DE4019991A1 - Kolonnenkoerper zur aufnahme von plattenwaermetauschern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolonnenkörper zur Aufnah­ me von Wärmetauschern, mit Flansch- und Tragelementen zwecks lösbarer Verbindung mehrerer Kolonnenkörper zu einer Kolonne und dieser mit einem Stützgerüst.

Bekannte zu einer Kolonne zusammengefaßte Kolonnenkör­ per in Form zylindermantelförmig ausgebildeter Behäl­ ter, insbesondere für das Entsalzen von Meerwasser nach dem sogenannten Multi-Effekt-Verdampfungsverfahren um­ schließen druckdicht Vertikale, zwischen stirnseitigen Flanschen angeordnete Rohrbündel und sind mit den er­ forderlichen Zu- und Ableitungen für das Prozeßmedium verbunden; vgl. DE-PS 23 34 481.

Da mit solchen Rohrwärmetauschern aus statischen Grün­ den lediglich maximal fünfzehn Druckstufen praktisch realisierbar sind, werden in zunehmendem Maße an Stelle der Rohrwärmetauscher Plattenwärmetauscher angewendet, mit denen bis 50 Druckstufen und mehr praktisch reali­ sierbar sind. Die Ausbeute beim Entsalzen von Meerwas­ ser nach dem Multi-Effekt-Verdampfungsverfahren ist aufgrund der physikalischen Gegebenheiten bekanntlich abhängig von der Anzahl der vorhandenen Verdampfungs­ stufen innerhalb einer zur Verfügung stehenden Tempe­ raturdifferenz.

Es ist bekannt, solche Plattenwärmetauscher in einem einstückigen rechteckförmigen Druckgehäuse, das inner­ halb eines Stützgerüstes angeordnet ist, in Form von sogenannten Einschubpaketen anzuordnen, um deren Aus­ tausch z. B. für Wartungszwecke zu ermöglichen; vgl. DE 32 39 816-A1.

Solche Plattenwärmetauscher bestehen aus einzelnen ge­ prägten Wärmetauscherplatten, die in Längs- und Quer­ richtung rasterförmig ausgerichtete und gleichmäßig an­ geordnete Sicken aufweisen und die jeweils paarweise spiegelbildlich aufeinanderliegend derart zusammenge­ faßt sind, daß die in der einen Richtung orientierten Sicken rohrähnliche Kanäle und die in der anderen Rich­ tung orientierten Sicken spaltähnliche Kanäle begren­ zen, durch die, je nach Anwendung der Wärmetauscher- Platten als Vorwärmer oder als Fallfilmverdampfer, ent­ weder Dampf bzw. Meerwasser oder Meerwasser bzw. Dampf fließen. Diese untereinander gleichartigen Wärmetau­ scherplatten sind zu Paketen zusammengefaßt und bilden eine Art Füllkörper innerhalb der Kolonne und werden im Hinblick auf die große Stufenzahl in großer Stückzahl benötigt. Da die einzelnen Wärmetauscherplatten relativ dünn, also statisch unstabil sind, müssen diese durch besondere Maßnahmen in ihrer gegenseitigen Anordnung und in ihrer Anordnung innerhalb des Kolonnenkörpers fixiert werden. Bei der bekannten Ausbildung der Wärme­ tauscherplatten in Form von Einschubpaketen werden aber zwischen den einzelnen Druckstufen lösbare Dichtungen benötigt, wodurch der weitere Vorteil solcher Platten­ wärmetauscher verloren geht, daß an Stelle von abzu­ dichtenden Klemmverbindungen lediglich Schweißverbin­ dungen für den Zusammenhalt der einzelnen Plattenele­ mente verwendet sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen neuen Kolonnenkörper als auswechselbares Bauteil einer Kolonne für die Durchführung von Wärmeprozessen zwecks Aufnahme von Plattenwärmetauschern als sogenannte Schweißkonstruktion zu schaffen, der zu beliebig großen Kolonnen aneinanderfügbar ist und getrennte Zuführungs­ räume für die spalt- und rohrseitigen Stömungskanäle der Plattenwärmetauscher aufweist, welche ohne zusätz­ liche Dichtungen sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Kolonnenkörper zwecks Aufnahme eines Plattenwär­ metauschers aus mindestens zwei vorzugsweise vier Zy­ linderschalensegmenten besteht, zwischen denen in axia­ ler Richtung sich erstreckende Stege eingeschlossen sind, die den Mantelraum des Kolonnenkörpers in bezug auf die Strömungskanäle des eingeschlossenen Platten­ wärmetauschers unterteilen und gleichzeitig als dessen Tragelemente dienen, und daß den kreisringförmigen Stirnseiten der zusammengefügten Zylinderschalenseg­ mente jeweils Flanschelemente zugeordnet sind, von de­ nen erste Flanschelemente der Verbindung der Kolonnen­ körper zu einer Kolonne und weitere Flanschelemente der radialen Begrenzung des durch die axialen Stege unter­ teilten Mantelraumes des Kolonnenkörpers dienen.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind von den weiteren Flanschelementen die an der Zulaufseite des Kolonnenkörpers liegenden Flanschelemente als recht­ eckförmiger Aufnahmebehälter ausgebildet, während die an der Ablaufseite angeordneten Flanschelemente zweiteilig ausgebildet sind und eine kreisringförmige Öffnung ein­ schließen, wobei die einen Aufnahmebehälter bildenden Flanschelemente zwischen Plattenwärmetauscher und er­ sten Flanschelementen und die zweiteilig ausgebildeten Flanschelemente zwischen Zylinderschalenelementen und Plattenwärmetauscher bzw. zwischen Plattenwärmetauscher und unteren ersten Flanschelementen angeordnet sind.

