DE2045064C3

DE2045064C3 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE2045064C3
Application number: DE19702045064
Authority: DE
Inventors: Gamal El Din 8033 Planegg Nasser; Hans Dipl.-Ing. 8190 Wolfratshausen Waldmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1970-09-11
Filing date: 1970-09-11
Publication date: 1975-01-23
Also published as: DE2045064B2; DE2045064A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattei.wärmetausehei für ein Gas hoher Temperatur und niedrigen Drucks und ein unter hohem Druck stehendes Kühlmittel mil einem Piaitenstapel aus in gleicher Weise wellenähnlich verformten, rechteckigen Blechtafeln, derer 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 aufeinander liegen und dadurch zwischen sich einzelne, parallele, im Querschnitt runde Strömungskanäle bilden und benachbarte Plattenpaare zueinander mK Abstand und um eine halbe Wellenlänge versetzt angeordnet sind und zwischen sich Strömungskanäle mit wellenähnlichem Querschnitt bilden, wobei die senkrecht zu den parallelen, im Querschnitt runden Strömungskanälen verlaufenden Randbereiche benachbarter Plattenpaare zum Bilden des Abdichtrandes zueinander hin im wesentlichen viertelkreisförmig verformt sind, die parallelen, im Querschnitt runden Strömungskanäle für das Gas hoher Temperatur und niedrigen Drukkes bestimmt sind und die Breite der zu diesen parallelen Strömlingskanälen parallel verlaufenden Randbereiche so groß gewähll; ist, daß bis zur Außenkante dieser Randbereiche die infolge der Heißgastemperatur höhere Wandtemperatur der parallelen Strömungskanäle im wesentlichen bis zui Kühlmitteltemperatur vermindert ist, nach Patent 1 601215.

In Plattenwärmetauschern dieser Art ergibt sich auf dem Gasweg vom Eintritt in den Plattenstapcl bis zum Austritt aus dem Plattenstapel eine stark abnchmende Temperaturdifferenz zwischen dem Gas und dem Kühlmittel, da die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels überall etwa gleich ist, während das Gas sich stark abkühlt. Die Folge ist, daß die Hcizflächcnbelastung in beispielsweise kcal/m²h bei gleichem Strömungsquerschnitt der Strömungswege c'es Gases vom Anfang bis zum Ende des Plattcnstiipcls sehr stark abnimmt. Bei Rohrbündelwärmetauschern ist es bekannt, an den Rohren innen und/oder außen

Hippen anzuschweißen, beispielsweise gemäß der britischen Patentschrift 874 395 oder der französischen Patentschrift 959 336, wobei die Rippen in Längsrichtung der Rohre zunehmende Oberflächen aufweiien können. Ein einem Plattenwärmetauscher ent- 5 jernt ähnelnder Rohrbündelwärmetauscher, bei dem durch die Rohre ein Medium hohen Druckes strömt, fet durch die schweizerische Patentschrift 398 657 vorgeschlagen worden, gemäß der benachbarte, mit

Außerdem kann die Wärrnetauschfläche benachbarter, im Querschnitt runder Strömungskanäle verschieden ausgeführt sein. Die Blechstreifen bestehen aus gut wärmeleitendem Material wie z. B. Kupfer.

Zwar ist die Wirksamkeit der durch die Blechstreifen gebildeten Sekundär-Heizflächen etwas geringer als diejenige der durch die Blechtafeln gebildeten Primär-Heizflächen. Die Kosten je Flächeneinheit der Sekundär-Heizflächen betragen aber nur einen

Hippen versehene Rohre miteinander verbunden io äußerst geringen Bruchteil (¹Ao bis ¹Ao) derjenigen

lind, derart, daß die Rippen sowohl im Inneren der der Primär-Heizflächen. Spart man also einen erheb-

Rohre als auch außerhalb der Rohre angeordnet sind liehen Teil der Primär-Heizflächen ein und setzt da-

_Bnd die Rippen benachbarter Rohre als durchge- für eine etwas größere Sekundär-Heizfläcbe ein, so

fcende, die Rohre verbindende Wand ausgebildet ergibt sich eine wesentliche Ersparnis der Gesamtin-

lind. Derart miteinander verbundene Rohre können 15 vestitionskosten. Außerdem kann beispielsweise bei

beispielsweise durch Aufschweißen von Blechstreifen Äthylenerzeugung durch Cracken infolge der durch

