DE19948222A1 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Abstract

Plattenwärmetauscher mit übereinander angeordneten, Strukturierung aufweisenden Wärmeübertragungsplatten, zwischen welchen primärseitige Strömungskanäle für ein erstes Wärmetauschermedium, insbesondere ein zu verdampfendes Medium, und sekundärseitige Strömungskanäle für ein zweites Wärmetauschermedium, insbesondere ein Wärmeträgermedium, ausgebildet sind, wobei die primärseitigen und/oder die sekundärseitigen Strömungskanäle jeweils zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsplatten ausgebildet sind, deren Strukturierungen unter Beibehaltung eines minimalen Abstandes wenigstens teilweise ineinander greifen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Plattenverdampfer zum Verdampfen eines Fluids mit einer Anzahl aufeinanderliegender Wärmeübertragungsplatten ist aus der WO 91/16589 bekannt. Durch wellblechartige Ausbildung der Wärmeübertragungsplatten werden hier zwischen den einzelnen Platten Strömungsräume für die Wärmetauschermedien zur Verfü­ gung gestellt. Zur Schaffung eines optimalen Strömungswider­ standes für das Fluid und den erzeugten Dampf ist hierbei vor­ gesehen, die Pfeilungswinkel der einzelnen Strömungskanäle entlang der Länge des Plattenverdampfers veränderlich auszuge­ stalten.

Es ist ferner bekannt, mit fischgrätenmusterartigen Struktu­ rierungen ausgebildete Wärmeübertragungsplatten zur Erzeugung von Kreuzkanalstrukturen wechselseitig bzw. gegenläufig anzu­ ordnen. Das heißt, es werden im wesentlichen w-förmige fisch­ grätenmusterartige Strukturierungen und m-förmige fischgräten­ musterartige Strukturierungen übereinander zur Anordnung ge­ bracht. Hierbei wird über die gesamte Strömungslänge des Plat­ tenwärmetauschers entsprechend der fischgrätenmusterartigen Strukturierung ein konstanter Pfeilungswinkel eingestellt. Un­ ter Pfeilungswinkel wird hierbei ein Winkel zwischen der Hauptströmungsrichtung der Wärmetauschermedien und den fisch­ grätenmusterartigen Strukturierungen der Wärmeübertragungs­ platten verstanden. Die Medienzu- und -abführung erfolgt her­ kömmlicherweise durch je eine Bohrung, welche mit den entspre­ chenden Strömungskanälen des Plattenwärmetauscher kommunizie­ ren. Insgesamt ergeben sich durch die abwechselnde Anordnung w- und m-förmiger, fischgrätenartige Muster für beide Wärme­ tauschermedien gleiche Strömungskanalvolumina (gleiche Volumi­ na auf Primär- und Sekundärseite des Plattenwärmetauschers).

Als nachteilig bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern erweist sich, daß sich aufgrund der entstehenden Kreuzkanalstrukturen bei wechselseitiger Anordnung der fischgrätenartigen Struktu­ rierungen Strömungskanäle mit relativ großen Volumina ergeben. Dies führt beispielsweise bei zu verdampfenden Medien zu einem Auftreten des Leidenfrost'schen Phänomens, welches beispiels­ weise auch bei einem Auftreffen eines Wassertropfens auf eine heiße Herdplatte zu beobachten ist: Trotz Wärmeeinwirkung kommt es hier nicht zu einem Verdampfen des Tropfens, sondern zu einer Aufspaltung in einer Anzahl kleinere Tropfen.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Platten­ wärmetauschers, mittels dessen eine wirksame Verdampfung, ins­ besondere unter Vermeidung des Leidenfront'schen Phänomens, durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plattenwärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mittels des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers ist es nun möglich, insbesondere die Strömungskanäle für ein zu verdamp­ fendes Medium sehr klein bzw. schmal auszubilden, so daß ins­ gesamt primärseitig nur ein kleines Strömungsvolumen zur Ver­ fügung steht. Durch diese Maßnahme ist eine besonders gute Wärmeübertragung an ein zu verdampfendes Medium möglich, wobei beispielsweise Effekte wie das Leidenfrost'sche Phänomen wirk­ sam vermieden werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plattenwär­ metauschers sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Plattenwärmetauschers sind die Wärmeübertragungs­ platten als Bleche mit fischengrätenmusterartiger Strukturie­ rung ausgebildet, wobei zur Bildung der primärseitigen Strö­ mungskanäle jeweils zwei im wesentlichen gleichsinnig verlau­ fende Strukturierungen übereinander zur Anordnung kommen, und zur Bildung der sekundärseitigen Strömungskanäle jeweils ge­ genläufige Strukturen zur Erzeugung von Kreuzkanalstrukturen übereinander zur Anordnung kommen. Fischgrätenmusterartig ge­ formte Bleche weisen auf beiden Seiten eine erfindungsgemäß verwendbare Strukturierung auf. Bei Übereinanderanordnung je­ weils im wesentlich gleichförmig verlaufender fischgrätenmu­ sterartiger Strukturierungen können zwei Wärmeübertragungs­ platten zur Bildung sehr schmaler Strömungskanäle sehr nahe aneinander herangeführt werden, wobei die Erhebungen des einen Musters in die Vertiefungen des anderen Musters unter Beibe­ haltung eines minimalen bzw. gewünschten Abstandes eingreifen. Entsprechend kann durch Übereinanderanordnung einer gegenläu­ figen bzw. nicht gleichsinnig verlaufenden fischgrätenmuster­ artigen Strukturierung eine Strömungskanalseite mit relativ großem Volumen zur Verfügung gestellt werden, wobei es hier aufgrund der Kreuzkanalstruktur zu einer sehr guten Wärmeüber­ tragung eines Wärmeträgermediums an die Wärmeübertragungsplat­ ten kommt.

