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Die
Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, insbesondere
einen (hart-)gelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher.
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Der
Wärmetauschabschnitt eines Plattenwärmetauschers
besteht im Allgemeinen aus mehreren Lagen von Wärmetauschpassagen,
die jeweils durch Trennbleche gegeneinander abgegrenzt sind. Abschlussleisten
sowie Deckbleche bilden den äußeren Rahmen des
Wärmetauschabschnitts, der auch als Wärmetauscherblock
bezeichnet wird. Innerhalb einer Lage können weitere Trennleisten
vorgesehen sein, die Wärmetauschpassagen für unterschiedliche Fluidströme
voneinander trennen.
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Der
zunächst aus losen Bauteilen bestehende Wärmetauscherblock
wird in einem Lötofen verlötet, sodass alle Bauteile
dicht miteinander verbunden sind. Anschließend werden über
den Ein- und Austrittsöffnungen der Wärmetauschpassagen
Header aufgeschweißt, die jeweils mit einem Fluidanschluss versehen
sind. Als Header werden üblicherweise halbzylindrische
Schalen eingesetzt; die Fluidanschlüsse werden durch Stutzen
gebildet, die in dem Halbzylindermaterial der Header angeordnet
sind. An diese Rohrstutzen werden die Rohrleitung für die
zu- und abzuführenden Fluidströme angeschlossen.
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Durch
geeignete Anordnung von Trennleisten können Plattenwärmetauscher
für den gleichzeitigen Wärmeaustausch von vielen
Fluidströmen konzipiert werden. Für jeden der
Fluidströme sind dann entsprechende Header über
den jeweiligen Ein- und Austrittsöffnungen der Wärmetauschpassagen
angebracht und mit Rohrleitungen versehen. Die Verrohrung des Plattenwärmetauschers
wird in diesem Fall sehr komplex und aufwändig.
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Der
Grundaufbau derartiger Plattenwärmetauscher ist zum Beispiel
im ALPEMA (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturer's
Association) – Standard 2000 im Detail beschrieben.
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Weiter
zeigt der ALPEMA-Standard 2000 in Abschnitt 1.2.2 die Möglichkeit
auf, mehrere Wärmetauscherblöcke parallel und/oder
in Reihe miteinander zu verbinden, um eine größere
Einheit zu bilden, mit der größere Mengen an Fluid
erwärmt bzw. abgekühlt werden können.
Wie in 2 beispielhaft für eine parallele Anordnung
mehrerer Wärmetauscherblöcke 10 dargestellt,
werden in diesem Fall die Fluidströme jeweils über
eine gemeinsame Sammelleitung 12 den Rohrstutzen 14 der
einzelnen Headern 16 einer Gruppe von Wärmetauschpassagen
zugeleitet bzw. von diesen abgeführt.
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Um
die Verrohrung einer derartigen größeren Einheit
mit mehreren Wärmetauscherblöcken zu vereinfachen,
schlägt die
EP
1 452 817 A1 vor, die Header der mehreren Wärmetauscherblöcke
direkt miteinander zu koppeln, sodass durchgehende Header entstehen,
die sich über alle Wärmetauscherblöcke
erstrecken. Wie beispielhaft in
3 veranschaulicht,
sind zum Beispiel zwei Wärmetauscherblöcke
10 parallel
zueinander angeordnet, wobei ihre Header
16 über
Zwischenstücke
18 miteinander verbunden sind und
jeweils einen gemeinsamen Rohrstutzen
20 für den
durchgehenden Header
16 aller Wärmetauscherblöcke
10 aufweisen.
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Ferner
offenbart der ALPEMA-Standard 2000 in Abschnitt 1.2.3 auch die Möglichkeit
einer Modulbauweise, bei welcher mehrere vorgefertigte Wärmetauschmodule
zu einem Wärmetauscherblock zusammengefasst werden, um
auf diese Weise größere Stapelhöhen des
Wärmetauscherblocks zu erzielen. In diesem Fall hat dann
jeder Wärmetauscherblock seine eigenen Header, die sich
jeweils über alle Wärmetauschmodule des Blocks
erstrecken.
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Da
durch den Plattenwärmetauscher Fluide mit unterschiedlichen
Temperaturen strömen und auch die die Wärmetauschpassagen
durchströmenden Fluide selbst räumlich und zeitlich
veränderliche Temperaturverteilungen aufweisen, haben verschiedene
Teile bzw. Abschnitte des Wärmetauscherblockes unterschiedliche
Temperaturen. Diese unterschiedlichen Temperaturen bewirken wiederum
thermische Spannungen im Wärmetauscherblock. Je größer
die Temperaturgradienten sind, umso größer sind
auch die verursachten thermischen Spannungen, was das Risiko für
Leckagen erhöht.
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Die
Anmelderin hat daher bereits in den Dokumenten
EP 1 798 508 A1 und
EP 1 830 149 A1 Verfahren
zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers vorgeschlagen,
bei denen eine dreidimensionale numerische Simulation ausgeführt
wird, um die thermischen Spannungen im Innern des Wärmetauscherblocks
während seines Betriebs zu berechnen.