Huf eine Blechtafel hergestellt werden, wobei die die erfindungsgemäße Ausbildung des Plattenwär-

Blechtafel die Wand bildet und durch die aufge- metauschers erzielten Verkürzung der Länge des

ichweißten Blechstreifen die Rohre gebildet werden. Plattenwärmetauschers und der dadurch rascheren

Dabei sind für jedes der Rohre mehrere Schweiß- 20 Abkühlung (kürzere Verweiizeu) der Spaltgase auch

nähte notwendig. Außerdem ist lediglich die gesamte eine gewisse Steigerung der Ainylen-Ausbeute erzielt Wärmetauschfläche erhöht, jedoch nicht entlang des
Wärmetauschers änderbar. Der Anwendung derarti-

Rippen bei Plattenwärmetauschern stehen aber

werden.

Bei einer besonderen Ausgestaltung sind die Platen .. tenpaare und Blechstreifen so ausgebildet, daß die erhebliche, insbesondere fertigungstechnische Nach- 25 Blechstreifen im druckentlasteten Zustand der Platteile entgegen. Die verformten Platten bei Platten- tenpaare zwischen die Blechtafeln der Plattenpaare wärmetauschern werden üblicherweise maschinell einschiebbar und herausziehbar sind und im druckmittel einer Prägevomchtung gefertigt. Die benach- belasteten Zustand vom hohen Druck des Kühlmitbarten Platten des aus solchen Platten zusammenge- teis in den Strömungskanälen mit wellenähnlichem setzten Stapels werden dann verschweißt. Werden 30 Querschnitt in ihrer Lage fixiert sind. Durch die Her-Bun zusätzliche Rippen an den Platten angeschweißt, ausziehbarkeit kann der Plattenwärmetauscher sehr jo sind weitere zusätzliche, langwierige und damit schnell von Verunreinigungen gereinigt werden, teuere Arbeitsgänge notwendig, wodurch dann der Außerdem sind lediglich die bei der Herstellung Kostenvergleich von Plattenwärmetauschern mit eines üblichen Plattenwärmetauschers notwendigen Rohrbündelwärmetauschern gleichen Effektes wieder 35 Schweißnähte an den Rändern der Blechtafeln des zugunsten der Rohrbündelwärmetauscher ausfällt. Stapels notwendig. Da die Blechstreifen nicht ge-Außerdem weisen bekanntlich die Blechtafeln der schweißt werden müssen, können sie auch aus sehr Plattenwr-metauscher eine gegenüber den Rohren dünnem oder nicht schweißbarem Material bestehen, von Rohrbündelwärmetauschem geringe Wandstärke Bei einer vorteilhaften Weitergestaltung nehmen auf, so daß Schweißarbeiten erheblich erschwert to die Flächen der eingeschobenen Blechstreifen von sind, wodurch die Fehlerquote größer „vird. Darüber der Gaseintrittsseite zur Gasaustrittsseite des Wärmetauschers etwa entsprechend dem Verhältnis der abnehmenden Temperaturdifferenz zwischen Gas und Kühlmittel zu. Dadurch wird die sich tempcratur-45 abhängig ändernde Heizflächenbelastung entlang des Plattenwärmetauschers im wesentlichen konstant Von besonderem Vorteil ist es, wenn die eingeschobenen Blechstreifen von der Gaseintrittsseitc bis zu einem Abstand, bei dem die Gase auf Tempcratu-

Die A.ufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gc- 5° ren abgekühlt sind, bei denen die Turbulenz keinen löst, daß zwischen den die Plattenpaare bildenden «iinfluß auf chemische Reaktionen des Gases mehr Blechtafeln Blechstreifen aus gutem wärmeleitendem besitzt, eine glatte Oberfläche aufweisen und anMaterial angeordnet sind, die jeweils in zwei benach- schließend Turbulenzerzeuger an den Blechstreifen barte der im Querschnitt runden Strömungskanäle vorgesehen sind. Zwar ist einerseits wegen des besseeines Plattenpaares zumindest teilweise hineinragen 55 ren Wärmetauscheffektes eine turbulente oder quasi- und mit den aufeinanderliegender! Teilen der Plat- turbulente firömung der wärmetauschenden Medien tenpaare in gutem wärmeleitendem Kontakt sind. erwünscht, jedoch kann andererseits insbesondere bei