Zweckmäßigerweise sind zur Einstellung der Höhe der Strömungs­ kanäle Abstandselemente zwischen den Wärmeübertragungsplatten vorgesehen. Insbesondere im Falle von Wärmeübertragungsplat­ ten, welche mit gleichsinniger Strukturierung übereinander an­ geordnet sind, kann mittels derartiger Abstandselemente ein gewünschter bzw. notwendiger minimaler Abstand zur Schaffung eines ausreichenden Kanaldurchmessers gewährleistet werden. Mittels derartiger Abstandselemente können sowohl die primär- als auch die sekundärseitigen Strömungskanäle in optimaler Weise an die konkreten Gegebenheiten angepaßt werden. Die Ab­ standselemente erweisen sich ferner als vorteilhaft, da sie beim Durchströmen der Strömungskanäle Turbulenzen der durch­ strömenden Medien verursachen, wodurch die Wärmetauschereigen­ schaften des Plattenwärmetauschers weiter verbessert sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Plattenwärmetauschers ist bzw. sind für wenig­ stens eines der Wärmetauschermedien ein sich durch die Wärme­ übertragungsplatten erstreckender, mit den primärseitigen oder sekundärseitigen Strömungskanälen kommunizierende Einlaßkanal zur Einführung des Wärmetauschermediums in den Plattenwärme­ tauscher, und zwei sich durch die Wärmeübertragungsplatten er­ streckende, mit den primärseitigen bzw. sekundärseitigen Strö­ mungskanäle kommunizierende Auslaßkanäle zur Ausgabe des Wär­ metauschermediums vorgesehen. Durch diese Maßnahme kann eine sehr gleichmäßige Strömung des Wärmetauschermediums innerhalb des Plattenwärmetauschers erreicht werden, wodurch temperatur­ gradientbedingte thermische bzw. mechanische Belastungen des Plattenwärmetauschers wirksam vermindert werden können.

Zweckmäßigerweise ist die Einlaßöffnung an einem Ende des Plattenwärmetauschers im Bereich seiner Mittelachse bezüglich der Hauptströmungsrichtung ausgebildet, wobei die Auslaßboh­ rungen an dem anderen Ende des Plattenwärmetauschers symme­ trisch versetzt bezüglich der Mittelachse ausgebildet sind. Hierdurch kann eine im wesentlichen Y-förmige Strömung der Wärmetauschermedien durch den Wärmetauscher gewährleistet wer­ den, was zu einer insgesamt symmetrischen Temperaturverteilung führt, wodurch eine übermäßige thermische Belastung, insbeson­ dere eine Überhitzungsgefahr, wie sie bei herkömmlichen Plat­ tenwärmetauschern auftrat, wirksam vermieden werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Plattenwärmetauschers wird ein Pfeilungswinkel der Strukturierungen der Wärmeübertragungsplatten bezüglich der Mittelachse des Plattenwärmetauschers in der Hauptströ­ mungsrichtung variiert. Beispielsweise kann durch Verminderung des Pfeilungswinkels in Strömungsrichtung des Wärmeträgers ein Druckverlust des Wärmeträgers minimiert werden. Entsprechendes gilt bei abnehmendem Pfeilungswinkel in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weisen die pri­ märseitigen und/oder sekundärseitigen Strömungskanäle eine Be­ schichtung auf, mittels welcher die Effizienz des Wärmetau­ schers durch Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche verbes­ sert wird, wenn die Beschichtung eine definierte Rauhheit auf­ weist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Beschichtung der primärseitigen und/oder sekundärseitigen Strömungskanäle mit einem Katalysatormaterial dotiert, wodurch im Wärmetau­ scher eine katalytische Reaktion ermöglicht wird.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Platten­ wärmetauschers wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Wärmeübertra­ gungsplatte, welche einen Teil des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers bildet,

