DD243088A1

DD243088A1 - Kanalwaermetauscher mit variierbarer waermetauschflaeche

Info

Publication number: DD243088A1
Application number: DD28333985A
Authority: DD
Inventors: Eberhard Paul
Original assignee: Bitterfeld Chemie
Priority date: 1985-11-28
Filing date: 1985-11-28
Publication date: 1987-02-18
Also published as: DD243088B5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kompakten Waermetauscher aus uebereinanderliegenden Profilblechen, der auf Grund seiner Konstruktion sowohl eine problemlose Abdichtung als auch einen enormen Waermetauscheffekt, selbst bei veraenderlichen Volumenstroemen mit Temperaturen bei verschiedenen Waermetauschproblemen, ermoeglicht. Mit diesem Waermetauscher wird sowohl das Abdicht- als auch das Reinigungsproblem geloest. Im Stroemungskanal erfolgt 2-dimensionaler Waermetransport. Es wird eine um 100% hoehere Ausbeute an Waermetauschflaeche pro Raumeinheit gegenueber Platten- oder Spiralwaermetauscher erreicht. Der Waermetauscher laesst Variationen der Stroemungsfuehrung und eine stufenlose Veraenderung der Waermetauschflaeche waehrend des Betriebes zu. Der Waermetauscher ergibt sich aus einem fortlaufenden Profilblechstreifen, der in Stroemungsrichtung gesehen s-foermig uebereinandergelegt ist, wodurch hermetisch voneinander getrennte Kammern fuer beide Medien entstehen. Es koennen Rechteck-, Trapezprofil oder aehnliche Profilarten verwendet werden, die beim Uebereinanderlegen der Profilbleche parallele Stroemungskanaele bilden. Das Medium gelangt ueber Hauptverteiler (14) und Kanalverteiler (12, 13) in die Stroemungskanaele. In den Hauptverteiler werden Schieber (25, 26) eingeschoben, womit Waermetauschflaeche und Stroemungsfuehrung variierbar sind. Am Waermetauscher sind stirnseitig abnehmbare Deckel (15, 16) angebracht, wodurch eine mechanische Reinigung realisierbar ist. Der Einsatz ist als Waermetauscher, Verdampfer, Kondensator und Ruehrreaktor moeglich. Fig. 12

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen kompakten Kanalwärmetauscher aus übereinanderliegenden Profilblechen mit variierbarer Wärmeaustauschfläche, der eine problemlose Abdichtung und einen sehr guten Wärmetau sch effekt selbst bei veränderlichen Volumenströmen und Temperaturen ermöglicht. Der Wärmetauscher ist bei verschiedenen Wärmetauschproblemen zwischen flüssigen und/oder gasförmigen Medien, beispielsweise zur Erwärmung und zur Abkühlung, zur Verdampfung und Kondensation und als Rohrreaktor, insbesondere bei Reaktionen mit hoher Reaktionswärme anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die bisher bekannten Profilarten für parallele Strömungskanäle aus übereinandergelegten Profilblechen, zum Beispiel Rechteckprofil, Wabenprofil, Wellenprofil(US-PS 3608629, SE-PS 349388 und 342904 und 383203) lassen immer noch die Zuführung und Verteilung des Mediums in die Strömungskanäle offen. Bei Wärmetauschern der üblichen Serienfertigung (Plattenwärmetauscher, Spiralwärmetauscher) bestehen häufig Abdichtprobleme der aneinandergepreßten Platten bzw. des Deckelsam Spiralwärmetauscher, wodurch die Anwendbarkeit bzw. der Gebrauchswert stark verringert ist. Eine Schweißkonstruktion löst in diesen Fällen zwar das Abdichtproblem, eine mechanische Reinigung der Strömungsquerschnitte ist dann aber nicht oder nur bedingt möglich. Außerdem wird bei den beiden zuvor genannten Wärmetauschern nur 1-dimensionaler Wärmetransport im Strömungsprofil realisiert.

Beim Plattenwärmetauscher soll durch turbulenzerzeugende Verprägu ng der Platten annähernd der Effekt des 2-dimensionalen Wärmetransports erreicht werden, woraus allerdings ein hoher Druckveriust folgert.

