DE10040645A1 - Vorrichtung in Plattenbauweise - Google Patents

Vorrichtung in Plattenbauweise

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Plattenbauweise, bei dem zumindest eine erste Platte von einer zweiten Platte durch eine kanalförmige Stütz- und Strömungsleitstruktur beabstandet ist, wobei die Stütz- und Strömungsleitstruktur eine erste Längserstreckung parallel zur ersten und zweiten Platte und senkrecht zu einer durch die Stütz- und Strömungsleitstruktur vorgegebenen Strömungsrichtung aufweist und wobei die Stütz- und Strömungsleitstruktur zumindest mittelbar mit Stoßstellen zumindest an die erste oder die zweite Platte anstößt, wobei die Stütz- und Strömungsleitstruktur mit Stoßstellen mit der ersten und/oder der zweiten Platte zumindest teilweise fest verbunden sind, wobei zumindest zwischen zwei in Richtung der Längserstreckung direkt benachbarten, mit derselben oder der gegenüberliegenden Platte fest verbundenen Stoßstellen ein Bereich der Stütz- und Strömungsleitstruktur für thermische Längenänderungen der Stütz- und Strömungsleitstruktur vorgesehen ist, wobei das Material in diesem Bereich elastisch verformbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung in Plattenbauweise gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Aus der EP 687 648 B1 ist ein Plattenreaktor bekannt, bei dem Trennplatten durch wellblechartige Stütz- bzw. Strömungsleitstrukturen voneinander getrennt sind. Die Stütz- bzw. Strömungsleitstrukturen bilden Heiz- bzw. Kühlkanäle für Medien. Sowohl die Trennplatten als auch die Stütz- und Strömungsleitstrukturen können katalytisch beschichtet sein. Dabei werden üblicherweise die Stütz- und Strömungsleitstrukturen mit den Trennplatten fest verbunden. Der Reaktor wird im Betrieb hohen Temperaturen und Temperaturgradienten ausgesetzt, was die Lebensdauer solcher Vorrichtungen verkürzen kann.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung in Plattenbauweise anzugeben, die eine verbesserte Lebensdauer aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß durch eine Stütz- und Strömungsleitstruktur zwischen Platten im wesentlichen nur Druckkräfte, aber praktisch keine Zugkräfte auf die Platten bzw. auf materialschlüssige Verbindungen zwischen den Platten und der Stütz- und Strömungsleitstruktur übertragen werden können.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer einzigen Stütz- und Strömungsleitstruktur,
Fig. 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform mit einer einzigen Stütz- und Strömungsleitstruktur,
Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform mit zwei sich gegenseitig abstützenden Stütz- und Strömungsleitstrukturen,
Fig. 4 eine günstige Ausführungsform mit zwei ineinandergreifenden Stütz- und Strömungsleitstrukturen und
Fig. 5 eine günstige Ausführungsform mit einer aus Wellblech mit sich hinterschneidenden Wellen gebildeten Stütz- und Strömungsleitstruktur.
Die Erfindung ist besonders für Reaktoren oder Wärmetauscher geeignet, die katalytisch und/oder gasförmig beheizt werden.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Bei einer Vorrichtung 1 ist zumindest eine erste Platte 2 von einer zweiten Platte 3 durch eine Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 beabstandet. In einem Plattenreaktor oder einem Wärmetauscher können eine Mehrzahl solcher Platten 2, 3 übereinander gestapelt sein. Die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 weist, in der Bildebene gesehen, eine Längserstreckung L parallel zur ersten und zweiten Platte 2, 3 auf, welche im wesentlichen der Längserstreckung der Platten 2, 3 entspricht. Die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 selbst ist wellenartig oder zickzackartig ausgebildet, so daß die Materiallänge der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 erheblich größer sein kann als die Längserstreckung L selbst. Senkrecht zu der Bildebene und senkrecht zur Richtung der Längserstreckung L in Richtung 5 bildet die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 eine kanalartige Struktur mit parallelen Kanälen, in denen ein Medium mit der durch die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 vorgegebenen Strömungsrichtung S geleitet werden kann. Die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 stößt an die erste Platte 2 mit einer Vielzahl von Stoßstellen 7 und die zweite Platte 3 mit einer Vielzahl von Stoßstellen 6 an. Die Stütz- und Strömungsleitstruktur. 4 ist direkt mit beiden Platten 2, 3 in Berührung und fest mit der ersten Platte 2 über materialschlüssige Verbindungen 11, z. B. Lötstellen, verbunden. Die Stoßstellen 6 mit der zweiten Platte 3 sind dagegen lösbar. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige der Stoßstellen 6, 7 und der materialschlüssigen Verbindungen 11 mit Bezugszeichen bezeichnet.
