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Die
Erfindung betrifft einen Plattenapparat für Wärmeübertragungsvorgänge.
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Wärmeaustauschvorgänge und
chemische Reaktionen mit Flüssigkeiten
und oder Gasen unter hohem Druck und hohen Temperaturen werden in metallischen
Rohrapparaten (Bündelwärmeaustauscher)
durchgeführt,
wobei die fluidführenden
Rohre auf Grund der hohen Drücke
große
Wandstärken
besitzen. Die großen
Wandstärken
sind einerseits erforderlich zur Aufnahme der anstehenden Druckkräfte, da
jedes einzelne Einzelrohr drucktragend ausgelegt ist und anderseits
wird dadurch die Wärmeübertragungsleistung
aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit
von z. B. metallischen Werkstoffen herabgesetzt.
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Müssen zusätzlich korrosionsfeste
Werkstoffe für
verfahrenstechnische Prozesse eingesetzt werden, ist es üblich, aufgrund
geringer Festigkeitswerte bei hohen Temperaturen, die produktführenden
Rohre mit einem umhüllenden,
eng anliegenden Mantelrohr zu versehen, so dass der eingesetzte
Materialaufwand sich deutlich erhöht und die Wärmeübertragungsleistung
sich zusätzlich
verschlechtert. In der Produktionstechnik werden hohe Durchsätze kontinuierlich
erzeugt, dadurch sind in den Apparaten Parallelanordnungen von dickwandigen
einschichtigen oder mehrschichtigen Rohren üblich, wobei jedes Einzelrohr
oder Produktkanal für
hohe Prozesskräfte ausgelegt
ist, was zu großen,
schweren und teuren Apparaten führt,
insbesondere wenn schwierig zu verarbeitende Materialien eingesetzt
werden.
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Bei
der Verarbeitung von gefährlichen
chemischen Stoffen haben große
Apparate in den Produkt- und Temperierräumen große Volumina, so dass sich bei
gefährlichen
Stoffen das Gefährdungspotential
erhöht.
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Bei
der Verarbeitung von viskosen Substanzen mit laminarem Strömungsverhalten
sind Rohrkanäle
in Bezug auf das Wärmeübertragungsverhalten und
in Verbindung mit den dickwandigen Rohrkanälen unwirtschaftlich. Ein weiteres
Problem ist die produktspezifische Belagbildung wodurch der Wärmeaustausch
und somit die Standzeit eines Apparates deutlich reduziert. Weiterhin
müssen
solche Apparate leicht zu reinigen sein.
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Wärmeübertragungsvorgänge bei
hohen Drücken
bis zu 500 bar und gleichzeitig hohen Prozesstemperaturen von bis
500°C benötigen nach dem
Stand der Technik Apparate mit hohem Materialaufwand, so dass hohe
Kosten auftreten, die Apparate große Abmessungen aufweisen und
schwierig zu montieren sind.
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Auch
so genannte Plattenwärmeübertrager sind
für derartige
Anwendungen nicht geeignet, da extrem dünne Bleche eingesetzt werden,
die bei hohen Drücken
zur Verformung neigen. Zusätzlich
ist das Risiko einer Korrosion sehr groß, so dass bei dünnen Wandstärken die
Schadenshäufigkeit
hoch ist, und diese Apparate in der Regel nur bei wenig korrosiven
Substanzen Verwendung finden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, für
chemische endotherme oder exotherme Reaktionen sowie für Wärmeaustauschvorgänge bei
hohen Drücken
bis zu 500 bar und gleichzeitig hohen Temperaturen bis zu 500°C einen Apparat
und ein Verfahren zu entwickeln, bei dem Kanal- bzw. Rohrwände deutlich
dünner
ausgeführt
werden können
und die Strömungsführung von
Flüssigkeiten,
Gasen und mehrphasigen Fluiden und viskosen Stoffen verbessert ist,
so dass verfahrenstechnische Vorgänge effizienter durchgeführt werden
können
und der Apparat kostengünstiger
und möglichst
kompakter gebaut werden kann. Des Weiteren ist es Aufgabe, eine
gute und verbesserte Reinigungsmöglichkeit
für einen
Betreiber zu schaffen, um bei Verschmutzung und Belagbildung an
den Wärmeaustauschflächen eine
schnelle Reinigung durchführen
zu können
und somit den Produktionsausfall zu verringern.
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Die
Aufgabe wurde durch einen erfinderischen Plattenapparat für Wärmeübertragungsvorgänge gelöst, der
in besonders kompakter und materialsparender Form gebaut werden
kann und bei dem eine Reinigung sehr einfach möglich ist.
