DE102008016793A1

DE102008016793A1 - Plattenwärmeübertrager

Info

Publication number: DE102008016793A1
Application number: DE102008016793A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. ALBRING; Bodo Dr. Burandt; Frank Schoepe; Marcus Honke
Original assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Current assignee: Institut fuer Luft und Kaeltetechnik Gemeinnuetzige GmbH
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2009-10-15

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager für die Übertragung von Wärme zwischen zwei die Phase wechselnden Stoffströmen oder zwischen einem die Phase wechselnden Stoffstrom und einem flüssigen Stoffstrom, üblicherweise in Verbindung mit Wasser oder niedrig siedenden Flüssigkeiten, z. B. Meerwasser. Der Wärmeübertrager besteht aus mehreren identischen, hintereinander angeordneten Wärmeübertragerplatten (4), zwischen denen im Wechsel Verdampferdichtungen und Kondensatordichtungen eingebracht sind, die durch zwei mit Zugankern verspannten Abschlussplatten (1, 11) zusammengepresst werden. Die Verdampfer- und die Kondensatordichtungen sind als neuartige Rahmenprofile (12, 13) ausgeführt; mit ihnen werden die Verdampfer- und Kondensatorkammern abgedichtet und gleichzeitig die Wärmeübertragerplatten beabstandet. Bevorzugt sind die Rahmenprofile Scheiben aus einem elastischen Material. Der Wärmeübertrager ist korrosionsfest, kostengünstig herstellbar; er kann ohne großen Aufwand demontiert und gereinigt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager für die Übertragung von Wärme zwischen zwei die Phase wechselnden Stoffströmen oder zwischen einem die Phase wechselnden Stoffstrom und einem flüssigen Stoffstrom, üblicherweise in Verbindung mit Wasser oder niedrig siedenden Flüssigkeiten. Er ist besonders geeignet zur Verwendung in Wasserdestillationsapparaten, Meerwasserentsalzungsanlagen, Wasserreinigungsanlagen sowie in Kälteanlagen oder Wärmepumpen, in denen Wasser als Kältemittel verwendet wird. Der Wärmeübertrager ist korrosionsfest, kostengünstig herstellbar und leicht zu reinigen. Im Übrigen zeichnet er sich durch geringe Sprühverluste aus.
Plattenwärmeübertrager werden häufig für verfahrenstechnische Anwendungen eingesetzt, bei denen sowohl eine Kondensation als auch eine Verdampfung in einem Apparat stattfinden, wobei die Wärmeenergie des kondensierenden Stoffstroms zur Verdampfung des flüssigen Stoffstroms genutzt wird. Zur besseren Ausnutzung der Kondensationswärme sind solche Plattenwärmeübertrager meist mehrstufig ausgeführt, d. h. sie weisen mehrere separate Verdampfer- und Kondensatorkammern auf, die jeweils mittels Wärmeübertragungsflächen thermisch gekoppelt und alternierend hintereinander angeordnet sind.
Hauptsächlich werden derartige Wärmeübertrager für Anwendungen eingesetzt, bei denen die Verdampfung und die Kondensation von Wasser genutzt wird, um entweder eine Reinigung von Wasser durch Destillation, wie z. B. bei der Meerwasserentsalzung, oder ein Eindicken von Flüssigkeiten, wie z. B. bei der Zuckerherstellung, zu erreichen.
Die Herstellung von Plattenwärmeübertragern, die mehrere Verdampfer- und Kondensatorkammern umfassen, ist bislang materialintensiv und technologisch aufwendig: bei Wärmeübertragern für niedrig siedende Arbeitsstoffe wie Wasser (hohes spezifisches Volumen im Bereich der Umgebungstemperatur), ist ein relativ großer Plattenabstand notwendig, um die Druckverluste der Dampfzuströmung gering zu halten; außerdem muss in jeder Verdampferkammer die zu verdampfende Flüssigkeit gleichmäßig in einer dünnen Schicht über die gesamte Wärmeübertragerfläche verteilt werden. Hinzukommt, dass beim notwendigen Versprühen oder Verrieseln der Flüssigkeit, Flüssigkeitstropfen direkt in den Dampfsammelkanal gelangen, wodurch eine Tropfenabscheidung erforderlich wird, die zusätzliche Kosten verursacht.
Es ist bekannt, dass die einzelnen Wärmeübertragungsplatten entweder miteinander verschweißt, verlötet oder verschraubt werden.
