DE102012222019A1

DE102012222019A1 - Plattenwärmeaustauscher in abgedichteter Bauweise

Info

Publication number: DE102012222019A1
Application number: DE102012222019.4A
Authority: DE
Inventors: Marcus Franz; Christoph Koch; Werner Schwarzbart; Robert Hauser
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-05
Also published as: CN104813134A; WO2014083036A1; CA2889786C; US20150260461A1; BR112015011992A2; EP2926075A1; JP2015535587A; CA2889786A1

Abstract

Abgedichteter Plattenwärmeaustauscher mit einem Rahmenkörper aus zwei Rahmenplatten zwischen denen ein Plattenstapel aus einer Mehrzahl von Wärmeaustauschplatten angeordnet ist, Mitteln zur Zu- und Ableitung der den Zwischenraum zwischen den Wärmeaustauschplatten durchströmenden Wärme austauschenden Fluide, Mitteln zur Krafteinleitung auf die Rahmenplatten, über die ein Druck auf den Plattenstapel ausgeübt werden kann und Mitteln zur Abdichtung zwischen den Wärmeaustauschplatten des Plattenstapels.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen abgedichteten Plattenwärmeaustauscher mit einem Rahmenkörper aus zwei Rahmenplatten zwischen denen ein Plattenstapel aus einer Mehrzahl von Wärmeaustauschplatten angeordnet ist, Mitteln zur Zu- und Ableitung der den Zwischenraum zwischen den Wärmeaustauschplatten durchströmenden wärmeaustauschenden Fluide und Mitteln zur Krafteinleitung auf die Rahmenplatten, über die ein Druck auf den Plattenstapel ausgeübt werden kann.
Plattenwärmeaustauscher enthalten ein Paket aus Wärmeaustauschplatten zwischen denen die Wärmeübertragung stattfindet. Diese Platten sind in der Regel mit einem Profil oder mit Strömungskanälen sowie Durchgangsöffnungen für die Medien versehen.
Grundsätzlich unterscheidet man bei Plattenwärmeaustauschern sogenannte dichtungslose und abgedichtete Bauformen. Bei der dichtungslosen Ausführung werden die Zwischenräume zwischen den Platten durch eine feste Verbindung der Platten, zum Beispiel durch Verschweißen oder Löten oder durch die sogenannte Fusionstechnik abgedichtet.
Bei den abgedichteten Bauformen werden Dichtungen, in der Regel auf Basis von Elastomeren, zur Abdichtung und Trennung der Medienräume zwischen den verschiedenen Platten verwendet.
Als Material für die Platten können in Abhängigkeit von den Medien, zwischen denen der Wärmeaustausch stattfindet, Metalle oder Metalllegierungen wie Stahl oder bei besonders korrosiven Medien auch keramische Materialien wie Graphit oder Siliziumcarbid oder faserverstärkte Keramikmaterialien eingesetzt werden.
Graphithaltige oder keramische Plattenwerkstoffe wie zum Beispiel Graphit oder auch Siliziumcarbid stellen aufgrund ihrer hohen Sprödigkeit besondere Anforderungen an die Abdichtung zwischen den einzelnen Platten.
Wegen der Sprödigkeit der graphithaltigen oder keramischen Werkstoffe und der Schwierigkeiten, diese Materialien miteinander zu verbinden, werden solche Plattenwärmeaustauscher in der Regel in abgedichteten Ausführungen hergestellt.
Abgedichtete Plattenwärmeaustauscher bieten darüber hinaus den Vorteil, dass eine Trennung der Platten zur Demontage, Reinigung oder zum Austausch einzelner Platten einfacher möglich ist als bei dichtungslosen Ausführungen.
Speziell bei diesen Plattenwärmeaustauschern wird als Material für den Dichtungswerkstoff in der Regel ein Fluorpolymer, bevorzugt auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Materialien auf Graphitbasis eingesetzt. PTFE weist eine hohe Duktilität auf und bilden aufgrund der Fließeigenschaften nur eine geringe Dichtungsstärke. Aufgrund dieser sehr geringen Dicke des Dichtungsmaterials ist zur zuverlässigen Abdichtung die Sicherstellung einer ausreichend hohen Flächenpressung auf der Dichtung von entscheidender Bedeutung, um Leckagen im Betrieb zu vermeiden.
