Plattenwärmetauscher finden in vielen industriellen Anwendungen Verwendung und nutzen hauptsächlich Metallplatten zur Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden.
Ihr Einsatz nimmt rasant zu, weil sie herkömmliche Wärmetauscher (in der Regel ein spiralförmiges Rohr, das eine Flüssigkeit enthält und durch eine Kammer mit einer anderen Flüssigkeit fließt) übertreffen, da die zu kühlende Flüssigkeit eine größere Kontaktfläche aufweist, was den Wärmeaustausch optimiert und die Temperaturänderungsrate erheblich erhöht.
Anstelle von durch die Kammern verlaufenden Heizschlangen verfügt ein Plattenwärmetauscher über zwei abwechselnd angeordnete, in der Regel dünne Kammern, die an ihren größten Flächen durch gewellte Metallplatten voneinander getrennt sind. Die geringe Dicke der Kammer gewährleistet, dass der größte Teil des Flüssigkeitsvolumens mit der Platte in Kontakt kommt, was den Wärmeaustausch begünstigt.
Solche Wärmetauscherplatten wurden traditionell durch Stanzen oder konventionelle Bearbeitungsverfahren wie Tiefziehen hergestellt. In letzter Zeit hat sich jedoch das photochemische Ätzen (PCE) als effizienteste und kostengünstigste Fertigungstechnik für diese anspruchsvolle Anwendung erwiesen. Die elektrochemische Bearbeitung (ECM) ist eine weitere alternative Technologie, mit der sich sehr präzise Teile in Serien fertigen lassen. Dieses Verfahren erfordert jedoch hohe Vorabinvestitionen, ist auf leitfähige Materialien beschränkt, verbraucht viel Energie, die Konstruktion und Herstellung von Werkzeugen ist schwierig, und die Korrosion von Werkzeugmaschinen und Vorrichtungen stellt seit jeher ein Problem dar.
Oft weisen beide Seiten eines Plattenwärmetauschers äußerst komplexe Strukturen auf, die mitunter die Möglichkeiten des Stanzens und Bearbeitens übersteigen, sich aber mit PCE problemlos realisieren lassen. Darüber hinaus kann PCE Strukturen auf beiden Seiten der Platte gleichzeitig erzeugen, was eine erhebliche Zeitersparnis bedeutet, und das Verfahren kann auf eine Reihe verschiedener Metalle angewendet werden, darunter Edelstahl, Inconel 617, Aluminium und Titan.
Aufgrund bestimmter verfahrensbedingter Eigenschaften bietet das PCE-Verfahren eine attraktive Alternative zum Stanzen und Bearbeiten von Blechen. Durch die präzise chemische Bearbeitung ausgewählter Bereiche mit Fotolack und Ätzmittel bleiben die Materialeigenschaften erhalten. Das Verfahren ermöglicht grat- und spannungsfreie Bauteile mit sauberen Konturen und ohne Wärmeeinflusszonen. Darüber hinaus schafft das flüssige Ätzmedium eine optimale Struktur für das im Blech verwendete Kühlmedium. Diese Strukturen weisen keine korrosionsanfälligen Ecken und Kanten auf.
Da PCE mit einfach wiederholbaren und kostengünstigen digitalen oder Glaswerkzeugen arbeitet, bietet es eine wirtschaftliche, hochpräzise und schnelle Fertigungsalternative zu traditionellen Bearbeitungstechniken und Stanzverfahren. Dies bedeutet erhebliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung von Prototypenwerkzeugen, und im Gegensatz zu Stanz- und Bearbeitungstechniken fallen kein Werkzeugverschleiß und keine Kosten für das Nachschneiden von Stahl an.
Die spanende Bearbeitung und das Stanzen können an der Schnittlinie zu suboptimalen Ergebnissen bei Metall führen, da das bearbeitete Material oft verformt wird und Grate, Wärmeeinflusszonen und Umwandlungsschichten entstehen. Darüber hinaus streben diese Verfahren danach, die für kleinere, komplexere und präzisere Metallteile wie Wärmetauscherplatten erforderliche Detailauflösung zu erreichen.
