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Die Erfindung bezieht sich auf Plattenwärmeübertrager mit zwischen aufeinander gestapelten Wärmeübertragerplatten im Wechsel gebildeten Lösungskanälen und Kühlmittelkanälen zum Verdampfen, Absorbieren, Desorbieren oder Kondensieren eines in den Lösungskanälen fließenden Mediums, insbesondere für einen Generator und einen Kondensator sowie einen Verdampfer und einen Absorber umfassende Absorptionskälteanlagen.
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In - beispielsweise mit einer Lösung aus Lithiumbromid und Wasser betriebenen - Absorptionskälteanlagen wird das als Kältemittel dienende Wasser bei geringem Druck in einem Verdampfer verdampft. Die zur Verdampfung erforderliche Verdampfungswärme wird einem Kühlwasserstrom (Kühlmittelstrom) entzogen, der die nutzbare Kälte liefert. Um den Verdampfungsprozess durch Erreichen des Sättigungsdruckes nicht zu unterbrechen, wird der Kältemitteldampf in einem darauffolgenden Schritt in einem weiteren Apparat, dem Absorber, in der Lösung gebunden (absorbiert). Da eine Sättigung der Lösung mit dem Kältemittel den Absorptionsprozess unterbrechen würde, wird das Kältemittel in einem weiteren Schritt unter Wärmezufuhr und bei einem höheren Druckniveau in einem Generator aus der Lösung ausgetrieben. Während die aufkonzentrierte Lösung wieder dem Absorber zugeführt wird, wird der Kältemitteldampf unter Wärmeabgabe an ein Heiz- oder Kühlmedium in einem Kondensator verflüssigt und anschließend wieder in den Verdampfer geleitet. Neben Lithiumbromid und Wasser gehört weiterhin eine Wasser-Ammoniak-Lösung mit Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel zu den häufig verwendeten Stoffkombinationen in Absorptionskälteanlagen.
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Für die im Absorptionskälteprozess erforderlichen Schritte werden jeweils separate Apparate eingesetzt, wobei eine Apparatekombination aus Verdampfer und Absorber sowie aus Generator und Kondensator zur Gewährleistung der erforderlichen Druckverhältnisse jeweils in einem vakuumdichten Gehäuse angeordnet ist. Die Anordnung von jeweils zwei Apparaten für den Verdampfungs- und Absorptionsprozess bzw. den Verdampfungs- und Kondensationsprozess ist mit einem hohen Platzaufwand und mit hohen Anlagen- und Montagekosten verbunden. Des Weiteren ist die Ausbildung des Verdampfers bzw. Generators als Plattenwärmeübertrager insofern nachteilig, als der jeweils erzeugte Kältemitteldampf ein großes Volumen einnimmt und in den einzelnen Platten des jeweiligen Plattenwärmeübertragers entsprechend große Durchtrittsöffnungen für den Dampf und in den an die Verdampfer anschließenden Apparate (Kondensator, Absorber) vorgesehen sein müssen. Damit sind zum einen Materialverluste und zum anderen eine Verringerung der Wärmeaustauschfläche verbunden. Entsprechend der Anzahl der Platten des Plattenwärmeübertragers erhöhen sich das Dampfvolumen und somit auch die Größe der Durchtrittsöffnungen und die dadurch bedingten Verluste.
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JP S56-993 A betrifft einen aus jeweils unterschiedlich ausgebildeten Wärmetauscherplatten bestehenden Plattenwärmetauscher. Ein erstes Medium wird hinter der Einlassöffnung durch eine Trennwand in zwei getrennte Teilströme aufgeteilt, die in eine gemeinsame Auslassöffnung fließen. Die Trennwand endet im Abstand von den beiden mittig angeordneten Öffnungen. Das zweite Medium strömt in zwei durch eine Trennwand vollständig voneinander getrennten Kanälen mit jeweils separaten Einlassöffnungen und Auslassöffnungen.
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DE 21 29 727 B2 offenbart einen aus mehreren aneinander angeordneten Platten gebildeten Wärmetauscher. Die Platten sind derart ausgebildet und mit Löchern versehen, dass sich zwischen ihnen Kanäle mit jeweils zwei Einlässen und zwei Auslässen bilden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmeübertrager für Absorptionskälteanlagen zu entwickeln, der mit geringem Apparate- und Montageaufwand erstellt werden kann und eine effektive Wärmeübertragung gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Plattenwärmeübertrager gelöst.
