DE3146088A1

DE3146088A1 - "plattenwaermetauscher"

Info

Publication number: DE3146088A1
Application number: DE19813146088
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 8033 Krailling Diery; Rainer Ing.grad. 8022 Grünwald Dietz; Leonhard 8023 Pullach Poth; Dietmar Ing.grad. 8000 München Winkler
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1981-11-20
Filing date: 1981-11-20
Publication date: 1983-05-26

Description

3 U6088

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

(H 1225) H 81/80

Fa/fl 20.11.81

Plattenwärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit einem Stapel von mit Abstand zueinander angeordneten Trennwänden, die zwischen sich Strömungskanäle für am Wärmetausch beteiligte Fluide bilden.

Bei einem derartigen Plattenwärmetauscher werden benachbarte Strömungskanäle abwechselnd von den am Wärmetausch beteiligten Fluiden durchströmt, wobei in benachbarten Strömungskanälen jeweils verschiedene Fluide geführt sind, die getrennt voneinander zu- und abgeführt werden. Für einen guten Wirkungsgrad ist anzustreben, daß die Trennwände zwischen den Strömungskanälen möglichst dünnwandig sind, damit die Fluide in den aneinander angrenzenden Strömungskanälen in möglichst gutem thermischen Kontakt sind. Allerdings besteht diese Möglichkeit nur dann, wenn die am Wär-

3Q metausch beteiligten Fluide alle etwa denselben Druck aufweisen, so daß der Differenzdruck auf die Trennwände gering ist. Zur Stabilisierung eines derartigen Plattenwärmetauschers ist auch bereits vorgeschlagen worden, zwischen die Trennwände Lamellen einzusetzen*, die benachbarte Trennwände gegeneinander abstützen.

Form. B723 7.70

In vielen Anwendungsfällen ist es jedoch erforderlich, ein Fluid mit sehr hohem Druck durch einen Plattenwärmetauscher zu leiten. Aufgrund der hierbei auftretenden hohen Differenzdrücke müssen die Trennwände sehr dich ausgeführt sein. Dies hat jedoch zur Folge, daß der Wirkungsgrad des Wärmetauschers dann sehr schlecht ist. Unter Umständen liegt der Fluiddruck sogar in einem Bereich, für den der beschriebene Plattenwärmetauscher überhaupt nicht mehr eingesetzt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmetauscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, der auch für ein Fluid hohen Druckes geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einer der Strömungskanäle druckstabiler als die übrigen Strömungskanäle ausgebildet ist.

Während die Strömungskanäle für die Fluide, die unter einem relativ niedrigen Druck stehen, wie bisher nur für diesen niedrigen Druck ausgelegt sind, ist erfindungsgemäß ein Strömungskanal für einen erheblich höheren Druck ausgelegt. Dieser Strömungskanal dient zur Führung eines Fluids, das unter einem wesentlich höheren Druck als die übrigen in dem Wärmetauscher geführten Fluide steht.

Durch den Erfindungsgegenstand ist es möglich, im überwiegenden Teil des Plattenwärmetauschers dünne Trennwände beizubehalten und nur denjenigen Teil zu verstärken, durch den das unter Hochdruck befindliche Fluid geführt ist. Dies hat den entscheidenden Vorteil, daß der Plattenwärmetauscher für die nicht unter hohem Druck stehenden Fluid dünnwandige Trennwände aufweist und daher gute Wärmeübertragungseigenschaften besitzt. Lediglich der Strömungskanal für das Fluid unter hohem Druck ist entsprechend stabil ausgelegt.

Form. 5729 7.78

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Da nunmehr erfindungsgemäß nicht der gesamte Wärmetauscher, sondern nur einzelne Strömungskanäle für Hochdruck bemessen sind, ist der Plattenwärmetauscher bei geringem Herstellungsaufwand noch für sehr hohe Fluiddrücke verwendbar. Gleichzei-

B tig zeichnet er sich durch geringes Gewicht aus. Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher ist für Fluiddrücke bis weit über 100 bar einsetzbar»

