worden opgevangen vanwege het risico op verstopping.

Pillow Platen met aan de buitenzijde onbelemmerde doorsneden kunnen deze stromen verwerken, waarbij de warmte wordt overgedragen aan verwarmingsmedia en daarbij primaire energie wordt bespaard. In de pulp- en papierindustrie, de verwerking van biomassa en grote industriële wasserijen worden al systemen van HTT AG gebruikt die warmte terugwinnen uit afvalwater van meer dan 30 °C en daardoor aantoonbaar de verwarmingskosten verlagen.

In veel productieprocessen fluctueert de warmtebelasting aanzienlijk in de loop van de werkdag. Batchprocessen in de chemische industrie, variërende vulvolumes in de voedselproductie of seizoenspieken in de drankenindustrie zorgen allemaal voor situaties waarin een warmtewisselaar gedurende enkele uren achter elkaar aanzienlijk meer moet leveren dan zijn nominale ontwerppunt.

Pillow Plate-systemen kunnen zo worden ontworpen dat ze deze schommelingen opvangen. Dubbelgepreegde Pillow Platen, gebruikt als hangende elementen of in tanks, kunnen de eigen temperatuurmassa van het vat als thermische opslag gebruiken: de productmassa in het productieproces of de tank wordt op een streeftemperatuur gehouden, en de Pillow Platen leveren tijdens pieken in de vraag meer capaciteit dan waar het ontwerp bij continu bedrijf rekening mee houdt.

Deze eigenschap maakt Pillow Platen bijzonder aantrekkelijk in combinatie met ijsopslagtanks of koelmachines die eveneens zijn ontworpen voor gebufferde werking. De ijsopslagtank levert op verzoek water van 0,5 °C tot 1 °C; de Pillow Platen geven deze koeling nauwkeurig door aan het procesmedium, en de koelmachine draait op een constante, efficiënte deellast in plaats van op een fluctuerende vollast. Dat verlaagt het energieverbruik, ontziet het koelsysteem en verbetert de regelbaarheid van het gehele systeem.

Bij het ontwerpen van dit soort gecombineerde bedrijf houdt HTT AG rekening met zowel het momentane vermogen van de Pillow Platen als de opslagcapaciteit van de tank. Deel uw belastingsprofielen en productiegegevens met ons, dan leveren wij een ontwerp waarin beide componenten op elkaar zijn afgestemd om samen te werken.

Een Pillow Plate wordt niet uit een catalogus gekozen, maar berekend. De invoergegevens die nodig zijn voor een betrouwbaar ontwerp zijn:

Proceszijde:

• Medium (vloeistof, gas, damp, suspensie)
• Volumestroom of massastroom
• Inlaattemperatuur en gewenste uitlaattemperatuur
• Viscositeit, thermische geleidbaarheid, dichtheid, specifieke warmtecapaciteit
• Toegestane drukval

Zijde van het warmteoverdrachtsmedium:

• Medium (glycol, water, NH₃, CO₂, stoom)
• Beschikbaar debiet
• Inlaattemperatuur
• Toegestane werkdruk

Constructiebeperkingen:

• Geometrie van het vat (diameter, hoogte, vorm)
• Beschikbaar montageoppervlak
• Installatieomstandigheden (tankmantel, inbouwwarmtewisselaar, vrijstaand)
• Materiaaleisen (roestvrijstaalsoort, wanddikte)

Op basis van deze parameters berekent HTT AG de k-waarde, het benodigde warmteoverdrachtsoppervlak en de drukval aan beide zijden, en bepaalt het de kanaalgeometrie van de Pillow Plate. Het resultaat is een tekening en een gegevensblad waarin alle ontwerpparameters zijn vastgelegd, die vervolgens als basis dienen voor de bestelling.

Wij vertellen u of een Pillow Plate de juiste keuze is voor uw proces, en zo ja, met welke geometrie en welk materiaal. Vertel ons over uw procesparameters.

De keuze tussen een Pillow Plate en conventionele warmtewisselaartechnologieën komt neer op drie kernvragen:

1. Hoe veeleisend is het medium?

Plaatwarmtewisselaars en buizenbundels raken verstopt bij media die veel deeltjes bevatten of zeer viskeus zijn. Bij Pillow Platen is dat niet het geval. Als het medium aan de proceszijde vaste stoffen bevat, een hoge viscositeit heeft of de neiging heeft om te vervuilen, is de Pillow Plate de betrouwbaardere keuze.

2. Welke reinigingsvereisten gelden er?

In de voedingsmiddelen- en farmaceutische industrie moet elk warmteoverdrachtsoppervlak CIP-geschikt zijn. Buisbundels hebben smalle buizen die moeilijk te reinigen zijn. Pillow Platen hebben gladde, toegankelijke buitenoppervlakken en een pakkingloze constructie aan de proceszijde.

3. Moet de warmtewisselaar in een bestaand vatontwerp worden geïntegreerd?

Pillow Platen kunnen worden geïmplementeerd als tankmantel, ingebouwd plafondpaneel, vervanging van een spiraal of als zelfstandige eenheid. Buisbundels zijn zelfstandige eenheden die vloeroppervlak en leidingaansluitingen vereisen. Overal waar de tank en de warmtewisselaar één geheel moeten vormen, is de Pillow Plate het enige flexibele alternatief.