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Die
Aufgabe wurde erfinderisch durch einen Plattenapparat zur Wärmeübertragung
gelöst
der, dadurch gekennzeichnet ist,
dass mindestens ein für ein Fluid
durchströmbarer Rechteckkanal
(1), bestehend aus oberer und unterer, glatter, gerader
nicht verformter Breitenwand (2, 3) und linker
und rechter Seitenwand (4, 5) besteht, wobei die
Breitenwände
dünner
als Seitenwände sind,
die Wände
des Rechteckkanals unlösbar
und gasdicht miteinander verbunden sind und der Rechteckkanal für ein Fluid
in Strömungsrichtung
(6) in seiner Längenausdehnung
durchströmbar
ist,
und Breitenwände
und Seitenwände
zusammen einen durchströmbaren
Querschnitt für
die Einströmung
eines Fluids bilden, dessen Quotient aus innerer Breitenwand zur
inneren Höhenausdehnung
der Seitenwand größer 20 bis
kleiner 1000 beträgt,
und
der Innenraum des Rechteckkanals mit mindestens einem herausziehbaren
durchströmbaren,
ein- oder mehrstückigen
Einsatz (7) mit flächigem
Kontakt zum Rechteckkanals bestückt
ist, dessen äußere geometrischen
Ausdehnungen den Innenraum des Rechteckkanals ausfüllen,
und
mindestens auf einer äußeren Breitenwand, über dessen
ganze Breiten- und Längenausdehnung,
mindestens ein durchströmbarer,
ein- oder mehrstückiger
Aufsatz (8) mit flächigem
Kontakt zum Rechteckkanal und oder Gehäuse lose aufgelegt ist,
und
wobei der Rechteckkanal mit wenigstens einem Aufsatz allseitig von
einem eng anliegendem Gehäuse
(9) umgeben ist, wobei das Gehäuse vordere und hintere Anströmplatten
(10, 11), parallel zu den Breitenwänden der
Rechteckkanäle
eine obere und untere Breitenplatte (12, 13) und
Aufsatzplatten (14, 15) mit Öffnungen (16) umfasst,
in den Anströmplatten schlitzförmige Öffnungen
(17) zur Aufnahme von Rechteckkanälen vorhanden und alle Gehäuseplatten
unlösbar
miteinander verbunden sind, der Rechteckkanal in der schlitzförmigen Öffnung der
Anströmplatten
hineinragt und dort ebenfalls verbunden ist, und dadurch ein nach
aussen dichtes Gehäuse
gebildet wird, das im Innern getrennte Strömungsbereiche hat
und
auftretende Druckkräfte
aus den Strömungsbereichen über flächige Kontakte
ans Gehäuse
weiterleitet,
die im Gehäuse
getrennten fluiden Strömungsbereiche
(6, 18) übereinander
liegen, und die Durchströmrichtungen
von Einsätzen
und Aufsätzen
in höhenversetzten
verschiedenen Ebenen im Winkel von 90 Grad kreuzen,
das Gehäuse über lösbare Anschlussadapter
für Anströmplatten
(19, 20) und Anschlussadapter für Aufsatzplatten
(21, 22) verfügt,
um eine Zuführung
und Ableitung von Fluiden zu ermöglichen,
durchströmbare herausziehbare
Einsätze
(7) und aufgelegte Aufsätze
(8) umfassen mindestens zwei gerade, nicht in der Schichtenebene
verformte, strukturierte Schichten (200, 300),
die Struktur der Schichten bildet sich aus rechteckigen funktionellen
Stegen und Lücken
(201, 301), wobei die Schichten den zugehörigen durchströmbaren Raum
bzw. Bereich mit ihren geometrischen Ausdehnungen ausfüllen und dadurch
die inneren und äußeren Flächen der
dünnen
Breitenwände über Flächenkontakte
der Stege stützen,
jede
strukturierte Schicht in ihrer Längenausdehnung mindestens
einen parallel zur Seitenwand (4, 5) oder zur
Stirnplatte verlaufenden federnden und verformbaren Federsteg (202, 302)
besitzt und der Federsteg mit mindestens einem Verbindungssteg (203, 303)
zum parallel verlaufenden Führungssteg
(204, 304) in der Schichtenebene verbunden ist,
und
ausgehend vom Führungssteg
und oder Federsteg eine Vielzahl von kürzeren Zwischenstegen (205, 305)
zum gegenüberliegenden
parallelen Federsteg verlaufen, und Zwischenstege in gerader Verlängerung
eine Federlücke
(206, 306) mit Verformungsweg (207, 307)
haben und eine Verformung des Federsteges begrenzen
und in
der Einströmungs-
und der Ausströmungszone
der Fluide eine Vielzahl von unterschiedlich langen Stützstegen
(208, 308) in den Strömungsbereich ragen,
Stege
einseitigen Flächenkontakt
zur Breitenwand oder zur Breitenplatte und einseitigen Flächenkontakt
zu benachbarten Stegen benachbarter Schichten haben um vorhandene
Druckkräfte
in das umgebende äußere Gehäuse zu leiten,
und
Verbindungs-, Zwischen- und Stützstege
von Schichten der Einsätze
und Aufsätze
zur jeweiligen Hauptströmungsrichtung
einen Neigungswinkel α von
10 bis 70 Grad besitzen,
und jeweils eine der zwei Schichten
von Einsätzen und
Aufsätzen
um die eigene Längsachse
der Längenausdehnung
um 180 Grad gewendet und auf die andere Schicht gelegt ist, dadurch
der vorhandene Neigungswinkel α der
Stege alterniert, sich dadurch Stege kreuzen und für ein Fluid
rückvermischungsarme durchströmbare Abschnitte
bilden.
