DE1930347B2 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Plattenwärmetauscher

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Description

)ie Erfindung betrifft Plattenwärmetauscher mit em Stapel von im wesentlichen in gleicher Weise llenähnlich verformten Blechtafcln, deren Ränder
«5 abwechselnd mit dem Rand der einen bzw. der anderei benachbarten Blechtafel abdichtend verbunden sind wobei abwechselnd zwei benachbarte Blechtafeln spie gelbildlich zur gemeinsamen Berührungsebene als Plat tenpaare aufeinanderliegen und dadurch zwischen siel einzelne parallele, erste Strömungskanäle bilden unt benachbarte Plattenpaare zueinander mit Abstand unc um eine halbe Wellenlänge versetzt angeordnet sine und dadurch zwischen sich im Querschnitt wellenähnli ehe zweite Strömungskanäle bilden.
Ein derartiger Plattenwärmetauscher i:t bereits aui der US-PS 2 375 702 bekannt. Er besteht aus mehrerer übereinander angeordneten, durch Verbindungsschäch te räumlich voneinander getrennten Wärmetauscher einheilen, die sich ille in demselben Gehäuse befinden Jede dieser Einheiten wird von einem der oben be schriebenen Blechtafel-Stapel gebildet, wobei die er wähnten ersten Strömungskanäle waagerecht und die erwähnten zweiten Strömungskanäle im wesentlicher senkrecht gerichtet sind. Die quer zu den waagerechter Strömung.skanälen verlaufenden Begrenzungsebener der Stapel sind gegen die Senkrechte um etwa 30; geneigt. Ein von unten heraufströmendes Fluid wird beim Eintritt in die Wärmeaustauschereinheit um 90° in die Waagerechte und beim Austritt wiederum um 90 in die Senkrechte abgelenkt. Das im Kreuzstrom dazu in den zweiten Strömungskanälen im wesentlichen senkrecht geführte Ruid tritt oben in Jas Wärmetauschergehäuse ein und unten wieder aus, während das in den ersten Ströniungskanälen geführte Fluid unten eintritt, am oberen Ende nach Verlassen der letzten Wärmetauschereinheit in einen senkrecht verlaufenden Rückführungsschacht umgelenkt wird und ebenfalls unten wieder austritt.
Bei dem geschilderten Plattenwärmetauscher ist von Nachteil, insbesondere, wenn es als Verdampfungskondensator in Doppelrektifikationssäulen eingesetzt werden soll, daß auf Grund der mehrfachen Umlenkung des in den ersten Ströniungskanälen geführtea Fluids ein relativ hoher Druckverlus! auftritt, der eine Verschlechterung der Kondensationsbedingungen zur Folge hat, und daß das oben, den zweiten Strömungskanälen zugeführte Medium nicht wieder nach oben zurückgeführt wird. Der in der US-PS 2 375 702 geschilderte Plattenwärmetauscher kann daher nicht ohne weiteres als Verdampfungskondensator eingesetzt werden.
In der US-PS 3 289 757 ist ein als Verdampfungskondensator ausgebildeter Plattenwärmetauscher beschrieben, bei dem jedoch die Strömungskanäle nicht ausschließlich durch wellenähnlich verformte Blechtafeln gebildet werden.