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Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass ein einziger Plattenwärmeübertrager zweiteilig ausgebildet ist, und zwar derart, dass in dem jeweils zwischen zwei Wärmeübertragerplatten vorhandenen Strömungskanal für die Lösung zwei nebeneinander liegende, getrennte, jedoch durch eine Überströmöffnung verbundene Lösungskanalteile und in dem von dem Kältemittel durchströmten benachbarten Kanal zwei nebeneinander liegende, getrennte Kühlmittelkanalteile vorgesehen sind. Jedem Kanalteil sind Ein- und Auslässe für das jeweilige Medium zugeordnet. Aufgrund der Überströmöffnung zwischen den beiden Lösungskanalteilen kann in dem einen - als Verdampfer oder Generator fungierenden - Lösungskanalteil erzeugter Dampf in den zweiten Lösungskanalteil strömen, der dann die Funktion eines Absorbers oder eines Kondensators hat.
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Für den Verdampfer und den Absorber bzw. für den Generator und den Kondensator wird somit jeweils nur ein Plattenwärmeübertrager benötigt, so dass der apparative Aufwand und der Montageaufwand gesenkt werden kann und auch der Platzbedarf verringert wird. Gegenüber den jeweils als separates Bauteil ausgebildeten Verdampfern bzw. Generatoren mit ihren wegen des großen Dampfvolumens großen Dampfaustrittsquerschnitten in den Wärmeübertragerplatten brauchen bei den erfindungsgemäß ausgebildeten Plattenwärmeübertragern die Querschnitte für den Mediendurchgang des Dampfes nicht berücksichtigt zu werden, so dass die Wärmeübertragungseffizienz zwischen den aneinander vorbei strömenden Medien deutlich verbessert wird. Die in jedem Plattenspalt für den Dampfübertritt vorgesehene Plattenfläche kann vergleichsweise klein ausfallen, weil nur die in diesem einen Spalt entstehende Dampfmenge von einem Lösungskanalteil in den nächsten geleitet werden muss und nicht, wie bei herkömmlicher Ausbildung, die Summe aller Dampfmengen.
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In Ausgestaltung der Erfindung können in den Kühlmittel- und Lösungskanälen Strukturen zur Strömungsbeeinflussung und damit zur Verbesserung der Wärmeübertragung und des Verdampfungs-, Absorptions- und Kondensationsprozesses vorgesehen sein.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wärmeübertragerplatten identisch ausgebildet. Sie weisen in einer unteren Plattenebene einen äußeren umlaufenden Verbindungsrand und eine von diesem ausgehende, bis auf eine obere Plattenebene erhöhte umlaufende Verbindungssicke sowie eine von der umlaufenden Verbindungssicke ausgehende, entlang einer Längsachse der Wärmeübertragerplatte verlaufende mittlere Verbindungssicke auf. Die mittlere Verbindungssicke erstreckt sich jedoch nicht über die gesamte Plattenlänge, so dass zwischen deren freiem Ende und dem gegenüberliegenden Teil der umlaufenden Verbindungssicke ein Überströmspalt erzeugt wird.
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Durch die mittlere Verbindungssicke werden erste und zweite Plattenteile geschaffen, in denen jeweils erste und zweite Lösungseintrittsöffnungen sowie erste und zweite Lösungsaustrittsöffnungen und jeweils erste und zweite Kühlmitteleintrittsöffnungen sowie erste und zweite Kühlmittelaustrittsöffnungen vorgesehen sind.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind in den ersten und zweiten Plattenteilen in derselben Richtung schräg sowie parallel zueinander verlaufende Wellen als Strukturen zur Strömungsbeeinflussung ausgeformt. Auf der mit den Lösungsaustrittsöffnungen versehenen Seite ist die umlaufende Verbindungssicke zur mittleren Verbindungssicke hin allmählich breiter werdend ausgebildet, um die Lösung besser zu den Lösungsaustrittsöffnungen in dem jeweiligen Plattenteil zu leiten. Zur weiteren Strömungsbeeinflussung bzw. Strömungsverteilung auf der Oberfläche können zwischen den Wellen noch wellenförmige Zwischenstrukturen mit geringerer Prägetiefe ausgebildet oder bei der Plattenmontage eingelegte Teile angeordnet sein.
