DE102006009791A1 - Fluid heat exchanger has a stack of plates forming flow paths and having inset O ring seals - Google Patents

Fluid heat exchanger has a stack of plates forming flow paths and having inset O ring seals Download PDF

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Abstract

The fluid heat exchanger system is formed with a stack of plates [3] arranged to alternate with the two flows across the surfaces. The plates have formed grooves around the edges and these receive O ring seals [4]. The stack is clamped securely between end plates.

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.The The invention relates to a composite heat exchanger for use in chemical apparatus construction and in other fields, for example the power engineering, consisting of a metallic frame body and a plate stack of fiber reinforced or monolithic ceramics, wherein the stacked plates form at least two channel systems, the one above the other separated by at least one plate in any number of layers are arranged and opposite Sides of the plate stack by cover plates, the inlet and outlet devices record, are limited.

Stand der Technikwas standing of the technique

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.Is known from the DE 1 2004 05 832 B4 a composite heat exchanger for use in chemical apparatus construction, consisting of a metallic frame body and a plate stack of fiber reinforced ceramic, the plate stack consists of a plurality of flat plates, in their corners each have an inlet and an outlet and circulating between the individual flat plates at the same time as spacers formed sealing elements are arranged, characterized in that the plates are formed such that they consist of a non-profiled planar base plate and a patch on this flat frame plate and the flat base plate is connected to the frame plate by means of a ceramic adhesive from similar material ceramic material.

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.The Plates have no grooves for receiving sealing elements. The used in this solution Sealing elements are designed so that the web-shaped area located between adjacent panels and that of individual panels existing stacks in the frame body is clamped and so the tightness is produced.

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.From the DE 196 17 396 A1 is a flow module, comprising a plurality of plate elements, known, wherein of the two respective opposite surfaces of adjacent plate elements at least one plate element surface has a rectilinear parallel profiling, so that between adjacent plate elements flow spaces (chambers) of a plurality of rectilinear, parallel flow channels are formed ,

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.The to realize a reliable Seal as well as to minimize the cost price between each two plate elements used seals are each as a circumferential Formed seals that integrated in a circumferential groove of a plate surface becomes.

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.The Gaskets are designed as gaskets and are in the circumferential used a rectangular cross-section grooves. The Thickness of the gaskets is designed so that they protrude from the grooves. They are preferably designed as elastomer seals and can in the grooves advantageously vulcanized, inserted or injected be. By clamping the plate stack then the tightness produced.

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.vulcanized or injected elastomer seals have the disadvantage here, that at Leaks whole plates must be replaced or the elastomeric material located in the grooves consuming from the grooves must be removed.

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.The previously known solutions Overall, have the disadvantage that when mounting the plate stack the individual plates are hollow, that is, between the webs or the profiling leaves a gap. When tightening the Piles can Bending moments occur when using ceramic plates Cause material to break can. The bigger the Plate stack, the bigger it is this effect.

Aufgabenstellungtask

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.task The present invention is to provide a heat exchanger, the a plurality of plates forming a stack, between which after each heat exchanger plate a simple sealing system is provided and at which the risk of breakage when using ceramic heat exchanger plates is minimized when clamping the plate stack.

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.According to the invention this is achieved in which the heat exchanger from several over each other consists of stacked profiled heat exchanger plates, the four through holes have and between the adjacent heat exchanger plates flow areas be formed over Supply and discharge channels alternating charged with a first and a second heat exchange medium can be and seals for the sealing of flow areas and inlet and outlet channels available are.

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.The heat exchanger plates point into the flow area and the passage openings enclosing areas rectangular formed grooves, each containing a sealing system in O-ring shape is arranged.

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.The cross section of the grooves is designed such that it can absorb the O-ring seal optimally in the clamped state of the plate stack, the lower unprofiled sides of the Heat exchanger plates rest on both the webs as well as on the edge regions of the profiled heat exchanger plates completely or gap-free.