Die DT-PS 29 672 und die US-PS 2 940 736 zeigen besondere Oberflächenstrukturen von Wärmetauscherblechen, und zwar Führungsrippen in der DT-PS 29 672 sowie Rippen und Rillen verschiedener Höhe bzw. Tiefe in der US-PS 2 940 736, die jedoch jeweils anderen Zwecken dienen als im vorliegenden Fall.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und wirksamen Plattenwärmetauscher zu entwickeln, der insbesondere für den Einsatz als Verdampfungskondensator in Doppelrektifikationssäulen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Blechtafel-Stapel des als Verdampfungskondensator ausgebildeten Plattenwärmetauschcrs von einem zylindrischen Gehäusemantel umgeben ist, zu dessen Achse die ersten Strömungskanäle parallel verlaufen, daß Ein- und Auslaß des zu verdamnfenden
Fluids an der Gehäuseoberseite und Ein- und Auslaß des zu kondensierenden Fluids an der Gehäuseunterseite angeordnet sind, daß mit der Innenfläche des Gehäusemantels parallel zu den Blechtafeln Trennwände abdichtend verbunden sind, die im Querschnitt kreisabschnittsförmige, zu einem Verteilerraum führende Zuströmkanäle für das zu verdampfende Fluid bilden, daß dieser Verteilerraum unterhalb des Blechtafel-Stapels liegt, mit den ersten Strömungskanälen verbunden und nach unten von einen-. Boden abgeschlossen ist, daß im Boden Durchtrittsöffnungen für das zu kondensierende Fluid und das Kondensat vorgesehen sind, die den auf der Gehäuseunterseite liegei den Ein- und Auslaß mit den an die zweiten Strömungskanäle angeschlossenen Verteiler- und Sammelräumen, die zwischen Blechtafel-Stapel und Gehäuseniantel liegen, verbinden.
Die erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher sind hervorragend als Verdampfungskondensatoren in Doppelrektifikationssäulen von Luftzerlegungsanlagen geeignet und werden dort zwischen Nieder- und Hochdruckteil angeordnet, wobei sie als Sumpfverdampfer für den Niederdruckteil und Kopfkondensator für den Hochdruckteil der Doppelsäule wirken.
Die dabei auftretenden Anforderungen werden mit Hilfe der geschilderten Anordnung erfüllt. Das zu kondensierende Fluid wird auf kürzestem Wege in die entsprechenden Kanäle der Wärmetauscher geleitet, ohne daß infolge zu vieler Umlenkungen Druckverluste entstehen, die wiederum eine Absenkung der Kondensationstemperatur und damit eine Verschlechterung der Kondensationsbedingungen zur Folge hätten. Die Möglichkeit der Zuführung des zu verdampfenden Fluids von oben her, sowie seiner Abführung nach oben, ist gemäß der Aufgabenstellung ebenfalls vorgesehen.
Da in dem zu kondensierenden Fluid im allgemeinen nicht kondensierbare Gase, z. B. Helium, enthalten sind. ist es gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung von Vorteil, wenn die zweiten Strömungskanale und die dazugehörigen Verteiler- und Sammelräume durch eine horizontale, in der Mitte offene Trennwand in zwei Bereiche abgeteilt sind, von denen der obere Bereich Auslaßöffnungen aufweist, durch die die nicht kondensierbaren Gase abgeführt werden. Die Trennwand ist dabei in den zweiten Strömungskanälen /.wcckmäßigerweise durch Wellblechstreifen gebildet.
Eine sehr wirtschaftliche Ausnutzung der Wärmeaustauscherflächen ergibt sich dadurch, daß die Blechtafeln Kondensatführungsrippen und den Konden<,atfilm aufreißende Rippen aufweisen, wobei letztere eine kleine- jo re Rippenhöhe als die Kondensatführungsrippen besitzen.
Durcn diese Maßnahme wird die Bildung eines zusammenhängenden Kondensatfilms auf der Kondensationsseite der Wärmeaustauscherflächen verhindert, und das Kondensat wird fortlaufend auf schnellem Wege von der Kondensationsfläche entfernt. Dies hat einen günstigen Einfluß auf die Bedingungen des Wärmeüberganges zur Folge.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in βο der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 im Querschnitt 1-1 aus den F i g. 2 und 3 einen erfindungsgemäßen, in einer Rektifiziersäule als Verdampfungskondinsator angeordneten Plattenwärme- 6j tauscher,
F i g. 2 den Plattenwärmetauscher im Längsschnitt H-Il aus F ig. 1,
Fig.3 den Plattenwärmetauscher im Längsschnitt IH-III aus F ig, I und die
F i g. 4 bis 6 in stark schematisierter Darstellung verschiedene Blechtafel-Typen, welche an ihrer Kondensationsfläche Mittel zur Beseitigung eines Kondensatfilms aufweisen.
