DE2801075A1

DE2801075A1 - Plattenwaermetauscher

Info

Publication number: DE2801075A1
Application number: DE19782801075
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Sumitomo; Haruo Uehara
Original assignee: Hisaka Works Ltd
Current assignee: Hisaka Works Ltd
Priority date: 1977-01-19
Filing date: 1978-01-11
Publication date: 1978-08-03
Also published as: DE2801075C3; GB1578208A; SE7800258L; US4347897A; SE436447B; DE2801075B2; FR2378247B1; FR2378247A1

Description

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Patentanwälte
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Plattenwärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit Wärmeübergangsplatten, insbesondere einen Aufprallstrahl-Plattenwärmetauscher.

Ein Plattenwärmetauscher bewirkt im allgemeinen einen Wärmeaustausch zwischen zwei längs Vfirmeüb er gangsplatt en strömenden Fluiden. Die herkömmlichen Plattenwärmetauscher weisen Nachteile auf. Aufgrund der Konstruktion, bei der auf der Wärmeübergangsfläche ein komplexes Muster ausgebildet ist, das den Fluidstrom zur Erzielung einer hohen Wärmeleitfähigkeit stört, tritt zwangsläufig ein beträchtlich hoher Druckabfall auf. Daher kommt es bei einer gegenwärtigen Auslegung gelegentlich vor, daß aufgrund des Erfordernisses der Verminderung des Druckabfalls keine hohe Wärmeleitfähigkeit erzielt werden kann. Ferner sind im Fall von hochviskosen Fluiden derartige Fluide häufig nicht in der Lage, die Bereicheder Wärmeübergangsflächen zu erreichen, die von den Fluideinlaß- und -auslaßöffnungen entfernt gelegen sind. Dies bedeutet, daß eine abgelenkte Strömung des Fluids auf den Wärmeübergangsflächen stattfindet, so daß eine hohe Wärmeübergangsleistung nicht erzielt werden kann. Ferner ergibt ein fortgesetzter Gebrauch eine Verschmutzung der Wärmeübergangsflächen und führt somit zu einer beträchtlichen Verschlechterung der Leistung.

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Bei Betrachtung eines herkömmlichen Wärmetauschers, etwa eines herkömmlichen Kondensators, bei dem die beiden Fluide Dampf und eine Kühlflüssigkeit sind und der dazwischen erfolgende Austausch eine Kondensation des Dampfs ergibt, ist ersichtlich, daß der herkömmliche Plattenkondensator Nachteile hat. Da die Kondensation von Dampf auf den Wärmeübergangsflächen filmförmig erfolgt, ist es nämlich unmöglich, eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit zu erzielen. Der Dampfstrom wird durch den kondensierten Zustand auf den Wärmeübergangsflächen beeinflußt, und es findet wahrscheinlich die abgelenkte Strömung und dergl. statt. Außerdem steht eine sehr kleine Menge von nicht kondensierbarem, im Dampf enthaltenem Gas auf den Wärmeübergangsflächen still und behindert eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Wärmeübergangs.

Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Aufρrailstrahl-Plattenwärmetauschers mit als Wärmeübergangselemente dienenden Wärmeübergangsplatten und mit 'jeweils einer Anzahl von kleinen Löchern aufweisenden Strahlplatten.

Dies wird bei einem Plattenwärmetauscher der eingangs angegebenen Art erreicht durch Wärmeübergangsplatten und jeweils eine Anzahl kleiner Löcher aufweisende Strahlplatten, wobei durch die Löcher ein erstes Fluid gespritzt wird, das auf die Wärmeübergangsflächen der den Strahlplatten gegenüberliegenden Wärmeübergangsplatten aufprallt, während ein zweites Fluid längs den jeweiligen gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten strömt oder in derselben Weise wie das erste Fluid zu den jeweiligen gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten gespritzt wird.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung bei einer derartigen Anordnung wird ein Fluid durch kleine Löcher in den Strahlplatten gespritzt und prallt auf den Strahlplatten gegenüberliegenden

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Wärmeübergangsplatten auf. Das andere Fluid strömt längs den Jeweiligen gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten oder wird, wie im Fall des ersten Fluids, zu den jeweiligen gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten gespritzt. Es ergeben sich daher folgende Vorteile.