Die Blechstreifen bilden Sekundär-Heizflächen. hohen Gastemperaturen Turbulenz unerwünschte Durch die erfindungsgemäße Ausbildung können die Gasreaktionen verursachen. Die genannte Ausfühwärmetauschenden Flächen entsprechend der sich 60 rungsform erfüllt jedoch diese beiden, sich anscheiändernden Heizflächenbelastung sich entlang der im nend gegeneinander ausschließenden Forderungen. Querschnitt runden Strömungskanäle variabel ausge- Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Turbulen7.crzeuger führt sein, beispielsweise am Gaseintritt in den Plat- aus tiefgezogenen Teilen der eingeschobenen Blechtenwärmetauscher, ir die Strömungskanäle mit run- streifen bestehen, die den Querschnitt der Strödem Querschnitt kaum hineinragend und am Gasaus- 6.5 mungskanäle unterteilen. Derartige Turnulctizerzeu-

hinaus ist eine Reinigung derartiger Rohrbündelwärmetauscher von sich ablagernden Verunreinigungen nahezu unmöglich oder mit erheblichem Aufwand verbunden.

Der Erfindung lieg! somit die Aufgabe zugrunde, bei Plattenwärmetauschern nach Patent 1601215 eine kostengünstige, die Heizflächenbelastung ausgleichende Konstruktion zu entwickeln.

tritt derart hincinni'i'.nd, daß sich diejenigen Blechstreifen, die in einen der im Querschnitt runden Strömungskanäle hineinragen, berühren oder überlappen.

ger sind sehr einfach herstellbar. Bei einer anderen sehr vorteilhaften Ausgestaltung sind die Turbulcn/-erzeugcr aus Blechen gebildete, ;iuf die Blechstreifen

aufgesetzte Verdrängerkörper, die den Querschnitt Strömungskanäle4 mit wellenähnlichcm Querschnitt der Strömungskanäle entsprechend der Verminde- für das verdampfende Kühlmittel gebildet, in denen rung des Volumens des Gases durch die abnehmende dieses vertikal nach oben strömt. Ein druckfester Temperatur verengen. Dies ist insbesondere dann Mantel 5, der unten mit Eintritts- und oben mit Ausvorteilhaft, wenn ein Tiefziehen von Teilen der 5 trittsstut/en für ein Kühlmittel ven;ehen ist. umgibt Blechstreifen nicht mehr in Frage kommt, da die den im Querschnitt beispielsweise etwa sechseckigen Turbulenzerzeuger schon zu groß sind oder wenn die Plattcnstapcl. Beiderseits vorgesehene Flanschringe 6 Turbulenzerzeuger ihrerseits auch als weitere Sekun- sind in geeigneter Weise mit den Blcchtafeln 1 an dedär-Heizflächen dienen sollen. ren äußeren Kanten 7 verschweißt. Von der Gasein-

Bei einer besonderen Ausgestaltung liegen Teile >o trittsseite E strömt ein Gas hohen Drucks durch die der eingeschobenen Blechstreifen an den Blechen der Strömungskanäle mit rundem Querschnitt zu der Plattenpaare an und diese Teile sind als Schaber aus- Gasaustriltsseite A des Plattenwärmetauschers und gebildet. Solche Teile können beispielsweise Turbu- steht mit dem Kühlmittel im Wärmettausch,
lenzerzeuger oder Verdrängerkörper der beschriebe- Bei dieser Anordnung wird der Wärmeübergang nen Art sein. Beim Herausziehen üben sie eine scha- 15 von dem zu kühlenden Gas an das Kühlmedium in bende Reinigungswirkung auf die durch die Blechta- erster Linie durch den Wärmeübergang von dem Gas fein gebildeten Primärheizflächen aus, wodurch die an die Wände der Strömungskanäle bestimmt. Der Inkrustierung, also die abgelagerten Verunreinigun- Wärmeübergang von dem Gas an die Wände der gen, sich an den Teilen der Blechstreifen sammelt. Strömungskanäle wird durch die Anordnung von als Die herausgezogenen Blechstreifen lassen sich leicht ao Sekundär-Heizflächen dienenden Blechstreifen 8 inreinigen und dann wieder einsetzen. Dabei zieht man nerhalb der im Querschnitt runden Strömungskanäle die als sekundäre Heizfläche eingeschobenen Blech- wesentlich gefördert.

