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Plattenwärmeaustauscher mit nach einem symmetrischen Muster angeordneten
Ausbeulungen nach beiden Richtungen in jeder Platte Die Erfindung betrifft einen
Plattenwärmeaustauscher.
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Es sind Plattenwärmeaustauscher bekannt, welche aus Platten mit nach
einem symmetrischen Muster angeordneten Ausbeulungen nach beiden Richtungen bestehen,
wobei diese Ausbeulungen durch eine auf das Muster abgestimmte Stapelung der Platten
im wesentlichen hindernisfreie Strömungskanäle auf jeder Seite der einzelnen Platten
ergeben.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Ausbeulungen nach einem solchen
Muster anzuordnen, daß innerhalb eines regelmäßigen Sechsecks jeweils sechs die
Sechseckseiten in ihrer Mitte tangierende Ausbeulungen liegen, wobei an zwei nebeneinanderliegenden
Ausbeulungen die eine eine Vertiefung und die andere eine Erhöhung ist und die vom
Zentrum des Sechsecks nach dessen Ecken gezogenen Geraden den Umriß je einer Vertiefung
und einer benachbarten Erhöhung tangieren. Ferner sollen die Erhöhungen und Vertiefungen
solche Form haben, daß in einem durch das Zentrum benachbarter Erhöhungen und Vertiefungen
gelegten Schnitt der Krümmungsverlauf der Platte sinusförmig erscheint.
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Versuche haben ergeben, daß die erfindungsgemäß ausgebildeten Plattenwärmeaustauscher
gegenüber den bekannten Wärmeaustauschern einen besseren Wärmeaustauschwirkungsgrad
ergeben. Eine Theorie, welche diese überraschende Wirkung erklären könnte, läßt
sich quantitativ nur schwer geben. Es wird vermutet, daß der verbesserte Wärmeaustauschwirkungsgrad
daher rührt, daß ein annähernd konstanter Durchflußquerschnitt zwischen den Platten
gegeben ist, während in den bisherigen Anordnungen die Ausbeulungen ziemlich willkürlich
angeordnet waren, so daß der Durchflußquerschnitt variierte. Die Variationen des
Durchflußquerschnitts hatten natürlich Druckabfälle zur Folge, die den verminderten
Wirkungsgrad nach sich zogen. Trotz des annähernd konstanten Durchflußquerschnittes
tritt bei den erfindungsgemäßen Wärmeaustauschern eine ausgezeichnete Verwirbelung
auf.
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Die Platten können derart zusammengesetzt werden, daß die Erhöhungen
zu beiden Seiten einer Platte in Berührung mit den Erhöhungen auf den dieser Platte
zugeordneten Flächen der beiderseits benachbarten Flächen stehen. Die Vereinigung
der Platten wird erleichtert, wenn die Kuppeln der Erhöhungen leicht abgeflacht
sind.
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Die Vereinigung der Platten zu einem Plattenwärmeaustauscher erfolgt
nach einer bevorzugten Ausführungsform in der Weise, daß die Kanten aller Platten
in einer Ebene liegen, in der auch die Scheitel der Erhöhungen auf einer Seite der
Platte liegen, daß die Platten eines Plattenstapels paarweise angeordnet sind, wobei
die Plattenränder eines jeden Plattenpaares miteinander in Berührung stehen und
verbunden sind, während die Plattenpaare untereinander durch U-förmige Verbindungsglieder
zusammengeschlossen sind, deren einer Schenkel in Berührung und Verbindung mit den
Rändern des nächsten Plattenpaares steht.