Der Lamellenwärmetauscher ermöglicht zwar bei entsprechend kurz gestalteter Lamelle einen annähernden 2-dimensionalen Wärmetransport, wobei aber der Wärmetausch zwischen 2 Lamellen durch 2 übereinanderliegende Wärmetauschplatten (Wärmeleitung) gehindert wird. Der gleiche hinderliche Effekt tritt bei Rechteckprofilplatten mit zwischengelegten ebenen Platten (US-PS 3608629) auf.

Ändert sich auf Grund der Betriebsbedingungen Volumenstrom oder Temperatur, so besteht bei den genannten Wärmetauschern keine Möglichkeit, die Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsführung oder Wärmetauschfläche während des Betriebes zu korrigieren.

Die einzige, bisher gebräuchliche Regelmöglichkeit besteht in der Veränderung des Bypaß-Stromes bzw. in der Rückführung eines Teilstromes vom Austritt zum Eintritt des Wärmetauschers. Bei der Rückführung ist allerdings eine Pumpe unmittelbar vor oder hinter dem Wärmetauscher erforderlich.

Ein weiterer Nachteil dieser Fahrweise besteht in der Erhöhung des Energiebedarfs an der Pumpe durch den zurückgeführten Teilstrom und in der Verschlechterung des Temperaturprofils (mittlere Temperaturdifferenz). Aus dem zuletzt genannten Aspekt wiederum resultiert ein höherer Bedarf an Heiz- bzw. Kühlmittel.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein kompakter Kanalwärmetauscher aus übereinanderliegenden Profilblechen mit einer variierbaren Wärmetauschfläche, der eine problemlose Abdichtung und eiT^en sehr guten Wärmetauscheffekt selbst bei veränderlichen Volumenströmen und Temperaturen ermöglicht. Weiterhin wird durch die Erfindung das Problem der Reinigung desWärmetauschers gelöst.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Wärmetauscher ist aus übereinanderliegenden Profilblechen aufgebaut, zwischen denen abwechselnd kaltes und heißes Medium strömt. Die parallelen Strömungskanäle entstehen auf Grund der Profilform der übereinanderliegenden Profilbleche. Für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher sind folgende Profile verwendbar: Rechteckprofil, Trapezprofil, trapezähnliches Profil, Wabenprofil, Wellenprofil und ähnliche Profilarten, die beim Übereinanderlegen parallele Strömungskanäle bilden. Das Profil läuft an den Plattenenden seicht aus, so daß es an den Stirnseiten in eine ebene Platte übergeht. Auf diese Weise wird der Kanalverteiier gebildet. Dort erfolgt die Verteilung des Stoffstromes in die Kanäle bzw. an der gegenüberliegenden Stirnseite die Sammlung aus den Kanälen. Die Kanalverteiler eines Mediums werden von einem seitlich dazu befindlichen senkrechten Hauptverteiler, der alle Kanalverteiler für das betreffende Medium verbindet, gespeist. Auf der anderen Seite derselben Kanalverteilerbatterie befindet sich der Hauptverteiler für das andere Medium. Da entsprechend dem Wärmetausch effekt zwischen den übereinanderliegenden Profilblechen abwechselnd kaltes und heißes Medium strömt, führen dementsprechend auch die Kanalverteiler abwechselnd kaltes und heißes Medium. Das macht erforderlich, daß jeder zweite Kanalverteiler gegen den Hauptverteiler abgesperrt ist. Die abgesperrten Kanalverteiler sind zum gegenüberliegenden Hauptverteiler (derselben Verteilerbatterie) hin offen. Tritt ein Stoffstrom in eine betrachtete Verteilerbatterie ein, so durchströmt er die parallelen Kanäle und tritt nach Sammlung in der gegenüberliegenden Verteilerbatterie über den dortigen Hauptverteiler wieder aus dem Wärmetauscher aus. Eintritt und Austritt sollten aus strömungstechnischen Gründen bei eingängiger Strömungsführung diagonal gegenüberliegen. Der Wärmetauscher ergibt sich erfindungsgemäß aus einem fortlaufenden Profil blechstreifen, der in Strömungsrichtung gesehen s-förmig übereinandergelegt ist. Durch diese Bauweise entstehen Kammern, die die beiden Medien hermetisch voneinander trennen.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher läßt sich während des Betriebes die Zahl der parallelen Strömungskanäle variieren, wodurch die Wärmetauschfläche, Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsführung und der Wärmedurchgang in die gewünschte Richtung beeinflußbar sind. Mit Hilfe von Steuer- und Regeltechnik können während des Betriebes die obengenannten Parameter gezielt verstellt werden. Es ist eine Anpassung an sich ändernde Betriebsbedingungen (Volumenstrom, Temperatur) oder die Realisierung eines gewünschten Fahrregimes möglich, ohne daß Eintrittstemperaturen oder Durchsatz durch den Wärmetauscher geändert werden müssen.