Fig. 2 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevor­ zugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Platten­ wärmetauschers entlang der Linie A-A der Fig. 1, und

Fig. 3 eine schematische Skizze zur Darstellung eines Ineinan­ dergreifens der Strukturierungen zweier übereinander angeordneter Wärmeübertragungsplatten.

In Fig. 1 ist eine Wärmeübertragungsplatte in einer schemati­ schen Draufsicht dargestellt. Man erkannt eine beispielsweise mittels Prägen in ein Blech eingebrachte fischgrätenmusterar­ tige Strukturierung 10. Die Strukturierung 10 weist Erhebungen und Vertiefungen auf. Auch die in der Darstellung der Fig. 1 nicht sichtbare Rückseite der Wärmeübertragungsplatte 2 weist eine entsprechende Strukturierung auf. Die Wärmeübertragungs­ platte 2 ist mit einer Anzahl von Bohrungen 4, 5, 6, 7 ausge­ bildet. Bei Übereinanderanordnung einer Anzahl von Wärmeüber­ tragungsplatten 2 bilden diese Bohrungen Einlaßkanäle bzw. Auslaßkanäle für die Wärmetauschermedien, wie im folgenden be­ schrieben wird. Man erkennt in der Fig. 1, daß jeweils zwei Bohrungen 4, 7 auf der Mittelachse M der Wärmeübertragungs­ platte angeordnet sind, während die übrigen Bohrungen 5 bzw. 7 symmetrisch bezüglich dieser Mittelachse M positioniert sind.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfin­ dungsgemäßen Plattenwärmetauschers in einer schematischen seitlichen Schnittansicht dargestellt. Man erkennt, daß hier­ bei ein Anzahl von Wärmeübertragungsplatten 2 übereinander an­ geordnet sind. Die Wärmeübertragungsplatten 2 sind hierbei in einem Gehäuse 20 angeordnet, welches einen unteren Teil 20a, einen oberen Teil 20b und seitliche Wandungen 20c aufweist. Man erkennt, daß aufgrund der Übereinanderanordnung der Boh­ rungen 4 ein Einlaßkanal 40 entsteht, über welchen ein Wärme­ trägermedium in sekundärseitige Strömungskanäle einführbar ist, wobei die sekundärseitigen Strömungskanäle ihrerseits mit einem Auslaßkanal 50 kommunizieren, welcher durch die Überein­ anderanordnung der Bohrungen 5 gebildet wird. Ein zu verdamp­ fendes Medium ist entsprechend über einen Einlaßkanal 70 (ge­ bildet durch Übereinanderanordnung der Bohrungen 7) in primär­ seitige Strömungskanäle einführbar, welche wiederum mit einem Ausgangskanal 50 kommunizieren, welche durch Übereinander­ anordnung der Bohrungen 5 entsteht. Die primär- und die sekun­ därseitigen Strömungskanäle kommunizieren nicht miteinander. Es sei angemerkt, daß in der Darstellung der Fig. 2 zwei von entgegengesetzten Seiten zugeführte Einlaßkanäle 70 gebildet sind. Es ist in gleicher Weise möglich, nur einen, mit sämtli­ chen primärseitigen Strömungskanälen kommunizierenden Einlaß­ kanal 70 vorzusehen. Sämtliche Kanäle weisen zylinderförmige Rohre auf, welche in ihren Seitenwandungen mit entsprechenden Öffnungen zur Schaffung der jeweils gewünschten Verbindungen mit den Strömungskanälen ausgebildet sind.