Die Flächenpressung wird in der Regel dadurch erreicht, dass man den Plattenstapel des Wärmeaustauschers zwischen zwei Rahmenplatten anordnet, zwischen denen die Platten mit einer ausreichenden Kraft verspannt werden.
Zur Krafteinleitung für diese Verspannung werden häufig sogenannte Zuganker in Kombination mit Schraubenfedern verwendet, die in einem gewissen Abstand zum Rand der Wärmeaustauschplatten angeordnet sind.
Aus der EP-A203213 sind Plattenwärmeaustauscher bekannt, die aus wenigstens drei parallelen, im Abstand angeordneten Plattenelementen aus einem korrosionsfesten Werkstoff und Mitteln zur Zu- und Ableitung der Wärme austauschenden, den Zwischenraum zwischen den Platten durchströmenden Fluide aufgebaut sind, wobei die Plattenelemente aus einem mit einem Fluorpolymeren gebundenen Graphitkörper hergestellt sind.
Aus der DE 10 2006 009 791 ist ein Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau bekannt, der aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter oder monolithischer Keramik besteht, wobei die gestapelten Platten mindestens zwei Kanalsysteme bilden, die übereinander durch mindestens eine Platte getrennt in beliebig vielen Schichten angeordnet sind und an gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapel durch Deckplatten, die Zulauf- und Ablaufeinrichtungen aufnehmen, begrenzt sind. Die Wärmetauscherplatten weisen in den den Strömungsbereich und die Durchgangsöffnungen für die Medien umgreifenden Bereichen rechteckig ausgebildete Nuten auf, in denen Dichtsysteme angeordnet sind.
Die konstruktive Ausführung der Druck tragenden Bauteile der kommerziell erhältlichen abgedichteten Plattenwärmeaustauscher, insbesondere mit Platten auf Basis graphithaltiger oder keramischer Werkstoffe wie Graphit, Siliziumcarbid oder faserverstärkter Keramikmaterialien ist für größere Modelle nur bedingt geeignet, da sich bei einer Vergrößerung der Konstruktion, speziell einer Erhöhung der Plattenbreite und/oder Plattenlänge, die Durchbiegung der Rahmenplatten in den für die Abdichtung des Wärmetauschers kritischen Bereichen erhöht und es somit zu Undichtigkeiten im Wärmeaustauscher kommen kann.
Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, abgedichtete Plattenwärmeaustauscher zur Verfügung zu stellen, in denen die vorstehend geschilderten Probleme vermieden werden oder zumindest verringert sind.
Erfindungsgemäß wurde diese Aufgabe mit abgedichteten Plattenwärmeaustauschern gemäß Anspruch 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
Die erfindungsgemäßen abgedichteten Plattenwärmeaustauscher weisen einen Rahmenkörper aus zwei Rahmenplatten, zwischen denen ein Plattenstapel aus einer Mehrzahl von Wärmeaustauschplatten angeordnet ist sowie Mittel zur Zu- und Ableitung der den Zwischenraum zwischen den Wärmeaustauschplatten durchströmenden wärmeaustauschenden Fluide, Mittel zur Krafteinleitung auf die Rahmenplatten, über die ein Druck auf den Plattenstapel ausgeübt werden kann und Mittel zur Abdichtung zwischen den Wärmeaustauschplatten des Plattenstapels auf.
Im Unterschied zu den bekannten Wärmeaustauschern vergleichbarer Bauart ist bei den erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauschern mindestens ein Mittel (7) zur Krafteinleitung so angeordnet, dass der Flächenschwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung auf eine Rahmenplatte (3) innerhalb der Fläche liegt, die sich bei der linearen Projektion der Fläche des Plattenstapels (4) auf die entsprechende Rahmenplatte (3) ergibt.
Bei den bekannten Plattenwärmeaustauschern in abgedichteter Ausführung erfolgt die Krafteinleitung auf die Rahmenplatten dergestalt, dass über Verbindungselemente, die die beiden Rahmenplatten außerhalb der Fläche der Wärmeaustauschplatten miteinander verbinden, eine Krafteinleitung auf die Rahmenplatten erfolgt, und damit auch ein Druck auf den Plattenstapel der Wärmeaustauschplatten ausgeübt wird. Der Flächenschwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung liegt dabei ausserhalb der Fläche, die sich bei der linearen Projektion der Fläche des Plattenstapels auf die entsprechende Rahmenplatte ergibt. Konstruktionsbedingt kommt es bei dieser Bauweise zu einer Durchbiegung der Rahmenplatten in Abhängigkeit von der eingeleiteten Kraft, die im mittleren Teil der Rahmenplatten am ausgeprägtesten ist. Diese Durchbiegung der Rahmenplatten wird umso stärker, je größer die Breite und/oder Länge der Rahmenplatten ist, das heißt bei größeren Wärmeaustauschern tritt das Problem stärker auf als bei kleineren Geräten.