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Daneben können die Platten an zwei gegenüberliegenden Rändern Durchbrechungen
besitzen und um diese Durchbrechungen herum so ausgebildet sein, daß in einem Plattenstapel
diese Öffnungen miteinander fluchten und somit durch den Plattenstapel hindurch
verlaufende Ein- und Austrittskanäle bilden, wobei die Eintrittskanäle oder der
Eintrittskanal an dem einen Rand und der Austrittskanal oder die Austrittskanäle
an dem anderen Rand mit jedem zweiten Plattenzwischenraum in Verbindung stehen,
während der Austrittskanal an dem erstgenannten Plattenrand und der Eintrittskanal
an dem anderen Plattenrand mit den restlichen Plattenzwischenräumen in Verbindung
stehen.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform besitzt jede Platte an den
für den Strömungsmittelanschluß ausgebildeten Rändern je fünf Durchbrüche, wobei
an beiden Rändern der zweiten und der vierten Durchbruch größer sind als die übrigen;
das Blech der Platte ist dabei um die Durchbrüche herum so verformt, daß im Stapel
die zweite und die vierte Durchbrechung mit dem Raum auf der einen Seite einer Platte
und
die übrigen Durchbrechungen mit dem Raum auf der anderen Seite
dieser Platte in Verbindung, stehen.
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Die nun folgende Beschreibung erklärt einige Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es stellt dar Fig. 1 eine schematische Draufsicht
auf eine Wärmeaustauscherplatte, Fig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1
durch einen Stapel von Platten, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 der Fig. 1 durch
ein Paar in Berührung stehender Platten, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie 4-4 der
Fig. 1 durch ein Paar solcher Platten, Fig. 5 die Draufsicht auf einen unter Verwendung
von Platten nach Fig. 1 bis 4 gebauten Wärmeaustauscher, in welchem zur Verringerung
der Anzahl der verschiedenen notwendigen Plattentypen die einzelnen Platten gegeneinander
versetzt sind, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie 6-6 der Fig. 5, Fig. 7 einen Schnitt
nach Linie 7-7 der Fig. 5.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine Wärmeaustauscherplatte; die
ausgezogenen Kreise 10 der Fig. 1 deuten die Grundrisse von Erhöhungen in der dem
Betrachter zugewandten Fläche dieser Platte an, während die strichpunktierten Kreise
11 die Grundrisse von Vertiefungen in dieser Fläche darstellen. Die andere Fläche
dieser Platte hat an den Stellen, die den Erhöhungen 10 entsprechen, Vertiefungen
und an den Stellen, die den Vertiefungen 11 entsprechen, Erhöhungen. Man sieht,
daß die Erhöhungen 10 und die Vertiefungen 11 einen kreisförmigen Grundriß haben
und daß die kleinste Einheit des Flächenmusters aus sechs benachbarten Erhöhungen
und Vertiefungen besteht, die in einem Sechseck angeordnet sind; die Zentren der
Vertiefungen und Erhöhungen liegen in den Ecken des regulären Sechsecks, -wobei
Vertiefungen und Erhöhungen bei einem Umlauf um das Sechseck abwechselnd aufeinanderfolgen.
Man kann auch ein reguläres Sechseck zeichnen, welches die drei Vertiefungen und
die drei Erhöhungen einschließt, wobei die Seiten des Sechsecks Tangenten der Grundrisse
der Vertiefungen und Erhöhungen sind und wobei die Geraden, welche die Eckpunkte
des Sechsecks mit dessen Zentrum verbinden, Tangenten sowohl an dem Grundriß einer
Vertiefung als auch an dem Grundriß einer Erhöhung sind. Bei 12 ist ein solches
Sechseck angedeutet.
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Wenn eine Anzahl -solcher Platten übereinandergestapelt wird, wobei
die Erhöhungen auf den einander zugekehrten Flächen benachbarter Platten in Berührung
miteinander stehen, so wird eine Anzahl von geraden Durchgängen zwischen den Platten
frei gelassen, und zwar sind die Durchgänge auf der einen Seite einer Platte parallel
zu den Durchgängen auf der anderen Seite dieser Platte, so daß ein echter Gegenstrom
möglich ist; außerdem sind die Platten durch die Ausbildung der Erhöhungen und Vertiefungen
wesentlich versteift. Bei diesen Platten wird auch ein guter Wärmeübergang erzielt.
