DE102005055676A1

DE102005055676A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102005055676A1
Application number: DE102005055676A
Authority: DE
Inventors: Herbert Aigner; Gabriele Dr. Engl; Thomas Hecht; Helge Dr. Möbus; Stefan Möller; Wolfgang Süssmann; Alfred Dr. Wanner
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2005-11-22
Filing date: 2005-11-22
Publication date: 2007-05-24
Also published as: CN1971198B; EP1788339A2; EP1788339A3; US7669646B2; JP2007139413A; JP5473188B2; CN1971198A; US20070114014A1; EP1788339B1

Abstract

Der Plattenwärmetauscher weist einen Wärmetauscherblock (1) mit einer Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen auf. Am Wärmetauscherblock ist ein Header (6) angebracht, der sich über zumindest einen Teil einer Seite (3) des Wärmetauscherblocks erstreckt und der eine Strömungsverbindung zwischen einem Teil der Wärmeaustauschpassagen herstellt. Er ist mit einem Fluidanschluss (8) versehen, der durch das headerseitige Ende einer Rohrleitung (12) gebildet wird. Der Fluidanschluss ist im Wesentlichen senkrecht zu der Seite des Wärmetauscherblocks angeordnet, über der sich der Header erstreckt. Im Inneren der Rohrleitung (12) ist unmittelbar vor ihrem Ende ein Mittel (23, 24, 25, 26) zur Strömungsführung angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit einem Wärmetauscherblock, der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen aufweist, wobei am Wärmetauscherblock ein Header angebracht ist, der sich über zumindest einen Teil einer Seite des Wärmetauscherblocks erstreckt und der eine Strömungsverbindung zwischen einem Teil der Wärmeaustauschpassagen herstellt und der mit einem Fluidanschluss versehen ist, wobei der Fluidanschluss im Wesentlichen senkrecht zu der Seite des Wärmetauscherblocks angeordnet ist, über der sich der Header erstreckt.

Der Wärmetauscherblock eines Plattenwärmetauschers besteht aus mehreren Lagen von Wärmeaustauschpassagen, die jeweils durch Trennbleche gegeneinander abgegrenzt sind. Abschlussleisten sowie Deckbleche bilden den äußeren Rahmen des Wärmetauscherblocks. Innerhalb einer Lage können weitere Trennleisten vorgesehen sein, die Wärmeaustauschpassagen für unterschiedliche Stoffströme voneinander trennen.

Der zunächst aus losen Bauteilen bestehende Wärmetauscherblock wird dann in einem Lötofen verlötet, so dass alle Bauteile miteinander dicht verbunden sind. Anschließend werden über den Ein- und Austrittsöffnungen der Wärmeaustauschpassagen Header aufgeschweißt, die mit einem Fluidanschluss versehen sind. Als Header werden üblicherweise halbzylindrische Schalen eingesetzt. Der Fluidanschluss wird durch Rohrstutzen gebildet, die in dem Halbzylindermantel des Headers gegenüber den Ein- bzw. Austrittsöffnungen angeordnet sind. An diese Rohrstutzen werden die Rohrleitungen für die zu- und abzuführenden Fluidströme angeschlossen.

Durch geeignete Anordnung von Trennleisten können Plattenwärmetauscher für den gleichzeitigen Wärmeaustausch von vielen Fluidströmen eingesetzt werden. Für jeden der Fluidströme sind dann entsprechende Header über den jeweiligen Ein- und Austrittsöffnungen der Wärmeaustauschpassagen anzubringen und mit Rohrleitungen zu versehen. Die Verrohrung des Plattenwärmetauschers wird in diesem Fall sehr komplex und aufwändig.

Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher weist einen Wärmetauscherblock mit einer Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen auf. Die Wärmeaustauschpassagen können in bestimmte Gruppen eingeteilt werden, wobei die Wärmeaustausch passagen einer Gruppe jeweils zur Führung eines bestimmten Fluidstromes dienen. Über den Ein- bzw. Austrittsöffnungen in die Wärmeaustauschpassagen einer Gruppe sind Header jeweils so angebracht, dass eine Strömungsverbindung zwischen diesen Passagen hergestellt wird.