Der Fluiddruckabfall beschränkt sich auf den Druckabfall,der durch das durch die kleinen Löcher gespritzte Fluid bewirkt wird. Da der Fluidstrom ein Strahl ist und die kleinen Löcher so geformt werden können, daß sie beliebigen gewünschten Stellen der Wärmeübergangsflächen entsprechen, kann die abgelenkte Strömung des Fluids vermieden werden. Da die Fluide für das Aufprallen stets mit einer feststehenden Strömungsgeschwindigkeit gespritzt werden, kann eine hohe stabilisierte Wärmeleitfähigkeit erzielt werden. Ferner erzeugt das Aufprallen der Strahlströmung auf den Wärmeübergangsflächen eine Reinigungswirkung auf den Wärmeübergangsflachen, wodurch die Verschlechterung der Wärmeübergangsleistung aufgrund von Verschmutzung vermieden wird.

Diese Art von Wärmeübergang unter Verwendung eines derartigen Aufprallstrahlstroms gewährleistet eine hohe Wärmeleitfähigkeit dadurch, daß die Filmdicke durch scharfe Richtungsänderungen des Fluidstroms vermindert wird. In diesem Zusammenhang sei angegeben, daß, wenn der Fluidstrom zum Aufprallen auf einem senkrechte ebene Platte gebracht wird, der wirksame Bereich für den Wärmeübergang auf den oberen Bereich der Wärmeübergangsfläche beschränkt ist, da in den anderen Bereichen die sich an den Strahl anschließenden und sich von oben nach unten bewegenden Ströme auf der Wärmeübergangsfläche einen nach unten strömenden Film bilden, der dicker wird, wenn er sich dem unteren Bereich nähert, so daß eine hohe Wärmeleitfähigkeit nicht erzielt werden kann. Als Ergebnis wird die Wärmeleitfähigkeit insgesamt wahrscheinlich niedrig gehalten.

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Demnach besteht ein weiteres Merkmal der Erfindung in der Schaffung einer Entwässerungseinrichtung auf den Wärmeübergangsflächen zum Sammeln der sich an den Strahl anschließenden Ströme und zu deren Entfernung von den Wärmeübergangsflächen.

Falls die Erfindung bei der Kondensation angev* *ndet wird, werden die folgenden Vorteile erzielt.

Da der Dampf mit einer verhältnismäßig hohen Strömungsgeschwindigkeit auf die Wärmeübergangsflächen geblasen wird, wird das Kondensat durch den dynamischen Druck des Dampfs weggeblasen, während es durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Tröpfchen verteilt wird und eine quasi tropfenförmige Kondensation oder wenigstens eine sehr dünne filmförmige Kondensation zeigt mit dem Ergebnis, daß sich an jeder Wärmeübergangsfläche viele freigelegte Bereiche befinden, die einen hohen Kondensatiönswärmeübergang ergeben. Ferner wird die abgelenkte Dampfströmung beseitigt, da die kleinen Löcher so angeordnet werden können, daß der Dampf auf jede gewünschte Stelle an den Wärmeübergangsflächen gespritzt werden kann. Da eine gegebene Dampfgeschwindigkeit an allen Stellen auf den Wärmeübergangsflächen eingehalten werden kann, kann das unkondensierbare Gas am Stehenbleiben auf den Wärmeübergangsflächen gehindert werden, wodurch die nachteiligen Wirkungen hiervon auf ein Minimum gebracht werden.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine auseinandergezogene Schrägansicht einer Gruppe von Platten, die einen Auf prallstrahl-Plattenwärmetauschar nach der Erfindung bilden;

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Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1 mit einer Darstellung der Platten im zusammgebauten Zustand;

Fig. 3 einen der Fig. 2 ähnlichen Längsschnitt einer Ausführungsform, bei der eine Einrichtung vorgesehen ist zum Sammeln und Entleeren des auf den Strahl folgenden Stroms von der Wärmeübergangsfläche;

Fig. 4 eine Vorderansicht gemäß der Linie IV-IV von Fig. 3 des Hauptteils einer Strahlplatte;

Fig. 5 einen der Fig. 2 ähnlichen Längsschnitt einer Ausführungsform, bei der zwei Fluide gespritzt werden, zwischen denen ein Wärmeaustausch ausgeführt werden soll;

