DE3148375C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdampfer der Plattenwärmetauscher-Art mit mehreren Wärmetauscher­ platten, die im wesentlichen vertikal einander gegenüber angeordnet sind, so daß Strömungsräume zwischen den Plat­ ten entstehen, in denen eine Flüssigkeit verdampfen und ein Wärmemittel strömen kann.

In Fallschicht- und Steigschicht-Wärmetauschern werden Flüssigkeitsschichten dazu gezwungen, sich auf im wesentli­ chen vertikalen Wärmetauscherflächen mit dem erzeugten Dampf zwischen den Schichtoberflächen in den Verdampfungskanälen zu bewegen. Der herkömmliche Verdampferkanal mit konstantem Querschnitt hat zwei Nachteile: Zum einen nimmt die Geschwin­ digkeit des erzeugten Dampfes in Strömungsrichtung der Speiseflüssigkeit zu und zum anderen ist der von der Flüs­ sigkeit benetzte Umfang in dieser Richtung konstant. Daher wird die Flüssigkeitsschicht entlang den Heizflächen immer dünner, was bei zu schwacher Zufuhr der Speiseflüssigkeit zum Abreißen der Schicht und zum trockenen Sieden führt. In der Praxis löst man dieses Problem oft durch Überlast auf der Produktseite, was darauf hinausläuft, daß man über den größeren Teil der Heizflächen eine unnötig dicke Schicht aufrechterhält, so daß die Wärmeübergangswerte niedrig bleiben und lange Heizflächen erforderlich werden. Falls im Falle eines wärmeempfindlichen Produktes das Problem durch Rückführung gelöst wird, muß man infolge der längeren Ver­ weilzeit auch Qualitätseinbußen des Produktes in Kauf neh­ men.

Aus diesen Gründen sollte der ideale Verdampferkanal in Strömungsrichtung einen sich verringernden Umfang und einen zunehmenden Querschnitt aufweisen.

Die Forderung nach einem allmählich zunehmenden Quer­ schnitt der Verdampferkanäle ist bereits in bekannten Platten- und Rohr-Wärmetauschern realisiert worden. Die US-PS 21 17 337, die einen Rohr-Wärmetauscher betrifft, zeigt einen kreisrunden Verdampferkanal mit einem innen­ liegenden konischen Körper zum Erhitzen von Dampf; dabei werden weiter werdende Verdampferkanäle und ein abnehmen­ der benetzter Umfang bezüglich der internen Wärmetausch­ erfläche erreicht. Entlang der externen Wärmeübergangs­ fläche ist der benetzte Umfang jedoch konstant. Die schwe­ dische Patentschrift 2 19 561 beschreibt einen speziellen Verdampfer, bei dem beide erwünschten Merkmale - abneh­ mender benetzter Umfang und zunehmender Querschnitt der Verdampferkanäle - durch Kanäle zwischen zwei konischen Plattenelementen mit unterschiedlichen Kegelwinkeln er­ reicht sind.

Für Plattenwärmetauscher hat man mehrere Wege vorgeschla­ gen, den Querschnitt der Strömungskanäle zu vergrößern. Die GB-PS 7 88 193 zeigt Wärmetauscherplatten mit waage­ recht verlaufenden Wellungen, bei denen zwar ein in Strö­ mungsrichtung zunehmender Querschnitt des Verdampfungska­ nals durch aufeinanderfolgende Änderungen des Lagewinkels der Wellungen in dieser Richtung, nicht jedoch die ge­ wünschte Verringerung des benetzten Umfangs in Strömungs­ richtung erreicht ist. Die GB-PS 8 59 876 offenbart einen Verdampfer, in dem die zu verdampfende Flüssigkeit zunächst zwischen einem Plattenpaar aufwärts und dann zwischen ei­ nem weiteren Plattenpaar abwärts geführt wird. Ein Vorschlag, bei diesem Verdampfer den Kanalquerschnitt zu vergrößern, besteht darin, das letzte Plattenpaar mit größerem Abstand als das ersterwähnte anzuordnen. Gemäß einem weiteren Vor­ schlag wird für die Abwärtsströmung eine größere Anzahl von Plattenzwischenräumen verwendet als für die Aufwärts­ strömung. Schließlich hat man auch vorgeschlagen, die Strömungskanäle für die Speiseflüssigkeit in einen auf­ wärts und einen abwärts divergierenden Teil aufzuteilen und die Flüssigkeit zu zwingen, zuerst den aufwärts diver­ gierenden Teil eines Plattenzwischenraums hinauf und dann den abwärts divergierenden Teil eines anderen Plattenzwi­ schenraums hinab zu strömen. Man erhält so einen allmäh­ lich zunehmenden Querschnitt des Verdampfungskanals; der Umfang nimmt jedoch in Strömungsrichtung sogar zu.