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Breite
und flache Rechteckkanäle
mit dünnen
Breitenwänden
verhalten sich bei innerer Druckbelastung wie Membranen, so dass
schon bei geringer Belastung eine starke Verformung eintritt. Bei
innerem Druck im Rechteckkanal sorgen die Flächen der Stege der aufgelegten
Aufsätze
für eine
gleichmässige
und stabile Abstützung
der Breitenwände, so
dass die Materialstärke
der Breitenwand die wirkenden Druckkräfte nur partiell, im Abschnitt
der jeweiligen Lücke
aufnehmen muss. Die Stege der Aufsätze bestehen z. B. aus inkompressiblen
Werkstoffen, so dass die Wirkkräfte über Stege
der Aufsatzschichten zur Breitenplatte geführt und an die Aufsatzplatten
des Gehäuses
weiter geleitet werden können.
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Auftretende
Kräfte
in den Strömungsbereichen
im Innern des Gehäuses
können
sich teilweise kompensieren, so dass nur das Gehäuse durch Wirkkräfte belastet
ist. Gleichzeitig schränken
die Aufsatzplatten den Bewegungsraum der Aufsätze ein, so dass die losen
Aufsatzschichten zwischen Rechteckkanal und Gehäuse nahezu spielfrei eingelegt, insbesondere
eingeklemmt sind.
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Sind
mehrere Rechteckkanäle
mit zwischengelagerten Aufsätzen übereinander
und oder nebeneinander positioniert, so muss nur das Gehäuse des Plattenapparates
den Kräften
standhalten. Prozessbedeutende wärmeübertragende
Trennwände
der Rechteckkanäle
können
extrem dünn
ausgeprägt sein
und den Ernergieaustausch deutlich fördern und verbessern.
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Ist
in der verfahrenstechnischen Anwendung der herrschende Druck im
Strömungsbereich
des Aufsatzes höher
als im Rechteckkanal, können
die membranartigen Breitenwände
die Schichten der Einsätze
spielfrei zusammendrücken,
so dass ein großflächiger Kontakt
zu den Stegen der Einsätze entsteht,
und die Einsätze
zusätzliche
innere Wärmeübertragungsrippen
bilden und zu einer Leistungssteigerung des Apparates beitragen.
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Strukturierte
Einsätze
und Aufsätze
erhöhen gleichzeitig
die Strömungsgeschwindigkeit
und somit die Turbulenz, was ebenfalls die Wärmeübertragungsleistung erhöht. Die
Seitenwände
der Rechteckkanäle
werden durch Aufsatzplatten des Gehäuses gestützt, so dass schweißtechnische
Verbindungen zwischen Seiten- und Breitenwand des Rechteckkanals
im wesentlichen nur Dichtfunktionen übernehmen. Der Materialverbrauch
des erfinderischen Plattenapparats zur Wärmeübertragung ist gering, da nur
das Gehäuse
dickwandig ausgeführt
ist um Druck- oder Wirkkräfte
auf zu nehmen.
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Unlösbare Verbindungen
von Seitenwand und Breitenwand eines Rechteckkanals können schweißtechnisch
oder durch ein Lötverfahren
erzeugt werden.
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Der
Plattenapparat hat in seinem Aufbau zwei getrennte Strömungsbereiche,
so dass auch miteinander unverträgliche
Fluide im Apparat einem Energieaustausch unterzogen werden können. Dabei
kann es vorteilhaft sein, dass Schichten von Einsätzen und
Aufsätzen
unterschiedlich strukturiert sind, so können insbesondere die Lücken zwischen den
Stegen unterschiedlich breit ausgeführt sein.
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Kennzeichnend
für die
prozesstechnische Wärmeübertragung
zwischen zwei Fluidströmen
in einer apparativen Anwendung ist, dass Fluide mit unterschiedlichem
Druckniveau in den Apparat geleitet werden und Breitenplatten und
Aufsatzplatten einer unterschiedlichen Belastung ausgesetzt sind.
Das führt
dazu, dass es vorteilhaft ist, den Fluidstrom mit höherem Druckniveau
durch den Rechteckkanal zu führen
und der Fluidstrom mit niedrigem Druck durch den Strömungsbereich
der Aufsätze
zu leiten. Dadurch können
Aufsatzplatten dünner
ausgebildet sein als die Breitenplatten. Die Hauptdruckbelastung
wird über
Breitenwände
des Rechteckkanals über
die losen Stege der Aufsätze
zur Breitenplatte des Gehäuses
geleitet, so dass die mit der Breitenplatte verbundenen Aufsatzplatten
im wesentlichen einer Zugbelastung unterworfen werden, um innere
Einbauten des Gehäuses
lagestabilisiert zu halten und keiner Verformung zu unterwerfen.
Die Breitenplatte ist dann stabil ausgeführt.
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Werden
zwei Fluidströme
in unterschiedlicher Menge in den jeweiligen Strömungsbereich der Einsätze und
Aufsätze
geführt,
so werden die Schichten der Aufsätze
und Einsätze
unterschiedlich dick bzw. hoch und verschieden strukturiert sein,
so das Strömungswiderstände und
Fließgeschwindigkeiten unterschiedlich
sind um den Wärmeaustausch
zu verbessern.