Diese Durchbiegung führt dazu, dass im Mittelbereich des Plattenstapels der Wärmeaustauschplatten keine ausreichende Dichtungskraft bzw. kein ausreichender Druck auf der Dichtungsfläche vorhanden ist, um in diesem Bereich eine einwandfreie Abdichtung zu erreichen. Da die Dicke der verwendeten Dichtungsmaterialien, wie eingangs erwähnt, nur sehr gering ist, kann dies dazu führen, dass die Medien zwischen denen ein Wärmeaustausch stattfinden soll, sich vermischen, was zu einem Versagen der gesamten Anlage und aller nachgeschalteten Aggregate führt.
Die vorstehend genannten Probleme haben bislang die maximale Größe von Plattenwärmeaustauschern dieser Bauart mit Wärmetauscherplatten auf der Basis von Graphit, Siliziumcarbid oder anderen keramischen Materialien, die in abgedichteter Bauweise hergestellt werden, begrenzt.
Die Plattenwärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass mindestens eines der Mittel (7) zur Krafteinleitung so angeordnet ist, dass der Flächenschwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung auf eine Rahmenplatte (3) innerhalb der Fläche liegt, die sich bei der linearen Projektion der Fläche des Plattenstapels (4) auf die entsprechende Rahmenplatte (5) ergibt.
Als Flächenschwerpunkt der Fläche zur Krafteinleitung soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung der geometrische Schwerpunkt der entsprechenden Fläche verstanden werden, der mathematisch der Mittelung aller Punkte in der Fläche entspricht. Der geometrische Schwerpunkt entspricht dem Massenmittelpunkt eines physikalischen Körpers, der aus homogenem Material besteht. Dieser Schwerpunkt kann bei symmetrischen Figuren durch entsprechende geometrische Überlegungen erhalten werden, bei unsymmetrischen Flächen durch Integration.
Der Schwerpunkt eines nicht überschlagenen Polygons kann aus den kartesischen Koordinaten der Eckpunkte berechnet werden; bei regelmäßigen Polygonen entspricht der Schwerpunkt dem Mittelpunkt dessen Umkreises.
Bei Rechtecken, Parallelogrammen oder Quadraten erhält man den Schwerpunkt z.B. aus dem Schnittpunkt der Diagonalen, bei einem Dreieck ist der geometrische Schwerpunkt der gemeinsame Schnittpunkt der drei Seitenhalbierenden. Bei kreisförmigen Flächen ist der geometrische Schwerpunkt der Kreismittelpunkt.
Der Fachmann kann daher bei bekannter Form der Fläche der Krafteinleitung den geometrischen Schwerpunkt der Fläche bestimmen und mindestens ein Mittel zur Krafteinleitung so ausgestalten, dass der geometrische Schwerpunkt von dessen krafteinleitender Fläche innerhalb der Fläche liegt, die sich bei linearer Projektion der Fläche des Plattenstapels auf die entsprechende Rahmenplatte ergibt.
Unter Fläche des Plattenstapels soll dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Fläche verstanden werden, die durch die Hauptabmessungen des Plattenstapels bzw. der einzelnen Wärmeaustauschplatten begrenzt wird. Diese Fläche schließt etwaige vorhandene Einkerbungen, Ausbohrungen etc. im Plattenstapel bzw. in einzelnen Wärmeaustauschplatten ein und unterscheidet sich insoweit von der Oberfläche des Plattenstapels, die durch die äußere Kontur der Plattenstapels bzw. der Wärmeaustauschplatten definiert ist und insoweit etwaige vorhandene Einkerbungen oder Ausnehmungen nicht einschließt. Erfindungsgemäße Plattenwärmeaustauscher weisen mindestens ein wie vorstehend definiert ausgelegtes Mittel zur Krafteinleitung auf; es ist jedoch auch möglich und von der vorliegenden Erfindung mit umfasst, mehrere Mittel zur Krafteinleitung entsprechend zu gestalten.