Bei Plattenwärmeübertragern, die für einen Betrieb mit korrosiven Flüssigkeiten geeignet sein müssen, wie z. B. Plattenwärmeübertragern für Meerwasserentsalzungsanlagen, können Löt- bzw. Schweißverbindungen infolge erhöhter Korrosionsgefahr nur bedingt eingesetzt werden, sodass zunehmend verschraubte Wärmetauscher Anwendung finden.
Bei Wärmeübertragern, deren Platten verschraubt werden, sind in den Wärmeübertragungsplatten üblicherweise Stützstrukturen ausgeformt, in die elastischen Dichtungselemente eingelegt werden.
So wird in WO 00/04968 ein Plattenwärmetauscher für Entsalzungsanlagen beschrieben, der aus mehreren seriell hintereinander geschalteten, seewasserfesten Verdampfer- und Kondensatorzellen aufgebaut ist.
Der Plattenwärmetauscher ermöglicht die Entsalzung bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen Verdampfung und Kondensation, wodurch eine Entsalzung mit hohem Wirkungsgrad ermöglicht wird. Allerdings sind konstruktionsbedingt vergleichsweise große Plattenabstände erforderlich. Die Herstellung des Wärmetauschers ist folglich material- und kostenintensiv.
DE 42 23 699 A1 zeigt einen plattenförmigen Wärmeübertrager aus Kunststoff, der zwar äußerst korrosionsfest ist, jedoch wesentlich schlechtere Wärmedurchgangszahlen als entsprechende Wärmeübertrager aus Metall aufweist.
In DE 10 2007 028 130 wird ein Wärmetauscher zur Destillation von Flüssigkeiten offenbart, der aus einer Anzahl von parallel angeordneten, rechteckförmigen Wärme tauscherplatten aus seewasserfestem Aluminium besteht. Entlang von zwei sich tangierenden Stirnseiten der Platten ist jeweils eine streifenförmig und in einem definierten Winkel abgekantete Falzfläche angeordnet, wobei die jeweiligen Platten abstandsweise und entlang ihrer Falzflächen durch Klebstoff und Nieten dicht verbunden sind. Hierdurch wird die Anzahl von hintereinander angeordneten, im thermischen Kontakt miteinander stehenden Verdampfer- und Kondensationskammern gebildet. Die Zu- und Abführung der Medien erfolgt mit oberhalb und seitlich der Bleche angeordneten Verteilungsvorrichtungen.
Durch den Einsatz der Falz- und Klebetechnik in Verbindung mit Platten aus seewasserfesten Aluminium wird eine Korrosion des Wärmetauschers sicher vermieden. Auch ist die Herstellung des Stapels der Verdampfer- und Kondensationskammern vergleichsweise kostengünstig. Eine dauerhafte Dichtigkeit der Klebestellen kann allerdings nicht garantiert werden; es ist nicht möglich, den Wärmetauscher, z. B. zu Reinigungs- und Servicezwecken, zu demontieren.
Aus DE 83 10 039 U1 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt, der aus mehreren hintereinander angeordneten, vier Öffnung aufweisenden Wärmetauscherplatten zusammengesetzt ist, zwischen denen sich zur Bildung eines Durchlaufkanals Dichtungen aus einem gummielastischen Material befinden. Die metallenen Wärmetauscherplatten bestehen aus einer Kernschicht aus Aluminium, auf die Deckschichten aus Titan, Tantal oder aus einem Chromnickel-Stahl aufgebracht sind.
Der gezeigte Wärmetauscher ist allerdings nicht für eine Anwendung geeignet, bei der mindestens ein flüssiges Medium verdampft wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll ein Plattenwärmeübertrager mit guten Wärmedurchgangszahlen geschaffen werden, der für die Übertragung von Wärme zwischen zwei die Phase wechselnden Stoffströmen oder zwischen einem die Phase wechselnden Stoffstrom und einem flüssigen Stoffstrom geeignet ist. Außerdem sollen die mit den Stoffströmen in Kontakt kommenden Bauteile korrosionsfest sein. Der Plattenwärmeübertrager soll eine dauerhafte Dichtigkeit der Zellen gewährleisten. Er soll einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 10.
Ausgegangen wird von einem Wärmetauscher, der aus einer Anzahl von hintereinander angeordneten identischen Wärmeübertragerplatten besteht, zwischen die jeweils im Wechsel Kondensator- und Verdampferdichtungen eingebracht sind. Durch je zwei Wärmeübertragerplatten und die darin eingeschlossene Verdampferdichtung wird eine Verdampferkammer bzw. durch zwei benachbarte Wärmeübertragerplatten und die Kondensatordichtung eine Kondensatorkammer gebildet.