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Prozessbedingte
Verunreinigungen und Ablagerungen an den inneren wärmeübertragenden Wänden des
Rechteckkanals können
es erforderlich machen, dass die Schichten der Einsätze schnell wechselbar
und ziehbar sein müssen.
Besonders vorteilhaft sind die schlitzförmigen Öffnungen der Anströmplatten, über die
Einsätze
aus dem Rechteckkanal heraus gezogen werden können, um eine Apparatereinigung
sehr einfach und schnell durch zu führen. Aufgrund der Randgängigkeit
der Einsätze erfolgt
beim Ziehen der Einsatzschichten gleichzeitig ein Abschaben von
inneren Ablagerungen im Rechteckkanal.
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Beim
Wechseln der Schichten der Aufsätze ist
es vorteilhaft, wenn die Schichten der Aufsätze mehrstückig ausgeführt sind, so dass die Länge der Breitenwand
des Rechteckkanals durch eine Vielzahl nebeneinander gelegter Aufsätze bedeckt
ist. Die Aufsätze
stützen
sich auf die breiteren Seitenwände des
Rechteckkanals ab.
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Der
Plattenapparat und Einsätze
und Aufsätze
können überwiegend
aus Materialien wie beispielsweise Stahl, Cr-Ni-Stähle, hochlegierte Ni-Stähle, Nickel,
Titan, Aluminium gefertigt werden, sie können jedoch auch aus nichtmetallischen
Werkstoffen gefertigt werden. Je nach Korrosionsanforderungen können auch
Werkstoffpaarungen zum Einsatz kommen.
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Besonders
wirtschaftlich ist der erfinderische Plattenapparat, wenn chemische
Prozesse korrosionsbeständige,
schwierig zu verarbeitende und teure Werkstoffe benötigen.
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Eine
weitere erfinderische Ausführungsform liegt
vor, wenn mehrere Rechteckkanäle
in einer Ebene nebeneinander positioniert sind, und mindestens einen
gemeinsamen Aufsatz und ein gemeinsames Gehäuse haben. Mehrere Rechteckkanäle in einer gemeinsamen
schlitzförmigen Öffnung der
Anströmplatte
geführt
und dort mit der Anströmplatte
des Gehäuses
fest und dicht verbunden sind.
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Eine
erfinderische Ausführung
der Schichten der Einsätze
besteht darin, dass ein sehr breiter Rechteckkanal mit mehreren
nebeneinander liegenden Einsätzen
mit mindestens zwei übereinander
gelegten strukturierten Schichten gefüllt ist.
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Erfinderisch
können
Schichten der Einsätze (7)
und Aufsätze
(8), dadurch gekennzeichnet sein, dass die Kontaktflächen der
rechteckigen Stege und die zugehörigen
Lücken
(201, 301) von Einsätzen (7) und Aufsätzen (8)
in einer Verwendung des Plattenapparates den Prozessanforderungen
in der jeweiligen Strömungsrichtung
(6, 18) angepasst und unterschiedlich breit sind.
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Verschieden
große
Lücken
ermöglichen
eine gute Anpassung hinsichtlich des Strömungsverlustes, so dass Fluide
in einem breiten Viskositätsbereich
temperiert werden können.
Zusätzlich
nimmt die Lückenbreite
in der jeweiligen Strömungsrichtung Einfluss
auf die Dicke der Breitenwand des Rechteckkanals, so dass unterschiedliche
Wirkkräfte
berücksichtigt
sind. Unter Wirkkräften
sind die Kräfte des
jeweiligen fluiden Drucks gemeint.
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Erfinderisch
können
Einsätze
und Aufsätze weiterhin
dadurch gekennzeichnet sein, dass Einsätze und Aufsätze unterschiedliche
Höhen haben,
um druckverlustarme Strömungsbereiche
zu schaffen.
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Unterschiedlich
ausgebildete Höhen
von Einsätzen
zwischen den parallelen Breitenwänden des
Rechteckkanals und von Aufsätzen
zwischen äußerer Fläche der
Breitenwand und parallelen inneren Fläche der Breitenplatte sorgen
für einen
geringen Strömungsverlust
und fördern
den Wärmetausch. Verschiedene
Höhen der
Einsätze
und Aufsätze
werden gebildet durch Einsatz unterschiedlicher Blechstärken für strukturierte
Schichten.
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Erfinderische
Aufsätze
sind in bevorzugter Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, dass Aufsätze mit
mindestens zwei übereinander
gelegten strukturierten Schichten bestehen, die Schichten zur jeweiligen
Hauptströmungsrichtung
geneigte Verbindungs-, kürzere
Zwischenstege (305) und Stützstege (308) haben,
die unter einen Winkel α von
10 Grad bis 45 Grad und bevorzugt unter einen Winkel α von 30 Grad
bis 45 Grad zur Strömungsrichtung
stehen, und die in Verlängerung
der Zwischenstege befindlichen Federlücken (306) mit Verformungsweg
(307) an der inneren Gehäusefläche (11, 14, 15)
und oder an benachbarte Aufsatzschichten enden und der zum Federsteg
parallel verlaufende Führungssteg die
Funktion eines zweiten längeren
Federsteges übernimmt.