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Fig. 2 zeigt eine Anzahl von Platten 13, 14, 15, 16, 17, 18 und 19,
welche zu einem Stapel zusammengesetzt sind, wobei eine Erhöhung 10 auf einander
zugekehrten Flächen benachbarter Platten in Kontakt miteinander stehen. Die den
oberen und unteren Rändern der in Fig. 1 dargestellten Platte entsprechenden Ränder
sind miteinander verbunden; damit sind gerade Kanäle 20 zwischen den Platten 13
und 14, gerade Kanäle 21 zwischen den Platten 14 und 15, gerade Kanäle 22 zwischen
den Platten 15 und 16, gerade Kanäle 23 zwischen den Platten 16 und 17, gerade Kanäle
24 zwischen den Platten 17 und 18, gerade Kanäle 25 zwischen den Platten 18 und
19 gebildet. Diese Kanäle verlaufen durch die Platten zwischen deren rechten und
linken Rändern (Fig. 1) hindurch.
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Die Verbindung zwischen den Platten wird so hergestellt, daß die Platten
zu Paaren an ihren Kanten verbunden werden und die Plattenpaare durch Vermittlung
von U-förmigen Verbindungsgliedern 26 zusammengeschlossen werden. Zu diesem Zweck
werden die Ränder der Platten so verformt, daß sie in einer Ebene liegen, in der
auch die Scheitel der Erhöhungen einer Fläche der Platte liegen; damit stehen, wenn
zwei Platten miteinander zusammengebracht werden, so daß sich ihre Kanten berühren,
die Scheitel entsprechender Erhöhungen einander zugekehrter Flächen benachbarter
Platten miteinander in Kontakt.
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Wie Fig. 2 zeigt, besitzen Schnitte entsprechend der Ebene 2-2 der
Fig. 1 durch eine Vertiefung 11 und eine benachbarte Erhöhung 10 im wesentlichen
Sinusform; Paare von benachbarten Erhöhungen und Vertiefungen sind im Schnitt durch
ein im wesentlichen gerades Stück 27 miteinander verbunden.
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In den Platten sind vorzugsweise Durchbrechungen vorgesehen, welche
bei Stapelung von Platten Ein-und Auslaßkanäle für die Strömungsmittel bilden, welche
im Wärmeaustausch miteinander durch den Wärmeaustauscher geführt werden; wenn eine
Platte, wie die der Fig. 1, solche Durchbrechungen besitzt, so sind diese entlang
der rechten und der linken Randlinien dieser Platte angeordnet, so daß sie zu den
geraden Kanälen 21, 22, 23, 24, 25 usw. Zutritt gewähren. Das Blech wird um diese
Durchbrechungen herum in ähnlicher Weise wie die Kanten verformt, so daß im Stapel
einige Durchbrechungen nur mit den Kanälen auf der einen Seite der Platte und andere
Durchbrechungen nur mit den Kanälen auf der entgegengesetzten Seite der Platte in
Verbindung stehen. Es führen also in einem Stapel von Platten einige Kanäle auf
der einen Seite des Stapels zu den Durchgängen 22, 20,24 usw. und andere Kanäle
zu den Durchgängen 21, 23, 25 usw. Die Platten werden entlang ihren Kanten und mit
den U-förmigen Verbindungsgliedern 26 zusammengeschweißt. Auch um die Durchbrechungen
werden Schweißnähte gelegt.
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In den Fig. 5 bis 7 erkennt man einen Wärmeaustauscher, der unter
Verwendung von Platten, wie sie in den Fig. 1 bis 4 dargestellt sind, aufgebaut
wurde; die Platten besitzen Durchbrechungen in ihren Randzonen, welche für die Ausbildung
von Kanälen geschaffen sind. Durch die versetzte Anordnung der einzelnen Platten
ist die Zahl der verschiedenen, notwendigen Plattentypen herabgesetzt, wie dies
bereits erwähnt wurde.