Vorzugsweise ist dieses eine bzw. sind diese evtl. mehreren Mittel zur Krafteinleitung so angeordnet, dass die Fläche der Krafteinleitung im Randbereich der Fläche des Plattenstapels der Wärmeaustauschplatten liegt, besonders bevorzugt im oberen oder unteren Bereich der Wärmeaustauschplatten, in dem auch die Mittel zur Zu- und Ableitung der den Zwischenraum zwischen den Wärmeaustauschplatten durchströmenden wärmeaustauschenden Fluide vorzugsweise angeordnet sind. Insbesondere in diesem Bereich zwischen den Durchgangsöffnungen ist eine gute Abdichtung wesentlich, da dort die wärmeaustauschenden Fluidströme in die Platten eingeleitet werden, deren Durchmischung oder Kontakt vermieden werden muss.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, Mittel zur Krafteinleitung an anderen Stellen so anzuordnen, dass der Schwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung gemäß der Erfindung angeordnet ist. Dies würde jedoch im Regelfall zur Folge haben, dass die in den Platten vorhandenen Kanäle, in denen die fluiden Medien strömen, entsprechend so zu gestalten wären, dass diese durch die Mittel zur Krafteinleitung nicht unterbrochen werden. Zudem würde eine solche Anordnung von Mitteln zur Krafteinleitung es erforderlich machen, die Wärmeaustauschplatten im Bereich der Kanäle mit Bohrungen oder Durchführungen zu versehen, was generell nicht bevorzugt ist.
Generell ist es daher besonders bevorzugt, die Mittel zur Krafteinleitung so vorzusehen, dass in den Wärmeaustauschplatten des Plattenstapels keine fluidführenden Kanäle tangiert werden.
Geeignete Mittel zur Krafteinleitung in den Plattenwärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung sind dem Fachmann an sich bekannt und in der Literatur beschrieben, so dass sich hier nähere Ausführungen erübrigen. Der Fachmann wird, entsprechend dem jeweiligen Anwendungsfall, ein geeignetes Mittel zur Krafteinleitung einsetzen.
Gemäß einer Ausführungsform können die Wärmeaustauschplatten mit Ausnehmungen oder Nuten versehen sein, in denen ein zwischen den Rahmenplatten angeordnetes Teilelement eines Mittels zur Krafteinleitung angeordnet ist. Dieses wird durch eine Bohrung oder Ausnehmung in den Rahmenplatten hindurchgeführt und Abschlusselemente werden so mit dem Teilelement verbunden, dass eine Kraft auf die Rahmenplatte ausgeübt werden kann. Da das Teilelement zwischen den Rahmenplatten ganz oder teilweise innerhalb der Fläche der Wärmeaustauschplatten des Plattenstapels angeordnet ist, wird der Flächenschwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung des entsprechenden Mittels innerhalb der Fläche liegen, die sich bei linearer Projektion der Fläche des Plattenstapels bzw. der Wärmeaustauschplatte auf die Rahmenplatte ergibt.
Bevorzugte Mittel zur Krafteinleitung in einer solchen Ausführungsform sind Anker. Unter Anker ist dabei ein Mittel zu verstehen, welches Zugspannungen aufnehmen kann. Bevorzugt werden Anker aus runden Metallstäben verwendet, die zwischen den Rahmenplatten verlaufen und am Ende Einrichtungen aufweisen, mit deren Hilfe die beiden Rahmenplatten über den Anker mit einer definierten Kraft verspannt werden können. Die genaue konstruktive Ausgestaltung wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall anhand des Fachwissens ausgewählt.
Bei dem Mittel zur Krafteinleitung, dessen Flächenschwerpunkt der Krafteinleitung innerhalb der Fläche liegt, die sich bei linearer Projektion der Fläche des Plattenstapels oder der Wärmeaustauschplatten auf die Rahmenplatte ergibt, befindet sich der zwischen den beiden Rahmenplatten angeordnete Anker vorzugsweise in einer Nut am oberen oder unteren Ende der Wärmeaustauschplatten, so dass trotz der erfindungsgemäßen Anordnung des Mittels zur Krafteinleitung der Austausch einzelner Wärmeaustauschplatten nach wie vor möglich ist, ohne den Plattenwärmeaustauscher vollständig demontieren zu müssen. Grundsätzlich ist es zwar auch möglich, im oberen Bereich der Wärmeaustauschplatten eine geschlossene Bohrung vorzusehen, durch die der Anker geführt wird; dies erfordert dann allerdings beim Austausch von einzelnen Platten eine vollständige Demontage des Plattenwärmeaustauschers.