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Federstege
von Schichten der Einsätze
und Aufsätze
mit zugehörigen
Verformungswegen und -möglichkeiten
haben eine besondere Bedeutung, sie kompensieren maßliche Fertigungsungenauigkeiten
der umgebenden Bauteile und vermeiden die Bildung undurchströmter Ecken
in den Strömungsbereichen.
Des Weiteren wird die Montage und Demontage wesentlich erleichtert.
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Erfinderische
Einsätze
des Rechteckkanals können
dadurch gekennzeichnet sein, dass Einsätze aus mindestens zwei übereinander
gelegten strukturierten Schichten bestehen, die Schichten zur jeweiligen
Hauptströmungsrichtung
geneigte Verbindungs- und Zwischen- und Stützstege mit Lücken haben
und einen Winkel α von
15 Grad bis 45 Grad besitzen, um eine rückvermischungsarme Strömungsführung mit geringem
Druckverlust im Rechteckkanal zu ermöglichen.
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Schichten
der Einsätze
werden vorzugsweise aus unverformten geraden Blechen gefertigt,
so dass über
bekannte Schneid- oder Ätzverfahren
eine gewünschte
Lückenstruktur
eingearbeitet wird.
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Erfinderische
strukturierte Schichten der Einsätze
können
dadurch gekennzeichnet sein, dass jede strukturierte Schicht in
ihrer Längenausdehnung beidseitig
parallel verlaufende federnde und verformbare Federstege besitzt
und die Federstege mit mindestens drei Verbindungsstegen in der
Schichtenebene verbunden sind, und zwischen den Verbindungsstegen
in Strömungsrichtung,
ausgehend vom seitlichen Federsteg eine Vielzahl von kürzeren Zwischenstegen
zum gegenüberliegenden
Federsteg geradlinig verlaufen und in gerader Verlängerung
des Zwischensteges zum gegenüberliegenden
Federsteg eine Federlücke
entsteht, die den Verformungsweg des Federsteges begrenzt, und zwischen
den Verbindungsstegen Abschnitte entstehen in denen die Federlücken unterschiedlich
breit sind.
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Erfinderische
strukturierte Schichten der Einsätze
können
dadurch gekennzeichnet sein, dass äußere Feder- und Führungsstege
Rücksprünge (209) besitzen,
um die Reibungsfläche
zur Seitenwand (4, 5) des Rechteckkanals (1)
zu minimieren, und die aufzubringende Kraft für das Einschieben der Einsätze überwiegend
zur Verspannung mit dem Rechteckkanal zu nutzen.
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Erfinderisch
können
Aufsätze
dadurch gekennzeichnet sein, dass Schichten der Aufsätze lose zwischen
Rechteckkanälen
und oder Gehäuse
eingelegt sind, und eine Vielzahl von nebeneinander und übereinander
gelegten Schichten die Breitenwand des Rechteckkanals in der Längenausdehnung bei
innerer Druckbelastung vollständig
stützen,
der Bewegungsraum der Schichten der Aufsätze vollständig durch eng anliegende Aufsatzplatten,
Anströmplatten
und Rechteckkanälen
eingeschränkt
ist, der maximale Bewegungsraum dem Verformungsweg (307)
der Federlücke
entspricht und die Schichten der Aufsätze nicht herausnehmbar sind,
so dass der Verformungsweg größer 0 bis
10 mm beträgt, vorzugsweise
größer 0 bis
3 mm und besonders bevorzugt größer 0 bis
kleiner 1 mm beträgt.
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Das
erfinderische Gehäuse
kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die parallel zur Breitenwand
des Rechteckkanals verlaufende Breitenplatten (12, 13)
eine größere Wanddicke
besitzen, als die seitlichen Aufsatzplatten (14, 15)
mit Öffnungen
(16).
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Das
erfinderische Gehäuse
kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die parallelen Breitenplatten
mit einem Temperierkanal (23) versehen sind, um bei Temperiervorgängen die
Temperaturdifferenzen zwischen Rechteckkanal und Gehäuse gering
zu halten.
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Eine
erfinderische Ausführungsform
des Gehäuses
ist z. B. dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Aufsatzplatte
mit Öffnungen
lösbar
ausgeführt
ist, um Schichten der Aufsätze
wechselbar zu gestalten.
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Erfinderisch
kann ein Rechteckkanal auch dadurch gekennzeichnet sein, dass die
Dicke der parallelen Breitenwände
(2, 3) dünner
sind, als die der seitlichen Seitenwände (4, 5).
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Erfinderisch
können
strukturierte Schichten von Einsätzen
und Aufsätzen
dadurch gekennzeichnet sein, dass die Lücken (201, 301)
zwischen Verbindungs- und Zwischen- und Stützstegen eine Breite von 1
bis kleiner 30 mm besitzen, vorzugsweise beträgt die Breite 1 bis 10 mm und
besonders bevorzugt ist die Breite von 1,5 bis 9 mm groß.
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Erfinderisch
ist ein Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass durchströmbare Rechteckkanäle mit Einsätzen mit
einem höheren
Prozessdruck betrieben werden, als die durchströmbaren Aufsätze und Breitenplatten des
Gehäuses
dicker ausgebildet sind als die Aufsatzplatten.