Der Header, teilweise auch als Sammler bezeichnet, deckt einen Teil einer Wärmetauscherblockseite ab und bildet mit dieser einen abgeschlossenen Raum, in den die Ein- oder Austrittsöffnungen einer Gruppe von Wärmeaustauschpassagen münden. Erfindungsgemäß ist der Header mit einem Fluidanschluss versehen, der im Wesentlichen senkrecht zu der Seite des Wärmetauscherblocks angeordnet ist, über die sich der Header erstreckt.

Aus EP 1452817 A1 ist es bekannt, den Fluidanschluss, d. h. die Öffnung des Headers zu den jeweiligen Fluidstrom zu- bzw. abführenden Rohrleitungen, in einer Ebene anzuordnen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene liegt, in der sich die entsprechenden Ein- bzw. Austrittsöffnungen in die Wärmeaustauschpassagen befinden. Das heißt, der Fluidanschluss befindet sich gerade nicht direkt gegenüber den Ein- bzw. Austrittsöffnungen.

Durch diese Ausführung der Header und insbesondere des Fluidanschlusses wird es möglich, alle Fluidanschlüsse auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauscherblocks, vorzusehen. Häufig ist es sogar möglich, den Plattenwärmetauscher so zu gestalten, dass sich alle Fluidanschlüsse auf derselben Seite des Wärmetauscherblocks befinden. Die Rohrleitungen zum Zu- und Abführen der miteinander in Wärmetausch gebrachten Stoffströme müssen daher nicht mehr aufwändig um den Wärmetauscherblock herumgeführt werden. Der Verrohrungsaufwand wird wesentlich verringert. Der Header dient nicht nur zum Verteilen des zugeführten Fluidstromes auf die Wärmeaustauschpassagen bzw. zum Sammeln des aus den Wärmeaustauschpassagen austretenden Fluids, sondern auch zum Zu- bzw. Abführen der entsprechenden Fluidströme.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Plattenwärmetauscher der eingangs genannten Art weiter zu verbessern.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im Inneren der Rohrleitung unmittelbar vor ihrem Ende ein Mittel zur Strömungsführung angeordnet ist.

Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass es sich an dem Fluidanschluss, also am Übergang zwischen Rohrleitung und Header an der Blockkante zu Ablösewirbeln kommen kann, die zu einer Ungleichverteilung der Strömung in den Passagen führt. Diese Ungleichverteilung kann zu einer thermischen Minderleistung und auch zu zusätzlichen thermischen Spannungen des Apparates führen. Erfindungsgemäß wird nun im Eintrittsstutzen, also an dem Ende der Rohrleitung, an der sich der Fluidanschluss befindet, ein Mittel zur Strömungsführung angeordnet. Überraschenderweise ist es durch eine derartige, relativ kostengünstige Leiteinrichtung im Eintrittsstutzen möglich, den Ablösewirbel von den Passagen fernzuhalten und damit die Gleichverteilung im Header wesentlich zu verbessern.

Dieses Mittel ist "am Ende der Rohrleitung" angeordnet. Das kann, muss aber nicht heißen, dass das Mittel bis zum Ende der Rohrleitung, also bis zum Fluidanschluss reicht. Es kann auch ein geringer Abstand zwischen dem zum Fluidanschluss weisenden Ende des Mittels und dem Fluidanschluss liegen. Dieser Abstand ist jedenfalls gering im Vergleich zur Länge der Rohrleitung und vorzugsweise wesentlich kleiner als der Durchmesser der Rohrleitung und beträgt vorzugsweise weniger als 100 mm, insbesondere weniger als 10 mm. Ist die Rohrleitung relativ kurz, kann das Mittel auch über die ganze oder im Wesentlichen die ganze Rohrleitung verlaufen.

Vorzugsweise besitzen die Header einen halbkreisförmigen Querschnitt, insbesondere haben sich halbzylindrische Schalen als Header bewährt. Bei einer solchen halbschalenförmigen Ausführung des Headers befindet sich der Fluidanschluss dann in einer der beiden halbkreisförmigen Grundflächen. Aus Festigkeitsgründen kann es vorteilhaft sein, die andere der Grundflächen nicht senkrecht, sondern beispielsweise schräg zum Halbzylindermantel zu orientieren.