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Die erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmeübertragerplatten sind in dem Plattenwärmeübertrager jeweils um 180° um deren Längsachse gedreht übereinander gestapelt, so dass jeweils die Vorderseiten und die Rückseiten der Wärmeübertragerplatten aneinandergrenzen. Zur Bildung der jeweils geteilten Lösungskanäle sind die Vorderseiten der Wärmeübertragerplatten zur äußeren Abdichtung im Kontaktbereich der umlaufenden Verbindungssicken und im Kontaktbereich der mittleren Verbindungssicken zur Ausbildung der den jeweiligen Lösungskanal unter Freilassen des Überströmspaltes teilenden Trennwand miteinander verbunden. Die Kühlmittelkanäle werden zwischen den aneinandergrenzenden Rückseiten der Wärmeübertragerplatten im Kontaktbereich der umlaufenden Verbindungsränder sowie in einem sich entlang der gesamten Längsachse erstreckenden Kontaktbereich gebildet. Des Weiteren sind die Wärmeübertragerplatten an den Plattenvorderseiten bzw. -rückseiten zur Bildung der Lösungs- und Kühlmittelein- und -auslässe zu den Lösungs- und Kühlmittelkanälen an den jeweiligen Kontaktbereichen am Rand der Kühlmittel- und Lösungsein- und -austrittsöffnungen miteinander verbunden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der
- 1 eine auseinandergezogene Darstellung des Plattenstapels eines als Verdampfer und als Absorber fungierenden Plattenwärmeübertragers;
- 2a eine Rückansicht einer Wärmeübertragerplatte des Plattenwärmeübertragers; und
- 2b eine Vorderansicht der Wärmeübertragerplatte nach 2a; und
- 3 eine vergrößerte Vorderansicht der Wärmeübertragerplatte
zeigt, näher erläutert.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Plattenwärmeübertragersystem für den Verdampfer und den Absorber einer mit einer Lithiumbromidsole als Lösungsmittel und mit Wasser bzw. Wasserdampf als Kältemittel betriebenen Absorptionskälteanlage beschrieben. Das hier dargestellte Plattenwärmeübertragersystem kann in der gleichen Ausführung auch als Generator und Kondensator zum Austreiben des Wasserdampfes und zu dessen Verflüssigung betrieben werden. Es sind auch andere Stoffkombinationen, wie zum Beispiel Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel, denkbar.
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Wie 1 zeigt, umfasst der Plattenwärmeübertrager eine Mehrzahl von identisch ausgebildeten, jeweils zwei Plattenteile 15, 16 aufweisenden Wärmeübertragerplatten 1, die - jeweils um eine Längsachse 5 gedreht - übereinandergestapelt und an den Kontaktstellen abdichtend aneinandergefügt werden. Die Wärmeübertragerplatten 1 weisen, wie aus der Gegenüberstellung der 2a und 2b ersichtlich, eine aus einem ebenen Metallblech ausgeformte, an der Plattenvorderseite (2b, 3) und der Plattenrückseite (2a) entsprechend unterschiedliche Profilierung auf. Mit Bezug auf die Plattenvorderseite wird durch die Profilierung, ausgehend von einer ersten, unteren Plattenebene 1' eine zweite, obere Plattenebene 1'' gebildet.
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Die von zwei Plattenteilen 15, 16 gebildete Wärmeübertragerplatte 1 hat einen umlaufenden Verbindungsrand 2 und eine an diesen zum Inneren der Platte hin anschließende umlaufende Verbindungssicke 3, die auf der Plattenvorderseite eine Erhöhung bis auf das obere Plattenniveau 1'' und auf der Plattenrückseite eine umlaufende Vertiefung bildet. Eine weitere - mittlere - Verbindungssicke 4 verläuft in der Längsachse 5 der rechteckigen Wärmeübertragerplatte 1 in der oberen Plattenebene 1'', und zwar ausgehend von der umlaufenden Verbindungssicke 3, jedoch nicht bis zur gegenüberliegenden Seite, sondern nur über eine bestimmte Teilstrecke. Der zwischen dem freien Ende der mittleren Verbindungssicke 4 und der quer zu dieser ausgerichteten umlaufenden Verbindungssicke 3 verbleibende freie Raum bildet einen Überströmspalt 14 zwischen den beiden durch die mittlere Verbindungssicke 4 bzw. die Längsachse 5 getrennten Plattenteilen 15, 16. In den beiden Plattenteilen 15, 16 sind in derselben Richtung schräg und zueinander parallel verlaufende, bis auf das obere Plattenniveau 1'' erhöhte Wellen 17 ausgeformt, deren freie Enden bis nahe an die umlaufende Verbindungssicke 3 und die mittlere Verbindungssicke 4 bzw. die Längsachse 5 reichen.