Der kleinste funktionsfähige Wärmetauscher besteht aus drei Wärmeübertragerplatten, wobei in die beiden Zwischenräume je eine Kondensator- und eine Verdampferdichtung eingebracht sind. Für eine optimale Betriebsführung ist jedoch vorgesehen, den Wärmetauscher aus zehn oder mehr Wärmeübertragerplatten aufzubauen.
Der aus Wärmeübertragerplatten und Dichtungen gebildete Stapel wird durch zwei Abschlussplatten zusammengepresst, die zu beiden Seiten des Stapels angeordnet und mit Zugankern verspannt sind.
Die Wärmeübertragerplatten weisen im Randbereich mindestens drei Durchbrüche, mit vergleichsweise kleiner Querschnittsfläche, und mindestens zwei Durchbrüche mit vergleichsweise großer Querschnittsfläche auf. Die Durchbrüche mit kleinerer Querschnittsfläche sind für die Durchführung der flüssigen Medien sowie ggf. der Inertgase und diejenigen mit größerer Querschnittsfläche für die Durchführung der gasförmigen Medien, wie z. B. Wasserdampf, vorgesehen.
Bei Wärmetauschern, die zur Destillation von Meerwasser eingesetzt werden, sind die Wärmeübertragerplatten im außen liegenden Bereich mit vier Durchbrüchen mit kleinem Querschnitt versehen, wobei drei Durchbrüche der Durchführung des Rohwassers, des Destillats und der Sole dienen. Der vierte Durchbruch wird für die Abführung des Inertgases verwendet. Zwei Durchbrüche mit größerem Querschnitt sind für die Führung der Wasserdampfströme vorgesehen.
Nach Maßgabe der Erfindung werden sowohl als Verdampfer- als auch als Kondensatordichtungen neuartige Rahmenprofile verwendet; durch sie werden die Wärmeübertragerplatten beabstandet. Bevorzugt sind die Rahmenprofile Scheiben aus einem elastischen Material. Es ist auch vorgesehen, die Rahmenprofile aus festem Material (Metall, Kunststoff) herzustellen, wobei die Ränder der oben beschriebenen Durchbrüche mit elastischen Dichtungen, wie z. B. Rundschnüren, versehen sind.
Die als Rahmenprofil ausgeführten Dichtungen dienen somit nicht, wie bisher üblich, lediglich der Abdichtung der Verdampfer- und der Kondensatorkammern, sondern sind auch gleichzeitig Strukturelemente. Die Rahmenprofile haben dieselbe Außenkontur wie die Wärmeübertragerplatten. Auf diese Weise wird ein kompakter Stapel aus Wärmeübertragerplatten und Dichtungen gebildet, der ein zusätzliches Gehäuse überflüssig macht.
In den erfindungsgemäßen Rahmenprofilen der Verdampfer- und der Kondensatorkammern befinden sich große, mittig angeordnete Durchbrüche, die zusammen mit den Wärmeübertragerplatten die Verdampfer- und Kondensatorkammern bilden. Am Rand der Rahmenprofile sind weitere Durchbrüche eingebracht, die in Verbindung mit den Kondensatorplatten Kanäle für die Zu- und Abführung sowie für die Verteilung der flüssigen und gasförmigen Medien auf die Verdampfer- und Kondensatorkammern bilden.
Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zur Begrenzung des auf die Rahmenprofile wirkenden Drucks, können zwischen den Wärmeübertragerplatten zusätzlich zu den Rahmenprofilen Stehbolzen eingebracht sein.
Es ist vorgesehen, dass alle Rahmenprofile der Verdampferkammern dieselbe Kontur haben und gleich dick sind. Analog verhält es sich mit den Rahmenprofilen der Kondensationskammern.