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegen-Standes verläuft der druckstabilere Strömungskanal im Inneren einer Platte. Hierbei ist zwischen zwei der Trennwände eines massive Platte eingefügt, in deren Inneres Strömungskanäle eingearbeitet sind. Der Durchmesser der Strömungskanäle ist mit der Dicke der Platte derart abgestimmt, daß die 1S Strömungskanäle für den auftretenden Fluiddruck eine ausreichende Wandstärke aufweisen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist die Platte aus zv^ei Hälften zusammengesetzt, von denen zumindest eine einen in die gemeinsame Berührungsfläche eingearbeiteten Strömungsweg aufweist. Die gemeinsame Berührungsfläche der Platten verläuft parallel zu der Ebene, in der der Strömungsweg verläuft. Wahlweise kann der Strömungsweg nur in eine der beiden Plattenhälften eingearbeitet sein, oder die beiden Plattenhälften weisen an den einander zugewandten Oberflächen deckungsgleiche Strömungswege auf, die nach Zusammensetzen der Plattenhälften einen gemeinsamen Strömungskanal bilden.

Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes weist die Platte mehrere durchgehende Kanäle auf, deren Endenjeweils paarweise zu einem fortlaufenden Strömungsweg verbunden sind. Die Verbindung der Kanäle erfolgt beispielsweise durch Rohrkrümmer, die in die Enden der Kanäle eingesehi-jeißt sind«,

Porm. 0729 7.78

In vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes wird vorgeschlagen, daß in die Kanäle Rechteckprofile mit rundem Innenquerschnitt eingelegt sind.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist der für höheren Fluiddruck ausgelegte Strömungskanal durch ein zwischen zwei Trennwänden eingelegtes Rohr gebildet. Das Rohr ist vorzugsweise mäanderförmig gebogen, wobei zwischen die einzelnen parallelen Rohrabschnitte Ab-"Ό Standsleisten eingelegt sind. Ebenso ist bei einem Plattenwärmetauscher mit zwischen den Trennwänden eingelegten Lamellen eine Ausführungsform denkbar, bei der das Rohr in die Lamellenlage eingefügt ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes ist der für höheren Fluiddruck ausgelegte Strömungskanal durch von mit Abstand zueinander zwischen zwei Trennwänden angeordneten Leisten begrenzte Zwischenräume gebildet. Als Leisten werden mit Vorteil dieselben Leisten verwendet, wie sie bei derartigen Plattenwärmetauschern als Begrenzung der Strömungskanäle an den seitlichen Rändern zwischen den Trennwänden ohnehin vorgesehen sind.

Es ist von Vorteil, wenndie Leisten als Hohlprofile ausgebildet sind, deren Hohlräume mit den Zwischenräumen in Verbindung stehen, oder doppel-T-förmigen Querschnitt aufweisen.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Figuren 1 und 2 verschiedene Schnittdarstellungen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen

Plattenwärmetauschers.

Form. 5729 7.78 .

• a a

Figuren 3 und 4

verschiedene Schnittdarstellungen einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers

5 Figur 5

Figuren 6 und 7

einen Schnitt entlang der Linie V-V in den Figuren 1 und 3

verschiedene Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers

Figuren 8 bis 10 verschiedene Schnittdarstellungen einer

weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers

Figuren 11 bis 13 verschiedene Schnittdarstellunger einer

weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers

Figur 14

eine Modifikation der Darstellung gemäß Figur 13

Figuren 15 und 16 verschiedene Schnittdarstellungen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers

Figuren 17 und 18 modifizierte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers gemäß Figur 15.

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Für analoge Bauteile werden in den Figuren durchgehend dieselben Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers, der aus einer Vielzahl von stapelför-

Porm. 8723 7.73

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mig und mit gegenseitigem Abstand voneinander angeordneten Trennwänden 1 zusammengesetzt ist, die zwischen sich Strömungskanäle 2 für am Wärmetausch beteiligte Fluid bilden. Beispielsweise werden durch die Strömungskanäle 2 zwei verschiedene Fluide hindurchgeführt, wobei jeweils zwischen zwei Strömungskanälen, die das eine der beiden Fluid führen, ein Strömungskanal liegt, der das andere der beiden Fluide führt. Die äußersten Strömungskanäle sind durch Deckplatten 3 abgeschlossen, die dicker als die Trennwände 1 sind. Die Seitenränder der Strömungskanäle 2 sind durch "Sidebars" 4 verschlossen, die zwischen je zwei Trennwänden 1 angeordnet sind. Innerhalb der Strömungskanäle 2 sind Lamellen 5 mit im wesentlichen sinusförmigem Querschnitt vorgesehen, die sich zwischen je zwei Trennwänden 1 erstrecken und mit diesen verbunden sind. Die Lamellen 5 dienen einerseits zur Gleichverteilung der Fluid über den Querschnitt der Strömungskanäle und andererseits zur Stabilisierung des Plattenwärmetauschers, da sie die resultierenden Druckkräfte auf die Trennwände 1 aufgrund unterschiedlicher Drücke der am Wärmetausch beteiligten Fluid aufnehmen. Die Bauteile des Plattenwärmetauschers sind vorzugsweise aus Aluminium gefertigt und miteinander verlötet.