streifen in drucklosem Zustand des Plattenwärmetau- Die Blechstreiicn 8, die vorzugsweise aus Kupfer

schers heraus, reinigt sie und fügt sie wieder ein. Die oder aus einem anderen gut wärmeleitenden dünnen

eingeschobenen Blechstreifen können im drucklosen as Materal bestehen, werden in dracklosem Zustand

Zustand des Plattenwärmetauschers zur heißen Seite des Plattenwärmetauschers zwischen die jeweils eine

hin herausgezogen, gereinigt und von der heißen Reihe im Querschnitt runder Strömungskanäle bil-

Seite her wieder eingeschoben, können aber auch im dende Blechtafeln 1 mit Halbrohrsicken 2 von einer

drucklosen Zustand zur heißen Seite hin herausgezo- Seite her eingeschoben. Gemäß der Darstellung in

gen, gereinigt und von der kalten Seite her wieder 30 F i g. 2 und den F i g. 3 bis 6 haben diese Blechstrei-

eingeschoben werden, wobei in letzterem Fall die fen 8 auf der Gaseintrittsseite je eine einfache, ebene

eingeschobenen Blechstreifen nicht unbedingt die Form, während sie in Richtung auf die Gasaustritts-

gleichen sein müssen, die herausgezogen wurden. seite.4 zu jeweils immer mehr Jiisätzliche Fläche

In den Fig. 1 bis6 ist die Erfindung an Hand durch Tiefziehen oder Aufsetzen zusätzlicher Blecheines Ausbildungsbeispiels näher erläutert. 35 streifen aufweisen.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfin- Bei Gaseintritt mit hoher Temperatur wird da-

dungsgemäßen Plattenwärmetauscher gemäß der Li- durch eine zu unerwünschten chemischen Reaktionen

nie I-I in Fig. 2; führende Turbulenzwirkung vermieden, während in

Fig.2 zeigt einen Schnitt gemäß der Linie II-«- Bereichen abnehmender Temperarar, in denen durch

b-c-d-e-f-g-U in der F i g. 1; 40 Turbulenz keine unerwünschten chemischen Reak-

F i g. 3 zeigt ein Längsschnittdetail nach der Linie tionen mehr zu erwarten sind, zunehmend turbu-

III-III in Fig. 2; icr.zerzeugende Flächen im im Querschnitt runden

F i g. 4 desgleichen nach der Linie IV-IV; Strömungskanal angeordnet sind.

F i g. 5 desgleichen nach der Linie V-V und Durch Anordnen von Verdrängungskörpern belie-

F i g. 6 desgleichen nach der Linie VI-VI. 45 biger Form auf den Blechstreifen 8 wird eine durch

Der Plattenwärmetauscher besteht aus einem Plat- Temperaturabnahme und damit Volumenabnahme,

tenstapel, der aus vertikalen Blechtafeln 1 mit hon- bedingte Verringerung der optimalen Gangeschwin-

zontal gerichteten Halbrohrsicken 2 besteht, wobei je digkeit vermieden.

zwei benachbarte Blechtafeln 1 mit Halbrohrsicken 2 Von besonderer Bedeutung ist dabei der Umstand

Plattenpaare bilden, die eine Reihe paralleler im 50 daß die eingeschobenen, als Selnindär-Heizflächer