Durch die Rahmenplatten kann der Anker sowohl in ähnlicher Weise wie in den Wärmeaustauschplatten in einer Nut geführt werden, oder es kann auch eine entsprechende Bohrung in der Rahmenplatte vorgesehen sein.
Gemäß einer anderen Ausführungsform eines Plattenwärmeaustauschers gemäß der Erfindung werden die zwischen den Rahmenplatten angeordneten Elemente mindestens eines erfindungsgemäß angeordneten Mittels zur Krafteinleitung so ausgestaltet, dass diese vollständig außerhalb der Fläche des Plattenstapels, ggf. sogar außerhalb der durch die Rahmenplatte aufgespannten Fläche liegen. Durch eine entsprechende konstruktive Auslegung wird die Krafteinleitung auf die Rahmenplatte erfindungsgemäß so gestaltet, dass die erfindungsgemäße Anforderung erfüllt ist. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass die Elemente in Form eines Bügels um die Rahmenplatte herumgreifen und auf der Rahmenplatte so befestigt werden, dass die erfindungsgemäße Anforderung hinsichtlich des Flächenschwerpunkts der Fläche der Krafteinleitung erfüllt ist. Dem Fachmann sind entsprechende konstruktive Auslegungen bekannt und er wird entsprechend der konkreten Situation ein geeignetes Mittel gestalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei Mittel zur Krafteinleitung auf der Rahmenplatte durch einen Bügel oder ähnliches miteinander verbunden. Dieser Bügel kann dann mit der Rahmenplatte zusätzlich krafteinleitend z.B. in der Mitte verbunden sein, wodurch der Schwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung ebenfalls wie erfindungsgemäß gefordert zu liegen kommt.
Variationen der vorstehend genannten beispielhaften Ausführungsformen sind vom Fachmann aufgrund seines Fachwissens gestaltbar. Wesentlich ist, dass der Flächenschwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung bei mindestens einem Mittel zur Krafteinleitung innerhalb der Fläche liegt, die sich bei der linearen Projektion der Fläche des Plattenstapels bzw. der Wärmeaustauschplatten auf die Rahmenplatte ergibt.
Durch die Anschluss-Abmessungen der Mittel zur Zu- und Ableitung der fluiden Medien und der Art und der Gestaltung des Mittels zur Krafteinleitung ergibt sich konstruktiv ein Mindestabstand zwischen den Mitteln zur Krafteinleitung und den Mitteln zur Zu- und Ableitung fluider Ströme.
Die Form der Fläche der Krafteinleitung unterliegt an sich keiner besonderen Beschränkung, ist jedoch vorzugsweise im Wesentlichen rechteckig, elliptisch, kreisförmig oder hat die Form eines regelmäßigen Polygons. Auch hier wird der Fachmann entsprechend der angestrebten Anwendung unter konstruktiven Vorgaben ein geeignetes Mittel auswählen und einsetzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform entspricht der Abstand des Mittelpunkts des Mittels zur Krafteinleitung, dessen Flächenschwerpunkt innerhalb der Fläche liegt, die sich bei linearer Projektion der Fläche des Plattenstapels bzw. der Wäremeaustauschplatten auf die Rahmenplatte ergibt, zum nächstliegenden Rand der Fläche des Stapels von Wärmeaustauschplatten mindestens der Hälfte der längsten Diagonale, die in der Fläche der Krafteinleitung gebildet werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Fläche zur Krafteinleitung des Mittels 1 keine Überschneidung mit der Fläche des nächstliegenden Mittels zur Zu- und Ableitung der fluiden Medien auf.
Als Mittel zur Zu- und Ableitung werden vorzugsweise Durchgangsöffnungen verwendet, deren Querschnitt keiner besonderen Beschränkung unterliegt und die im Wesentlichen kreisförmig, elliptisch, rechteckig oder in Form eines Polygons gestaltet werden können. Die Form der Mittel zur Zu- und Ableitung ist für die gewünschte Wirkung der besseren Abdichtung nicht kritisch.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauschers
2 eine Ansicht des Bereichs einer Wärmeaustauschplatte, in der die Mittel zur Zu- und Ableitung der fluiden Medien und der Verlauf der zwischen den Platten vorhandenen Abdichtung zu erkennen ist.