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In den durch die umlaufende Verbindungssicke 3 und die mittlere Verbindungssicke 4 begrenzten Plattenteilen 15, 16 sind in den Ecken der Wärmeübertragerplatte 1 jeweils in der unteren Plattenebene 1' liegende erste und zweite Lösungsaustrittsöffnungen 6 und 7 ausgebildet, denen auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmeübertragerplatte 1 jeweils eine in der oberen Plattenebene 1" ausgebildete erste bzw. zweite Kühlmittelaustrittsöffnung 8 und 9 gegenüberliegt. Zu den Lösungsaustrittsöffnungen 6 und 7, in Richtung der mittleren Verbindungssicke 4 hin versetzt, sind in der oberen Plattenebene 1" jeweils eine erste bzw. zweite Kühlmitteleintrittsöffnung 10 und 11 ausbildet, denen auf der gegenüberliegenden Seite der Wärmeübertragerplatte 1, das heißt in dem nicht durch die mittlere Verbindungssicke 4 getrennten Bereich der Plattenteile 15, 16, in der unteren Plattenebene 1' eine erste und zweite Lösungseintrittsöffnung 12 und 13 gegenübersteht. Bei der in 2a dargestellten Rückseite der um die Längsachse 5 gedrehten Wärmeübertragerplatte 1 nach 2b bzw. 3 stellen die umlaufende und die mittlere Verbindungssicke 2, 3 sowie die Wellen 17 jeweils Vertiefungen in der umgeformten Blechplatte dar.
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Gemäß der in 1 in einer Explosionsdarstellung - jedoch ohne Abschlussplatten und Stutzen für die Zu- und Abführung der Lösung (hier: Litiumbromid-Lösung) sowie des Kühlmittels (hier: Kaltwasser) - eines Plattenwärmeübertragers wird eine Mehrzahl der zuvor beschriebenen Wärmeübertragerplatten 1 - jeweils um 180° um die Längsachse 5 gedreht - aufeinandergestapelt, so dass jeweils die Vorderseiten V und die Rückseiten R der Wärmeübertragerplatten aufeinander liegen. Die Vorderseiten V der Wärmeübertragerplatten 1 sind an den einander gegenüberliegenden umlaufenden Verbindungssicken 2 und den mittleren Verbindungssicken 3 zur Bildung einer (nicht durchgehenden) Trennwand sowie an den Kreuzungspunkten der Wellen 7 und im Randbereich der in einer oberen Plattenebene 1" liegenden Kühlmitteleintrittsöffnungen 10, 11 und Kühlmittelaustrittsöffnungen 8, 9 miteinander verbunden. Die Rückseiten R der Wärmeübertragerplatten 1 sind an den Verbindungsrändern 2 und dem ebenen Bereich entlang der Längsachse 5 sowie an den Wellenkreuzungspunkten und im Randbereich der Lösungsaustrittsöffnungen 6, 7 und Lösungseintrittsöffnungen 12, 13 miteinander verbunden.