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In
Bezug auf die oben beschriebene Ausführungsform eines modular
aufgebauten Wärmetauscherblocks müssen die Wärmetauschmodule
unter den Headern fest miteinander verbunden sein. Die Header können
sich an den warmen und kalten Enden des Wärmetauscherblocks
oder zwischen seinen Wärmetauschmodulen befinden. Im Betrieb
nehmen unterschiedliche Teile des Wärmetauscherblocks verschiedene
Temperaturen an und verformen sich entsprechend. Durch die festen
Verbindungen der Header über die Wärmetauschmodule
können die dabei auftretenden thermischen Spannungen bei
den so aufgebauten herkömmlichen Plattenwärmetauschern
die zulässigen Werte übersteigen und Leckagen
können nicht mit Sicherheit ausgeschlossen werden. Die
thermischen Spannungen und damit das Risiko für Leckagen
steigen mit der Größe und der Anzahl der verbundenen
Wärmetauschmodule des Wärmetauscherblocks.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Plattenwärmetauscher
mit einem modular aufgebauten Wärmetauscherblock zu schaffen,
bei dem das Risiko von Leckagen reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Plattenwärmetauscher mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der
Plattenwärmetauscher hat einen Wärmetauscherblock,
der mehrere miteinander verbundene Wärmetauschmodule mit
jeweils einer Vielzahl von Wärmetauschpassagen umfasst.
Der Wärmetauscherblock weist dabei wenigstens eine Gruppe von
Wärmetauschpassagen für ein Fluid auf, die sich über
mehrere der Wärmetauschmodule erstreckt. Erfindungsgemäß sind
an dem Wärmetauscherblock mehrere Header für die
eine Gruppe von Wärmetauschpassagen der mehreren Wärmetauschmodule vorgesehen,
die sich jeweils über mehrere Wärmetauschmodule
erstrecken.
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Der
Wärmetauscherblock des Plattenwärmetauschers ist
aus mehreren Wärmetauschmodulen aufgebaut, sodass sich
eine größere Stapelhöhe der Wärmetauschpassagen
erzielen lässt. Durch das Vorsehen von Headern, die einer
Gruppe von Wärmetauschpassagen für ein Fluid zugeordnet
sind und sich über mehrere Wärmetauschmodule erstrecken, kann
der Verrohrungsaufwand bei der Herstellung des Plattenwärmetauschers
reduziert werden.
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Gemäß der
Erfindung ist zudem vorgesehen, dass es mehrere Header für
die eine Gruppe von Wärmetauschpassagen in den mehreren
Wärmetauschmodulen gibt. Hierdurch können selbst
bei großen Temperaturgradienten innerhalb der Wärmetauschmodule
und zwischen den Wärmetauschmodulen die thermischen Spannungen
und damit das Leckagerisiko im Vergleich zu herkömmlichen
Plattenwärmetauschern mit Wärmetauscherblöcken
in Modulbauweise, bei denen jeweils nur ein gemeinsamer Header für
die eine Gruppe von Wärmetauschpassagen angebracht ist,
der sich über alle Wärmetauschmodule erstreckt,
vermindert werden.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung können die mehreren Header
für die eine Gruppe von Wärmetauschpassagen jeweils
einen gemeinsamen Fluidanschluss zum Zu- oder Abführen
des einen Fluids aufweisen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die mehreren
Wärmetauschmodule des Wärmetauscherblocks beabstandet
nebeneinander angeordnet sein. Diese konstruktive Maßnahme
führt ebenfalls zu einer Reduzierung der thermischen Spannungen
innerhalb des Wärmetauscherblocks.
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Bei
dem „Plattenwärmetauscher” handelt es sich
insbesondere um einen (hart-)gelöteten Aluminium-Plattenwärmetauscher
zum indirekten Wärmeaustausch zwischen wenigstens zwei
Fluidströmen.
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Unter „Wärmetauschabschnitt” wird
jener Teil eines Plattenwärmetauschers verstanden, der
insoweit vorgefertigt werden kann, als er bereits Anwärm-
und Abkühlpassagen aufweist. Die Begriffe „Anwärmpassagen” und „Abkühlpassagen” beziehen sich
auf den regulären Betrieb, auf den der jeweilige Wärmetauscher
ausgelegt ist. Im regulären Betrieb nimmt ein erstes Fluid,
das durch die Anwärmpassagen strömt, Wärme
auf und ein zweites Fluid, welches durch die Abkühlpassagen
strömt, gibt Wärme ab. Die vorliegende Erfindung
umfasst natürlich auch Kondensatoren und Verdampfer. Im
Fall eines Verdampfers werden die „Anwärmpassagen” durch
Verdampfungspassagen gebildet, im Fall eines Kondensators die „Abkühlpassagen” durch
Verflüssigungspassagen.