3 eine Ansicht von vorne auf die Stirnseite einer Rahmenplatte eines Plattenwärmeaustauschers mit der Anordnung von drei Mitteln zur Krafteinleitung gemäß Stand der Technik und
4 eine entsprechende Ansicht einer bevorzugten Variante eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauschers.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher 1 mit einem Rahmenkörper 2 aus zwei Rahmenplatten 3. Zwischen den Rahmenplatten 3 ist ein Plattenstapel 4 aus Wärmeaustauschplatten 5 angeordnet. Ein Mittel zur Krafteinleitung 7 ist ebenfalls dargestellt.
2 zeigt die Konturen einer Wärmeaustauschplatte 5 eines Plattenstapels 4 (nicht gezeigt) mit Mitteln 6 zur Zu- und Ableitung fluider Medien sowie ein Mittel 8 zur Abdichtung. Man erkennt, dass das Mittel 8 zur Abdichtung die Mittel 6 zur Zu- und Ableitung abdichtend voneinander trennt.
3 zeigt die Konturen einer Rahmenplatte 3 und einer Wärmeaustauschplatte 5 sowie zwei Mittel 6 zur Zu- und Ableitung fluider Medien sowie drei Mittel 7 zur Krafteinleitung, die durch schwarze Kreise symbolisiert sind. Man erkennt, dass der Schwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung bei allen Mitteln zur Krafteinleitung ausserhalb der Fläche liegt, die sich bei einer linearen Projektion der Fläche der Wärmeaustauschplatte auf die Rahmenplatte ergibt.
4 zeigt die Konturen einer Rahmenplatte 3 und einer Wärmeaustauschplatte 5, Mittel 6 zur Zu- und Ableitung fluider Medien sowie mehrere Mittel 7 zur Krafteinleitung. Man erkennt, dass ein Mittel 7 zur Krafteinleitung (das mittlere in der oberen Reihe) so angeordnet ist, dass der Flächenschwerpunkt von dessen Fläche der Krafteinleitung vollständig in der Fläche liegt, die sich bei linearer Projektion der Fläche der Wärmeaustauschplatte 5 bzw. des Plattenstapels 4 (nicht gezeigt) auf die Rahmenplatte 3 ergibt. Das Material der Wärmeaustauschplatten in den erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauschern kann vom Fachmann aus den dafür bekannten und im Stand der Technik beschriebenen Materialien ausgewählt werden. Weiterhin zeigt 4 eine Plattenbreite B und eine Plattenlänge L.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Bauweise kommen in besonderer Weise zum Tragen, wenn die Platten aus einem mit einem Polymeren imprägnierten Graphitkörper, oder einem mit einem Polymeren gebundenen Graphitkörper oder aus Siliziumcarbid oder einer Faserverbundkeramik aufgebaut sind.
Bevorzugte Materialien auf Graphitbasis enthalten vorzugsweise mindestens 50, besonders bevorzugt mindestens 55 Gewichtsprozent Graphit.
Geeignete Materialien als Graphitbasis in Form von polymergebundenen Graphitkörpern sind unter der Bezeichnung Diabon^® F, mit Polymeren, insbesondere Phenolharzen imprägnierte Graphitkörper sind kommerziell unter der Bezeichnung Diabon^® NS jeweils von SGL Carbon erhältlich.
Bei all diesen Materialien ist es aufgrund deren Sprödigkeit und Materialeigenschaften vorteilhaft bzw. erforderlich, einen darauf aufbauenden Plattenwärmeaustauscher in abgedichteter Bauweise auszulegen und damit kommen die Vorteile der vorliegenden Erfindung zum Tragen.
Die Vorteile der vorstehend genannten Materialien liegen in deren außerordentlich hohen Korrosionsbeständigkeit und auch Temperaturbeständigkeit, weshalb Plattenwärmeaustauscher als entsprechende Materialien insbesondere dann vorteilhaft eingesetzt werden können, wenn korrosive Medien oder hohe Temperaturen zur Anwendung kommen.