Ein weiterer Faktor bei der Prozessauswahl ist die Dicke des zu bearbeitenden Materials. Herkömmliche Verfahren stoßen bei der Bearbeitung dünner Metalle oft an ihre Grenzen. Stanzen und Prägen sind in vielen Fällen ungeeignet, während Laser- und Wasserstrahlschneiden zu unverhältnismäßiger und inakzeptabler thermischer Verformung bzw. Materialfragmentierung führen. PCE kann zwar für verschiedene Metalldicken eingesetzt werden, ein entscheidender Vorteil ist jedoch, dass es auch dünnere Bleche, wie sie beispielsweise in Plattenwärmetauschern verwendet werden, bearbeiten kann, ohne die Planheit zu beeinträchtigen. Diese ist für die Integrität der Baugruppe von entscheidender Bedeutung.
Ein wichtiger Anwendungsbereich für Platten sind Brennstoffzellen aus Edelstahl, Aluminium, Nickel, Titan, Kupfer und einer Reihe von Speziallegierungen.
Metallplatten in Brennstoffzellen weisen gegenüber anderen Materialien zahlreiche Vorteile auf. Sie sind äußerst robust, bieten eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit für eine bessere Kühlung, lassen sich durch Ätzen extrem dünn herstellen, was kürzere Schichtstapel ermöglicht, und weisen innerhalb des Kanals keine gerichtete Oberflächenbeschaffenheit auf. Platten und Kanäle können gleichzeitig geformt werden, und wie bereits erwähnt, entstehen keine thermischen Spannungen im Metall, wodurch absolute Planheit gewährleistet wird.
Das PCE-Verfahren gewährleistet wiederholbare Toleranzen bei allen Abmessungen der Tastatur, einschließlich der Luftkanaltiefe und der Geometrie des Verteilers, und ermöglicht die Herstellung von Teilen mit engen Druckverlustvorgaben.
Weitere Branchen, die chemisch geätzte Bleche verwenden, sind Linearmotoren, Luft- und Raumfahrt, Petrochemie und Chemie. Nach der Fertigung werden die Platten gestapelt und diffusionsgeschweißt oder hartgelötet, um den Kern des Wärmetauschers zu bilden. Fertige Wärmetauscher können bis zu sechsmal kleiner sein als herkömmliche Rohrbündelwärmetauscher und bieten dadurch erhebliche Platz- und Gewichtsvorteile.
Wärmetauscher aus PCE sind äußerst robust und effizient und halten einem Druck von 600 bar stand. Sie eignen sich für einen Temperaturbereich von Tieftemperaturen bis 900 °C. Es ist möglich, mehr als zwei Prozessströme in einem Gerät zu kombinieren, wodurch die Anforderungen an Rohrleitungen und Ventile deutlich reduziert werden. Auch Reaktion und Mischung lassen sich in die Konstruktion des Plattenwärmetauschers integrieren, wodurch die Funktionalität in einem einzigen Gerät kostengünstig erweitert wird.
Die heutigen Anforderungen an eine effiziente und platzsparende Wärmeableitung stellen viele Entwicklungsingenieure vor enorme Herausforderungen. Die Miniaturisierung vieler Komponenten in der Elektrotechnik und Mikrosystemtechnik erzeugt sogenannte thermische Hotspots, die eine optimale Wärmeableitung erfordern, um eine lange Lebensdauer zu gewährleisten.
Mithilfe von 2D- und 3D-PCE lassen sich Mikrokanäle mit definierten Breiten und Tiefen in Wärmetauschern herstellen, um Wärmeableitungsmedien auf kleinstem Raum auszuwählen. Den möglichen Kanaldesigns sind nahezu keine Grenzen gesetzt.
Da das Ätzverfahren innovative Designs und geometrische Freiheiten ermöglicht, kann durch die Verwendung gewellter Kanalränder und -tiefen turbulente statt laminare Strömung erzeugt werden. Turbulente Strömung im Kühlmedium führt zu einer ständigen Veränderung des Kühlmittels im Kontakt mit der Wärmequelle, was den Wärmeaustausch effizienter macht. Solche Wellen und Unregelmäßigkeiten in Mikrokanälen von Wärmetauschern lassen sich mit PCE problemlos herstellen, sind aber mit alternativen Fertigungsverfahren entweder nicht möglich oder zu kostspielig.