Querschnitt runder Strömungskanäle bilden. Die dienenden Blechstreifen 8 beim Betrieb des Platten

oberen und unteren Kanten 1' derartiger benachbar- Wärmetauschers durch den hohen Druck des ver

ter Blechtafeln 1 sind miteinander verschweißt. Die dampfenden Kühlmittels in sehr guten metallischer

an beiden Enden der Blechtafeln 1 mit Halbrohrsik- Kontakt mit den dnverformten Teilen der Blechta

ken 2 liegenden vertikalen Kanten 3 sind um 90° 55 fein 1 kommen. Hierdurch wird ciin besonders gute

hohlzylindrisch umgebogen und mit den entspre- Wärmeübergangskoeffizient erzielt

chend gebogenen Kanten 3 benachbarter Blechta- Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher is

fein 1 benachbarter Plattenpaare verschweißt. Auf beispielsweise als Spaltgaskühler oder auch in analo

diese Weise werden zwischen benachbarten, jeweils ger Weise als direkt befeuerter Dampferzeuger ode

gegeneinander versetzt angeordneten Plattenpaaren 60 Flüssiggasverdampfer verwendbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Plattenwärmetauscher für ein Gas hoher Temperatur und niedrigen Drucks und ein unter hohem Druck stehendes Kühlmittel mit einem Plattenstapel aus in gleicher Weise wellenähnlich verformten, rechteckigen 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 aufeinander liegen und dadurch zwischen sich einzelne parallele im Querschnitt runde Strömungskanäle bilden und benachbarte Plattenpaare zueinander mit Abstand und um eine halbe Wellenlänge versetzt angeordnet sind und zwischen sich Strömungskanäle mit wellenähnlichem Querschnitt bilden, wobei uie senkrecht zu den parallelen im Querschnitt runden Strömungskanälen verlaufenden Randbereiche benachbarter Plattenpaare zum Bilden des Abdichtrandes zueinander hin im wesentlichen viertelkreisförmig verformt sind, die parallelen im Querschnitt runden Strömungskanäle für das Gas hoher Tempera:ur und niedrigen Druckes bestimmt sind und die Breite der zu diesen parallelen Strömungskanälen parallel verlaufenden Randbereiche so groß gewählt ist, daß bis zur Außenkant/ dieser Randbereiche, in infolge der Heißgastemperatur höhere Wandtemperatur der parallelen Strömungjkanäk. im wesentlichen bis zur Kühlmitteltemperatur ver nindert ist, nach Patent 1 601 215, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den die Plattenpaare bildenden Blechtafeln (1) Blechstreifen (8) aus gutem wärmeleitendem Material angeordnet sind, die jeweils in zwei benachbarte der im Querschnitt runden Strömungskanäle eines Plattenpaares zumindest teilweise hineinragen und mit den aufeinanderliegenden Teilen der Plattenpaare in gutem wärmeleitendem Kontakt sind.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenpaare und Blechstreifen (8) so ausgebildet sind, daß die Blechstreifen (8) im druckentlasteten Zustand der Plattenpaare zwischen die Blechtafeln (1) der Plattenpaare einschiebbar und herausziehbar sind Und im druckbelasteten Zustand vom hohen Druck des Kühlmittels in den Strömungskanälen (4) mit wellenähnlichem Querschnitt in ihrer Lage fixiert sind.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 Cderi, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der eingeschobenen Blechstreifen (8) von clerGaseintrittsseite (E) zur Gasaustrittsseile (A) des Wärmetauschers etwa entsprechend dem Verhältnis der abnehmenden Temperaturdifferenz zwischen Gas und Kühlmittel zunehmen.

4. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeschobenen Blechstreifen (8) von der Gaseintrittsseitc (£) bis zu einem Abstand, bei dem die Gase auf Temperaturen abgekühlt sind, bei denen Turbulenz keinen Einfluß auf chemische Reaktionen des Gases mehr besitzt, eine glatte Oberfläche aufweisen und anschließend Turbulenzerzeuger an den Blechstreifen (8) vorgeseher sind.

5. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 4, da durch gekennzeichnet, daß die Turbulenzerzeugei aus tiefgezogenen Teilen der eingeschobener Blechstreifen (8) bestehen, die den Querschnit der Strömungskanäle unterteilen.

6. Plattenwärmetauscher nach Anspruch ·! oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbulenzerzeuger aus Blechen gebildete, auf die Blechstreifen (8) aufgesetzte Verdrängerkorpei sind, die den Querschnitt der Strömungskanälc entsprechend der Verminderung des Volumen« des Gases durch die abnehmende Temperatui verengen.

7. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da£ Teile der eingeschobenen Blechstreifen (8) an den Blechtafeln (1) der Plattenpn-"-e anliegen und diese Teile als Schaber ausgebildet sind.