Gemäß den F i g. 1 bis 3 ist in einem zu einer zylindrischen Rektifikationssäule gehörenden Gehäusemantel 1 ein erfindungsgentäßer Verdampfungskondensator angeordnet. In Richtung der senkrechten Säulenachse verlaufende erste Strömungskanäle 2 des Plattenwärmetauschers sind reihenweise durch jeweils zwei einander entsprechende, miteinander verbundene wellenähnlich verformte Blechtafeln 3, 4 gebildet, wobei die ersten Strömungskanäle 2 benachbarter Plattenpaare gegeneinander versetzt angeordnet sind. Außerdem sind die Rohrböden durch einen Teil der Blechtafeln 3, 4 gebildet. Dies erfolgt im einzelnen dadurch, daß die Blechtafeln 3, 4 an ihren beiden senkrecht zur Zylinderachse verlaufenden Kanten schwach gewölbte, horizontal verlaufende Abschnitte 5, 6 aufweisen. Die Abschnitte 5, f. sind jeweils durch eine Stumpfnaht 7 miteinander verscf weißt. Ebenso erfolgt die Verbindung der einander entsprechenden Blechtafeln 3, 4 durch Verschweißen an ihren parallel zur Säulenachse verlaufenden Kanten 8.
Die Rektifikationssäule weist zur Zuführung von zu verdampfendem Fluid zu unteren Eintrittsöffnungen 9 der ersten Strömungskanäle 2 zwei einander gegenüberliegende, durch zu den Blechtafeln 3, 4 parallele Trennwände 10, 11 abgeteilte Zuströmkanäle 12, 13 auf. Horizontale 14 und vertikale 15 Trennwände sowie ein gewölbter Boden 16 sorgen dafür, daß die Zuströmkanäle 12, 13 nur mit den unteren Eintrittsöffnungen 9 der ersten Strömungskanale 2 in Verbindung stehen.
Zwischen den Zuströmkanälen 12, 13 befinden sich zwei Verteiler- und Sammelräume 17, 18 zur seitlichen Zuleitung des zu kondensierenden Fluids zu den zweiten Strömungskanälen 19, wobei letztere zu den zwei Verteiler- und Sammelräumen 17, 18 hin vollkommen offen sind. Der einfachen Herstellung halber sind die sämtlichen Kanten des gesamten Verbandes der die Blechtafeln 3, 4 verbindenden Flächen 20 eben. Die Verteiler- und Sammelräume 17, 18 sind nach oben hin durch schräge Trennwände 21, «2 abgeschlossen, während sie nach unten hin offen sind. Sie weisen jeweils in ihrem obersten Abschnitt den Gehäusemantel 1 durchsetzende Auslaßöffnungen 23, 24 auf.
Die obersten Abschnitte 25 der zweiten Strömung* kanäle 19 zwischen den Blechtafel 3, 4 und die obersten Abschnitte 26, 27 der Verteiler- und Sr.mmelräume 17, 18 sind durch eine horizontale, in der Mitie offene Trennwand 28 von den übrigen Abschnitten abgeteilt. Dabei ist die Trennwand 28 in den zweiten Strömungskanälen 19 durch jeweils mindestens einen Wellblech-Streifen gebildet, wobei die Wellungew den Querschnitten der zweiten Strömungskanäle angepaßt sind.
Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher arbeitet, z. B. als Verdampfungskondensator in einer Doppelre/ctifikationssäule zur Luftzerlegung, folgendermaßen:
Auf einem oberhalb des Verdampfungskondensators angeordneten Boden 30 der Rektifikationssäule befindlicher flüssige- Sauerstoff strömt — durch Pfeile 31 angedeutet — durch die Zuströmkanäle 12, 1.1 den unteren Eintrittsöffnungen 9 der ersten Strömungskanäie 2 zu. Beim Durchströmen der ersten Strömungskanäle 2 wird der Sauerstoff durrh Wärmeaufnahme von dem in
den /weiten Strömungskanälen 19 befindlichen Stickstoff verdampft, so daß er gemäß Pfeilen 32 gasförmig die ersten Strömungskanälc 2 verläßt und durch den Boden 30 hindurch in den darüber befindlichen Niederdruckteil der Rektifikationssäule strömt.