Die Rahmenplatten der erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher müssen aufgrund der Verspannung mit den Mitteln zur Krafteinleitung signifikante Kräfte aufnehmen und sind daher konstruktiv mit einer entsprechenden Stabilität auszulegen. Auch hier wird der Fachmann die Wahl des geeigneten Materials von der spezifischen Anwendung des Plattenwärmeaustauschers abhängig machen. Als geeignete Materialien für Rahmenplatten des Rahmenkörpers seien hier nur stellvertretend Metalle oder Metalllegierungen wie Stahl aber auch Kunststoffmaterialien, die mit Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern oder Glas- oder Aramidfasern verstärkt sind, genannt. Wesentlich ist in jedem Fall, dass die Rahmenplatten die einwirkenden Kräfte dergestalt aufnehmen können, dass die Durchbiegung bestimmte Grenzwerte nicht überschreitet.
In jedem Fall ist es wesentlich die maximale Durchbiegung, die in der Regel in der Mitte der Rahmenplatte erreicht wird, geringer zu halten als die Dicke des verwendeten Abdichtungsmaterials, da ansonsten Leckagen auftreten.
Da die zur Abdichtung verwendeten Materialien in der Regel eine Dicke von nicht mehr als 0,3 mm, vorzugsweise nicht mehr als 0,15 mm aufweisen, sollte die maximale Durchbiegung der Rahmenplatten ebenfalls unterhalb 0,3 mm, besonders bevorzugt unterhalb 0,15 mm liegen, um die Dichtigkeit des Plattenwärmeaustauschers sicher zu gewährleisten.
Als Mittel zur Abdichtung können grundsätzlich alle Dichtungsmaterialien verwendet werden, die die entsprechende Korrosionsbeständigkeit für die angestrebte Verwendung aufweisen und eine dauerhafte Abdichtung unter Betriebsbedingungen gewährleisten. Bevorzugte Materialien für die Mittel zur Abdichtung sind insbesondere Polymere auf Fluorbasis oder auch Materialien auf Basis von Graphit. Bevorzugte Fluorpolymere sind Polytetrafluorethylen (PTFE) bzw. Polyvinylidenfluorid (PVDF). Entsprechende Materialien sind dem Fachmann bekannt und kommerziell von mehreren Anbietern erhältlich.
Die zur Realisierung einer verlässlichen Dichtung zwischen jeweils zwei Wärmeaustauschplatten eingesetzten Dichtungen können gemäß einer bevorzugten Ausführungsform als Flachdichtungen ausgeführt und in umlaufenden, einen rechteckigen Querschnitt aufweisenden Nuten eingesetzt werden. Dabei wird die Dicke der Flachdichtungen so ausgewählt, dass diese aus den Nuten herausragen und damit beim Spannen des Wärmeaustauschplattenstapels die Dichtheit hergestellt wird.
Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, die Mittel zur Abdichtung als sogenannte Dichtschnur zu gestalten, die einfach zwischen die Wärmeaustauschplatten eingelegt wird und durch die Krafteinleitung zu einer sicheren Abdichtung führt.
Die erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher können in größeren Plattenbreiten (B) und/oder Plattenlängen (L) hergestellt werden, als dies bislang bei entsprechenden Produkten möglich war. Da mit steigender Plattenbreite (B) und/oder Plattenlänge (L) die Durchbiegung bei Krafteinleitung über die entsprechenden Mittel zunimmt, konnten bislang Plattenwärmeaustauscher in abgedichteter Bauweise mit Wärmeaustauschplatten auf der Basis von Graphit, Siliziumcarbid oder anderen keramischen oder faserverstärkten Werkstoffen nur in einer begrenzten Größe hergestellt werden, die dadurch bedingt war, dass die maximale Durchbiegung der Rahmenplatten die vorstehend genannten Werte nicht überschreiten durfte. Durch Erhöhung der Dicke der Rahmenplatten oder Erhöhung der Steifigkeit der Materialien kann zwar eine gewisse Verbesserung in dieser Hinsicht erzielt werden, mit den Plattenwärmeaustauschern gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch in jedem Fall bei gleichem verwendeten Material größere Plattenbreiten (B) und/oder Plattenlängen (L) realisiert werden, da die maximale Durchbiegung durch die erfindungsgemäße Anordnung mindestens eines Mittels zur Krafteinleitung deutlich reduziert werden kann.