Fig. 6 eine Ansicht gemäß der Linie VI-VI von Fig. 2 einer Kondensationsform von Dampf, die erhalten wird, wenn ein Aufprallstrahl-Plattenwärmetauscher zur Kondensation von Dampf verwendet wird.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Grundausführung der Erfindung mit Strahlplatten 1 und 2 sowie Wärmeübergangsplatten 3 und 4. Diese Platten sind in der dargestellten Reihenfolge zusammengesetzt und begrenzen zwischen sich einen Kanal A, dem ein erstes Fluid zugeführt wird, Kanäle A₁ und A₂, in die das erste Fluid gespritzt wird, und einen Kanal B, dem ein zweites Fluid zugeführt wird. Jede Platte hat an den vier Ecken vier Öffnungen. Von diesen Öffnungen bilden die Öffnungen 5 einen Einlaßkanal für das erste Fluid, die Öffnungen 6 einen Auslaßkanal für das erste Fluid, die Öffnungen 7 einen Einlaßkanal für das zweite Fluid und die Öffnungen 8 einen Auslaßkanal für das zweite Fluid.

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Die Strahlplatte 1 liegt der anderen Strahlplatte 2 gegenüber zur Begrenzung des Kanals A für die Zufuhr des ersten Fluids, wobei dieser Kanal A ebenfalls von einer zugehörigen Dichtung 10 begrenzt wird, die sich in einem zwischen den Platten gebildeten Zwischenraum befindet. Im einzelnen ist die Dichtung 10 so angeordnet, daß sie den mittleren Bereich der Platte und die Einlaßöffnung 5 für das erste Fluid umgibt. Jede Strahlplatte 1 und 2 weist eine Anzahl von kleinen Löchern 9 auf, durch die das erste Fluid gespritzt wird. Daher steht der Zufurhkanal A für das erste Fluid in Verbindung mit den Einlaßöffnungen 5 für das erste Fluid und mit den kleinen Öffnungen 9. Die Auslaßöffnung 6 für das erste Fluid und die Öffnungen 7 und 8 für das zweite Fluid sind jeweils durch Dichtungen 11, 12 und 13 von der Außenseite getrennt.

Die Strahlplatte 1 liegt der Strahlplatte 2 gegenüber. Der Strahlkanal A₁ für den ersten Kanal wird durch eine zugehörige Dichtung 10 begrenzt, die den Wärmeübergangsbereich' der Wärmeübergangsplatte 3 und die Auslaßöffnung 6 des ersten Fluids umgibt. Der Strahlkanal A. steht daher in Verbindung mit der Auslaßöffnung 6 für das erste Fluid und mit den kleinen Öffnungen 9. Die Einlaßöffnung 6 für das erste Fluid und die Öffnungen 7 und 8 für das zweite Fluid sind jeweils durch Dichtungen 14,12 und 13 von der Außenseite getrennt.

Die Wärmeübergangsplatte 3 ist einer weiteren Wärmeübergangsplatte 4 benachbart und liegt dieser gegenüber, wodurch dazwischen der Zufulirkanal B für das zweite Fluid gebildet wird. Der Zufuhrkanal B wird durch eine zugehörige Dichtung 10 begrenzt, die den Wärmeübergangsbereich der Wärmeübergangsplatten 3 und 4 und die Öffnungen 7 und 8 für das zweite Fluid umgibt. Der Zufuhrkanal B steht daher nur mit diesen Öffnungen 7 und 8 in Verbindung. Die Öffnungen 5 und 6 für das erste Fluid sind jeweils durch Dichtungen 15 und 16 von der Außenseite getrennt. Die Wärmeübergangsplatte 4 liegt einer nach-

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folgenden Strahlplatte gegenüber und begrenzt den Strahlkanal A₂ für das erste Fluid, der nur mit den Auslaßöffnungen 6 für das erste Fluid in Verbindung steht, wie im Fall des oben beschriebenen Strahlkanals A₁. Fig. 1 und 2 zeigen mit strichpunktierten Linien, wie die ersten und zweiten Fluide strömen. Der Betrieb des Aufprallstrahl-Plattenwärmetauschers der Erfindung wird nun entsprechend der Strömung der Fluide beschrieben.