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Erfinderisch
kann ein Verfahren dadurch gekennzeichnet sein, dass durchströmbare Aufsätze zwischen
Rechteckkanal und oder Gehäuse
mit einem höheren
Prozessdruck betrieben werden, als durchströmbare Rechteckkanäle und die
Lücken
der Stege in den Schichten der Einsätze einen geringeren Abstand
zu einander haben als die der Aufsätze.
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Eine
erfinderische Ausführungsform
des Plattenapparates kann weiterhin dadurch gekennzeichnet sein,
dass durchströmbare
Rechteckkanäle mit
Einsätzen
aus korrosionsbeständigen
Materialien, wie beispielsweise metallische Werkstoffe wie Stahl,
Cr-Ni-Legierungen, Titan, Kupfer, Aluminium und Nickel bestehen,
und Materialien der Aufsätze vorzugsweise
aus gut wärmeleitenden
Werkstoffen wie beispielsweise Stahl, Kupfer oder Aluminium bestehen.
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Erfinderisch
kann ein Verfahren und die Verwendung des erfinderischen Plattenapparates
als Strömungsreaktor
dadurch gekennzeichnet sein, dass in einem Plattenapparat die Rechteckkanäle mit Einsätzen mäanderförmig vom
Fluid durchströmt werden,
die Anschlussadapter der Anströmplatten eine Öffnungen
für die
Fluidzuführung
und -ableitung und zusätzliche
Umlenkkammern besitzen, so dass der Strömungsweg und die Verweilzeit
des Fluids in einem Apparat wesentlich erhöht wird, ohne die baulichen
Abmessungen des Apparates zu vergrößern.
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In
einer Ausführung
können
Aufsätze
von einem eigenen umgebenden Rechteckkanal umschlossen sein, Rechteckkanäle von Einsätzen und Aufsätzen sich
in verschiedenen Ebenen kreuzen und Rechteckkanäle in schlitzförmige Öffnungen
der Aufsatzplatten geführt
und dort mit dem Gehäuse dicht
verbunden sein.
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Ein
weiterer Rechteckkanal für
die Aufnahme von ziehbaren Aufsätzen,
wobei der Rechteckkanal gleiche Aufbaumerkmale besitzt, wie der
für die Einsätze, ermöglicht den
Energieaustausch von Stoffströmen
in beiden Strömungsbereichen
rückvermischungsarm
durch zu führen.
Dabei ist besonders vorteilhaft, dass auch der zweite Strömungsbereich der
Aufsätze
eine gute Reinigungsmöglichkeit
besitzt durch das Ziehen der Aufsatzschichten über schlitzförmige Öffnungen
der Aufsatzplatten.
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Die
Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen
erläutert,
die anhand der nachfolgenden Figuren beschrieben werden. Es zeigen
dabei:
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1 den
Plattenapparat im Längsschnitt
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1.1 den Querschnitt des Plattenapparates
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2 die
Struktur einer Schicht des Einsatzes
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2.1 einen Einsatz in Draufsicht
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2.2 in vergrößerter Darstellung
die Federlücke
mit Verformungsweg
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3, 3.1 eine weitere Ausführungsform der Schicht eines
Einsatzes
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4, 4.1 weitere Ausführungsformen von Schichteneinsätzen
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5 die
Schicht eines Aufsatzes in positionierter Lage
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6 eine
besondere Form der Führung- und
Federstege mit Rücksprung
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Beispiel 1:
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In
den 1 und 1.1 wird
der erfinderische Plattenapparat in seinem Aufbau in einer Schnittdarstellung
gezeigt. Es ist der durchströmbare Rechteckkanal
(1), bestehend aus oberer und unterer, gerader nicht verformter
Breitenwand (2, 3) und linker und rechter Seitenwand
(4, 5) zu erkennen.
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Die
Seitenwände
sind von den Breitenwänden
oberhalb und unterhalb bedeckt, wobei die Breitenwände dünner als
die Seitenwände
dargestellt sind. Breiten- und Seitenwände des Rechteckkanals sind
durch nicht dargestellte, Schweißnähte oder Lötverbindungen unlösbar und
gasdicht miteinander verbunden, so dass der Rechteckkanal für ein Fluid in
Strömungsrichtung
(6) über
die gesamte Längenausdehnung
des Rechteckkanals durchströmbar
ist. Je nach Ausführung
kann es vorteilhaft sein, einen einzelnen sehr breiten Rechteckkanal
zu verwenden, oder wie in 1.1 dargestellt,
mehrere schmalere Rechteckkanäle
neben einander zu positionieren, wobei zugehörige Aufsätze (8) über alle
Rechteckkanäle
in einer Ebene geführt
sind.
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Der
Innenraum des Rechteckkanals ist mit einem herausziehbaren und durchströmbaren,
Einsatz (7), bestehend aus zwei Schichten (200)
gefüllt, dessen äußeren geometrischen
Ausdehnungen den Innenraum des Rechteckkanals ausfüllen und
die Lage der membranartigen Breitenwände (2, 3)
stabilisieren, so dass eine Verformung nach Innen bei äußerer Belastung
zu verhindern.