Vorteilhafterweise sind den das Prozeßmedium zuführen­ den Rohrstutzen des Kolonnenkörpers Prallplatten nach­ geordnet.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Kolonnenkör­ pers dient dieser als Druckbehälter für den von ihm um­ schlossenen Plattenwärmetauscher, wobei alle Zufüh­ rungsräume für das Prozeßmedium zu den spaltseitigen bzw. rohrseitigen Kanälen ausschließlich durch Schweiß­ verbindungen zusammengefügt sind, so daß zusätzliche Dichtungen vollständig entfallen. Die Prozeß-Temperatu­ ren und -drücke können daher wesentlich erhöht werden. Auch ist ein Austausch solcher erfindungsgemäßer Kolon­ nenkörper, z. B. für Wartungszwecke auf einfachste Weise möglich, ohne daß hierbei innerhalb des Kolonnenkörpers neue Dichtungen einzufügen sind. Dichtkörper befinden sich lediglich zwischen den einzelnen Kolonnenkörpern und ihren zugeordneten Kompensatoren zwecks Aufnahme unvermeidlicher Wärmedehnungen innerhalb der Kolonne.

Die erfindungsgemäße Ausbildung und Unterteilung der der Ablaufseite des Kolonnenkörpers zugeordneten wei­ teren Flanschelemente in kreisringförmige Segmente und in trapezförmige Segmente, von denen die kreisringför­ migen Segmente zwischen der Innenwandung des Kolonnen­ körpers und dem Wärmetauscher und die trapezförmigen Segmente zwischen Wärmetauscher und den ersten Flansch­ elementen verbunden sind, ist überaus vorteilhaft, da auf diese verblüffend einfache Weise an der Ausgangs­ seite des vom Kolonnenkörper umschlossenen Plattenwär­ metauschers ein in bezug auf das Volumen seiner spalt­ seitigen Kanäle überaus großes Volumen für das den Plattenwärmetauscher verlassende Dampf-Sole-Gemisch in Form eines Aerosols geschaffen wird, so daß durch die hierdurch bewirkte starke Änderung der Strömungsge­ schwindigkeit des Dampf-Sole-Gemisches die dort befind­ lichen Tröpfchen ausfallen und im Prozeß verbleiben können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung der Kolonnenkörper ist darin zu sehen, daß alle wesent­ lichen Schweißnähte zur Herstellung eines solchen Ko­ lonnenkörpers von außen angebracht werden können. Das Überprüfen der erforderlichen Schweißverbindungen auf deren Festigkeit und Dichtigkeit ist daher von außen auf einfache Weise möglich.