Falls der Wärmetauscher für Verfahren eingesetzt wird, für deren Durchführung sich verändernde Strömungsquerschnitte innerhalb des Wärmetauschers erforderlich sind, können die Rahmenelemente jedoch auch in ihrer Dicke variieren oder unter schiedlich große, die Größe der Verdampfungs- bzw. Kondensationskammern bestimmende mittige Aussparungen aufweisen.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann auch als Verdampfer, bei dem die zu verdampfende Flüssigkeit über den Wärmeübertragerplatten der Verdampferkammern verrieselt wird und die Kondensatorkammern mit Heizwasser durchströmt werden, oder als Kondensator, bei dem die Kondensatorkammern mit dem zu kondensierenden Dampf und Verdampferkammern mit Kühlwasser durchströmt werden, verwendet werden. In denjenigen Zellen, die mit Heiz- bzw. Kühlwasser durchströmt werden, befinden sich dann Einbauelemente, die hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Wärmeübergangszahlen gewährleisten. Die Rahmenelemente der Verdampfer-/Kondensatorkammern sind dann ca. zwei bis dreimal dicker, als die Rahmenelemente der mit Heiz-/Kühlwasser durchflossenen Zellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigen:
1: eine Schnittdarstellung des Plattenwärmetauschers in Draufsicht;
2: eine schematische Darstellung des Plattenwärmetauschers in seitlicher Ansicht.
Zwischen jeweils der vorderen (1) und der hinteren Deckplatte (11) befinden sich die fünf parallel verlaufenden Wärmeübertragerplatten (4). Zwischen diesen Platten sind abwechselnd Verdampfer-Rahmenelemente (12) und Kondensator-Rahmenelemente (13) angeordnet (s. 1). Die Verdampfer-Rahmenelemente (12) bilden mit den beiden angrenzenden Wärmeübertragerplatten (4) die Verdampferkammern (2), die Kondensator-Rahmenelemente (13) entsprechend die Kondensatorkammern (3). Die Kammern (2, 3) werden durch die Rahmenelemente (12, 13) hermetisch gegenüber der Umgebung und den angrenzenden Kammern (2, 3) abgedichtet. Außerdem werden die Wärmeübertragerplatten (4) durch die Rahmenelemente (12, 13) zueinander beabstandet. Die Rahmenelemente (12, 13) erfüllen somit gleichzeitig die Funktion eines Dicht- und Strukturelementes. In den Rahmenelementen (12, 13) befinden sich Aussparungen, durch die mit den Wärmeübertragerplatten (4) die Kanäle für die Zu- und Abführung der flüssigen und gasförmigen Medien in die Verdampfer- (2) und Kondensatorkammern gebildet werden.
Beim Einleiten von Dampf in die Kondensatorkammern (3) kondensiert dieser und gibt die dabei entstehende Kondensationswärme an die beiden Wärmeübertragerplatten (4) ab. Die abgegebene Wärme fließt auf die verdampferseitigen, mit Flüssigkeit berieselten Seiten der Wärmeübertragerplatten (4), wodurch ein Teil dieser Flüssigkeit verdampft wird. Der entstehende Dampf steigt auf, wird im Dampfkanal (5) gesammelt und über den Dampfstutzen (6) aus dem Wärmeübertrager abgeführt.
Die Einleitung des zu kondensierenden Dampfes in die einzelnen Kondensatorkammern (3) erfolgt über den Stutzen (7). Der Dampf tritt in den Raum unterhalb der Kondensatorkammern (2) ein und wird aufgrund eines dort auftretenden Partialdruckgefälles gegen die kühlen Wärmeübertragerplatten (4) getrieben, wo er sich niederschlägt. Dabei bilden sich Tropfen, die unter dem Einfluss der Schwerkraft in Richtung des Bodens der Kondensatorkammern (3) fließen. Durch die Abschlussbohrungen (8) gelangt das Kondensat schließlich in die Sammelleitung (9) und wird durch den Stutzen (10) aus den Wärmeübertragern abtransportiert.
Die zu verrieselnde Flüssigkeit wird über den Stutzen (14) zugeführt und durch den in das Kondensator-Rahmenelement (13) eingearbeiteten Kanal (15) zur Flüssigkeitskammer (17) geleitet. Die Flüssigkeit gelangt durch fein verteilte, in die Wärmeübertragerplatten (4) eingebrachte Bohrungen (16) in die beiden angrenzenden Verdampferkammern (2), wodurch die Wärmeübertragungsplatten (4) in den Verdampfungskammern gleichmäßig berieselt werden.