Zwischen zwei in Richtung der Längserstreckung L direkt benachbarten, fest mit der ersten Platte 2 verbundenen Stoßstellen 7.1, 7.2, ist ein zusätzlicher Bereich im Material der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 für thermische Längenänderungen der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 vorgesehen, wobei das Material in diesem Bereich elastisch verformbar ist. In der Fig. 1 wird der elastische Bereich durch eine Welle zwischen zwei Tälern der wellenartigen Stütz- und Strömungsstruktur 4 gebildet. Da die Stoßstelle 6 dieser Welle nicht fest mit der zweiten Platte 3, sondern lösbar verbunden ist, kann Verformungsenergie im elastischen Bereich der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 aufgenommen werden, ohne daß schädliche Kräfte auf die materialschlüssigen Verbindungen 11 wirken.
Eine solche elastische Verformungsenergie kann durch Einwirkung von Temperatur auftreten, z. B. wenn beim Erhitzen der Anordnung das Material der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4, die üblicherweise aus einem Material mit hohem, vorzugsweise positivem Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet ist, sich ausdehnt und seine Gesamtlänge ändert. Die Ausdehnung der Gesamtlänge der ist erheblich größer als eine etwaige temperaturbedingte Ausdehnung der Platten in Richtung der Längserstreckung L. Wären die Stoßstellen 7, 6 mit beiden Platten 2, 3 fest verbunden, müßten die materialschlüssigen Verbindungen 11 erhebliche Kräfte aufnehmen.
Beim Abkühlen zieht sich das Material der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 wieder zusammen, so daß die Gefahr besteht, daß bei mehrfachem Temperaturwechsel die materialschlüssigen Verbindungen 11 zerstört werden.
Würde allerdings ganz auf materialschlüssige Verbindungen 11 verzichtet, und die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 lose zwischen den Platten 2, 3 liegen, wäre der Wärmeübergang zwischen Platten 2, 3 und Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 sehr schlecht, so daß die Energieübertragung von der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 auf die Platten 2, 3 über die Lebensdauer der Vorrichtung nicht gewährleistet ist. Beim Einsatz als Reaktor oder Wärmetauscher ist es jedoch erwünscht, eine möglichst konstante und homogene Temperaturverteilung zu haben. Außerdem ist die Steifigkeit der Anordnung verringert, so daß eine massivere Bauweise notwendig wäre.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt thermische Ausdehnung und Kontraktion der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4, bei der zwar eine Übertragung von Druckkräften von der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 auf die Platten 2, 3 stattfinden kann, aber die Übertragung von Zugkräften weitestgehend unterbunden ist.
In Fig. 2 ist eine günstige Variante der bevorzugten Ausführungsform in Fig. 1 dargestellt, bei der die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 an Stoßstellen 6, 7 sowohl an der ersten Platte 2 als auch an der zweiten Platte 3 fest verbunden ist. Dabei wechseln materialschlüssige Verbindungen 11 mit der ersten Platte 2 alternierend mit materialschlüssigen Verbindungen 12 mit der zweiten Platte 3 ab. Zwischen Stoßstellen 7 mit materialschlüssiger Verbindung 11 mit der ersten Platte 2 und der in Richtung der Längserstreckung L nächstbenachbarten Stoßstelle 6 mit materialschlüssiger Verbindung 12 mit der gegenüberliegenden Platte 3 wird der elastische Bereich der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 durch eine Welle und ein Tal der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 gebildet, wobei weder Welle noch Tal mit der jeweiligen Platte 2, 3 fest verbunden sind, diese aber berühren können. Zwischen zwei Stoßstellen 7 mit materialschlüssiger Verbindung 11 ist als Materialpuffer wie in Fig. 1 eine Welle vorgesehen, die nicht mit der gegenüberliegenden Platte 3 fest verbunden ist. Damit können thermische Längenänderungen von den Materialpuffern aufgenommen werden, ohne daß die materialschlüssigen Verbindungen 11, 12 stärker belastet werden.