Die Erfindung ist nachfolgend an Hand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung mehrerer zu einer Kolonne zusammengefügter Kolonnenkörper an einem Stützgerüst,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Kolonnenkörper der Kolonne gemäß der Linie II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Kolonnenkörper gemäß der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Kolonnenkörper gemäß der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 in vergrößerter Darstellung einen Teilschnitt an der Verbindungsstelle zweier Kolonnenkörper für eine Kolonne nach Fig. 1 und

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines von einem Kolonnenkörper umschlossenen Plattenwärmetauschers.

Mit einem in einem Fundament 10 gegründeten Stützge­ rüst 11 ist, wie Fig. 1 zeigt, eine Kolonne 12 verbun­ den, die aus einzelnen untereinander gleichen Kolonnen­ körpern K1 bis Kn zusammengefügt ist, zwischen denen sich jeweils ein Kompensator 15 zwecks Ausgleichs von Wärmedehnungen befindet. Über Rohrleitungsverbindun­ gen 16 bis 19 werden bei dem hier gewählten Ausfüh­ rungsbeispiel der Kolonnenkörper als Teile einer Meer­ wasserentsalzungsanlage den von den Kolonnenkörpern um­ schlossenen Wärmetauschern Meerwasser - Rohwasser - und Dampf zugeführt sowie Brüden und Destillat - Reinwas­ ser - abgeführt.

Da es hierauf für das Verständnis der Erfindung nicht ankommt, sind diese Teile nicht näher dargestellt und beschrieben.

Selbstverständlich können auch zwei oder mehrere Kolon­ nen einem Stützgerüst zugeordnet werden.

Ein von einem Kolonnenkörper umschlossener Plattenwär­ metauscher 25 ist in Fig. 6 dargestellt. Dieser be­ steht aus untereinander gleichen, geprägten Formble­ chen 30. Jedes Formblech weist Erhebungen und Vertie­ fungen darstellende Sicken 32 und 33 auf. Jeweils zwei solchermaßen geprägte Formbleche 30 sind spiegelbild­ lich aufeinanderliegend durch an ihren gegenüberliegen­ den ungeprägten Randbereichen vorhandene erste, als Rollschweißnähte außgebildete Schweißnähte zu Platten­ paaren vereinigt, deren Plattenelemente mit ihren ein­ ander zugewandten Flächen spaltförmige Öffnungen - Spalte 35 - bilden. Jedes Plattenpaar ist mit einem benachbarten Plattenpaar durch einander gegenüberlie­ gende, die einander benachbarten als Stirnstöße be­ zeichneten Ränder verbindende zweite Schweißnähte - als Stirnflachnaht bezeichnet - fest und druckdicht derart verbunden, daß die einander zugewandten Flächen der einzelnen Plattenpaare rohrförmige Öffnungen 34 bilden. Wie Fig. 6 zeigt, sind die einzelnen Plattenelemente und die daraus gebildeten Plattenpaare so angeordnet, daß die spalt- und rohrseitigen Öffnungen für die wär­ metauschenden Medien - hier Rohwasser und Dampf - im Winkel zueinander angeordnet sind. Die einzelnen zu ei­ nem Stapel zusammengefügten Plattenpaare sind durch so­ genannte Kammbleche (vgl. DE 39 24 581-A1) gehalten. Mit den außenliegenden Formblechen 30 des Stapels ist je eine Seitenplatte 36 verschweißt, an deren zwei ge­ genüberliegenden Endbereichen Stege 50 angeschweißt sind. Es sind also pro Plattenwärmetauscher 25 vier Stege 50 vorhanden, die sich jeweils über die gesamte Kantenlänge des Stapels erstrecken und im Zusammenwir­ ken mit dem noch zu beschreibenden Kolonnenkörper eine fluidmäßige dichtungsfreie Trennung zwischen Spalt- und Rohrseite des Stapels bewirken.