1: vordere Deckplatte
2: Verdampferkammer
3: Kondensatorkammer
4: Wärmeübertragerplatte
5: Dampfkanal
6: Dampfstutzen (Austritt)
7: Dampfstutzen (Eintritt)
8: Abflussbohrung
9: Sammelleitung
10: Stutzen (Kondensat)
11: hinter Deckplatte
12: Verdampfer-Rahmenelement
13: Kondensator-Rahmenelement
14: Stutzen (für die zu verrieselnde Flüssigkeit)
15: Kanal
16: Bohrung
17: Flüssigkeitskammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 00/04968 [0008]
- DE 4223699 A1 [0010]
- DE 102007028130 [0011]
- DE 8310039 U1 [0013]

Claims

Plattenwärmeübertrager, bestehend aus drei oder mehreren identischen, hintereinander angeordneten Wärmeübertragerplatten (4), zwischen denen im Wechsel Verdampferdichtungen und Kondensatordichtungen eingebracht sind, wobei durch jeweils zwei Wärmeübertragerplatten (4) die Verdampferkammern (2) und die Kondensatorkammern (3) des Wärmetauschers gebildet sind, der hierdurch geformte Stapel von zwei mit Zugankern oder vergleichbaren Mitteln verspannten Abschlussplatten (1, 11) zusammengepresst wird, wobei die Wärmeübertragerplatten (4) im außen liegenden Bereich mindestens drei Durchbrüche mit einer vergleichsweise kleineren Querschnittsfläche für die flüssigen Medien und mindestens zwei Durchbrüche mit einer vergleichsweise größeren Querschnittsfläche für die gasförmigen Medien aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfer- und die Kondensatordichtungen die Wärmeübertragerplatten beabstandende Rahmenprofile (12, 13) sind, die dieselbe Außenkontur wie die Wärmeübertragerplatten (4) haben, und die Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und der Kondensatorkammern (13) große, mittige Durchbrüche, die in Kombination mit den Wärmeübertragerplatten (4) die Verdampfer- (2) und die Kondensatorkammern (3) bilden, und kleinere am Rand angeordnete Durchbrüche aufweisen, durch die in Verbindung mit den Wärmeübertragerplatten (4) Kanäle für die Zu- und Abführung sowie für die Verteilung der flüssigen und gasförmigen Medien auf die Verdampfer- (2) und die Kondensatorkammern (3) gebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenprofile (12, 13) Scheiben aus einem elastischen Material sind.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenprofile (12, 13) aus einem festem Material, in dem Durchbrüche eingebracht sind, bestehen, wobei die Ränder der Durchbrüche mit elastischen Dichtungen wie Rundschnüren versehen sind.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmeübertragerplatten (4) Stehbolzen eingebracht sind, die der definierten Beabstandung der Wärmeübertragerplatten (4) dienen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und der Kondensatorkammern (13) unterschiedliche Dicken aufweisen.
Plattenwärmeübertrager Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und der Kondensatorkammern (13) in Abhängigkeit von ihrer Lage im Wärmetauscher zu- oder abnehmen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und Kondensatorkammern (13) dieselbe Dicke aufweisen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils alle Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und jeweils alle Rahmenprofile der Kondensatorkammern (13) dieselbe Geometrie haben.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenprofil der Verdampferkammer (12) einen der Zuleitung der zu verdampfenden Flüssigkeit dienenden Durchbruch aufweist, der mit einem horizontal angeordneten, schmalen rechteckförmigem Durchbruch verbunden ist, der sich oberhalb des die Verdampferkammer (2) begrenzenden, großen Durchbruchs, befindet und von diesem durch einen stegförmigen Abschnitt getrennt ist, wobei der stegförmige Abschnitt auf seiner Vorder- und seiner Rückseite dicht nebeneinander verlaufende, den rechteckförmigen Durchbruch mit der Verdampferkammer (2) verbindende, nutenförmige Aussparungen aufweist, die der gleichmäßigen Berieselung beider angrenzenden Wärmeübertragerplatten (4) dienen.
Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenprofil der Kondensatorkammer (12) einen der Zuleitung der zu verdampfenden Flüssigkeit dienenden Durchbruch aufweist, der mit einem horizontal angeordneten, schmalen rechteckförmigem Durchbruch verbunden ist, der sich oberhalb des die Kondensatorkammer (3) begrenzenden, großen Durchbruchs, befindet und von diesem durch einen stegförmigen Abschnitt getrennt ist, wobei in die beiden angrenzenden Wärmeübertragerplatten (4) auf Höhe des rechteckförmigen Durchbruchs und sich über dessen Länge erstreckende, dicht nebeneinander liegende, kleine Bohrungen (16) eingebracht sind, die dem Durchtritt der zu verdampfenden Flüssigkeit durch die Wärmeübertragerplatten (4) und einer feinen Berieselung der sich in Verdampferkammern (2) befindenden Rückseiten der Wärmeübertragerplatten (4) dienen.