In Fig. 3 ist eine weitere günstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Zwischen der ersten und der zweiten Platte 2, 3 sind eine erste und eine zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur 4, 5 angeordnet, die sich gegeneinander abstützen. Die erste Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 ist mit der ersten Platte 2 und die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur 5 mit der zweiten Platte 3 zumindest bereichsweise fest mit materialschlüssigen Verbindungen 11, 12 verbunden. Die Stoßstellen 7 der ersten Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 mit der ersten Platte 2 und die Stoßstellen 6 der zweiten Stütz- und Strömungsleitstruktur 5 mit der zweiten Platte 3 liegen sich im wesentlichen gegenüber.
Die beiden Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 sind vorzugsweise wellenartig ausgebildet und berühren sich mit ihren Wellen an Stoßstellen 8. Die Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 können auch sowohl in Blattebene als auch senkrecht zu dieser wellenartig ausgebildet sein und sich mit ihren Wellen an Stoßstellen bzw. Kreuzungsstellen 8 berühren. Die Wellen, die den elastischen Bereich der Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 für thermische Längenänderungen bilden, sind aber nicht fest miteinander verbunden. Der Vorteil ist, daß über die Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 zwar Druckkräfte, aber keine Zugkräfte auf die Platten 2, 3, bzw. die Lötstellen 11, 12 übertragen werden können, die senkrecht zur Plattennormalen N gerichtet sind und die die Verbindungsstellen 11, 12 schädigen könnten.
Es können alle Stoßstellen 6, 7 mit materialschlüssigen Verbindungen 11, 12 mit den Platten 2, 3 verbunden sind, aber es ist auch möglich, daß auch einige Stoßstellen 6, 7 mit den Platten 2, 3 lösbar verbunden sind. Damit kann z. B. Lotmaterial und Gewicht eingespart werden.
Dabei können die materialschlüssigen Verbindungen 11, 12 senkrecht zur Bildebene in Richtung S durchgehende Verbindungsnähte bilden, oder auch unterbrochen sein.
In Fig. 4 ist eine weitere günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt. Eine erste und eine zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur 4, 5 ist zwischen einer ersten und einer zweiten Platte 2, 3 angeordnet, wobei die erste Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 mit der ersten Platte 2 und die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur 5 mit der zweiten Platte 3 zumindest bereichsweise über materialschlüssige Verbindungen 11, 12 fest verbunden ist. Die erste und die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur 4, 5 sind ineinandergreifend angeordnet. Die Stoßstellen 9 können direkt mit den jeweiligen Platten 2, 3 und/oder mit der jeweils gegenüberliegenden Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 oder 5 in Zwischenräumen zwischen Stoßstellen 7 oder 6 mit der zweiten Platte 3 angeordnet sein.
Der elastisch verformbare Bereich zwischen zwei nächstbenachbarten, derselben Platte 2 zugeordneten, fest mit dieser verbundenen Stoßstellen 7 der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 wird vorzugsweise durch eine Welle gebildet. Die Welle berührt die gegenüberliegende Stütz- und Strömungsleitstruktur 5 und damit mittelbar die gegenüberliegende Platte 3. Vorzugsweise sind beide Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 gleich hoch. Die Anordnung ist dann besonders stabil. Wird eine der beiden Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 niedriger als die andere ausgeführt, kann Material und Gewicht eingespart werden.
In Fig. 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Die Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 ist in Richtung ihrer Längserstreckung L aus einem durchgängigen, im wesentlichen wellenartig oder zickzackartig ausgebildeten Material gebildet, bei dem der elastische Bereich aus Hinterschneidungen 10 der Struktur gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform ist eine plastische Verformung der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4 möglich. Die Hinterschneidungen 10 bilden so den Materialpuffer für thermische Längenänderungen der Stütz- und Strömungsleitstruktur 4. Die Stütz- und Strömungsleitstruktur ist vorzugsweise an jeder ihrer Stoßstellen 7 mit der ersten Platte 2 und an ihrer Stoßstelle 6 mit der zweiten Platte 3 mit einer materialschlüssigen Verbindung 11, 12 fest verbunden. Auch hier wird eine Übertragung von Druckkräften auf die materialschlüssigen Verbindungen 11, 12 vermieden.