An den Seiten des Wärmetauschers sind die übereinanderliegenden Profilbleche durch Seitenteile begrenzt, die zum Beispiel in der Weise entstehen, in dem das verlängerte oberste und unterste Profilblech entsprechend abgekantet ist. An den Seiten der Profilbleche muß durch die Seitenteile keine vollständige Abdichtung erreicht werden, da dort bei Übertreten eines Mediums durch die s-förmige Bauweise kein Vermischen mit dem anderen Stoffstrom möglich ist. Es ist lediglich ein Übertreten in die übernächste Strömungsebene möglich", in der das gleiche Medium geführt wird und deshalb nicht problematisch ist. Die Seitenteile sind zur Abdichtung nach außen hin mit dem obersten bzw. untersten Profilblech verbunden (verschweißt). Um an der Stirnseite das Übertreten eines Stoffstromes in die benachbarte Strömungsebene zu vermeiden, sind erfindungsgemäß je 2 übereinanderliegende Platten stirnseitig miteinander verbunden. Die benachbarte Strömungsebene ist zur Stirnseite hin offen und damit für die mechanische Reinigung zugänglich, so daß nur jede zweite Strömungsebene stirnseitig dicht abgekapselt ist. Die dicht abgekapselte Strömungsebene ist jeweils an der gegenüberliegenden Stirnseite offen. Auf diese Weise entstehen die Kanalverteiler an den Stirnseiten als dicht umhüllte Kammern, die eine problemlose Abkapselung gegen die darüber- und darunterliegende Strömungsebene ermöglichen.

An den Stirnseiten sind abnehmbare Deckel angebracht, die gegen die Stirnflächen drücken, dort aber keine abdichtende Funktion gegen die Stirnflächen und zwischen den beiden Stoffen zu übernehmen brauchen, sondern lediglich eine Begrenzung für den Stoffstrom darstellen, der die oben erwähnten'dicht umhüllten Kanalverteilerkammern umspült. Eine übliche Dichtung am Rahmenflansch dieser beiden stirnseitigen Deckel stellt erfindungsgemäß die einzige Abdichtung des Wärmetauschers nach Ausführungsform 1,3,4 und 5 dar. Ist keine mechanische Reinigung und keine Variation der Strömung erforderlich, werden die Deckel angeschweißt. Zum Variieren der Zahl parallel geschalteter Strömungskanäle bzw. zur Änderung der Strömungsführung (Gleich-, Gegenstrom, Parallel- bzw. Reihenschaltung) kann erfindungsgemäß in den Hauptverteiler ein (bzw. mehrere) Schieber, Klappen oder Hähne eingeschoben werden, der je nach Einbauart einen Kanalverteiler absperren (freigeben), die Strömungsführung ändern bzw. eine Vielzahl von Kanalverteilern absperren (freigeben) kann. Alle genannten Variationen sind bei laufendem Betrieb möglich.

