DE102006009791A1

DE102006009791A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102006009791A1
Application number: DE200610009791
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr.-Ing. Reitz; Knut Dipl.-Ing. Böminghaus
Original assignee: Schnabel & Co KG Dr GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2006-03-01
Filing date: 2006-03-01
Publication date: 2007-09-06

Abstract

Der Wärmetauscher besteht aus mehreren übereinander gestapelten profilierten Wärmetauscherplatten, die jeweils vier Durchgangsöffnungen besitzen und bei dem zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten Strömungsbereiche gebildet werden, die über Zu- und Abführkanäle alternierend mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschermedium beschickt werden können und Dichtungen für die Abdichtung von Strömungsbereichen und Zu- und Abführkanäle vorhanden sind. Die Wärmetauscherplatten (3) weisen in den den Strömungsbereich (9) und die Durchgangsöffnungen (11) umgreifenden Bereichen rechteckförmig ausgebildete Nuten (10) auf, in denen jeweils ein Dichtsystem in O-Ring-Form angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, beispielsweise der Energietechnik, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter oder monolithischer Keramik, wobei die gestapelten Platten mindestens zwei Kanalsysteme bilden, die übereinander durch mindestens eine Platte getrennt in beliebig vielen Schichten angeordnet sind und an gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels durch Deckplatten, die Zulauf- und Ablaufeinrichtungen aufnehmen, begrenzt sind.

Stand der Technik

Bekannt ist aus der DE 1 2004 05 832 B4 ein Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, dessen Plattenstapel aus einer Vielzahl von ebenen Platten besteht, in deren Eckbereichen jeweils ein Einlaß und ein Auslaß und zwischen den einzelnen ebenen Platten umlaufende gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildete Dichtelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte und einem auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte bestehen und die ebene Grundplatte mit der Rahmenplatte mittels eines Keramikklebers aus artgleichem keramischen Materials verbunden ist.

Die Platten weisen keine Nuten zur Aufnahme von Dichtelementen auf. Die bei dieser Lösung eingesetzten Dichtelemente sind so ausgebildet, daß sich der stegförmige Bereich zwischen benachbarten Platten befindet und der aus einzelnen Platten bestehende Stapel im Rahmenkörper verspannt wird und so die Dichtheit hergestellt wird.

Aus der DE 196 17 396 A1 ist ein Strömungsmodul, umfassend eine Mehrzahl von Plattenelementen, bekannt, wobei von den beiden jeweils sich gegenüberliegenden Oberflächen benachbarter Plattenelemente mindestens eine Plattenelementoberfläche eine geradlinig parallel ausgebildete Profilierung aufweist, so daß zwischen benachbarten Plattenelementen Strömungsräume (Kammern) aus einer Mehrzahl geradliniger, paralleler Strömungskanäle gebildet werden.

Die zur Realisierung einer verläßlichen Dichtung sowie zur Minimierung der Gestehungskosten zwischen jeweils zwei Plattenelementen eingesetzten Dichtungen sind jeweils als umlaufende Dichtungen ausgebildet, die in einer umlaufenden Nut einer Plattenoberfläche integriert wird.

Die Dichtungen sind als Flachdichtungen ausgeführt und werden in den umlaufenden einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Nuten eingesetzt. Die Dicke der Flachdichtungen ist so ausgeführt, daß diese aus den Nuten herausragen. Sie sind bevorzugt als Elastomerdichtungen ausgeführt und können in die Nuten vorteilhaft einvulkanisiert, eingelegt oder eingespritzt sein. Durch Verspannen des Plattenstapels wird dann die Dichtheit hergestellt.

Einvulkanisierte oder eingespritzte Elastomerdichtungen haben hier den Nachteil, daß bei Undichtheiten ganze Platten ausgetauscht werden müssen oder die in den Nuten befindliche Elastomermasse aufwendig aus den Nuten entfernt werden müssen.

Die vorbekannten Lösungen haben insgesamt den Nachteil, daß bei der Montage des Plattenstapels die einzelnen Platten hohl liegen, das heißt, zwischen den Stegen bzw. der Profilierung verbleibt ein Zwischenraum. Beim Verspannen des Stapels können Biegemomente auftreten, die beim Einsatz von Platten aus keramischen Material zum Bruch derselben führen können. Je größer der Plattenstapel, desto größer ist dieser Effekt.