Es ist auch möglich, eine durchgehende, wellenartige Struktur wie in den Fig. 1-4 beschrieben mit einer derartigen zickzackartigen oder wellenartigen Verformung in den Flanken zwischen den Platten zu versehen.
Günstig ist, wenn die Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 und/oder die erste Platte 2 und/oder die zweite Platte 3 katalytisch aktives Material aufweist.
Bevorzugt wird die Vorrichtung 1 in einem gas- und/oder katalytisch beheizten Verdampfer oder in einem gas- und/oder katalytisch beheizten Wärmetauscher verwendet, besonders bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem.
Vorteilhaft ist, Wärmetauscher und Reaktoren in Leichtbauweise mit entsprechenden Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 auszuführen, da durch die nur teilweise materialschlüssigen Verbindungen der Stütz- und Strömungsleitstrukturen 4, 5 mit den entsprechenden Platten oder Wänden der Vorrichtungen trotzdem eine hohe Steifigkeit der Vorrichtungen erreicht werden kann.

Claims (12)

1. Vorrichtung in Plattenbauweise, bei dem zumindest eine erste Platte von einer zweiten Platte (2, 3) durch eine kanalförmige Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) beabstandet ist, wobei die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) eine erste Längserstreckung (L) parallel zur ersten und zweiten Platte (2) und senkrecht zu einer durch die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) vorgegebenen Strömungsrichtung (S) aufweist und wobei die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) zumindest mittelbar mit Stoßstellen (6, 7) zumindest an die erste oder die zweite Platte (2, 3) anstößt, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) mit Stoßstellen (6, 7) mit der ersten und/oder der zweiten Platte (2, 3) zumindest teilweise fest, verbunden sind, wobei zumindest zwischen zwei in Richtung der Längserstreckung (L) direkt benachbarten, mit derselben oder der gegenüberliegenden Platte (2, 3) fest verbundenen Stoßstellen (6, 7) ein Bereich der Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) für thermische Längenänderungen der Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) vorgesehen ist, wobei das Material in diesem Bereich elastisch verformbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material im elastisch verformbaren Bereich lösbar mit der ersten und/oder zweiten Platte (2, 3) zumindest mittelbar verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) zwischen der ersten und der zweiten Platte (2, 3) angeordnet ist, wobei die erste Stütz- und Strömungsleitstruktur (4) mit der ersten Platte (2) und die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (5) mit der zweiten Platte (3) zumindest bereichsweise fest verbunden ist und die erste und die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) Stoßstellen (8) miteinander bilden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßstellen (8) von der ersten Platte (2) durch die erste Stütz- und Strömungsleitstruktur (4) und von der zweiten Platte (3) durch die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (5) beabstandet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste und eine zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) zwischen der ersten und der zweiten Platte (2, 3) angeordnet ist, wobei die erste Stütz- und Strömungsleitstruktur (4) mit der ersten Platte (2) und die zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (5) mit der zweiten Platte (3) zumindest bereichsweise fest verbunden ist und die erste und zweite Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) ineinandergreifend angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4) mit der ersten oder der zweiten Platte (2, 3) fest verbunden ist und die gegenüberliegende zweite oder die erste Platte (3, 2) lösbar berührt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) in Richtung ihrer Längserstreckung (L) aus einem durchgängigen, im wesentlichen wellenartig oder zickzackartig ausgebildeten Material gebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4) Hinterschneidungen (10) aufweist, die sich zwischen der ersten und der zweiten Platte (2, 3) erstrecken und die im wesentlichen zickzackartig oder wellenartig ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stütz- und Strömungsleitstruktur (4, 5) und/oder die erste Platte (2) und/oder die zweite Platte (3) katalytisch aktives Material aufweist.
10. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 in einem gas- und/oder katalytisch beheizten Verdampfer.
11. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 in einem gas- und/oder katalytisch beheizten Wärmetauscher.
12. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 in einem Brennstoffzellensystem.
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