Um eine nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten realisti­ sche Alternative darzustellen, bei der beide obengenann­ ten erwünschten Merkmale verwirklicht sind, darf der Verdampfer in der Herstellung nicht zu aufwendig sein. Werden insbesondere gepreßte Platten verwendet, muß das Pressenmuster so angelegt sein, daß die Kosten für die Preßstempel selbst sowie die Anzahl der unterschiedlichen Preßmuster bzw. Plattenausführungen im Rahmen bleiben. Um weiterhin das Reinigen der Verdampfungsflächen zu er­ leichtern und Betriebsstörungen infolge eines Zusetzens der Verdampferkanäle zu vermeiden, sollte die Kanalstruk­ tur selbst so einfach wie möglich sein.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Plat­ tenverdampfer anzugeben, der die genannten Forderungen nach einem abnehmenden benetzten Umfang und zunehmendem Querschnitt der Verdampferkanäle in Strömungsrichtung mit einem einfachen Kanalaufbau und sicherem Betrieb in sich vereint.

Nach der vorliegenden Erfindung wird dieses Ziel er­ reicht mit einem Plattenverdampfer, der im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine der einen Verdampferkanal einschließenden beiden gegenüber­ liegenden Platten mit Ausbuchtungen, d. h. Rippen aus­ geführt ist, die im Vergleich mit gedachten, vollstän­ dig ebenen Platten eine Volumenverringerung der Verdamp­ ferkanäle bewirken, und daß das Volumen der Ausbuchtun­ gen in der Strömungsrichtung der zu verdampfenden Flüs­ sigkeit so abnimmt, daß in dieser Richtung der Quer­ schnitt der Verdampfungskanäle zu- und ihr Umfang ab­ nehmen. Die Änderung des Volumens der Ausbuchtungen in der Strömungsrichtung läßt sich auf unterschiedliche Weise erreichen. Beispielsweise kann man am Anfang des Verdampfungskanals eine größere Anzahl von Ausbuchtun­ gen vorsehen als an dessen Ende; eine weitere Möglich­ keit ist, in Längsrichtung der Platten Ausbuchtungen mit zunehmenden Abmessungen (beispielsweise abnehmender Höhe) vorzusehen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei den Ausbuchtungen in den Platten um vertikal verlaufende Rippen, deren Höhe in Strö­ mungsrichtung abnimmt. Zweckmäßigerweise kann man die Höhe der Rippen kontinuierlich verringern; wobei die Scheitellinie der Rippen im wesentlichen einer Geraden folgt, die unter einem flachen Winkel zur Grundebene der Platte verläuft. Bei dieser Ausführungsform werden die Verdampfungskanäle von Wandungen eingefaßt, die im wesentlichen gradlinig und glatt in vertikaler Richtung verlaufen, so daß auch bei sehr dünnen Filmschichten diese wenig Gefahr laufen zu reißen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind beide einen Verdampfungs­ kanal einfassende Platten mit gegenüberliegenden Rip­ pen ausgeführt, wobei die Rippen einer Platte um die halbe Teilungsweite gegenüber den Rippen der anderen Platte versetzt sind. Diese Ausführungsform hat mehrere Vorteile. Falls erwünscht, kann man eine starke Ände­ rung des Querschnitts und des Umfangs des Verdampfungs­ kanals erreichen. Weiterhin können die beiden einen Verdampfungskanal einfassenden und mit diesem festen Versatz angeordneten Platten mit dem gleichen Pressen­ profil ausgeführt werden; die Anzahl der Preßstempel­ ausführungen läßt sich daher auf eine einzige reduzie­ ren. Da weiterhin diese Anordnung der Plattenpaare zur Ausbildung eines Verdampferkanals auch ermöglicht, die beiden Platten, die einen Kanal für das Heizmittel bilden, mit unmittelbar gegenüberliegenden Rippen anzu­ ordnen, sind auf der Heizmittelseite Abstützpunkte zwi­ schen den Platten in den Bereichen zwischen den Rippen verfügbar. Man kann also einen stabilen Plattenstapel ohne zusätzliche Abstützpunkte oder -elemente in den Verdampfungskanälen innerhalb der Plattenumrisse, d. h. im Hauptbereich der Verdampfungskanäle aufbauen, so daß das Reinigen der Verdampferflächen erleichtert und die Gefahr eines Zusetzens und eines Schichtabrisses verrin­ gert sind.

Nach der nicht veröffentlichen GB-PS 20 89 666 der Anmelderin erreicht man den allmählich zunehmenden Querschnitt der Verdampferkanäle durch divergierende Plattenoberflächen in Strömungsrichtung gleichzeitig mit der erwünschten Um­ fangsverringerung durch allmähliche Verringerung der Ge­ samtbreite der Verdampfungskanäle. Die Kombination einer oder beider dieser Maßnahmen mit der nach der vorliegen­ den Erfindung vorgeschlagenen Maßnahme zur Anordnung sich ändernder Ausbuchtungen entlang eines Verdampfungskanals verbessert die Möglichkeit, für eine spezielle Verdampfer­ anwendung eine optimale Kanalkonstruktion zu finden.