Da auch diese Platten-Elemente nicht Gegenstand der Er­ findung sind, ist auch hier auf eine nähere Beschrei­ bung und Darstellung des Plattenwärmetauschers verzich­ tet.

An Hand der Fig. 2 bis 4 sei nunmehr ein die Form eines Zylinderabschnittes aufweisender Kolonnenkörper zur dichtungsfreien Aufnahme eines Plattenwärmetau­ schers im einzelnen beschrieben.

Wie insbesondere der Fig. 2 zu entnehmen ist, erstrecken sich die axialen Stege 50 in bezug auf den Quer­ schnitt des Kolonnenkörpers in radialer Richtung, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus vier im wesent­ lichen untereinander gleichen Zylinderschalensegmen­ ten 51, 52, 53 und 54 gebildet ist, die zwischen den vom Wärmetauscher abgewandten Enden der Stege derart zwischen diesen eingeschlossen sind, daß die Zylinder­ schalensegmente sich zu einem Zylinderabschnitt ergän­ zen. Über von außen angebrachte Schweißnähte 56 sind die Zylinderschalensegmente mit den Stegen 50 und damit miteinander fest und druckdicht verbunden. Die Stege 50 dienen also gleichzeitig als Tragelemente für den vor­ stehend beschriebenen Plattenwärmetauscher 25.

An Stelle von vier Zylinderschalensegmenten können auch zwei solcher Zylinderschalensegmente bei entsprechender Ausbildung des Plattenwärmetauschers verwendet werden.

In den Bereichen der Zylinderschalensegmente, in denen die oben erwähnten Zu- und Ableitungen münden, sind An­ schlußstutzen 57 und 58 vorgesehen, wobei, wie insbe­ sondere Fig. 2 zeigt, der - hier ein Dampf-Sole-Ge­ misch führenden - Spaltseite des Plattenwärmetau­ schers 25 zwei einander gegenüberliegende Anschlußstut­ zen 58 zugeordnet sind. Ferner sind an den Außenmantel­ flächen der dem Stützgerüst 11 im Einbauzustand zuge­ wandten Zylinderschalensegmente Laschen 59 verschweißt, die der Verbindung der Kolonnenkörper mit dem Stützge­ rüst 11 dienen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind dies gemäß Fig. 2 die Zylinderschalensegmente 51 und 53.

Den kreisringförmigen Stirnseiten der in vorstehend be­ schriebener Weise zusammengefügten Zylinderschalenseg­ mente sind jeweils Flanschelemente zugeordnet (vgl. Fig. 3 und 4), von denen die den Stirnseiten unmittel­ bar benachbarten ersten Flanschelemente 60 der Verbin­ dung der Kolonnenkörper zu einer Kolonne dienen (vgl. Fig. 5), während weitere Flanschelemente 61 und 62 bzw. 62′ der radialen Begrenzung des durch die axialen Stege 50 unterteilten Mantelraumes des Kolonnenkörpers dienen. Die in bezug auf Fig. 3 oberen - Zulaufseite - Flanschelemente 61 bilden dabei einen rechteckigen Auf­ nahmebehälter 65 für ein Rohwasser verteilendes Ge­ strick 64, das oberhalb der spaltseitigen Kanäle 35 (Fig. 6) des Plattenwärmetauschers 25 angeordnet ist.