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Zwischen den im Plattenstapel einander gegenüberliegenden Plattenrückseiten R sind zwei in Längsrichtung voneinander getrennte Kühlmittelkanäle (Kühlmittelkanalteile) gebildet, durch die über die Kühlmitteleintrittsöffnungen 10, 11 und die Kühlmittelaustrittsöffnungen 8, 9 ein Kühlmittel (hier: Kaltwasser) strömt. Zwischen den aneinandergrenzenden Plattenvorderseiten V werden zwei durch die umlaufenden Verbindungssicken 3 nach außen druckdicht abgeschlossene und durch die von den mittleren Verbindungssicken 4 gebildete Trennwand teilweise getrennte, aber durch den Überströmspalt 14 miteinander verbundene Lösungskanäle (Lösungskanalteile) gebildet, die über die Lösungseintrittsöffnungen 12, 13 und die Lösungsaustrittsöffnungen 6, 7 von der Lösung durchströmt werden. Einer der beiden (hier der von den Plattenteilen 16 gebildete) Lösungskanäle fungiert als Kältemittelverdampfer, wobei die erforderliche Verdampfungswärme dem die nutzbare Kälte liefernden, im Kühlmittelkanal zwischen zwei Plattenrückseiten strömenden Kühlmittel entzogen wird. Die für die Aufrechterhaltung des Verdampfungsprozesses erforderliche Absorption des Kältemitteldampfes (hier: Wasserdampf) erfolgt in dem als Absorber fungierenden (hier der von den ersten Plattenteilen 15 gebildete) zweiten Lösungskanal, in den durch den Überströmspalt 14 ein Teil des im Verdampfer erzeugten Kältemitteldampfes gelangt und von der in diesem strömenden Lösung absorbiert wird. Die im Verdampferteil (16) und im Absorberteil (15) des Plattenwärmeübertragers fließende an Kältemittel arme bzw. reiche Lösung gelangt - verteilt durch die sich in den beiden nebeneinander liegenden Lösungskanälen (von den Plattenteile 15, 16 gebildete Lösungskanalteile) kreuzenden Wellen 17 - von den Lösungseintrittsöffnungen 12 und 13 über die als Schräge ausgebildeten Teil der umlaufenden Verbindungssicke 3 zu den Lösungsaustrittsöffnungen 6 und 7 und von dort zum Generator und zum Kondensator der Absorptionskälteanlage.
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Der im vorhergehenden Ausführungsbeispiel erläuterte Plattenwärmeübertrager wurde in der Funktion als Verdampfer und Absorber für eine Absorptionskälteanlage beschrieben. Der so mit zwei nebeneinander angeordneten Lösungskanälen (16, 15) und einer Überströmspalt (14) ausgebildete Wärmeübertrager kann in einer Absorptionskälteanlage gleichermaßen auch als Generator zum Austreiben und als Kondensator zum Verflüssigen des Kältemittels betrieben werden.
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Aufgrund der zweiteiligen Gestaltung der zwischen benachbarten Wärmeübertragerplatten im Wechsel von der Kältemittellösung und dem Kühlmittel durchströmten Strömungskanäle, jedoch mit einer im Strömungskanal für die Kältemittellösung vorgesehenen Überströmspalt für den Kältemitteldampf in den als Absorber bzw. Verflüssiger fungierenden Teilkanal, entfallen die bei den herkömmlichen, nur als Verdampfer dienenden Plattenwärmeübertragern erforderlichen Dampfkanäle mit den wegen des großen Dampfvolumens entsprechend großen Durchtrittsöffnungen in den Wärmeübertragerplatten. Das heißt, die Wärmeübertragerplatten verfügen über eine deutlich größere Wärmeübertragungsfläche und die Wärmeübertragungseffizienz des Plattenwärmeübertragers wird verbessert. Die Integration des Verdampfers und des Absorbers oder des Generators und des Kondensators in jeweils nur einen Plattenwärmeübertrager reduziert den Material- und Montageaufwand und darüber hinaus auch den Platzbedarf. Zudem kann durch die Ausbildung des Verdampfers und Absorbers oder des Generators und Kondensators in jeweils einem einzigen Plattenwärmeübertrager auf die üblicherweise notwendige Unterbringung in einem separaten, vakuumdichten Gehäuse verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertragerplatten
- 1'
- untere Plattenebene
- 1''
- obere Plattenebene
- 2
- umlaufender Verbindungsrand (Dichtrand von Kühlmittelkanal)
- 3
- umlaufende Verbindungssicke (Dichtrand der Lösungskanäle)
- 4
- mittlere Verbindungssicke (Trennwand zwischen zwei Lösungskanälen)
- 5
- Längsachse von 1
- 6
- erste Lösungsaustrittsöffnung
- 7
- zweite Lösungsaustrittsöffnung
- 8
- erste Kühlmittelaustrittsöffnung
- 9
- zweite Kühlmittelaustrittsöffnung
- 10
- erste Kühlmitteleintrittsöffnung
- 11
- zweite Kühlmitteleintrittsöffnung
- 12
- erste Lösungseintrittsöffnung
- 13
- zweite Lösungseintrittsöffnung
- 14
- Überströmspalt
- 15
- erstes Plattenteil (Lösungskanalteil: Absorber, Kondensator)
- 16
- zweites Plattenteil (Lösungskanalteil: Verdampfer, Generator)
- 17
- Welle
- 18
- Schräge von 3
