Typen warmtewisselaars: shell and tube, platen, lamellen en box cooler

Welke typen warmtewisselaars zijn er?

Warmtewisselaars worden ingedeeld naar de vorm van het warmtewisselend oppervlak: buizen, platen of gevinde buizen. Daarbovenop komt de taak van het toestel, zoals koelen, verwarmen of condenseren. In de praktijk kom je vijf typen steeds tegen:

• Shell and tube: een pijpenbundel in een mantel, de werkpaard van de procesindustrie en de scheepvaart.
• Platenwarmtewisselaar: een pakket geprofileerde platen met pakkingen of gesoldeerd, compact en efficiënt bij schone media.
• Lamellenkoeler of luchtkoeler (finned coil): buizen met aluminium of koperen lamellen, gekoeld door lucht.
• Box cooler (beunkoeler): een pijpenbundel in een kast in de scheepshuid, gekoeld door buitenwater.
• Condensor: meestal een shell and tube wisselaar die damp laat condenseren met koelwater.

Hoe de warmteoverdracht zelf werkt lees je in wat is een warmtewisselaar. Hieronder gaat het om de verschillen tussen de typen en om de vraag welke het beste past bij een medium, een omgeving en een onderhoudsregime.

Shell and tube warmtewisselaar

Een shell and tube warmtewisselaar bestaat uit een bundel buizen die in een cilindrische mantel hangt. Het ene medium stroomt door de buizen, het andere door de mantel, geleid door keerschotten (baffles). Het type is robuust, bestand tegen hoge drukken en temperaturen, en met vrijwel elke combinatie van materialen te bouwen. Daarom is het de standaard industriële warmtewisselaar in de chemie, olie en gas, energie en aan boord van schepen.

Het nadeel is de omvang: per kubieke meter biedt een pijpenbundel minder oppervlak dan een platenpakket. Reinigen van de buiszijde gaat goed, vooral bij rechte buizen; de mantelzijde is lastiger bereikbaar. De opbouw, de kwetsbare plekken en de bescherming staan in het artikel over de shell and tube warmtewisselaar.

Platenwarmtewisselaar

Een platenwarmtewisselaar bestaat uit een stapel dunne, geprofileerde metalen platen. De media stromen om en om tussen de platen door, zodat elke plaat aan de ene kant warm en aan de andere kant koud is. Het profiel zorgt voor turbulentie, waardoor de warmteoverdracht per vierkante meter hoog is. Een platenwarmtewisselaar is daardoor compact en kan met een klein temperatuurverschil werken.

Bij de uitvoering met pakkingen kun je het pakket openen om de platen te reinigen of uit te breiden. Gesoldeerde en gelaste uitvoeringen zijn compacter en geschikt voor hogere drukken, maar niet te openen. De smalle kanalen zijn gevoelig voor verstopping door slib, vezels en aangroei, en de pakkingen beperken de temperatuur en de keuze van media. Bij zeewater worden platen meestal in titanium uitgevoerd, wat de prijs flink verhoogt.

Lamellenkoeler en luchtkoeler (finned coil)

Een lamellenkoeler koelt een vloeistof of gas met lucht. Omdat lucht slecht warmte opneemt, wordt het oppervlak aan de luchtzijde vergroot met dunne lamellen (vinnen) op de buizen. Een ventilator of de rijwind blaast de lucht door het blok. Je vindt ze als charge air cooler op motoren, als proceskoeler, als condensor in de koeltechniek en overal waar geen koelwater beschikbaar is.

De zwakke plek is de luchtzijde. De lamellen zijn dun, zitten dicht op elkaar en zijn vaak van aluminium op koperen buizen. Zoute lucht, chemische dampen en condens tasten ze aan, en reinigen tussen de lamellen is moeilijk zonder ze te beschadigen. Meer daarover in het artikel over de luchtkoeler en lamellenkoeler.

Box cooler (beunkoeler)

Een box cooler is een pijpenbundel, meestal van U-buizen, die in een kast (beun) in de scheepshuid hangt. Het buitenwater stroomt vrij door de kast langs de bundel; het koelwater van de motor stroomt door de buizen. Er is geen zeewaterpomp, geen zeewaterfilter en geen zeewaterleiding in het schip nodig. Dat maakt het systeem eenvoudig en betrouwbaar, zolang de bundel schoon en intact blijft.

Juist dat is de uitdaging: de bundel hangt permanent in zeewater, brak water of rivierwater, de ideale omgeving voor galvanische corrosie en biologische aangroei. Een box cooler moet daarom rondom beschermd zijn, inclusief de pijpenplaat en de waterkast. Het artikel over de box cooler gaat daar dieper op in.

Vergelijking: oppervlak, reinigbaarheid, drukverlies en coatbaarheid

De tabel zet de typen naast elkaar op de punten die bij de keuze en het onderhoud het meest wegen. De waarden zijn kwalitatief; de werkelijke cijfers hangen af van ontwerp, materiaal en media.

Opvallend in de tabel: hoe compacter het type, hoe moeilijker het schoon te houden en te beschermen is. Een platenwarmtewisselaar wint op oppervlak, maar verliest op coatbaarheid en gevoeligheid voor verstopping. Een shell and tube wisselaar is groter, maar laat zich inspecteren, re-tuben en van binnen en van buiten coaten.

Welk type past bij jouw installatie?

De keuze begint bij de media en de omgeving. Schone vloeistoffen met weinig ruimte: een platenwarmtewisselaar. Hoge druk, hoge temperatuur, vervuilende of agressieve media: shell and tube. Geen koelwater beschikbaar of koeling van lucht en gas: een lamellenkoeler. Koeling aan boord zonder zeewaterleidingen: een box cooler. In veel installaties zitten meerdere typen naast elkaar, elk met een eigen onderhoudsregime.

Voor de bescherming geldt bij elk type hetzelfde principe: het metaal moet gescheiden blijven van het medium dat het aantast, zonder dat de warmteoverdracht wegvalt. Een dunne, warmtegeleidende phenol-epoxy inbrandcoating doet dat voor buizen, pijpenplaten, waterkasten, mantels en lamellen. Novocoatings coat shell and tube warmtewisselaars en condensors aan de binnen- en buitenzijde, lamellenkoelers en charge air coolers via de overvloeimethode, platenkoelers en box coolers, en doet dat al 25 jaar. Welke bescherming bij jouw type past, zie je op de pagina toepassingen; alle artikelen over dit onderwerp staan op de themapagina warmtewisselaars.