Die in bezug auf Fig. 3 unteren - Ablaufseite - Flanschelemente sind zweiteilig ausgebildet und beste­ hen aus einem kreisringförmigen Teil 62 und einem tra­ pezförmigen Teil 62′ (Fig. 2). Die kreisringförmigen Teile greifen jeweils an der Innenwandung des aus den Zylinderschalensegmenten gebildeten Kolonnenkörpers unmittelbar an, während die trapezförmigen Teile, wie Fig. 3 zeigt, zwischen Wärmetauscher und Flansch 60 liegend angeordnet sind; vgl. auch Fig. 2. Hierbei be­ grenzen die Stege 50 und die Flanschelemente 60 den Strömungskanal für die rohrseitigen Strömungskanäle 34 des Plattenwärmetauschers 25, während die dem Durch­ tritt des Rohwassers - Sole - dienenden spaltseitigen Kanäle 35 durch die Flanschelemente 61 sowie durch die Seitenplatten 36 des Plattenwärmetauschers 25 und die unteren Flanschelemente 62 und 62′ begrenzt sind, die eine kreisringförmige Öffnung 63 einschließen.

Wie aus den Fig. 2 bis 4 zu ersehen ist, wird durch die Flanschelemete 62 und 62′ in Verbindung mit den Stegen 50 und den Seitenplatten 36 an der Austritts­ seite des Plattenwärmetauschers 25 ein relativ großvo­ lumiger mit den Austrittsstutzen 58 kommunizierender Strömungsraum begrenzt, der sich zu beiden Seiten des Plattenwärmetauschers über dessen gesamte Kantenlänge erstreckt. Beim Austritt des Aerosols (Dampf-Sole-Ge­ misch) erfährt dieses infolge dieser Volumenver­ größerung eine Geschwindigkeitserniedrigung, so daß im Aerosol enthaltene Tröpfchen ausfallen und im Prozeß verbleiben können, da sie unmittelbar der nachfolgenden Temperatur- und Druckstufe zugeführt werden.

Um eine gute Verteilung des jeweils zuzuleitenden Dampfes auf die Eintrittsfläche des Plattenwärmetau­ schers 25 zu erreichen, ist dem Anschlußstutzen 57 ei­ nes jeden Kolonnenkörpers jeweils eine Prallplatte 6 nachgeschaltet.

Alle vorstehend genannten Flanschelemente sind eben­ falls fest und druckdicht miteinander und mit den Zy­ linderschalensegmenten verschweißt.

Wie insbesondere die Fig. 5 zeigt, ist der zwischen zwei einander zugewandten Stirnseiten der Kolonnen­ körper eingefügte Kompensator 15 mit seinen Bordrin­ gen 66 unter Zwischenfügen einer Dichtung 67 mittels je eines Losflansches 68 mit den Flanschelementen 60 der Kolonnenkörper durch Schrauben 69 lösbar verbunden. Der faltenbalgähnlich ausgebildete, mit Verstärkungsrin­ gen 70 versehene Kompensator ist aus druck- und warm­ festem Werkstoff (z. B. PTFE) gefertigt und umschließt die Ablauf- und Zulaufseite zweier benachbarter Ko­ lonnenkörper ebenfalls druckdicht.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung in Verbin­ dung mit der Zeichnung sofort ergibt, ist der vollstän­ dig geschweißte Plattenwärmetauscher ebenfalls allein durch Schweißverbindungen mit dem Kolonnenkörper druck­ dicht verbunden und sind auch alle Strömungskanäle in­ nerhalb des Kolonnenkörpers druckdicht verschweißt. Je­ der, eine Druck- und Temperaturstufe der Wärmetauscher- Kolonne bildende Kolonnenkörper ist also ohne jede Dichtung aufgebaut, so daß dieser auch unter schwie­ rigen Betriebsbedingungen über lange Betriebszeiten funktionssicher arbeitet.

Der Ausbau eines solchen Kolonnenkörpers ist einfach durch Lösen der Schrauben 69 der Flanschverbindung so­ wie durch Lösen der Verbindung der Laschen 59 zwischen Kolonnenkörper und Stützgerüst möglich. Wartungs- und Reinigungsarbeiten sind also auf einfachste Weise durchführbar. Da Dichtungen innerhalb der Kolonnenkör­ per fehlen, können Kalk und Silikat lösende Reinigungs­ mittel auch ohne Ausbau der Kolonnenkörper durch die gesamte Kolonne geleitet werden, so daß insbesondere Reinigungsarbeiten jederzeit ohne weiteres im Bedarfs­ fall durchführbar sind.