Aufgabenstellung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Wärmetauscher zu schaffen, der mehrere einen Stapel bildende Platten umfaßt, zwischen denen nach jeder Wärmetauscherplatte ein einfaches Dichtungssystem vorgesehen ist und bei dem die Bruchgefahr bei Einsatz keramischer Wärmetauscherplatten beim Verspannen des Plattenstapels minimiert wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, in dem der Wärmetauscher aus mehreren übereinander gestapelten profilierten Wärmetauscherplatten besteht, die jeweils vier Durchgangsöffnungen besitzen und bei dem zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten Strömungsbereiche gebildet werden, die über Zu- und Abführkanäle alternierend mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschermedium beschickt werden können und Dichtungen für die Abdichtung von Strömungsbereichen und Zu- und Abführkanäle vorhanden sind.

Die Wärmetauscherplatten weisen in den den Strömungsbereich und die Durchgangsöffnungen umgreifenden Bereichen rechteckförmig ausgebildete Nuten auf, in denen jeweils ein Dichtsystem in O-Ring-Form angeordnet ist.

Der Querschnitt der Nuten ist derart ausgebildet, daß dieser im verspannten Zustand des Plattenstapels die O-Ring-Dichtung optimal aufnehmen kann, wobei die unteren unprofilierten Seiten der Wärmetauscherplatten sowohl auf den Stegen als auch auf den Randbereichen der profilierten Wärmetauscherplatten vollständig bzw. spaltfrei aufliegen.

Die Wärmetauscherplatten bestehen aus keramischem Material und sind einseitig profiliert, wobei die Strömungsbereiche mit Stegen zur Umlenkung des Wärmetauschermediums versehen sein können. Die Stege können vom inneren Rand des Strömungsbereiches beabstandet angeordnet sein, wodurch sowohl ein Stau des Wärmetauschermediums als auch eine mögliche Ablagerung von Verunreinigungen in den Eckbereichen vermieden werden kann. Die freien Strömungsquerschnitte einer Kammer korrespondieren mit den Ein- und Austrittsquerschnitten der jeweiligen Kammer.

Das Dichtsystem besteht aus einzelnen O-Ring-Dichtungen, die jeweils die Durchgangsöffnungen und den Strömungsbereich der Wärmetauscherplatten (Kammer) umgreifen.

Der Plattenstapel des Wärmetausches kann so ausgeführt sein, daß dieser aus Platten mit im Strömungsbereich angeordneten Stegen besteht.

Es ist auch möglich, den Plattenstapel abwechselnd aus Platten mit im Strömungsbereich angeordneten Stegen und Platten ohne im Strömungsbereich angeordneten Stegen zu bilden, um in den Strömungsbereichen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten zu realisieren.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt darin, daß zwischen den Wärmetauscherplatten ein einfaches Dichtungssystem aus O-Ring-Dichtelementen angeordnet ist, wobei die die Dichtringe aufnehmenden Nuten derart ausgebildet sind, daß beim Verspannen des Plattenstapels die Gefahr des Hohlliegens der einzelnen Wärmetauscherplatten und somit die Bruchgefahr vermieden wird. Beim Verspannen der Platten des Stapels können die O-Ring-Dichtelemente den Raum innerhalb der Nuten ausfüllen, wobei die Platten planparallel aufeinander liegen und untereinander abgedichtet sind.