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Obige
sowie weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung des Aufbaus eines Plattenwärmetauschers
gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Plattenwärmetauschers
mit mehreren parallel verbundenen Wärmetauscherblöcken; und
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3 eine
schematische Darstellung eines weiteren herkömmlichen Plattenwärmetauschers
mit mehreren parallel verbundenen Wärmetauscherblöcken.
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1 zeigt
einen Plattenwärmetauscher, insbesondere einen (hart-)gelöteten
Aluminium-Plattenwärmetauscher, gemäß der
vorliegenden Erfindung in stark vereinfachter, schematischer Darstellung.
Der Plattenwärmetauscher besitzt einen zentralen Wärmetauscherblock 10.
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Dieser
Wärmetauscherblock 10 ist aus einer Anzahl von
Wärmetauschmodulen 20 zusammengefügt.
Im Innern jedes Wärmetauschmoduls 20 ist wiederum
eine Vielzahl von Wärmetauschpassagen (Anwärmpassagen,
Abkühlpassagen) ausgebildet, die durch abwechselndes Schichten
von Trennblechen und Wärmetauschprofilen (z. B. rippenförmige
oder wellenförmige Bleche, Fins) gebildet werden. Durch das
Verbinden der mehreren Wärmetauschmodule 20 zu
einer größeren Einheit kann die Stapelhöhe
der Wärmetauschpassagen vergrößert werden,
da die Dimensionen eines Wärmetauschmoduls 20 üblicherweise
fertigungstechnisch (insbesondere hinsichtlich des benötigten
Lötofens) begrenzt sind.
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Die
Wärmetauschmodule 20 enthalten wenigstens eine
Gruppe von Wärmetauschpassagen, die sich über
mehrere der Wärmetauschmodule 20 erstreckt und
durch die ein Fluid strömt. Üblicherweise sind
in dem Plattenwärmetauscher mehrere Gruppen von Wärmetauschpassagen
ausgebildet, sodass ein Wärmeaustausch zwischen den jeweiligen
Fluiden, die durch diese Gruppen von Wärmetauschpassagen
strömen, erfolgen kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist insbesondere nicht nur auf Zweistromwärmetauscher
beschränkt. Ganz allgemein enthält der Plattenwärmetauscher der
Erfindung n Gruppen von Wärmetauschpassagen (n ≥ 2),
durch welche n Fluidströme geleitet werden können,
um zwischen den n Fluidströmen Wärme auszutauschen.
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Wie
in 1 dargestellt, ist der Wärmetauscherblock 10 durch
Zusammenfügen mehrerer nebeneinander angeordneter Wärmetauschmodule 20 gebildet.
Dabei sind die einzelnen Wärmetauschmodule 20 vorzugsweise
beabstandet zueinander angeordnet und können zum Beispiel
durch Trennelemente (z. B. so genannte Sidebars) 22 voneinander
getrennt sein. Durch die Beabstandung bzw. Trennung der Wärmetauschmodule 20 werden die
Temperaturgradienten innerhalb des Wärmetauscherblocks 10 reduziert
und damit auch die thermischen Spannungen zwischen den einzelnen
Komponenten des Wärmetauscherblocks 10 vermindert.
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Für
eine Gruppe von Wärmetauschpassagen, die sich über
mehrere oder alle dieser Wärmetauschmodule 20 erstreckt,
sind mehrere Header 16 vorgesehen. Dabei sind die Header 16 jeweils
mehreren Wärmetauschmodulen 20 zugeordnet. In
dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist jeder Header 16 zwei
Wärmetauschmodulen 20 gemeinsam zugeordnet. Es
ist aber ebenso möglich, die Header 16 mehr als
zwei Wärmetauschmodulen 20 gemeinsam zuzuordnen
und/oder die Header 16 unterschiedlichen Anzahlen von Wärmetauschmodulen 20 zuzuordnen.
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Jeder
der mehreren Header 16 weist einen gemeinsamen Fluidanschluss 24 in
Form zum Beispiel eines Rohrstutzens auf. Über die Fluidanschlüssen 24 kann
den jeweiligen Headern 16 ein entsprechendes Fluid zugeführt
bzw. abgeleitet werden.
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Da
sich die Header 16 nicht über alle Wärmetauschmodule 20 des
Wärmetauscherblocks 10 erstrecken, sondern jeweils
nur über einen Teil davon, können die thermi schen
Spannungen innerhalb des Wärmetauscherblocks 10 durch
die unterschiedlichen Temperaturen an verschiedenen Stellen des Blocks
deutlich reduziert werden. Als Folge davon sinkt auch das Risiko
für Leckagen. Der Verrohrungsaufwand des Plattenwärmetauschers
muss zu diesem Zweck nicht übermäßig
erhöht werden.
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Die
Trennung der Header 16 zwischen den Wärmetauschmodulen 20 erfolgt
vorteilhafterweise insbesondere im Bereich solcher Wärmetauschmodule,
bei denen im Betrieb des Plattenwärmetauschers große
Temperaturunterschiede je Länge, d. h. große Temperaturgradienten
vorkommen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1452817
A1 [0007]
- - EP 1798508 A1 [0010]
- - EP 1830149 A1 [0010]