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Auf
den äußeren Breitenwänden, sind über dessen
ganze Breiten- und Längenausdehnung,
Aufsätze
(8) dargestellt, die flächigen
Kontakt zum Rechteckkanal, insbesondere zur Breitenwand und zur
Breitenplatte (12, 13) haben und lose aufgelegt sind.
In den Figuren sind Schichten (300) der Aufsätze (8)
dargestellt. Die Höhe
der Aufsätze
endet an der inneren Fläche
der Breitenplatte des Gehäuses. Zusätzlich sind
die lose aufgelegten Aufsätze
durch Aufsatzplatten (14, 15) und Anströmplatten
(10, 11) des Gehäuses gekammert. So dass der
Rechteckkanal mit aufliegenden Aufsätzen allseitig von einem eng
anliegendem Gehäuse
(9) umschlossen ist.
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Das
Gehäuse
weist vordere und hintere Anströmplatte
(10, 11), obere und untere Breitenplatte (12, 13),
mit Temperierkammer (23), und seitliche Aufsatzplatten
(14, 15) mit Öffnungen
(16) auf, dabei sind alle Gehäuseteile unlösbar miteinander
verbunden, um anstehende Kräfte
aus dem innern des Gehäuses
auf zu nehmen. In die Anströmplatten
sind schlitzförmige Öffnungen
(17) eingearbeitet, dort ragen die Rechteckkanäle hinein
um dort ebenfalls mit dem Gehäuse
unlösbar
und dicht verbunden zu werden. Üblicherweise
werden die unlösbaren
Verbindungen mit bekannten Verfahren wie beispielsweise Schweißen und
Löten hergestellt.
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Bei
diesem Plattenapparat ist nur das äußere Gehäuse als drucktragendes Teil
ausgebildet. Die Fluidzuführung
und -ableitung zum Rechteckkanal erfolgt über lösbare Anschlussadapter (19, 20)
der Anströmplatten
und die Fluidversorgung der Aufsätze über lösbare Anschlussadapter
(21, 22) der seitlichen Aufsatzplatten. Lösbare Verbindungselemente der
Anschlussadapter sind beispielsweise Schrauben oder Klemmverbinder,
sie sind in der Figur nicht dargestellt. Auch sind entsprechende
Dichtungen der lösbaren
Bauteile nicht dargestellt, hier können beispielsweise Flachdichtungen,
O-Ringe oder auch metallische Dichtungen zum Einsatz kommen.
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Im
innern des Gehäuses
kreuzen sich zwei getrennte Strömungsbereiche
(6, 18), die in den Strömungsbereichen herrschende
Energie kann über
die dünnen
Breitenwände
der Rechteckkanäle
ausgetauscht, während
auftretende Druckkräfte
von den Strömungsbereichen über Aufsätze zum
Gehäuse geleitet
und dort aufgenommen werden.
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Der
dargestellte Temperierkanal (23) auf den Breitenplatten,
dient der Reduzierung von Temperaturdifferenzen zwischen Rechteckkanal
und Gehäuse
und kann als Kompensatorersatz dienen. Ebenso ist es möglich, stattdessen
einen Kompensator, um unterschiedliche Temperaturausdehnungen auszugleichen,
vorzusehen.
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Beispiel 2
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In 2 und 2.1 ist eine strukturierte Schicht (200)
eines Einsatzes (7) mit parallel verlaufendem Federsteg
(202) und Führungssteg
(204) zu sehen. Federsteg (202) und Führungssteg
(204) sind mit einen Verbindungssteg (203) verbunden,
und überwiegend
vom Führungssteg
(204) eine Vielzahl von Zwischenstege (205) beispielsweise
unter einem Winkel α von
45 Grad gerichtet zum Federsteg (202) verlaufen und in
der Verlängerung
eine Federlücke (206)
mit einem sich bildenden Federweg (207) anschließt. Zwischen
Verbindungsstegen und Zwischenstegen sind Lücken (201) vorhanden,
so dass bei übereinander
gelegter zweiter Schicht (200, 200'), sich Stege und Lücken kreuzen
und der Einsatz, bestehend aus mindestens zwei Schichten für ein Fluid
durchströmbar
wird.
-
Von
einem Abschnitt des Federsteges in Verlängerung in die Einströmzone des
Fluids und von einem Abschnitt des Führungsstegs in die Ausströmzone des
Fluids mehrere unterschiedlich lange Stützstege (208) in den
Strömungsbereich
hineinragen und dort enden und keine Federlücke mit Federweg besitzen und
ausschließlich
eine Stützfunktion
zur Breitenwand des Rechteckkanals übernehmen.
-
In 2.1 ist deutlich zu erkennen, dass durch die Stützstege
(208) in beiden Endbereichen der Rechteckkanal (1)
mit seiner Geometrie vollständig
ausgefüllt
wird und die Breitenwände
bei Belastung vollständig
gestützt
werden.
-
Die 2.2 zeigt einen Ausschnitt, insbesondere ist die
Federlücke
(206) und der sich daraus bildende Verformungsweg (207)
deutlich zu erkennen.