Die Erfindung kann auch bei Plattenwärmetauschern mit mehreren Wärmetauscherblöcken angewendet werden. Diese werden auf die in EP 1452817 A1 und EP 1471322 A1 beschriebene Weise miteinander verbunden. Alternativ zu der Verbindung der Header zweier Blöcke mittels einer halbzylindrischen Rohrleitung kann eine solche Verbindung auch mittels eines Vollrohrs (zylindrische Rohrleitung) vorgenommen werden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, das erfindungsgemäße Strömungsführungsmittel auch in dieser Verbindungsleitung einzusetzen, insbesondere in Form einer ebenen Platte, die von der Kante des ersten Blocks zu der Kante des zweiten Blocks führt, ggf. mit kleinen Spalten zwischen Platte und Kanten.

Grundsätzlich kann das Mittel zur Strömungsführung jede geeignete Form annehmen und beispielsweise ein gekrümmte Platte aufweisen. Fertigungstechnisch günstiger ist es jedoch, wenn das Mittel zur Strömungsführung mindestens eine ebene Platte aufweist und beispielsweise aus einer einzigen oder zwei oder mehr miteinander verbundenen ebenen Platten besteht. Bei einer Mehrzahl von ebenen Platten sind diese vorzugsweise gegeneinander geneigt.

Vorzugsweise weist bzw. weisen die ebene(n) Platte(n), welche das Mittel zur Strömungsführung bildet bzw. bilden, Öffnungen auf. Im einfachsten Fall besteht das Mittel zur Strömungsführung aus einem einzigen ebenen Lochblech.

Alternativ sind die oder eine oder alle ebene(n) Platte(n) massiv, das heißt ohne oder ohne wesentliche Lochung, das heißt der freie Lochquerschnitt ist kleiner als 20%, vorzugsweise kleiner als 10%.

Es ist ferner günstig, wenn der dem Wärmetauscherblock (1) zugewandte Bereich des Mittels (23) zur Strömungsführung als Platte ausgebildet ist und an einer Kante (4) des Wärmetauscherblocks oder in deren Nähe endet und dass insbesondere die Mittelachse der Rohrleitung durch das blockseitige Ende des Mittels (23) zur Strömungsführung verläuft. Durch diese Maßnahmen wird besonders effektiv die Bildung von Ablösewirbeln an der Kante des Blocks verhindert.

"In der Nähe" bedeutet hier, dass der Abstand zwischen blockseitigem Ende der Platte und der Kante des Blocks jedenfalls deutlich geringer ist als der Durchmesser der Rohrleitung, und beträgt beispielsweise weniger als 100 mm, insbesondere weniger als 10 mm.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 und 2 je eine Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit einem Header und einer Rohrleitung und
3 und 4 zwei weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherblock.
In den 1 und 2 ist ein Plattenwärmetauscher schematisch in zwei zueinander senkrechten Blickrichtungen dargestellt. Er weist in dem Ausführungsbeispiel einen Wärmetauscherblock 1 mit einer Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen auf, die der Übersichtlichkeit halber in den Figuren nicht gezeigt sind. Die Eintrittsöffnungen einer Gruppe von Wärmeaustauschpassagen befinden sich in dem Bereich 2 der oberen Wand 3 des Wärmetauscherblocks 1. Auf die obere Wand 3 ist ein halbzylindrischer Header 6 aufgeschweißt, der die Eintrittsöffnungen überdeckt. (Selbstverständlich weist der Wärmetauscherblock weitere Header und Ein- beziehungsweise Austrittsöffnungen auf; diese sind in den Zeichnungen nicht dargestellt.)
Der Header 6 ist als halbzylindrische Schale mit Grundfläche 8 ausgeführt. Die Grundfläche 8 stellt den "Fluidanschluss" dar. An dieser Stelle ist der Header 6 mit einer Rohrleitung 12 verbunden, über die im Betrieb das in die Wärmeaustauschpassagen einzuführende Fluid von links heranströmt. (Die Rohrleitung 12 setzt sich nach links über den Rand der 1 hinweg fort.) Die Rohrleitung 12 ist mit dem Header 6 dicht verbunden, so dass das zuströmende Fluid über Rohrleitung 12 durch die offene Grundfläche 8 in den Header 6 strömt und in dem Header 6 auf die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen des Blocks 1 verteilt wird.
Gemäß der Erfindung ist im Inneren des zylinderförmigen Endstücks der Rohrleitung 12, das in den Zeichnungen dargestellt ist, ein Leitblech 23 als "Mittel zur Strömungsführung" angeordnet. Das Leitblech 23 kann beispielsweise durch ein ebenes Metallblech gebildet werden.
In dem Beispiel von 1 ist das Leitblech 23 auf der Zylinderachse der Rohrleitung und parallel zu der Oberfläche 3 des Wärmetauscherblocks 1 angeordnet, läuft also unmittelbar auf die Kante 4 des Blocks 1 zu. Im Gegensatz zu der Darstellung in 1 kann das Ende des Leitblechs 23 an den Block angeschweißt werden. Vorzugsweise verbleibt jedoch ein kleiner Spalt 5 von weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 10 mm, zum Beispiel etwa 5 mm Breite zwischen der Leitblechkante und dem Block zu lassen. (In 2 liegt das Leitblech genau vor der oberen Kante des Wärmetauscherblocks 1 im Bereich 2 und ist daher nicht eigens sichtbar.)
Das Leitblech kann auch andere Formen aufweisen, wobei sein blockseitiges Ende in allen Fällen an oder in der Nähe der Kante 4 enden sollte. Beispiele für solche anders geformten Mittel zu Strömungsführung sind in den weiteren Zeichnungen dargestellt – 3 zeigt eine gegenüber der Achse der Rohrleitung geneigte einzelne Platte 24, 4 ein Mittel, das zwei gegeneinander geneigte Platten 25, 26 aufweist, die an einer Kante miteinander verbunden sind; selbstverständlich können die beiden Platten 25, 26 aus einem einzigen Werkstück hergestellt sein, beispielsweise durch Abkanten.
Der Header 6 kann abweichend von den Zeichnungen auch entlang einer Kante 10 und/oder an der Breitseite 11 des Blocks (1) angeordnet sein.