Bei einem derartigen Plattenwärmetauscher ist die Wärmeübertragung umso besser,je dünner die Trennwände 2 sind. Der Forderung nach einer dünnwandigen Ausbildung der Trennwände steht jedoch in vielen Anwendungsfällen entgegen, daß der Druck der Fluide auf den beiden Seiten der Trennwände unterschiedlich hoch ist und die Trennwände und Lamellen daher verstärkt ausgeführt werden müssen, um dem Differenzdruck standhalten zu können. Häufig kommt es dabei vor, daß eine relativ kleine Fluidmenge unter Hochdruck durch den Wärmetauscher geleitet werden soll. Bevorzugte Einsatzmöglichkeiten für den erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher bestehen bei Luft- und Gaszerlegungsanlagen, bei denen bei-

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spielsweise ein in flüssigem Zustand auf hohen Druck verdichteter Produktstrom verdampft wird.

Um nun nicht den gesamten Wärmetauscher auf den hohen Druck S des einen Fluids auslegen zu müssen, was bedeuten würde, daß das Wärmetauschverhalten des ganzen Wärmetauschers sehr schlecht würde,ist erfindungsgemäß ein Strömungskanal druckstabiler als die übrigen Strömungskanäle ausgelegt.

Bei dem AusfUhrungsbeispiel gemäß Figur 1 verläuft der druckstabilere Strömungskanal 6 im Inneren einer Platte, die aus zwei Hälften 7, 8 zusammengesetzt ist.In den Hälften 7,8 ist in deren gemeinsame Berührungsflächen jeweils ein Strömungsweg eingearbeitet, wobei die Strömungswege beim Aufeinanderpressen der beiden Hälften aufeinander zu liegen kommen und den Hochdruck-Strömungskanal bilden. Die Strömungswege sind beispielsweise mechanisch eingearbeitet.

Vorzugsweise besteht die Platte aus Aluminium und wird beim Verlöten des Wärmetauschers mit den Lamellen und den Leisten verlötet. Die beiden Plattenhälften werden gleichzeitig mit dem gesamten Plattenwärmetauscher mit Flußmittel oder flußmittelfrei verlötet.

Figur 2 zeigt einen Schnitt entlang der Linie II-II in Figur 1 .

Die Figuren 3 und 4 zeigen eine modifizierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers gemäß Figur 1, wobei hier im Unterschied zu Figur 1 der druckstabilere Strömungskanal nicht symmetrisch in zwei Plattenhälften eingearbeitet ist, sondern nur in einer Plattenhälfte Der Strömungskanal wird durch die zweite, unbearbeitete Plattenhälfte 10 abgedeckt.

Form. S72S 7.70

-ΙΟΙ Figur 4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 3.

Wie in Figur 5 gezeigt ist, die einen Schnitt entlang der Linie V-V in den Figuren 1 und 3 darstellt, weist der in die Plattenhälften 7, 8 bzw. 9 eingearbeitete Strömungsweg einen etwa mäanderförmigen Verlauf auf.

Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers gemäß Figur 1, die in zwei Schnittdarstellungen in den Figuren 6 und 7 gezeigt ist, weist die Platte durchgehende Kanäle 11 auf, die an ihren Enden durch Rohrkrümmer 12 zu einem fortlaufenden mäanderförmigen Strömungsweg verbunden sind.

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers ist in den Figuren 8 bis 10 gezeigt. In einer Platte 13 sind Kanäle von rechteckigem Querschnitt geschaffen, in die Rechteckprofile 14 mit rundem Innenquerschnitt eingesetzt sind, deren Enden mit Rohrkrümmern zu einem fortlaufenden Strömungsweg verbunden sind. Es ist ebenso denkbar, daß der druckstabilere Strömungskanal durch ein mäanderförmig gebogenes Rechteckrohr gebildet ist. Der Zwischenraum zwischen den geradlinig verlaufenden Rohrabschnitten ist mit bearbeiteten Plattensegmenten vollständig ausgefüllt.