Claims (9)

1. Kolonnenkörper zur Aufnahme von Wärmetauschern, mit Flansch- und Tragelementen zwecks lösbarer Verbin­ dung mehrerer Kolonnenkörper zu einer Kolonne und dieser mit einem Stützgerüst, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder Kolonnen­ körper (K1 bis Kn) zwecks Aufnahme eines Platten­ wärmetauschers (25) aus mindestens zwei vorzugs­ weise vier Zylinderschalensegmenten (51, 52, 53, 54) besteht, zwischen denen in axialer Richtung sich erstreckende Stege (50) eingeschlossen sind, die den Mantelraum des Kolonnenkörpers in bezug auf die Strömungskanäle (34, 35) des eingeschlossenen Plattenwärmetauschers unterteilen und gleichzeitig als dessen Tragelemente dienen, und daß den kreis­ ringförmigen Stirnseiten der zusammengefügten Zy­ linderschalensegmente (51, 52, 53, 54) jeweils Flanschelemente (60, 61, 62, 62′) zugeordnet sind, von denen erste Flanschelemente (60) der Verbindung der Kolonnenkörper zu einer Kolonne und weitere Flanschelemente (61, 62, 62′) der radialen Begren­ zung des durch die axialen Stege (50) unterteilten Mantelraumes des Kolonnenkörpers dienen.

2. Kolonnenkörper nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von den weiteren Flanschelementen die an der Zulaufseite des Kolon­ nenkörpers liegenden Flanschelemente (61) als rechteckförmiger Aufnahmebehälter (65) ausgebildet sind, während die an der Ablaufseite angeordneten Flanschelemente (62 und 62′) zweiteilig (kreisring­ förmig 62, trapezförmig 62′) ausgebildet sind und eine kreisringförmige Öffnung (63) einschließen.

3. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einen Auf­ nahmebehälter (65) bildenden Flanschelemente (61) zwischen Plattenwärmetauscher (25) und ersten Flanschelementen (60) und die zweiteilig ausgebil­ deten Flanschelemente (kreisringförmig 62, trapez­ förmig 62′) zwischen Zylinderschalenelementen (51, 52, 53, 54) und Plattenwärmetauscher (25) bzw. zwi­ schen Plattenwärmetauscher und unteren ersten Flanschelementen (60) angeordnet sind.

4. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß den das Prozeß­ medium zuführenden Rohrstutzen (57) des Kolonnen­ körpers Prallplatten (6) nachgeordnet sind.

5. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ver­ bindung des Kolonnenkörpers mit dem Stützgerüst (11) dienenden Tragelemente (59) an der Außenwan­ dung mindestens eines, vorzugsweise zweier Zylinderschalensegmente (53) angeordnet sind.

6. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den einander zugewandten Stirnseiten je zweier Kolon­ nenkörper (K1, K2) ein Kompensator (15) lösbar be­ festigt ist.

7. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Verbindun­ gen zwischen Zylinderschalenelementen (51, 52, 53, 54) und Trag- sowie Flanschelementen (50, 60, 61, 62, 62′) Schweißverbindungen (56) sind.

8. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Rohrstutzen (58) den der Spaltseite (34) des Plat­ tenwärmetauschers (25) zugeordneten Mantelräumen des Kolonnenkörpers (K) zugeordnet sind.

9. Kolonnenkörper nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der der Aus­ gangsseite (Rohrstutzen 58) des vom Kolonnenkörper (k) umschlossenen Plattenwärmetauschers (25) zuge­ ordnete Mantelraum ein größeres Volumen als der der Eingangsseite (65) zugeordnete Mantelraum aufweist.