Ausführungsbeispiel
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen
1 – Seitenansicht des Verbundwärmetauschers
2 – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten
3 – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten
4 – perspektivische Darstellung der Grund- und Rahmenplatte
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, als Plattenwärmetauscher im Gegenstromprinzip ausgeführt, ist in 1 dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Plattenstapel 2, der in einem metallischen Rahmenkörper 1 angeordnet ist.
Der Plattenstapel 2 besteht aus den Platten 3, wobei zwischen den einzelnen Platten 3 jeweils ein Dichtsystem angeordnet ist. Das Dichtsystem besteht aus einzelnen O-Ring-Dichtungen 4, die in den Nuten 10 angeordnet sind.
Auf dem Deckelement 5, das mit Einrichtungen für den Einlaß und den Auslaß versehen ist, werden im Wechsel die Platten 3 angeordnet. Ist die gewünschte Anzahl der Kammern erreicht, wird das Spannelement 6, aufgesetzt und mittels der Stegbolzen 7 verspannt.
Der zwischen Deckelement 5 und Spannelement 6 verspannte Plattenstapel 2 wird in den Rahmenkörper 1 eingebracht. Dieser dient zur Montage des Verbundwärmetauschers in der entsprechenden Anlage.
Die 2 zeigt die Draufsicht einer Wärmetauscherplatte 3 mit im Strömungsbereich 9 angeordneten Stegen 8. In einer besonderen Ausführung sind die Stege 8 nicht mit dem inneren Rand des Strömungsbereiches 9 verbunden, sondern ca. 2 mm von diesem beabstandet. Dadurch wird zum einen ein Stau des Wärmetauschermediums und zum anderen eine mögliche Ablagerungen in den Eckbereichen vermieden.
Die 3 zeigt die Draufsicht einer Wärmetauscherplatte 3, in deren Strömungsbereich 9 keine Stege 8 angeordnet sind.
In den den Strömungsbereich 9 und die Durchgangsöffnungen 11 umgebenden Bereichen sind rechteckförmige Nute 10 vorgesehen, die die O-Ring-Dichtungen 4 des Dichtsystems aufnehmen.
Die 4 zeigt eine perspektivische Darstellung der Grundplatte 12 und der Rahmenplatte 13, aus denen die Wärmetauscherplatte 3 zusammengesetzt ist. Die Grundplatte 12 ist als dünne, gegebenenfalls mit Stegen 8 versehene Keramikplatte ausgebildet und weist in den Eckbereichen jeweils die Einlaßöffnung 14 sowie die Auslaßöffnung 15 auf. Auf diese Grundplatte 12 wird jeweils eine Rahmenplatte 13 aufgesetzt. Die Rahmenplatte 13 ist ebenfalls aus einem Keramikmaterial hergestellt.
Über die Dicke der Rahmenplatte 13 kann das Kammervolumen variiert werden. In zwei diametral gegenüberliegenden Eckbereichen sind Materialanhäufungen 16 vorgesehen, in denen die Durchgangsöffnungen 11 für die darüber- bzw. darunterliegende Kammer angeordnet ist.
Diese Rahmenplatten 13 werden nun mit Grundplatten 12 durch Kleben verbunden und zwar derart, daß die Rahmenplatte 13 abwechselnd um 360° verdreht aufgebracht ist.
Nachdem Grundplatte 12 und Rahmenplatte 13 hergestellt sind, werden diese durch Kleben miteinander verbunden, wobei als Kleber beispielsweise ein anorganisches, keramikähnliches Material zu Anwendung kommt.
Bei allen Wärmetauscherplatten 3 des Plattenstapels 2 haben Grundplatte 12 und Rahmenplatte 13 die gleiche Form. Nur durch Wenden der Rahmenplatte 13 auf der Grundplatte 12 um 180° werden die entsprechenden Platten 3, die für den Aufbau des Plattenwärmetauschers benötigt werden, hergestellt.

1: Rahmenkörper
2: Plattenstapel
3: Wärmetauscherplatte
4: O-Ring-Dichtung
5: Bodenelement
6: Deckelement
7: Stegbolzen
8: Stege
9: Strömungsbereich
10: Nut
11: Durchgangsöffnung
12: Grundplatte
13: Rahmenplatte
14: Einlaßöffnung
15: Auslaßöffnung
16: Materialanhäufungen

Claims

Wärmetauscher, der mehrere übereinandergestapelte profilierte Wärmetauscherplatten, die jeweils vier Durchgangsöffnungen besitzen, und bei dem zwischen benachbarten Wärmetauscherplatten Strömungsbereiche gebildet werden, die über Zu- und Abführkanäle alternierend mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauschermedium beschickt werden können und Dichtungen für die Abdichtung von Strömungsbereichen und Zu- und Abführkanälen vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (3) in den den Strömungsbereich (9) und die Durchgangsöffnungen (11) umgreifenden Bereichen rechteckförmig ausgebildete Nuten (10) aufweisen, in denen jeweils ein Dichtsystem in O-Ring-Form angeordnet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Nuten (10) derart ausgebildet ist, daß dieser im verspannten Zustand des Plattenstapels (2) die O-Ring-Dichtung (4) optimal aufnehmen kann, wobei die benachbarten Wärmetauscherplatten (3) vollständig bzw. spaltfrei aufeinander liegen.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (3) aus keramischem Material bestehen und einseitig profiliert sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Strömungsquerschnitte mit den Ein- und Austrittsquerschnitten der jeweiligen Kammer korrespondieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsystem aus einzelnen O-Ring-Dichtungen (4) besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsbereiche (9) mit Stegen (8) zur Umlenkung des Wärmetauschermediums versehen sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege 8 vom inneren Rand des Strömungsbereiches (9) beabstandet angeordnet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenstapel (2) aus Platten (3) mit im Strömungsbereich (9) angeordneten Stegen (8) besteht.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenstapel (2) abwechselnd aus Platten (3) mit im Strömungsbereich (9) angeordneten Stegen (8) und Platten (3) ohne im Strömungsbereich (9) angeordneten Stegen (8) gebildet wird.