Bei der Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes gemäß den Schnittdarstellungen in den Figuren 11 und 12 ist als druckstabiler Strömungskanal zwischen zwei Trennwänden 1 ein mäanderförmig gewundenes Rohr 15 eingelegt. Das Rohr besteht z.B. aus Chrom-Nickel-Stahl, wobei zwischen den parallelen Rohrabschnitten, wie in Figur 13 gezeigt ist, Abstandsleisten 16 vorgesehen sind, die mit den Trennwänden verlötet sind.

Form. 5729 7.7β

Eine andere Möglichkeit zur Fixierung des Chrom-Nickel-Stahl-Rohres 15 zeigt die Figur 14; Hier ist das Rohr 15 zwischen Lamellen 17 eingelegt, die wiederum mit den angrenzenden Trennwänden 1 verlötet sind.
§

Figur 15 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers, bei der druckstabilere Strömungskanäle durch die Zwischenräume 18 zwischen mit Abstand zueinander zwischen zwei Trennwände 1 eingelegte und mit den Trennwänden 1 verlötete Leisten 19 gebildet sind. Die Spaltbreite zwischen je zwei Leisten 19 beträgt beispielsweise 1 bis 2 mm. Als Leisten werden mit Vorteil "Sidebars" verwendet, die ohnehin zum seitlichen Abschluß der Strömungskanäle 2 vorgesehen sind. Bei Bedarf können die mit den Leisten 19 verlöteten Trennwände 1 durch in der Figur nicht dargestellte Verstärkungsplatten verstärkt sein. Derartige Verstärkungsplatten sind in den Figuren 17 und 18 mit dem Bezugszeichen 24 versehen.

Wie aus Figur 16, die einen vergrößerten Teilschnitt entlang der Linie XVI-XVI von in Figur 15 zeigt, zu entnehmen ist, tragen die Leisten 19 an ihren Enden (es ist nur ein Ende jeder Leiste 19 dargestellt, die zweiten Enden sind in der Figur nicht zu sehen) eine gestrichelt gezeichnete Nut 20, die zur Querverteilung des über einen Anschlußstutzen 21 zugeführten Hochdruckfluids auf die einzelnen Zwischenräume 18 dient.

Die Figuren 17 und 18 zeigen mögliche Querschnittsformen für die Leisten 19. Gemäß Figur 17 sind die Leisten als Hohlprofile 22 ausgebildet, die Leisten 23 gemäß Figur 18 weisen an den einander zugewandten Flächen Ausnehmungen auf, wodurch sich ein etwa doppel-T-förmiger Querschnitt ergibt. In Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen, wie Fluiddruck, Fluidmenge und Strömungsgeschwindigkeit, kann durch Einsetzen von Leisten mit unterschiedlichen Querschnitten das Wärmetauschverhalten optimiert werden.

Form. 5729 7.78

Claims

3H6088

(H 1225) H 81/80

Fa/fl 20.11.81

Patentansprüche

\ Plattenwärmetauscher mit einem Stapel von mit Abstand

zueinander angeordneten Trennwänden, die zwischen sich Strömungskanäle für am Wärmetausch beteiligten Fluide bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Strömungskanäle (6,11,14,15,18) druckstabiler als die übrigen Strömungskanäle (2) ausgebildet ist.
2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der druckstabilere Strömungskanal (6) im Inneren einer Platte verläuft.
3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte aus zwei Hälften (7,8,9,10) zusammengesetzt ist, von denen zumindest eine einen in die gemeinsame Berührungsfläche eingearbeiteten Strömungsweg aufweist=,
4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte nach außen durchgehende Kanäle (11) aufweist, deren Enden jeweils paarweise zu einem fortlaufenden Strömungsweg verbunden sind.

Form. 87ffi 7.79
5. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß in die Kanäle Rechteckprofile (14) mit rundem Innenquerschnitt eingelegt sind.
6. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß der druckstabilere Strömungskanal durch ein zwischen zwei Trennwänden angeordnetes Rohr (15) gebildet ist.
7. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der druckstabilere Strömungskanal durch von mit Abstand zueinander zwischen zwei Trennwänden (1) angeordneten Leisten (19,22,23) begrenzte Zwischenräume (18) gebildet ist.
8. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten als Hohlprofile (24) ausgebildet sind/ deren Hohlräume mit den Zwischenräumen in Verbindung stehen.
9. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leisten (23) etwa doppel-T-förmigen Querschnitt besitzen.

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