Der Absperreffekt läßt sich auch durch Einbau eines speziellen stirnseitigen Deckels mit Ships erreichen, wobei ein Ship an der entsprechenden Stelle des Hauptverteilers den Kanalverteiler absperrt bzw. den Stoffstrom umlenkt. Bei Einbau dieser Ships ist aber eine Veränderung während des Betriebes nicht möglich. Der Vorteil des Einbaus eines (oder mehrerer) Schieber(s), Klappen oder Hähne liegt in einer Erhöhung des Gebrauchswertes des Wärmeübertragers, da der Betreiber den Wärmeübertrager sich ändernden verfahrenstechnischen Bedingungen ohne Produktionsstillstand bei gleichbleibend guten Wärmeübertragungsverhältnissen selbst anpassen kann.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend erläutert werden.

Fig. 1 zeigt das Profil eines Wärmetauschers an Hand von 5 übereinandergelegten Blechen, die sich auf Grund des Trapezprofils gut gegeneinander abstützen. Betrachtet man z. B. das durch Schraffur gekennzeichnete Strömungsprofil des Medium A, so ist zu erkennen, daß an den Berührungspunkten der übereinanderliegenden Bleche z. B. Profilblech 1 und 2 keine Abdichtung erforderlich ist. Der Wärmetauscher aus übereinanderliegenden Profilplatten entsteht durch entsprechende Abkantung eines einzigen fortlaufenden Profilblechstreifens. An den Seiten sind die Bleche durch Seitenteile 3,4 begrenzt, welche zum Beispiel in der Weise entstehen, indem das verlängerte oberste und unterste Profilbiech abgekantet 5, 6 ist. Durch je eine Schweißnaht 7,8 entsteht der Wärmetauscher als ein nach außen hin dichtes Paket. Das Profil des Strömungskanals läßt für Medium A und B einen 2-dimensionalen Wärmetransport 9,10 zu.

In Fig. 2 ist der Wärmetauscher zur Verdeutlichung nur als s-förmig gewundener Profilblechstreifen 1,2 ohne Hauptverteiler und RtirncoitonHookpl Hamoctollt

Sämtliche Profile der übereinanderliegenden Bleche sind in gleicher Weise wie das in Fig.2 sichtbare Profil des obersten Profilbleches geprägt. Das seicht auslaufende Profil 11 ergibt den Kanalverteiler (Fig.3). Die eigentlich übereinanderliegenden Bleche sind in Fig. 3 zur besseren Veranschaulichung voneinander abgehoben dargestellt.

Der Kanalverteiler verteilt den Stoffstrom 12 in die trapezförmigen, parallelen Strömungskanäle zweier Strömungsebenen. Das bedeutet, daß z. B. die aus Fig. 1 ersichtlichen 4 Strömungsebenen für Medium A aus der Verteilung in 2 Kanalverteilern resultieren.

In Fig.4 ist der Wärmetauscher mit Stirnseitendeckeln 15,16, den zum Deckel sowie zum Wärmeübertrager gehörenden Rahmenflansch 34,35 und 36,37 und Zwischenflansch 38,39 und 40,41 (in Fig.4) verdeckt, dem stirnseitig angeschweißten Blechstreifen 42,43 (schraffiert dargestellt) sowie mit den Hauptverteilern für Eintritt sowie Austritt der Medien A und B abgebildet. Im dargestellten Beispiel wird das eintretende Medium A vom Hauptverteiler 14 in die Kanalverteiler 12 und 13 verteilt.

In Fig. 5 sind die Strömungswege im Wärmetauscher angedeutet. Die dargestellte Verteilung 14 für das Medium A in die Kanalverteiler 12 und 13 sind bereits aus Fig. 4 ersichtlich. Der Stoffstrom A verläßt den Wärmeübertrager über die Kanalverteiler 17 und 18 und den Hauptverteiler 19 an der gegenüberliegenden Stirnseite. Das Medium B passiert in analoger Weise den Wärmetauscher, im Beispiel in Gegenstromführung dargestellt. Die Kanalverteilereines Mediums sind gegen den Hauptverteiler des anderen Mediums abgesperrt 20.