Gasförmiger Stickstoff strömt — durch Pfeile 3.J angedeutet — aus dem unterhalb des Verdampfungskondensators befindlichen Hochdruckieil der Rektifikationssäulc durch die Verteiler- und Sammclräumc 17.
18 den zweiten Strömungskanälen 19 seitlich /u und durchströmt diese. Dabei wird der Stickstoff durch Wärmeabgabe an den in den ersten Strömungskanälen 2 strömenden Sauerstoff kondensiert, so daß das Kondensat gemäß Pfeilen 34 an den Wänden der zweiten Strömungskanäle herabströmt und der flüssige Stickstoff schließlich von dem durch die horizontal verlaufenden Abschnitte 5, 6 gebildeten unteren Boden des Blechtafel-Stapels seitlich in den unterhalb des Verdampfungskondensators befindlichen Hochdruckteil der Rektifikationssäule abfließt.
In dem Stickstoff befindliches, jedoch nicht kondensierendes Helium strömt dabei durch einen mittleren Durchbruch 35 der horizontalen Trennwand 28 in die obersten Abschnitte 25 der zweiten Strömungskanäle
19 sowip die obersten Abschnitte 26. 27 der Vcrteiler- und Sammelräume 17. 18. Aus letzteren wird das Helium durch die Auslaßöffnur.gen 23, 24 aus der Rektifikationssäulc abgelassen. Der Weg des Heliums ist in den Figuren durch Pfeile 36 markiert.
In den F i g. 4 bis 6 sind in stark schematisierter Darstellung verschiedene Blechtafel-Typen gezeigt, welche an ihrer Kondensationsfläche Mittel zur Beseitigung eines Kondensatfilms aufweisen.
Der Blechtafel-Typ gemäß Fig.4 weisi auf seiner Kondensationsfläche dicht nebeneinander angeordnete, einen Kondensatfilm aufreißende vertikale Rippen 37 geringer Höhe und Länge und unterhalb dieser angeordnete schräge Kondensat-Sammelrippen 38 auf. Die Höhe der Kondensat-Sammelrippen 38 übersteigt die Höhe der den Kondensatfilm aufreißenden Rippen 37. Beispielsweise sind die Rippen 37 0,5 bis 0.7 mm hoch, während die Höhe der Kondensat-Sammelrippen 38 1 mm beträgt. Sämtliche Kondensat-Samnielrippcn 38 weisen die gleiche Schrägung auf und leiten das Kondensat abwärts zu einem am Rand der Kondensationsflächc angeordneten, am unteren Rohrboden en denden Kondcnsat-.Sammelkanal 39.
Bei dem Blechtafel-Typ gemäß Fig.5 weisen di< Kondcnsat-Sammelrippen zwei zu einer senkrecht zu Kondensationsfläche und vertikal verlaufenden F.bem spiegelbildlich symmetrische Abschnitte 40, 41 auf. de ren Stoßstellen 42 nach oben weisen und die das Kon dcnsat abwärts zu jeweils einem am Rand der Konden sationsfläche angeordneten, am unteren Rohrboden en
ίο denden Kondensat-Sammelkanal 43 bzw. 44 leiten. Be diesem Blechtafel-Typ erfolgt die Ableitung des Kon densats von der Kondensationsfläche infolge des vorr Kondensat zurückzulegenden kürzeren Weges schnei ler als bei dem Blechtafel-Typ gemäß F i g. 4. wodurcl· der Wärmeübergang an der Kondensationsseite ver bessert wird.
Bei dem Blechtafel-Typ gemäß Fig.6 weisen die Kondensat-Sammelrippen mehrere schräge, zu senkrecht zur Kondensationsfläche und vertikal verlaufen-
so den Ebenen spiegelbildlich symmetrische Abschnitte 45. 46, vorzugsweise gleicher Länge, auf, wobei die nach unten weisenden Stoßstellen der Abschnitte 45.46 als in den zweiten Strömungskanal 19 hineinragende gegeneinander versetzt angeordnete Kondensat-Ab·
as tropfnasen 47 ausgebildet sind. Sämtliche Kondensat-Abtropfnasen 47 beider in einem zweiten Strömungskanal 19 angeordneten Kondensationsflächen ragen bis in d.e Mitte des zweiten Strömungskanals 19 hinein und sind durch eine in der Zeichnung nicht dargestellte Kondensat-Ablauffolie aus Kunststoff, deren Größe im wesentlichen der Größe der projizierten Kondensationsflächen entspricht, verbunden.