Der PCE-Spezialist micrometal GmbH verwendet preisgünstige optoelektronische Werkzeuge zur Herstellung hochwertiger Werkstücke mit hoher Wiederholgenauigkeit.
Einzelne Mikrokanalplatten können (z. B. durch Diffusionsschweißen) an verschiedene 3D-Geometrien angebracht werden. micrometal nutzt ein erfahrenes Partnernetzwerk, das Kunden die Möglichkeit bietet, einzelne Mikrokanalplatten oder integrierte Mikrokanal-Wärmetauscherblöcke zu erwerben.
Ein Stoff mit metallischen Eigenschaften, der aus zwei oder mehr chemischen Elementen besteht, von denen mindestens eines ein Metall ist.
Die Temperaturerhöhung der Kühlflüssigkeit an der Werkzeug-Werkstück-Kontaktfläche während der Bearbeitung wird reduziert. Üblicherweise liegt die Kühlflüssigkeit in flüssiger Form vor, beispielsweise als lösliche oder chemische Mischung (halbsynthetisch, synthetisch), kann aber auch Druckluft oder andere Gase sein. Aufgrund seiner Fähigkeit, große Wärmemengen aufzunehmen, wird Wasser häufig als Kühlmittel und Träger für verschiedene Schneidstoffe verwendet. Das Verhältnis von Wasser zu Schneidstoff variiert je nach Bearbeitungsaufgabe. Siehe auch: Schneidflüssigkeit; halbsynthetische Schneidflüssigkeit; öllösliche Schneidflüssigkeit; synthetische Schneidflüssigkeit.
1. Die Verteilung einer Komponente in einem Gas, einer Flüssigkeit oder einem Feststoff, die dazu tendiert, die Zusammensetzung in allen Teilen gleichmäßig zu gestalten. 2. Ein Atom oder Molekül bewegt sich spontan an einen neuen Ort innerhalb des Materials.
Bei diesem Verfahren fließt elektrischer Strom durch einen Elektrolyten zwischen einem Werkstück und einem leitfähigen Werkzeug. Dadurch wird eine chemische Reaktion ausgelöst, die Metall aus dem Werkstück kontrolliert abträgt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zerspanungsverfahren spielt die Werkstückhärte keine Rolle, wodurch sich die elektrochemische Bearbeitung (ECM) auch für schwer zerspanbare Werkstoffe eignet. Anwendungsgebiete sind beispielsweise elektrochemisches Schleifen, Honen und Drehen.
Funktionell entspricht ein Linearmotor einem Rotationsmotor in einer Werkzeugmaschine. Man kann ihn sich als Standard-Permanentmagnet-Rotationsmotor vorstellen, der axial in der Mitte durchtrennt, anschließend abisoliert und flachgelegt wird. Der Hauptvorteil von Linearmotoren für die Achsenbewegung liegt darin, dass sie die Ineffizienzen und mechanischen Unterschiede beseitigen, die durch die in den meisten CNC-Werkzeugmaschinen verwendeten Kugelgewindetriebe entstehen.
Weiter auseinanderliegende Komponenten in der Oberflächenstruktur. Alle Unregelmäßigkeiten, deren Abstand größer als die Abschneidegrenze des Instruments ist, sind zu berücksichtigen. Siehe Fließen; Lie; Rauheit.
Dr. Michael J. Hicks ist Direktor des Zentrums für Wirtschafts- und Unternehmensforschung und Inhaber des George-und-Francis-Ball-Lehrstuhls für Wirtschaftswissenschaften an der Miller School of Business der Ball State University. Hicks promovierte und erwarb seinen Master-Abschluss in Wirtschaftswissenschaften an der University of Tennessee sowie einen Bachelor-Abschluss in Wirtschaftswissenschaften am Virginia Military Institute. Er ist Autor zweier Bücher und über 60 wissenschaftlicher Publikationen mit Schwerpunkt auf staatlicher und lokaler Politik, darunter Steuer- und Ausgabenpolitik sowie die Auswirkungen von Walmart auf die lokale Wirtschaft.