Eine zweite Ausführungsform sieht die Anwendung von Schiebern zur Absperrung bzw. Umlenkung von Volumenströmen

Fig. 6 zeigt den Wärmetauscher mit angeflanschten Deckeln 15,16, die mit je 2 Gehäusen 21; 22 und 23,24 zur Unterbringung der Schieberz. B. 25 und 26 und deren Führungsschienen 27 und 28 eine Einheit bilden. Die Führungsschienen sind mit dem Gehäuse verschraubt bzw. verschweißt. Die Bedienung der Schieber erfolgt über die herausragenden Spindeln 29 und 30. Die Bewegung des Schiebers ist auf Grund des im Führungsstift 31 und 32 eingearbeiteten Innengewindes und des Außengewindes der Spindel bei dessen Drehbewegung z. B. mittels eines Imbus-Steckschlüssels möglich. Die aus dem Gehäuse herausragenden Spindeln sind mit je einer Dichtung abgedichtet. Um Falschströmungen vom Hauptverteiler, z.B. des eintretenden Medium A in das Gehäuse 21 zu vermeiden, ist eine Sperrwand 33 (schraffierte Fläche) vorgesehen, die sich aus einzelnen Segmenten zusammensetzt. Die baukastenartig gestalteten Segmente sind entsprechend des Schiebereinsatzes austauschbar. Schieber 25 ist zur Absperrung des Kanalverteilers 12 (Fig.4) und Schieber 25 zur Umlenkung des Hauptverteilerstromes vorgesehen. Die beiden Schieber 25 und 26 sind in ihrer Form gjeich gestaltet. Ihre unterschiedliche Funktion erhalten sie auf Grund der vertikalen bzw. horizontalen Einbauweise, die je nach Erfordernis in ein und derselben Führungsschiene möglich ist. Der Vorteil besteht einmal in der Austauschbarkeit und zum anderen in der vielfältigsten Variation der Strömungsverhältnisse. In Abhängigkeit von der Dimensionierung des Hauptverteilers sind aber auch unterschiedliche Schieber-Bauformen zur Absperrung des Kanalverteiler- und Hauptverteilerstromes möglich.

Fig.7 zeigt den durch die Schieberstellung gemäß Fig. 6 hervorgerufenen Strömungsverlauf für Medium A.

In Fig.8 sind 3 typische Beispiele zur Umlenkung des Volumenstromes A in symbolischer Weise dargestellt. Fig. 8a) ist die zu Fig.7 analoge Darstellung der Absperrung des Kanalverteilers 12.

Fig.8b) bildet die Reihenschaltung der vom Kanalverteiler 12 und 13 ausgehenden Strömungsebenen ab.

Fig.8c) zeigt die Reihenschaltung von Strömungsebenen je zweier parallel geschalteter Kanalverteiler, wobei der letzte Kanalverteiler abgesperrt ist und bei Bedarf zur Vergrößerung der Wärmeübertragerfläche oder Variation der Strömungsverhältnisse freigegeben werden kann. Die Gestaltung der Strömungsverläufe läßt sich in beliebiger Weise fortsetzen. Ist auf Grund der Betriebserfahrungen oder der zu erwartenden Durchsatzschwankungen die Veränderung der Volumenströme abschätzbar, so wird zur Absperrung bzw. Umlenkung an den entsprechenden Stellen ein Schieber vorgesehen und bei Bedarf betätigt. Bei Einsatz einer höheren Anzahl von Schiebern an einem Hauptverteiler erweist sich der Einbau eines kompakten Blockes, der eine Vielzahl von übereinander angeordneten Führungsschienen darstellt, als vorteilhaft.

Der Schiebereinsatz ermöglicht zugleich, wahlweise verschiedene Ein- und Austrittsöffnungen am Hauptverteiler zu benutzen, wodurch beispielsweise der Einsatz verschiedener Kühl- bzw. Heizmedien oder unterschiedlicher Produktströme realisierbar

Im Ausführungsbeispiel wird an Hand von Fig.9 ein Deckel dargestellt, an dem Absperrships 44,45 fest angebracht sind, die ähnlich wie beim Schiebereinsatz Kanalverteiler absperren 44 bzw. den Stoffstrom umleiten 45.