Bei dem zuletzt beschriebenen Blechtafel-Typ wird das Kondensat kurz nach seinem Entstehen auf schnellstem Wege direkt von der Kondens-ationsfläche zu der Kondensat-Ablauffolie geleitet, an der es zum unteren Boden des zweiten Slrömungskanal:; 19 abfließt. Diese Ausführungsform ergibt infolgedessen einen optimalen Wärmeübergang an den Kondensationsflächen.
Bei den Blechtafel-Typen gemäß den Fig.4 bis 6 können sämtliche Rippen. Kondensat-Sammelrippen und Kondensat-Abtropfnasen in die Blechtafeln 3. 4 eingepreßt sein oder auch als Blecheinbauten ausgebildet und mit den Blechtafeln 3. 4 beispielsweise durch Tauchlöten verbunden sein.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Plattenwärmetauscher mit einem Stapel von im wesentlichen in gleicher Weise wellenähnlich verformten Blechtafeln, deren Ränder abwechselnd mit dem Rand der einen bzw. der anderen benachbarten Blechtafel abdichtend verbunden sind, wobei abwechselnd zwei benachbarte Blechtafeln spiegelbildlich zur gemeinsamen Berührungsebene als Plattenpaare aufeinanderliegen und dadurch zwischen sich einzelne parallele, erste Strömungskanäle bilden und benachbarte Plattenpaare zueinander mit Abstand und um eine halbe Wellenlänge versetzt angeordnet sind und dadurch zwischen sich im Querschnitt wellenähnliche zweite Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenwärmetauscher als Verdampfungskondensator ausgebildet ist und dessen Blechtafel-Stapel von einem zylindrischen Gehäusemantel (1) um- ao geben ist. zu dessen Achse die ersten Strömungskanäle (2) parallel verlaufen, daß Ein- und Auslaß des zu verdampfenden Fluids an der Gehäuseoberseite und Ein- und Auslaß des zu kondensierenden Fluids an der Gehäuseunterseite angeordnet sind, daß mit der Innenfläche des Gehäusemaritels (1) parallel zu den Blechtafeln (3, 4) Trennwände (10, 11) abdichtend verbunden sind, die Ln Querschnitt kreisabschnittsförmige, zu einem Verteilerraum führende Zuströmkanäle (12, 13) für das zu verdampfende Fluid bilden, daß dieser Verieilerraitm unterhalb des Blechtafel Stapels liegt, mit den ersten Strömungskanälen (2) verbunden und nach unten von einem Boden (16) abgeschlossen i ,, daß im Boden Durchtrittsöffnungen für da;, zu kondensierende Fluid und das Kondensat vorgesehen sii.-d, die den auf der Gehäuseunterseite liegenden Ein- und Auslaß mit den an die zweiten Strömungskanäle (19) angeschlossenen Verteiler- und Sammelräumen (17, 18), die zwischen Blechtafel-Stapei und Gehäusemantel (1) liegen, verbinden.
2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Strömungskanäle (19) und die dazugehörigen Verteiler- und Sammelräume (17, 18) durch eine horizontale, in der Mitte offene Trennwand (28) in zwei Bereiche abgeteilt sind, von denen der obere Bereich Auslaßöffnungen (23, 24) aufweist.
3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand (28) in den zweiten Strömungskanälen (19) durch Wellblechstreifen gebildet ist.
4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechtafeln (3,4) Kondensatführungsrippen (38, 40, 41, 45,46) aufwei- «5 »en.
5. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechtafcln (3, 4) den Kondensatfilm aufreißende Rippen (37) aufweisen, mit einer kleineren Rippenhöhe als die der Kondensatführungsrippen (38,40, 41,45,46).
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