Es ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, die primär- und sekun­ därseitigen Strömungskanäle mit verschiedenen Kanaldurchmes­ sern bzw. Volumina auszubilden. Zur Bildung einer primärseiti­ gen Kanalstruktur, durch welche insbesondere ein zu verdamp­ fendes Wärmetauschermedium strömen soll, werden zu diesem Zwecke zwei Wärmeübertragungsplatten, wie sie in Fig. 1 darge­ stellt sind, derart übereinander angeordnet und aneinander fi­ xiert, daß die jeweiligen fischgrätenmusterartigen Strukturie­ rungen parallel zueinander verlaufen, wobei die Erhebungen der einen Wärmeübertragungsplatte wenigstens teilweise in die Ver­ tiefungen der zweiten Wärmeübertragungsplatte hineinragen, wie schematisch in Fig. 3 dargestellt ist.

Die übereinander liegenden Strukturierungen sind hier mit 2a, 2b bezeichnet. Man erkennt in Fig. 3, daß zwischen den Wärme­ übertragungsplatten bzw. Strukturierungen 2a, 2b Abstandsele­ mente 25 vorgesehen sind, mittels derer ein gewünschter bzw. notwendiger Abstand zwischen den Strukturierungen 2a, 2b ein­ stellbar ist. Die Beabstandungselemente 25 sind schematisch ebenfalls in dem oberen rechten Bereich der in Fig. 1 darge­ stellten Wärmeübertragungsplatte 2 dargestellt. Durch diese ineinandergreifende Strukturierung können die Wärmeübertra­ gungsplatten 2a, 2b wesentlich näher aneinander angeordnet werden, dies verglichen mit übereinanderliegenden fischgräten­ musterartigen Strukturierungen, welche gegenläufig bzw. nicht parallel zueinander verlaufend ausgebildet sind.

Es erweist sich in diesem Zusammenhang als vorteilhaft, die sekundärseitigen Strömungskanäle, durch welche das Wärmetau­ schermedium strömt, derart auszubilden, daß die fischgrätenmu­ sterartige Strukturierungen der Wärmeübertragungsplatten wech­ selseitig bzw. kreuzförmig zur Bildung von Kreuzkanalstruktu­ ren übereinander angeordnet werden. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von Wärmetauscherplatten erreicht werden, welche w- bzw. m-förmige Strukturierungen aufweisen.

Durch die erfindungsgemäß verwirklichte primärseitige bzw. verdampferseitige Volumenreduktion ist gegenüber herkömmlichen Plattenwärmetauschern eine verbesserte Dynamik zur Verfügung gestellt.

Eine Einstellung der Höhe der primärseitigen oder sekundärsei­ tigen Kanäle ist durch die Beabstandungselemente 25 erzielbar. Die erfindungsgemäß verwendeten Wärmeübertragungsplatten sind durch Prägen, beispielsweise einer Blechplatte, in einfacher Weise herstellbar. Eine Aneinanderfügung der einzelne Wärme­ übertragungsplatten, insbesondere auch zur Gewährleistung der gewünschten Kommunikation zwischen den Bohrungen 4, 5, 6, 7 und den primär- bzw. sekundärseitigen Strömungskanälen, ist beispielsweise durch Löten oder Schweißen möglich.

Aus Fig. 1 wird ferner deutlich, daß die Pfeilung der fisch­ grätenmusterartigen Strukturierungen in Richtung der Strö­ mungsrichtung des zu verdampfenden Mediums, d. h. in der Dar­ stellung der Fig. 1 entlang der Achse M von unten nach oben, abnimmt. Das heißt, im Bereich der Einlaßöffnung 7 ist zwi­ schen der Mittelachse M und den einzelnen Segmenten der fisch­ grätenmusterartige Strukturierung ein relativer großer bzw. stumpfer Winkel ausgebildet, welcher in Richtung der Auslaß­ bohrung 5 kleiner bzw. spitzer wird. Durch eine derartige Va­ riation des Pfeilungswinkels können Druckverluste, welche über unterschiedliche Phasen des zu verdampfenden Mediums auftre­ ten, minimiert werden.