Eine vierte vereinfachte Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt. Sie verzichtet auf die als Kanalverteiler dicht umhüllten Kammern jeder zweiten Strömungsebene. Die Abdichtung zwischen den Kanalverteilern erfolgt durch den dicht angepreßten Stirnseitendeckel, der entweder über seine gesamte Fläche mit einem Dichtungsmaterial beschichtet ist, oder in den entsprechend dem s-förmig gewundenen Verlauf des Profilblechstreifens ein Dichtungsstreifen 46 eingelegt ist (Fig. 10). Eine Abdichtung mit Rahmenflansch ist hier ebenso wie die Ausbildung des Deckels mit Absperrships bzw. mit Gehäusen für den Schiebereinsatz möglich. Bei dieser Ausführungsform ist die mechanische Reinigung aller Strömungsprofile beidseitig realisierbar. Für eine sichere Abgrenzung der beiden Medien bietet die fünfte Ausführungsform (Fig.11)eineVariantean,beider jeweils ein Stoffstrom auf einer Stirnseite durch Einschweißen eines Blechstückes 47 (schraffiert dargestellt), stirnseitig eingekammert ist. Das Blechstück 47 deckt die Kanalverteiler und den Hauptverteiler des betreffenden Stoffstromes B ab. Die mechanische Reinigung dieses Strömungsprofils erfolgt von der anderen Stirnseite aus, nach der hin dieses Profil offen ist. Die gegeneinandergepreßten Rahmenflansche 34 und 36 sorgen für eine Abdichtung nach außen hin.

Diese Ausführungsform ermöglicht den Einsatz von Schiebem(Fig.6) bzw. Absperrships (Fig.9) am Hauptverteiler 14 des zur betrachteten Stirnseite hin offenen Stoffstromes.

Claims

Erfindungsanspruch: i

1. Wärmetauscher mit variierbarer Wärmetauschfläche und problemloser Abdichtung, bestehend aus übereinanderliegenden Profilblechen (1) aus Rechteckprofil oder Trapezprofil oder trapezähnlichem Profil oder Wabenprofil oder ungleichmäßigem Wabenprofil oder Wellenprofil oder ähnlichen Profilarten, die beim Übereinanderlegen parallele Strömungskanäle bilden und entsprechender Verteilung durch Kanalverteiler in die sich ergebenden parallelen Strömungskanäle, gekennzeichnet dadurch, daß aus den übereinanderliegenden Profilbleche aus einem fortlaufenden Profilblechstreifen (1,2), der in Strömungsrichtung gesehen s-förmig übereinandergelegt ist, hermetisch voneinander getrennte Kammern für beide Medien entstehen.
2. Wärmetauscher nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß an der Stirnseite der übereinanderliegenden Profilbieche das Übertreten eines Stoffstromes in die benachbarte Strömungsebene dadurch vermieden wird, daß jeweils 2 übereinanderliegende Bleche durch einen stirnseitig angebrachten Streifen (42,43) miteinander verbunden sind, daß jede zweite Strömungsebene stirnseitig dicht abgekapselt ist und ein Übertreten in die benachbarte stirnseitig offene Strömungsebene nicht möglich ist, oder zusätzlich noch der Hauptverteiler des abgekapselten Stoffstromes durch ein angeschweißtes Blech (47) dicht verschlossen ist.
3. Wärmetauscher nach Punkten 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß gegen die Stirnseiten der übereinanderliegenden Profilbleche abnehmbare Deckel (15,16) gepreßt sind, die eine mechanische Reinigung des Strömungsprofils beider Stoffströme ermöglichen.
4. Wärmetauscher mit variierbarer Wärmetauschfläche, gekennzeichnet dadurch, daß der Deckel durch Einbau von Schiebern (25,26) ergänzt wird und somit sich die Möglichkeit bietet, während des Betriebes Strömungskanäle abzusperren oder hinzuzuschalten und damit die Wärmetauschfläche zu verändern oder Stoffströme in beliebiger Weise umzulenken.
5. Wärmetauscher nach Punkten 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß am Deckel Absperrships (44,45) derart angebracht sind, daß Strömungskanäle abgesperrt bzw. hinzugeschaltet oder Stoffströme in beliebiger Weise umgelenkt werden können.

Hierzu 8 Seiten Zeichnungen