Versuche haben gezeigt, dass die Plattenbreite (B) und/oder Plattenlänge (L) um mindestens 20–30 % erhöht werden kann, ohne dass eine höhere Durchbiegung als bei den Plattenwärmeaustauschern gleicher Bauweise nach dem Stand der Technik zu erwarten ist. Damit kann unter konstanten Prozessbedingungen (Druck, Temperatur) eine entsprechende Erhöhung der Wärmeaustauscherkapazität realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher ist darin zu sehen, dass durch die größere Plattenbreite (B) und /oder Plattenlänge (L) die benötigte Standfläche der Plattenwärmeaustauscher für eine angestrebte Wärmeaustauschkapazität deutlich verringert werden kann, was insbesondere bei bereits bestehenden Anlagen, deren Kapazität erhöht werden soll, von Vorteil ist. Bei diesen Konstellationen ist oftmals keine Möglichkeit gegeben, für eine Erhöhung der Wärmeaustauscherkapazität eine entsprechend größere Standfläche zur Verfügung zu stellen.
Insgesamt können daher mit den Plattenwärmeaustauschern gemäß der vorliegenden Erfindung Wärmeaustauscher Kapazitäten, bezogen auf die benötigte Grundfläche zur Aufstellung des entsprechenden Wärmeaustauschers, erreicht werden, die mit den Wärmeaustauschern entsprechender Bauweise nach dem Stand der Technik nicht erzielbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Plattenwärmetauscher
2: Rahmenkörper mit zwei Rahmenplatten
3: Rahmenplatte
4: Plattenstapel aus Wärmeaustauschplatten
5: Wärmeaustauschplatte
6: Mittel zur Zu- und Ableitung fluider Medien
7: Mittel zur Krafteinleitung
8: Mittel zur Abdichtung
B: Plattenbreite
L: Plattenlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 203213 A [0012]
DE 102006009791 [0013]

Claims

Abgedichteter Plattenwärmeaustauscher (1) mit einem Rahmenkörper (2) aus zwei Rahmenplatten (3) zwischen denen ein Plattenstapel (4) aus einer Mehrzahl von graphithaltigen oder keramischen Wärmeaustauschplatten (5) angeordnet ist, Mitteln (6) zur Zu- und Ableitung der den Zwischenraum zwischen den Platten durchströmenden wärmeaustauschenden Fluide, Mitteln (7) zur Krafteinleitung auf die Rahmenplatten (3), über die ein Druck auf den Plattenstapel (4) ausgeübt werden kann und Mitteln (8) zur Abdichtung zwischen den Wärmeaustauschplatten (5) des Plattenstapels (4), dadurch gekennzeichnet, dass bei mindestens einem Mittel (7) der Flächenschwerpunkt der Fläche der Krafteinleitung dieses Mittels auf die Rahmenplatte (3) innerhalb der Fläche liegt, die sich bei der linearen Projektion der Fläche des Plattenstapels (4) auf die entsprechende Rahmenplatte (3) ergibt.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatten (5) mit mindestens einer Ausnehmung oder Nut zur Aufnahme eines zwischen den Rahmenplatten (3) angeordneten Teilelements eines Mittels zur Krafteinleitung versehen sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Mittel zur Krafteinleitung (7) so ausgestaltet ist, dass dieses außerhalb des Plattenstapels (4) liegt.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatten (5) mit mindestens einer Ausnehmung oder Nut zur Aufnahme eines zwischen den Rahmenplatten (3) angeordneten Teilelements eines der mindestens einen Mittel zur Krafteinleitung (7) versehen sind und dass mindestens ein Mittel zur Krafteinleitung (7) außerhalb des Plattenstapels angeordnet ist.
Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zur Zu- und Ableitung in den Wärmeaustauschplatten des Plattenstapels Durchgangsöffnungen sind.
Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen (6) im Wesentlichen kreisförmig, elliptisch oder rechteckig sind oder die Form eines regelmäßigen Polygons haben.
Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Krafteinleitung des mindestens einen Mittels (7) im Wesentlichen kreisförmig, elliptisch oder rechteckig ist oder die Form eines regelmäßigen Polygons hat.
Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Krafteinleitung des mindestens einen Mittels (7) mit der Fläche der nächstliegenden Durchgangsöffnung (6) keine Überschneidung aufweist.
Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatten (5) aus einem mit einem Polymeren gebundenen oder mit einem Polymeren imprägnierten Graphitkörper hergestellt sind.
Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatten (5) aus Siliziumcarbid oder einer Faserverbundkeramik aufgebaut sind.
Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeaustauschplatten (5) mindestens 50 Gew% Graphit enthalten.
Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (6) zur Abdichtung ein Fluorpolymer oder ein graphitisches Material enthalten.
Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer ein Polymer auf der Basis von Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist.