DE2508867B2

DE2508867B2 - Vorrichtung zum Wärme- oder Stoffaustausch, die aus mehreren durch parallele Platten gebildete Austauschräumen besteht

Info

Publication number: DE2508867B2
Application number: DE2508867A
Authority: DE
Inventors: Robert Saint Leu-La-Foret Gremion; Jacques Epinay-Sur-Seine Maire
Original assignee: Le Carbone-Lorraine Sa Gennevilliers (frankreich)
Current assignee: Le Carbone-Lorraine Sa Gennevilliers (frankreich)
Priority date: 1974-03-01
Filing date: 1975-02-28
Publication date: 1980-12-04
Also published as: FR2262550A1; DE2508867A1; GB1506721A; FR2262550B1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wärmeoder Stoffaustausch der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art

Unter Stoffaustausch wird vor allem das Gebiet der Filtration im weitesten Sinne verstanden, d. h. sowohl die einfache Filterung als auch die umgekehrte Osmose, die Hyperfiltration oder die Gasdiffusion.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der PR-PS 2182 612 bekannt Bei der bekannten Vorrichtung bildet jede Ebene einen einzigen, breiten und flachen Austauschkanal und alle Austauschkanäle desselben Netzes sind durch einen einzigen Zuleitungsoder Ableitungskanal verbunden. Durch jeden Aus· tauchkanal strömt das Fluid nur in eine Richtung und lediglich die zwei Fluide zirkulieren sich kreuzend, daß sich lediglich die Kanäle der zwei Netze kreuzen.

Aus der US-PS 33 08 879 ist eine Wärmetauschvorrichtung bekannt, die Rohre zwichen zwei sich parallel gegenüberliegenden Wänden aufweist, in denen das eine der Fluide zirkuliert, während das zweite Fluid um die Rohre zwischen diesen Wänden strömt. Bei der bekannten Vorrichtung werden die zwischen den Platten gebildeten Austauschkanäle von den Fluiden

nacheinander, d. h. in Serienschaltung, durchströmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch eine erhebliche Steigerung der Austauschfläche bei gegebenem Volumen ohne gleichzeitige Erhöhung der Strömungsverlust auszeichnet

Die Lösung dieser Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung s.nd Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise im Schnitt gehaltene, perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig.2 eine Aufsicht auf einen Schnitt in der Ebene C-CinFig. 1,

Fi g. 3 bis 6 verschiedene Arten der Ausführung der äußeren Sammel- und Verteilräume in Abhängigkeit von dem jeweiligen Einsatzzweck,

Bei der in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der einstückigen Vorrichtung sind die Austauschräume 1, 3 aus Gründen der Klarheit als senkrecht zu den Zu- und Ableitungskanälen 2, 4,15,19 verlaufend dargestellt, was jedoch keineswegs eine notwendige Voraussetzung Kti das Funktionieren der Vorrichtung ist

Gemäß Fig. 1 sind die parallelen Austauschräume 1, die von einem der Medien durchströmt werden, dessen Strömungsweg durch die Pfeile in ausgezogenen Linien angedeutet ist, an ihren Kreuzungspunkten durch Kanäle 2 verbunden. Ebenso sind die Austauschräume 3, die von dem anderen Medium durchströmt werden, dessen Strömungsweg durch die Pfeile in gestrichelten Linien angedeutet ist, an ihren Kreuzungspunkten durch Kanäle 4 miteinander verbunden.

Fig.2 zeigt in Höhe der Schnittebene Cder Fig. 1 die Anordnung der Zuleitunprskanäle E und der Ableitungskanäle 5für eines der Medien.

Eine derartige Vorrichtung umfaßt eine sehr große Zahl von Zu* und Ableitungen für jedes Medium, und es ist notwendig, diese mit den Zuführungen für die Medien derart zu verbinden, daß sie sich nicht vermischen können. Hierzu umfaßt die Vorrichtung zu beiden Seiten Endplatten, die jeweils einen Sammel· und Verteilraum U, 12 bzw. 19,21 bilden, von de.ien jeder eine große Zahl von Eingängen bzw. von Ausgängen für die Medien miteinander verbindet, wobei Anordnung und Verlauf dieser Sammel- und Verteilräume von dem Einsatzzweck der Vorrichtung abhängig sind.

Beispielsweise kann die Vorrichtung in einer mit ihr fest verbundenen Ummantelung, die die Anschlüsse für die Medien aufweist, angeordnet sein. Diese Ummantelung kann gegebenenfalls aus demselben Werkstoff wie die Vorrichtung bestehen und unmittelbar im Verlauf ihrer Herstellung erhalten werden. Die Aufgabe der Ummantelung besteht darin, die Abdichtung der Austauschräume an den Seiten der Vorrichtung und das Verschließen aller Kanäle oberhalb und unterhalb der Vorrichtung, die einem der Netze für die Medien entsprechen, sicherzustellen. Das zwischen der Ummantelung und dem Oberteil der Vorrichtung enthaltene Volumen wird somit durch eine horizontale Platte in zwei Teile unterteilt, welche Platte im Bereich der Ausgangskanäle für eines der Medien Löcher au'weist und diese Ausgangskanäle damit dicht verbindet. Demgemäß münden alle Zuleitungskanäle in den

Verteilraum 11 und der Eintritt des betrachteten Mediums erfolgt von der Seite eier Ummantelung her in Höhe dieses Raumes 11. Alle Ableitungskanäle IS münden oberhalb dieser Platte ins Innere der Ummantelung (die in diesem Bereich selbst den AusgangsanschluB des Mediums nach außen bilden kann) in einen Sammelraum 18. Dasselbe gilt für das andere Medium, das unterhalb der Vorrichtung eintritt. Diese Ausführungsform ist schematisch in F i g. 3 wiedergegeben.

Man kann gegebenenfalls auch die Eingänge und die Ausgänge kreuzen und beispielsweise die beiden Eingänge für die Medien oberhalb des Moduls und die beiden Ausgänge unterhalb des Moduls anordnen. Diese Ausführung ist schematisch in F i g. 4 wiedergegeben.

Dies sind selbstverständlich nur Seispiele; die Eingänge und die Ausgänge für jedes Medium können jeweils auch oberhalb und unterhalb der Vorrichtung und umgekehrt liegen.

Sofern die Vorrichtung für Filtrationszwecke bestimmt ist, umfassen die Endplatten nur einen einzigen Verteüraum. Dieser verbindet aus Zulsitungskanäie des gleichen Netzes und dient als Eintritt für das zu filtrierende Medium. Die andere Endplatte verbindet alle Ableitungskanäle des anderen Netzes und dient als Sammelraum für das gefilterte Medium. Diese Anordnung ist schematisch in F i g. 5 wiedergegeben.

Es kann jedoch auch zur Vermeidung eines Zusetzens des Filters vorteilhaft sein, das zu Filtrierende Medium zirkulieren zu lassen, was, wie im übrigen auch im Fall der umgekehrten Osmose, der Hyperfiltration oder der Gasdiffusion zur Verbindung aller Ableitungskanäle des einen der Netze durch einen Sammelraum, der als Austritt für das filtrierte Medium dient, führt, während jede Hälfte der Kanäle des anderen Netzes mit je einem Sammel- und einem Verteüraum verbunden ist, die den Eintritt und den Austritt für das zu filtrierende Medium bilden, wobei die Verbindung derart erfolgt, daß zwei benachbarte Kanäle dieses Netzes jeweils mit einem anderen Sammel- bzw. Verteüraum verbunden sind. Diese Anordnung ist schematisch in F i g. 6 wiedergegeben.

Bei allen in Frage kommenden Anwendungen kann die besondere geometrische Konfiguration der im Zusammenhang mit dem Wärmeaustausch zwischen zwei Medien beschriebenen Vorrichtung verwendet werden, d.h. senkrecht zu db.i Austauschräumen verlaufende Zu- und Ableitungskanäle.

Die die Sammel- und Verteilräume umfassende Vorrichtung bildet insgesamt einen zylindrischen oder parallelepipedischen Kack mit einem Eingang und/oder einem oder mehreren Ausgängen für jedes der Medien. Die Vorrichtung ist im Prinzip selbsttragend.

Im allgemeinen besteht die Vorrichtung aus ebenen Austauschräumen geringer Dicke, die zwei unterschiedliche, durch einer Trennwand ebenfalls geringer Dicke ss getrennte Netze bilden. Die Abmessungen der Zu- und Ableitungskanäle und die Höhe der Vorrichtung hängen von der Dicke der Austauschräume und deren Länge ab. Alle diese Parameter können die unterschiedlichsten Werte annehmen, unter der Voraussetzung, daß der &o Strömungsverlust in sämtlichen Zu- und Ableitungskanälen gering in bezug auf den Strömungsverlust in den Austauschräumen ist. Desgleichen müssen die Samrnel- und Verteilräume, die die Kanalisationen verbinden, eine hinreichende Dicke haben, um keinen zu großen Strömungsverlust zu erzeugen.

Im Betrieb unterließt jeder Punkt der Vorrichtung einer Druckdifferenz, die von dem Strömungsverlust in den Zu- und Ableitungskanälen oder mit anderen Worten vom Durchsatz an Medien und der beabsicmigten Anwendung abhängt Ferner kann der Wunsch bestehen, daß die Vorrichtung in einem oder in beiden Strömungskreisen einem gegebenen Druck widersteht Damit die Vorrichtung diesen Kräften mechanisch widersteht, können der Breite der Austauschräume und der Dicke der Trennwand geeignete Werte gegeben werden. Eine andere Lösung besteht darin, zwei einander gegenüberliegende Trennwände durch Brükken zu verbinden, die aus demselben Werkstoff wie die Wand bestehen und mit dieser einstückig sind und deren Zahl und Querschnitt von den Einsatzbedingungen der Vorrichtung abhängen. Die Sammel- und Verteilräume können ebenfalls durch derartige Brücken verstärkt sein.

Abgesehen von der einfachen Filtration sollen in allen anderen Fällen das oder die Medien längs der Trennwand mit einer hinreichenden Geschwindigkeit strömen, um einen zu großen K.-nzentrations- oder Ternperaturgradienieii zu vermeiden Bekanntlich ist der laminare Ströraungszustand im allgemeinen nachteilig, und es ist vorzuziehen, unter turbulenten Strömungsbedingungen zu arbeiten. Wie bereits dargelegt, ist die Dicke der Austauschräume im allgemeinen gering, so daß sich eine laminare Strömung einstellen wird. Jedoch ist die Dicke des strömenden Mediums, die die Wärmeenergie durchqueren soll, hinreichend gering, so daß die Wärmeleitung ausreicht, um einen guten Wärmeaustausch sicherzustellen.

Eine Vorrichtung in der Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds kann geometrisch durch die folgenden Parameter definiert werden, wobei die Zu- und Ableitungskanäle senkrecht zu den Lagen gekreuzter Austauschräume verlaufen und letztere sich unter einem rechten Winkel kreuzen:

Seiten:	A und B
Höhe:	h
Volumen:	V
Gesamte Austausch- oder
Trennoberfläche:	S
Dicke der Austauschräume:	e
Querschnitt der Zu-
und Ableitungskanäle für die beiden
Medien, der als quadratisch
angenommen wird:	a · a=a*
Abstand der Zu- und Ableitungs
kanäle voneinander:	b
Zahl der Zu- und Ableitungs
kanäle längs d?,r Seite A:	N
Zahl der Zu- und Ableitungs
kanäle längs der Seite B:	N'
J>icke der Trennwand:	e'
Zahl der Lagen der
Austauschräur.ie:	η

Die Vorrichtung kann mit zwei Endplatten versehen werden, von denen jede einen Sammel· und einen Verteilratim mitten jeweiligen Dicken c, dfür die erste Endplatte und c', (/'für die zweite Endplatte ist und die Höhe H der Vorrichtung mit ihren Endpisuen sich folglich ergibt zu:

H=h+c+c'+d+d'.

Um eine Vorstaiung von der Größenordnung der Austausch- oder TrennflSche einer solchen Vorrichtung zu vermitteln, wird angenommen, daß diese keine Verstärkungsbrücken umfaßt und daß

- A = B, was2:u/V=Wführt,da

λ = N (a + b) B=N'(a + b)

— cd"C'"d'

Das Gesamtvolumen der Vorrichtung einschließlich der Endplatten beträgt folglich V=A² ■ H und das Volumen der eigentlichen Vorrichtung ist: v= A²h.

In jeder Lage ist die Austausch- oder Trennoberfläche 5:

und die gesamte: Austauschfläche Sist:

S = 2ns
Der Strömungsverlust in einem Austauschraum ist

uiiigekeiiri μτυμυι iiuiiai ,tu:

so daß der Strömungsverlust in η Lagen von Austauschräumen umgekehrt proportional ist zu

Im Fall eines Wärmetauschers teilt sich das durch jede der Kanäle entsprechend einer von vier Zuführungen fließende Medium auf die An benachbarten Kanäle auf, so daß der Strömungsverlust in einem Kanal folglich

umgekehrt proportional zu _τ ist. unter Vernachlässi-

gung der Strömungsverlliste zufolge des Eintritts des Mediums in diejenigen Teile der Kanäle, die die Sammel- bzw. Verteilräume durchqueren.

Damit dieser Strömungsverlust beispielsweise gleich einem Zehntel desjenigen in den Austauschräumen ist, muß unter Berücksichtigung dessen, daß jeder Kanal in einer Lage in vier Austauschräume mündet, gelten:

-,- = 10 -Ane³ und da η = -.— h Ae

Ae

woraus man erhält: <i⁴ = 10/rV

Ebenso haben Hie Sammel- und Verteiiräume einen Strömungsverlust, der umgekehrt proportional zu C³ —

ist, unter Vernachlässigung des von den Kanälen, die diese Räume durchqueren, eingenommenen Volumens.

Wenn angestrebt wird, daß dieser Strömungsverlust gleich dem Strömungsverlust in den Kanälen ist, nämlich gleich einem Zehntel des Strömungsverlustes in den Austauschräumen, so gilt:

C³A N² a* .... A —— = —.—τ- wobei N — -=— A 4 h 2a

Ausführungsbeispiel

Dieses Beispiel betrifft ein interessantes Anwendungsgebiet für die Vorrichtung nach der Erfindung.
', Gegeben sind:

e = 0,1 mm

a = 10mm

A = 500 mm

Nach (I) ist in diesem Fall /i=300 mm;
nach (2) ist in diesem Fall c« 17 mm.

Um dem von den Kanälen, die die Sammel- und

Verteilräume durchqueren, eingenommenen Volumen Rechnung zu tragen, wird angenommen, daß ein

r, Sammel- oder Verteilraum 20 mm anstelle von !7 mm einnimmt.

Dies führt zu:

— zu einem Volumen ^der Vorrichtung

— zu einem Volumen Vder Vorrichtung
und der Sammel- und Verteiiräume
V= AΥ/ι + 4c;=95 cm'.

— einer Austauschfläche 5= -T₁=^SOCm².

— einer gesamten Austaiischfläche
S= 2 ns a 200 m².

Wenn man diese technologischen Merkmale mit denjenij,«!! eines handelsüblichen Wärmetauscherblocks vergleicht, stellt man fest, daß zur Erzielung einer gleichen Gesamtaustauschfläche von 200 m² zweiundzwarzig zylindrische, mit Austausthräumen von 13 mm Durchmesser versehene Blöcke gestapelt werden müssen, wobei jeder Block einen Durchmesser von 870 mm und eine Höhe von 340 mm hat. Sämtliche Blöcke zusammen nehmen ein Volumen von v'45OO dm³ ein. Die Blöcke sind in einem Wärmetauscher mit einem Durchmesser von 1.2 m und einer Höhe von 8.7 m. folglich einem Volumen von V 9800 dm³, angeordnet.

Demnach ist festzustellen, daß nach der Erfindung sowohl das für den sogenannten Austausch dienende Volumen als auch der gesamte Raumbedarf des Tauschers für eine gegebene Austauschfläche erheblich verringert sind. Im einzelnen ergibt sich:

4500

= 60 und

so daß

1 AW

Unter Berücksichtigung dieses Vorteils sowie der (1) 5o Herstellungstechnik der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt sich eine erhebliche Verminderung des Preises je m² Austauschfläche (oder Trennfläche, ν enn eine andere Anwendung in Betracht gezogen wird).

Darüber hinaus ist die Vorrichtung nach der Erfindung selbsttragend und umfaßt lediglich einen Eingang und einen Ausgang für jedes der Medien. Die Ummantelung wird mit der Vorrichtung selbst hergestellt, im Gegensatz zu den bekannten Tauscher- oder Trennelementen, die in einem Behälter montiert werden eo müssen.

Die Vorrichtung kann für verschiedene Anwendungsgebiete, die von der Art ihrer Wandungen abhängen, verwendet werden.

Für einen gegebenen Anwendungsfall hängt die Geometrie der Vorrichtung von der Natur der

betreffenden Medien und den gewünschten Leistungen

f2) (insbesondere Durchfluß, Strömungsverlust) ab. Ais

Beispiele können genannt werden:

I. Die Filtration

Die Trennwand besteht mis einem porösen, durchlässigen Werkskiff mit bestimmten Horenabmessungen. Wie bereits angegeben, besitzt jedes der Netze nur eine i einzige Verbindung nach außen. Die Dicke der Austauschräume auf der Eintrittsseitc des zu filtrierenclv.- Mediums hängt im wesentlichen von der Konzentration und der Korngröße der in dem Filter zurückgehaltenen Stoffe und dem gewünschten Rück- im waschzvkliis ab.

Da die l'iltricrvorrichtung nicht zerlegbar ist. kann sie nur in denjenigen Fällen verwendet werden, wo die in dem Filter zurückgehaltenen Stoffe entweder mechanisch, beispielsweise durch Gegendruck entfernt oder ι , auf chemischem oder thermischem Weg zerstört werden köni'cn

2 Umgekehrte Osmose oder Ultrafiltration

In diesem Fall hat einer der Strömungskreise einen jn Eintritt und einen Auslaß, um das Medium längs der filtrierenden Membran zu erneuern. Das vorstehend genannte Beispiel ist zumindest auf den Fall der umgekehrten Osmose anwendbar. Die Dicke der Kanäle kann einige Zehntel Millimeter auf der _>■> Hochdruckseite erreichen. Wenn man über sehr permeable Membranen verfügt und/oder große Moleküle konzentrieren will (Ultrafiltration), kann die Dicke der Kanäle auf der Niederdruckseite in der Größenordnung von Zehntel Millimetern bleiben. si·

3. Gasdiffusion

In diesem Fall ist das angegebene Beispiel in erster Näherung brauchbar. Es muß lediglich die Dicke der Kanäle auf der Niederdruckseite um einige Zehntel r> Millimeter erhöht werden, um einen annehmbaren Strömungsverlust zu bekommen (in diesem Fall sind ebenfalls hochdruckseitig ein Einlaß und ein Auslaß sowie niederdruckseitig ein einziger Auslaß vogesehen).

Die beiden vorstehenden Anwendungen erfordern 4M hochdruckseitig zwei Anschlußkanäle und niederdruckseitig einen einzigen Anschlußkanal.

4. Wärmeaustausch

4 j

a) flüssig-flüssig

Das angegebene Ausführungsbeispiel ist annehmbar, jedoch nicht optimal. Die Dicke der Austauschräume muß im wesentlichen in Abhängigkeit von der Viskosität jeder tier Flüssigkeiten errechnet werden.

b) gasförmig-gasförmig

In diesem Fall muß die Dicke der Austauschräume im allgemeinen in der Größenordnung des Vierfachen in bezug auf den Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten erhöht werden. Die Dicke hängt im wesentlichen von der Temperatur und dem Druck der betreffenden Gase ab.

c) flüssig-gasförmig

Die Dicke der gasseitigen Alistauschräume ist grundsätzlich größer als diejenige der flüssigkeitsseitigen Austauschräume (und zwar um etwa das Vierfache), hängt jedoch außerdem mich von dem Druck und der Temperatur des Gases ab.

5. Andere Fälle

Die Vorrichtung kann auch mit Vorteil für die Destillation oder die Kondensation sowie die Adsorbtion und die Desorbtion eines Mediums in bzw. son einer Flüssigkeit verwendet werden.

Die wesentlichen Parameter des angegebenen Fieis|iiels einer solchen Vorrichtung haben auch hier Gültigkeit, doch ist es für diese Anwendungen notwendig, in den Kanälen eine gute Verteilung der gasförmigen und der flüssigen Phasen herzustellen. In all diesen letzteren Fällen müssen folglich die gasförmigen Phasen von den kondensierten Phasen getrennt werden. was einen zusätzlichen Auslaß für das behandelte Medium erfordert.

Festzuhalten ist. daß die Vorrichtung nach der Erfindung sich η eht nur für die beschriebenen Anwendungsgebiete eignet, sondern auch für elektrochemische Generatoren (insbesondere Gas-Brennstoffzellen) für Thermoelemente. Nuklearreaktoren usw.

Abschließend sind zwei wesentliche Merkmale hervorzuheben:

— Man kann dahingehend verallgemeinern, daß die Sammel- und Verteilräume Äquivalente zu den dünnen Austauschräumen für eine doppelt integrierte Vorrichtung sehr großer Abmessungen sind.

— die als Ausführungsbeispiele beschriebenen Vorrichtungen umfassen zwar lediglich zwei Kreise für flüssige oder gasförmige Medien, jedoch kann die Vorrichtung grundsätzlich auch für π Kreise ausgebildet werden.

Hierzu 3 Bhitt Zeichnungen

Claims

PatentansprQche:

1. Vorrichtung zum Wärme- oder Stoffaustausch, die aus parallelen, durch im Abstand mehrmals aufeinanderfolgend angeordnete Platten gebildeten Austauschräumen besteht, von denen der erste, zweite, vorletzte und letzte jeweils als Verteilraum oder Sammelraum für die beiden Tauschmittel dient und die mit jeweils einem von zwei voneinander unabhängigen Kanalnetzen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Verteilraum (11) des einen Kanalnetzes Ober den Raum gleichmäßig verteilte Zuleitungskanäle (2) quer zu den Platten (10) gerichtet ausgehen, um in 1:- Austauschräumen (1) desselben Kanalnetzes Abzweigpunkte (13) zu bilden und das für das andere Kanalnetz vom Verteilraum (21) gleichmäßig verteilte quer zu den Platten (10) gerichtete Abbitungskanäle '4) versetzt zu den Zuleitungskanälen (2) ausgehend die in den Austauschräumen (3) Abzweigpunkte (14) für das Tauschmittel des anderen Kanalnetzes bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Kanalnetz zusätzliche Zu* und 2s Ableitungskanäle (15) versetzt tu seinen Abzweigpunkten (13) aufweist, die an den Abzweigpunkten (17) mit den Austauschräumen (1) des einen Kanalneues öffnungen aufweisen und wie die übrigen Kanäle (2) dieses Netzes in den Sammelraum (18) münden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da3 das tudere Kanalnetz zusätzlich Zu- und Ableitungsk anale (19) versetzt zu seinen Ableitungskanälen (4) aufwek„ die an den Abzweigpunkten (20) mit den Austauschräumen (3) des Kanalnetzes Offnungen aufweisen, die mit dem Verteilraum (21) verbunden sind.