Claims

Plattenwärmetauscher mit einem Wärmetauscherblock (1), der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen aufweist, wobei am Wärmetauscherblock ein Header (6) angebracht ist, der sich über zumindest einen Teil einer Seite (3) des Wärmetauscherblocks erstreckt und der eine Strömungsverbindung zwischen einem Teil der Wärmeaustauschpassagen herstellt und mit einem Fluidanschluss (8) versehen ist, der durch das headerseitige Ende einer Rohrleitung (12) gebildet wird, wobei der Fluidanschluss im Wesentlichen senkrecht zu der Seite des Wärmetauscherblocks angeordnet ist, über der sich der Header erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren der Rohrleitung (12) unmittelbar vor ihrem Ende ein Mittel (23, 24, 25, 26) zur Strömungsführung angeordnet ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Header (6) einen halbkreisförmigen Querschnitt besitzt.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmetauscher mehrere Wärmetauscherblöcke aufweist und der Header eine Strömungsverbindung zwischen Wärmeaustauschpassagen verschiedener Wärmetauscherblöcke herstellt.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherblöcke beabstandet nebeneinander angeordnet sind und der Spalt zwischen den Wärmetauscherblöcken so mittels eines Bleches oder einer Leiste verschlossen ist, dass die den Wärmetauscherblöcken zugewandte Seite des Headers durch die Seitenflächen des Wärmetauscherblockes und/oder das Blech oder die Leiste vollständig abgedeckt ist.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsführung mindestens eine ebene Platte (23, 24, 25, 26) aufweist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsführung durch eine einzige ebene Platte (23, 24) gebildet wird.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Strömungsführung durch mindestens zwei ebene Platten (25, 26) gebildet wird, die zueinander geneigt sind.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die ebene(n) Platte(n) (23, 24, 25, 26) Öffnungen aufweist bzw. aufweisen.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oder eine oder alle ebene(n) Platte(n) (23, 24, 25, 26) massiv ausgebildet ist bzw. sind.
Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Wärmetauscherblock (1) zugewandte Bereich des Mittels (23) zur Strömungsführung als Platte (23, 24, 26) ausgebildet ist und an einer Kante (4) des Wärmetauscherblocks oder in deren Nähe endet und dass insbesondere die Mittelachse der Rohrleitung durch das blockseitige Ende des Mittels (23, 24, 26) zur Strömungsführung verläuft.