Das erste Fluid a wird durch die ausgefluchteten Einlaßöffnungen 5 für das erste Fluid zugeführt und strömt in die einzelnen Zufuhrkanäle A für das erste Fluid, von wo aus es durch die kleinen Löcher 9 in den Strahlplatten 1 und 2 in die benachbarten Strahlkanäle A^ und A₂ gespritzt wird. Die Strahlen aus den kleinen Löchern prallen auf den Wärmeübergangsflächen der den Strahlplatten 1 und 2 gegenüberliegenden Wärmeübergangsplatten 3 und 4 auf. Die auf die Strahlen folgenden Ströme fließen dann längs der Wärmeübergangsflächen zu den unteren Auslaßöffnungen 6. Das zweite Fluid b wird durch die Einlaßöffnungen 7 für das zweite Fluid zugeführt und strömt in den Zufuhrkanal B für das zweite Fluid. Wenn das zweite Fluid innerhalb des Kanals B zur Auslaßöffnung 8 strömt, erfolgt durch die Wärmeübergangsplatten 3 und 4 ein Wärmeaustausch mit dem ersten Fluid a in den benachbarten Strahlkanä. len A^ und A₂.

Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einer Strahlplatte 21 mit einer Anzahl von kleinen Löchern 22, mit einer Wärmeübergangsplatte 23 mit ebenen Wärmeübergangsflächen und mit Strahlen 24 des aus den kleinen Löchern 22 gespritzten Fluids. Die Strahlplatte 21 ist auf ihrer einen Seite mit Vorsprüngen 25 versehen, die sich zur Wärmeübergangsplatte 23 erstrecken und schräg auf der Plattenfläche verlaufen. Vorsprünge 25 sind in Draufsicht bandförmig und sind entweder einstückig mit der Strahlplatte 21 durch

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Pressen geformt oder durch Befestigen gesonderter Teile an der Strahlplatte 21 geformt. Durch den Zusammenbau der Strahlplatten befinden sich die Vorsprünge 25 mit ihren vorderen Enden in Anlage an der Wärmeübergangsfläche der Wärmeübergangsplatte 23» die der Strahlplatte 21 benachbart ist und ihr gegenüberliegt, wodurch eine Entwässerungsnutanordnung 26 gebildet wird.

Die Entwässerungsnutanordnung 26 dient zum Sammeln der auf die Strahlen folgenden Ströme 27, die erzeugt werden, nechdem die Strahlen aus den kleinen Löchern 27 in der Strahlplatte 21 auf die Wärmeübergangsfläche der Wärmeübergangsplatte 23 aufgeprallt sind. Die Entwässerungsnutanordnung bewirkt eine wirkungsvolle Abwärtsbewegung dieser Ströme längs der Vorsprünge 25 zur Entleerung. Es bildet sich somit kein abwärts strömender Film aufgrund der vom stromauf gelegenen Bereich der Wärmeübergangsfläche nach unten fließenden Ströme, so daß die Wärmeleitfähigkeit verbessert werden kann.

Die übereinander und parallel zueinander angeordneten Vorsprünge 25 dienen auch wirkungsvoll als Verstärkung zum Einhalten des Zwischenraums zwischen der Strahlplatte 21 und der Wärmeübergangsplatte 23. Die Vorsprünge 25 sind beim dargestellten Beispiel auf der Strahlplatte 21 vorgesehen, können aber auch auf der Wärmeübergangsplatte 23 vorgesehen sein. Da in einem Aufprallstrahl-Plattenwärmetauscher die Strahlplatten nicht unmittelbar am Wärmeübergang zwischen den Fluiden teilnehmen, erfordern sie nicht unbedingt ein spezielles Material, sondern können aus einem Material, etwa Kunststoff, hergestellt werden, dessen Wärmeleitfähigkeit gering ist. Es ist daher vorteilhafter, auf der Strahlplatte VorSprünge vorzusehen, die aus einem leicht verformbaren Material hergestellt werden können.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wird eines der

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Fluide, zwischen denen der Wärmetausch ausgeführt werden soll, gespritzt. Es ist aber selbstverständlich möglich, beide Fluide . zu spritzen. Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 5 gezeigt, die einen der Fig. 2 ähnlichen Schnitt zeigt, zeigt, bei der das zweite Fluid b, das bei der Ausführungsform von Fig. 2 lediglich durch den Zufuhrkanal B strömt, wie im Fall des ersten Fluids a vom zwischen den Strahlplatten 3- und 4.* begrenzten Zufuhrkanal B durch die kleinen Löcher 9 in den Strahlplatten 3* und 4^ in die Strahlkanäle B^ und B₂ gespritzt wird und auf den Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten 3 und 4 aufprallt.