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.The heat exchanger plates consist of ceramic material and are profiled on one side, the flow areas with webs for deflecting the heat exchanger medium can be provided. The webs can from the inner edge of the flow area be spaced apart, causing both a jam of the heat exchange medium as well as a possible Deposit of impurities in the corners can be avoided. The free flow cross sections a chamber correspond with the inlet and outlet cross-sections the respective chamber.

Das Dichtsystem besteht aus einzelnen O-Ring-Dichtungen, die jeweils die Durchgangsöffnungen und den Strömungsbereich der Wärmetauscherplatten (Kammer) umgreifen.The Sealing system consists of individual O-ring seals, respectively the passageways and the flow area the heat exchanger plates Embrace (chamber).

Der Plattenstapel des Wärmetausches kann so ausgeführt sein, daß dieser aus Platten mit im Strömungsbereich angeordneten Stegen besteht.Of the Plate stack of heat exchange can be done that way be that this one from plates with in the flow area arranged webs consists.

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.It is possible, too, the plate stack alternately from plates with in the flow area arranged webs and plates without arranged in the flow area webs to form around in the flow areas different flow rates to realize.

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.Of the Advantage of the invention is solution in that between the heat exchanger plates simple sealing system is arranged from O-ring sealing elements, wherein the grooves receiving the sealing rings are formed such that when tightening the plate stack the risk of Hohlliegens the individual heat exchanger plates and thus the risk of breakage is avoided. When clamping the plates of the stack the O-ring sealing elements fill the space inside the grooves, with the plates plane-parallel lie on each other and are sealed to each other.

Ausführungsbeispielembodiment

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigenBased an embodiment the invention should be closer to be discribed. Show it

1 – Seitenansicht des Verbundwärmetauschers 1 - Side view of the composite heat exchanger

2 – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten 2 - Top view of the plate with details

3 – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten 3 - Top view of the plate with details

4 – perspektivische Darstellung der Grund- und Rahmenplatte 4 - Perspective view of the base and frame plate

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.The heat exchanger according to the invention, designed as a plate heat exchanger in countercurrent principle, is in 1 shown. It consists essentially of a plate stack 2 standing in a metallic frame body 1 is arranged.

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.The plate stack 2 consists of the plates 3 , being between each plate 3 in each case a sealing system is arranged. The sealing system consists of individual O-ring seals 4 that in the grooves 10 are arranged.

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.On the cover element 5 , which is provided with facilities for the inlet and the outlet, are alternately the plates 3 arranged. When the desired number of chambers has been reached, the clamping element becomes 6 , put on and by means of the web pin 7 braced.

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.The between cover element 5 and tensioning element 6 strained plate stacks 2 gets into the frame body 1 brought in. This is used to install the composite heat exchanger in the appropriate system.

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.The 2 shows the top view of a heat exchanger plate 3 with in the flow area 9 arranged webs 8th , In a particular embodiment, the webs 8th not with the inner edge of the flow area 9 connected, but spaced about 2 mm from this. As a result, on the one hand, a jam of the heat exchange medium and on the other a possible deposits in the corners avoided.

Die 3 zeigt die Draufsicht einer Wärmetauscherplatte 3, in deren Strömungsbereich 9 keine Stege 8 angeordnet sind.The 3 shows the top view of a heat exchanger plate 3 , in their flow area 9 no bars 8th are arranged.

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.In the flow area 9 and the passage openings 11 surrounding areas are rectangular grooves 10 provided the O-ring seals 4 of the sealing system.

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.The 4 shows a perspective view of the base plate 12 and the frame plate 13 that make up the heat exchanger plate 3 is composed. The base plate 12 is as thin, possibly with webs 8th provided ceramic plate formed and has in the corner areas in each case the inlet opening 14 as well as the outlet opening 15 on. On this base plate 12 each becomes a frame plate 13 placed. The frame plate 13 is also made of a ceramic material.

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.About the thickness of the frame plate 13 the chamber volume can be varied. In two diams Tral opposite corner areas are accumulations of material 16 provided in which the passage openings 11 is arranged for the overlying or underlying chamber.