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Bei 30 ist der Plattenstapel samt U-förmigen Verbindungsgliedern 26
angedeutet. Man erkennt aus Fig. 5, daß die Platten je fünf Durchbrechungen an der
rechten und linken Randzone besitzen; jeweils die zweite und die vierte Durchbrechung
31 haben einen größeren Durchmesser als die erste, dritte und fünfte Durchbrechung
32. Wie man am besten aus Fig. 7 entnehmen kann, ist das Blech jeder Platte um die
Durchbrechungen 31 herum in einer Richtung und um die Durchbrechungen 32 herum in
der anderen Richtung verformt; die Platten sind aufeinandergestapelt. Dabei ist
das Blech um die Durchbrechungen 31 herum und auch das Blech um die Durchbrechungen
32 herum abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen verformt, derart, daß das Blech
der ersten und der zweiten Platte um die Durchbrechungen 31 herum in Berührung steht,
das Blech der zweiten und- der dritten
Platte um die Durchbrechungen
32 herum in Berührung steht und das Blech der dritten und der vierten Platte um
die Durchbrechungen 31 herum in Berührung steht usw.
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An die von den Durchbrechungen 31 und 32 gebildeten Ein- und Auslaßkanäle
des Plattenstapels sind Strömungsmittelleitungen angeschlossen, und zwar je vier
an beiden Enden des Stapels. Zwei dieser Leitungen sind an jedem Ende an der Oberseite
des Stapels eingeführt und zwei am Boden. An jedem Ende sind zwei Leitungen 33 mit
Verzweigungen 33 a versehen, welche nach den beiden Kanälen mit dem größeren Durchmesser
führen (d. h. zu den von den Durchbrechungen 31 gebildeten Kanälen) ; die übrigen
Leitungen 34 an beiden Enden des Stapels besitzen drei Verzweigungen 34a, welche
zu den Kanälen mit dem kleineren Durchmesser führen (d. h. zu den von den Durchbrechungen
32 gebildeten Kanälen). Damit kann z. B. das eine Strömungsmittel in den Stapel
30 durch die oberen und unteren Leitungen 33 auf der linken Seite des Stapels eingeführt
werden, wie durch Pfeile 35 angedeutet ist, und aus dem Stapel durch obere und untere
Leitungen 33 am rechten Ende desselben abgeleitet werden, wie durch Pfeile 36 angedeutet
ist. Das andere Strömungsmittel wird dann durch die rechten oberen und unteren Leitungen
34, wie durch Pfeile 37 angedeutet ist, in den Stapel eingeführt und durch die oberen
und unteren Leitungen 34 auf der linken Seite des Stapels, wie durch Pfeile 38 angedeutet,
aus diesem entnommen.
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Die Abschlußplatten des Stapels sind flache Platten 39; die gesamte
Konstruktion ist durch Gurte oder Stangen 40 zusammengehalten, welche über die Abschlußplatten
39 verlaufen und durch Ankerbolzen 41 an den Seiten des Stapels miteinander verbunden
sind. Damit sind Bolzenlöcher in den Wärmeaustauscherplatten vermieden.
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Die bevorzugte Ausführungsform von Wärmeaustauschern, die im vorstehenden
beschrieben wurde, ist für den Wärmeaustausch zwischen chemischen Stoffen, wie z.
B. flüssigem Natrium, wobei mit hohen Temperaturen gearbeitet wird und eine Verunreinigung
oder eine Berührung mit Luft unbedingt vermieden werden muß, besonders geeignet;
auch wenn ein höherer Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers und geringere Druckverluste
erreicht werden sollen, bewährt sich der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher. Die
Platten des Wärmeaustauschers werden zu diesem Zweck aus dünnem, rostfreiem Stahl
hergestellt.