-
Beispiel 3
-
In
der 3 und 3.1 ist
eine beispielhafte Ausführung
einer Schicht eines Einsatzes dargestellt, wobei jedoch über die
gesamte Schichtenlänge verteilt
mehrere Verbindungsstege (203) vorhanden sind und die Schicht
als Ganzes insbesondere in der Längenausdehnung
stabilisiert, um eine Montage in den Rechteckkanal zu erleichtern.
Des Weiteren ist die Federlücke
(206, 206')
und der zugehörige
Verformungsweg variiert worden, so dass unterschiedliche Verformungswege
(207, 207')
in einer Schichtenstruktur eingearbeitet sind, und dadurch auch
große Unebenheiten
und geometrische Abweichungen beim Einsetzen überbrückt werden können. Es
können
wie in der Figur dargestellt wird, die Federlücken und Verformungswege auch
beidseitig in der Schichtenebene angeordnet werden um höchste Flexibilität zu erreichen.
-
In 3.1 sind zwei Schichten übereinander gelegt, die zusammen
einen durchströmbaren
Einsatz bilden.
-
Beispiel 4
-
4 und 4.1 zeigt eine besondere Ausführungsform einer besonders
breiten strukturierten Schicht (200) für die Bildung eines Einsatzes,
dabei sind beispielsweise zwei Geometrien einstückig in einer Schicht zusammengefasst,
so dass der Führungssteg
(204) mittig gelagert ist. Der geometrische Aufbau jeder
durchströmbaren
Seite entspricht zum Beispiel der 2, es bildet
sich mittig der Führungssteg
(204) und zwei äußere Federstege
(202). So kann eine sehr breite und lange Schicht mit der
Form einer dünnen
Platte stabilisiert und montagefreundlich gestaltet werden. Auch
das Wechseln von Einsätzen
für Reinigungsvorgänge kann
vereinfacht werden. Die 4.1 zeigt
zwei aufeinander gelegte Schichten (200, 200') aus 4 zur
Bildung eines Einsatzes.
-
Beispiel 5
-
5 zeigt
beispielhaft die Schichtenstruktur (300) eines Aufsatzes
in einer Einbausituation mit umgebenden Gehäuseplatten (11, 14, 15). Äussere Führungs- (304) und
Federstege (302) sind mit dem Verbindungssteg (303)
verbunden und übernehmen doppelte
Funktionen hinsichtlich der Führung
und des Federns. Aufgrund der gekammerten Einbaulage der Schichten
eines Aufsatzes haben Stützstege (308)
und Zwischenstege (305) jeweils Federlücken und zugehörige Federwege.
Insbesondere ist so sichergestellt, dass Breitenwände der
Rechteckkanäle durch
Aufsätze
gut gestützt
werden und Schichten der Aufsätze
ebenfalls unter leichter Spannung zwischen Gehäuseplatten (14, 15)
in Durchströmrichtung
(18) eingesetzt werden können.
-
Beispiel 6
-
In 6 ist
ein Detail gezeigt hinsichtlich einer weiteren Ausführung der
Schichten, wobei beispielsweise hier dargestellt der Federsteg Rücksprünge (209)
hat, um Reibungsfläche
und somit Reibungskraft zur Seitenwand (4) des Rechteckkanals beim
Einschieben der Einsätze
zu minimieren.
-
- 1
- Rechteckkanal
- 2,
3
- Obere
Breitenwand
- 4,
5
- Linke
und rechte Seitenwand
- 6
- Strömungsrichtung
durch Rechteckkanal und Einsätze
- 7
- Einsätze
- 8
- Aufsätze
- 9
- Umgebendes
Gehäuse
- 10,
11
- Vordere
und hintere Anströmplatte
des Gehäuses
- 12,
13
- Obere
und untere Breitenplatte des Gehäuses
- 14,
15
- Seitliche
Aufsatzplatte des Gehäuses
- 16
- Öffnung der
Seitenplatte
- 17
- Schlitzförmige Öffnung der
Anströmplatten
- 18
- Strömungsrichtung
durch Aufsätze
- 19,
20
- Anschlussadapter
der Anströmplatten
- 21,
22
- Anschlussadapter
für Aufsatzplatten
- 23
- Temperierkanal
- 200
- Schichten
der Einsätze
- 201
- Lücken der
Schichten von Einsätzen
- 202
- Federsteg
der Schichten von Einsätzen
- 203
- Verbindungssteg
der Schichten von Einsätzen
- 204
- Führungssteg
der Schichten von Einsätzen
- 205
- Zwischensteg
der Schichten von Einsätzen
- 206
- Federlücke der
Schichten von Einsätzen
- 207
- Verformungsweg
der Schichten von Einsätzen
- 208
- Stützstege
- 209
- Rücksprung
- 300
- Schichten
der Aufsätze
- 301
- Lücken der
Schichten von Aufsätzen
- 302
- Federsteg
der Schichten von Aufsätzen
- 303
- Verbindungssteg
der Schichten von Aufsätzen
- 304
- Führungssteg
der Schichten von Aufsätzen
- 305
- Zwischensteg
der Schichten von Aufsätzen
- 306
- Federlücke der
Schichten von Aufsätzen
- 307
- Verformungsweg
der Schichten von Aufsätzen
- 308
- Stützstege