Diese Rahmenplatten 13 werden nun mit Grundplatten 12 durch Kleben verbunden und zwar derart, daß die Rahmenplatte 13 abwechselnd um 360° verdreht aufgebracht ist.These frame plates 13 are now using base plates 12 connected by gluing in such a way that the frame plate 13 alternately twisted by 360 ° is applied.

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.After base plate 12 and frame plate 13 are prepared, these are bonded together by gluing, as an adhesive, for example, an inorganic, ceramic-like material is used.

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.For all heat exchanger plates 3 of the disk stack 2 have base plate 12 and frame plate 13 the same shape. Only by turning the frame plate 13 on the base plate 12 180 ° are the corresponding plates 3 , which are needed for the construction of the plate heat exchanger manufactured.

11
Rahmenkörperframe body
22
Plattenstapelplate stack
33
Wärmetauscherplatteheat exchanger plate
44
O-Ring-DichtungO-ring seal
55
Bodenelementfloor element
66
Deckelementcover element
77
Stegbolzenstud pin
88th
StegeStege
99
Strömungsbereichflow region
1010
Nutgroove
1111
DurchgangsöffnungThrough opening
1212
Grundplattebaseplate
1313
Rahmenplatteframe plate
1414
Einlaßöffnunginlet port
1515
Auslaßöffnungoutlet
1616
Materialanhäufungenmaterial accumulations

Claims (9)

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.A heat exchanger having a plurality of stacked profiled heat exchanger plates, each having four through holes, and in which between adjacent heat exchanger plates flow areas are formed, which can be fed via inlet and outlet channels alternately with a first and a second heat exchange medium and seals for the sealing of flow areas and Zu - and discharge channels are present, characterized in that the heat exchanger plates ( 3 ) into the flow area ( 9 ) and the passage openings ( 11 ) encompassing areas rectangular shaped grooves ( 10 ), in each of which a sealing system is arranged in O-ring shape. 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.Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the cross section of the grooves ( 10 ) is designed such that it in the clamped state of the plate stack ( 2 ) the O-ring seal ( 4 ), wherein the adjacent heat exchanger plates ( 3 ) lie completely or without gaps on each other. Wärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (3) aus keramischem Material bestehen und einseitig profiliert sind.Heat exchanger according to Claims 1 and 2, characterized in that the heat exchanger plates ( 3 ) consist of ceramic material and are profiled on one side. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Strömungsquerschnitte mit den Ein- und Austrittsquerschnitten der jeweiligen Kammer korrespondieren.heat exchangers according to claim 1 to 3, characterized in that the free Flow areas correspond with the inlet and outlet cross sections of the respective chamber. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsystem aus einzelnen O-Ring-Dichtungen (4) besteht.Heat exchanger according to Claims 1 to 4, characterized in that the sealing system consists of individual O-ring seals ( 4 ) consists. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsbereiche (9) mit Stegen (8) zur Umlenkung des Wärmetauschermediums versehen sind.Heat exchanger according to Claims 1 to 5, characterized in that the flow areas ( 9 ) with bars ( 8th ) are provided for deflecting the heat exchanger medium. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege 8 vom inneren Rand des Strömungsbereiches (9) beabstandet angeordnet sind.Heat exchanger according to claim 1 to 6, characterized in that the webs 8 from the inner edge of the flow area ( 9 ) are arranged at a distance. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenstapel (2) aus Platten (3) mit im Strömungsbereich (9) angeordneten Stegen (8) besteht.Heat exchanger according to Claims 1 to 6, characterized in that the plate stack ( 2 ) from plates ( 3 ) with in the flow area ( 9 ) arranged webs ( 8th ) consists. 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.Heat exchanger according to Claims 1 to 6, characterized in that the plate stack ( 2 ) alternately from plates ( 3 ) with in the flow area ( 9 ) arranged webs ( 8th ) and plates ( 3 ) without in the flow area ( 9 ) arranged webs ( 8th ) is formed.
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