Bei der Entscheidung, welches von beiden Fluiden gespritzt werden soll, ist von folgendem auszugehen.

Wie beim gesamten Wärmeübergangskoeffizienten, der die Leistung von Wärmetauschern bestimmt, ist im allgemeinen der niedrigere Film-Wärmeübergangskoeffizient für das Fluid mit der höheren oder niedrigeren Temperatur ein entscheidender Faktor. Durch Berücksichtigung des Fluids, dessen Film-Wärmeübergangskoeffizient niedriger (in vielen Fällen ist der Film-Wärmeübergangskoeffizient für Gase niedriger als für Flüssigkeiten) ist als beim ersten Fluid, kann daher eine ausgeprägte Verbesserung der Gesamtleistung erwartet werden.

Fig. 6 zeigt die Kondensation von Dampf, wenn ein Aufprallstrahl-Plattenwärmetauscher nach der Erfindung bei der Kondensation von Dampf verwendet wird.

Dies wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben.

Das Gas, dessen Film-Wärineübergangskoeffizient niedriger ist, z.B. Dampf, wird dem Zufuhrkanal A zugeführt, von dem aus es durch die kleinen Löcher 9 in die Strahlkanäle A^ und A₂ gespritzt wird und sich zu den Wärmeübergangsplatten 3 und 4 be-

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wegt. Die Kühlflüssigkeit strömt durch den Zufuhrkanal B. Selbstverständlich kann auch die Kühlflüssigkeit gespritzt werden, was in Verbindung mit der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform beschrieben ist.

Als Ergebnis erfolgt der Wärmetausch zwischen dem Dampf und der Kühlflüssigkeit durch die Wärmeübergangsplatten 3 und 4, wobei der Dampf auf den Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten kondensiert. Er kondensiert zu Tröpfchen (Fig.6) oder wenigstens zu sehr dünnen Filmen. Da der Dampf mit einer verhältnismäßig hohen Geschwindigkeit auf die Wärmeübergangsplatte gespritzt wird, wird das Kondensat durch den dynamischen Dampfdruck zerstreut und durch die Wirkung der Oberflächenspannung in Form von Tröpfchen verteilt. Es befinden sich daher viele,nicht mit Filmkondensat bedeckte freigelegte Bereiche auf den Wärmeübergangsflächen, so daß der Übergang von Kondensationswärme verbessert wird.

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Claims

Patentanwälte

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Dlpl.-Ing. K. Schiesci.i.j ' ^ '

München 40, Elii£*oth»tra3e34

HISAKA WORKS, LTD,
Osaka/Japan

Plattenwärmetauscher

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Patentansprüche

Plattenwärmetauscher mit Wärmetausch durch Wärmeübergangsplatten, gekennzeichnet durch Wärmeübergangsplatten (3,4) und durch jeweils eine Anzahl kleiner Löcher (9) aufweisende Strahlplatten (1,2), wobei durch die Löcher (9) ein erstes Fluid(a) gespritzt wird, das auf die Wärmeübergangsflächen der den Strahlplatten (1,2) gegenüberliegenden Wärmeübergangsplatten (3»4) aufprallt, während ein zweites Fluid (b) längs den jeweiligen gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten (3,4) strömt oder in derselben Weise wie das erste Fluid (a) zu den jeweiligen gegenüberliegenden Wärmeübergangsflächen der Wärmeübergangsplatten (3,4) gespritzt wird.
2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberfläche jeder Wärmeübergangsplatte (23) oder Strahlplatte (21) eine Vielzahl von flachen band-

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förmigen VorSprüngen (25) schräg angeordnet ist, die an den Oberflächen der benachbarten gegenüberliegenden Platten (21;23) anstoßen und eine Entwässerungsnutanordnung (26) bilden zum Sammeln und Entleeren der sich an die Strahlen (24) anschließenden Ströme des durch die kleinen Löcher (9) gespritzten Fluids.
3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fluide (a,b) Dampf und eine Kühlflüssigkeit sind, wobei der dazwischen stattfindende Wärmeaustausch eine Kondensation des Dampfs bewirkt.

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