Man erkennt ferner, daß die den jeweiligen Wärmetauschermedien zugeordneten Bohrungen bzw. Kanäle 7, 5 sowie 4, 6 bezüglich der Mittelachse M der Wärmeübertragungsplatte 2 Y-förmig ange­ ordnet sind. Wie gesagt, tritt das zu verdampfende Medium bei­ spielsweise über die Bohrung 7 in die Plattenwärmetauscher ein, und verläßt diesen wieder über die Bohrungen 5. Die Strö­ mung des zu verdampfenden Mediums durch den Plattenwärmetau­ scher erfolgt also im wesentlichen Y-förmig, was zu einer sym­ metrischen Temperaturverteilung innerhalb des Plattenwärmetau­ schers bzw. auf den Wärmeübertragungsplatten führt. Hierdurch kann die thermische bzw. mechanische Beanspruchung der Wärme­ übertragungsplatten gegenüber herkömmlichen Lösungen wirksam vermindert werden.

Eine brenngasseitige Anpassung auftretender Druckverluste, d. h. Druckverlust des Wärmeträgermediums, kann durch entspre­ chende Ausbildung der fischgrätenmusterartigen Strukturierun­ gen der sekundärseitigen Kanäle optimiert werden. Zu diesem Zwecke können beispielsweise die Erhebungen bzw. Vertiefungen der jeweiligen Strömungskanäle abgerundet ausgebildet sein, und nicht, wie dies in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, spitz bzw. kantig.

Die Abstandselemente 25 führen ferner zu Turbulenzen des die primärseitigen Strömungskanäle durchströmenden Wärmetauscher­ mediums, wodurch die Wärmetauschwirkung des Plattenwärmetau­ schers weiter verbessert ist.

Claims (8)

1. Plattenwärmetauscher mit übereinander angeordneten, Struk­ turierungen (2a, 2b) aufweisenden Wärmeübertragungsplatten (2), zwischen welchen primärseitige Strömungskanäle für ein erstes Wärmetauschermedium, insbesondere ein zu verdampfendes Medium, und sekundärseitige Strömungskanäle für ein zweites Wärmetauschermedium, insbesondere ein Wärmeträgermedium, aus­ gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitigen und/oder die sekundärseitigen Strö­ mungskanäle jeweils zwischen zwei benachbarten Wärmeübertra­ gungsplatten (2) ausgebildet sind, deren Strukturierungen (2a, 2b) unter Beibehaltung eines minimalen Abstandes wenigstens teilweise ineinandergreifen.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wärmeübertragungsplatten (2) als Bleche mit fischgrätenmusterartigen Strukturierungen ausgebildet sind, wobei zur Bildung der primärseitigen Strömungskanäle jeweils zwei im wesentlichen gleichsinnig verlaufende Strukturierungen (2a, 2b) übereinander zur Anordnung kommen, und zur Bildung der sekundärseitigen Strömungskanäle jeweils gegenläufige Strukturierungen zur Erzeugung von Kreuzkanalstrukturen über­ einander zur Anordnung kommen.

3. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Höhe der primär­ seitigen und/oder sekundärseitigen Strömungskanäle Abstands­ elemente (25) zwischen entsprechenden Wärmeübertragungsplat­ ten (2) vorgesehen sind.

4. Plattenwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für wenigstens ein Wärmetauscher­ medium ein sich durch die Wärmeübertragungsplatten (2) er­ streckende, mit den primär- bzw. sekundärseitigen Strömungska­ nälen kommunizierende Einlaßkanal (40, 70) zur Einführung des Wärmetauschermediums in den Plattenwärmetauscher, und zwei sich durch die Wärmeübertragungsplatten erstreckende, mit den primär- bzw. sekundärseitigen Strömungskanälen kommunizierende Auslaßkanäle (50, 60) zur Ausgabe des Wärmetauschermediums vorgesehen ist bzw. sind.

5. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Einlaßkanal (40, 70) an einem Ende des Platten­ wärmetauschers im Bereich seiner Mittelachse (M) in der Haupt­ strömungsrichtung, und die Auslaßkanäle (50, 60) an dem je­ weils anderen Ende des Plattenwärmetauschers symmetrisch ver­ setzt bezüglich der Mittelachse (M) ausgebildet sind.

6. Plattenwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Pfeilungswinkel der Struktu­ rierung (2a, 2b) der Wärmeübertragungsplatten (2) bezüglich der Mittelachse M des Plattenwärmetauschers in der Hauptströ­ mungsrichtung variabel ausgebildet ist.

7. Plattenwärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die primärseitigen und/oder sekun­ därseitigen Strömungskanäle eine Beschichtung aufweisen.

8. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Beschichtung mit einem Katalysatormaterial do­ tiert ist.