Die Erfindung soll nun anhand einiger Ausführungsformen von Verdampfern des Fallschichttyps unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch einen Verdampfungskanal;

Fig. 2 zeigt mehrere Querschnittsformen eines Verdampfungskanals mit tra­ pezförmigem Rippenprofil;

Fig. 3 zeigt eine Anzahl von Querschnitten eines Verdampfungskanals mit drei­ eckigem Rippenprofil;

Fig. 4 zeigt die Anordnung der Platten anhand eines schematischen Schnitts durch einen Verdampfungs­ kanal mit dem Rippenprofil der Fig. 3;

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Verdampferelemente eines Plattenstapels;

Fig. 6 und 7 zeigen Plattenelemente nach der Fig. 5 im Aufriß;

Fig. 8 zeigt eine modifizierte Form des Plattenstapels nach der Fig. 5; und

Fig. 9 und 10 zeigen die Elemente nach der Fig. 8 im Aufriß.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die Erfindung für den Fall von zwei Platten 1, 1′, die die Verdampfungskanäle E bilden; das Wellungsmuster ist in beiden Platten identisch, wobei die Platten jedoch mit ihren Rippen 2, 2′ um die halbe Teilungsweite gegeneinander versetzt liegen. Aus den Schnitten AA-DD ist ersichtlich, daß in Strömungsrich­ tung der Fallschicht die Querschnittsfläche der Ver­ dampfungskanäle stark zunimmt, ihr Umfang aber abnimmt. Über dem Schnitt AA ist das nächstliegende Plattenpaar 3, 3′ gezeigt; zwischen den Plattenpaaren 1, 1′ und 3, 3′ verläuft der Heizmittelkanal H.

Die Fig. 3 zeigt eine Anzahl von Schnitten durch einen Verdampfungskanal zwischen den Platten 4, 4′ mit dreiec­ kigem Rippenprofil. Anhand der Pfeile (a)-(c) ist zu ersehen, daß über die Plattenlänge in Strömungsrichtung der Umfang der Kanäle sich etwa halbiert, die Querschnitts­ fläche A₁-A₃ sich aber etwa verdreifacht.

Fig. 4 zeigt schematisch eine Anordnung in einer Ver­ dampfereinheit der Platten 5, 5′, 6, 6′ mit dem Rip- penprofil der Fig. 3. Die Platten der Plattenpaare 5, 5′ und 6, 6′ usw. sind so angeordnet, daß die Scheitel 7, 8 in den Verdampfungskanälen E′ zwischen die Schei­ tel 7′, 8′ hinein vorstehen, so daß zickzackförmige Kanäle entstehen. Um auch die Heizmittelkanäle H′ aus­ zubilden, sind die Platten 5′, 6′ usw. mit genau ge­ genüberliegenden Rippen angeordnet. Stangenelemente 9 sind auf der Heizmittelseite guer zu den Rippen ange­ ordnet und wirken als Distanz- und Stabilisierungsele­ mente. Die Talbereiche zwischen den Rippen 7, 7′, 8, 8′ dienen daher als Stützpunkte in den Heizmittelkanälen H′, während die Verdampfungskanäle E′ frei von Abstütz- Punkten sind.

Die Fig. 5-7 zeigen schematisch ein Beispiel eines Fallschichtverdampfers nach der vorliegenden Erfindung. Ein Plattenstapel besteht aus einer Anzahl von Wärme­ tauscherplatten 11, 12, die zwischen abwechselnden Distanz­ rahmen 13, 14 angeordnet sind und Verdampfungskanäle 15, Heizmittelkanäle 16 sowie die Abschlußelemente 17, 18 bilden. Das Abschlußelement 17 ist in seinem oberen Teil mit einem Einlaß 19 für das zu verdampfende Produkt, im unteren Teil mit einem Auslaß 20 für das verdampfte Pro­ dukt und den erzeugten Dampf sowie einem Einlaß 21 und einem Auslaß 22 für das Heizmittel versehen.

Die dem Verdampfer zugeführte Produktströmung strömt in die verschiedenen Verdampferkanäle 15 durch die Öffnungen 23, 24 in den Platten 11, 12 und die Kanäle 25 durch die Distanzrahmen 14, welche Kanäle gegen die Heizmittel 16 durch die Dichtungen 26 abgeschlossen sind. Das verdampf­ te Produkt und der erzeugte Sekundärdampf strömen im unteren Verdampferteil zum Auslaß 20 durch die Öffnungen 27, 28 in den Platten 11, 12 und durch die entsprechenden Kanäle 30, die mit den Dichtungen 29 abgeschlossen sind, in den Distanzrahmen 14. Das durch die Einlaßöffnung 21 ein­ strömende Heizmittel strömt durch die Öffnungen 31, 32 in den Platten 11, 12 und die entsprechend abgedichteten Kanäle (nicht gezeigt) in den Distanzrahmen 14 in die Heizkanäle 16 und durch die Öffnungen 33, 34 in den Platten 11, 12 und durch die entsprechend abgedichteten Kanäle (nicht gezeigt) in den Distanzrahmen 13 zum Aus­ laß 22.

Die Platten 11, 12 sind mit vertikal langgestreckten Rippen 35, 36 ausgeführt. Bezüglich der Verdampfer­ kanäle 15 sind die Rippen 35 relativ zu den Rippen 36 so versetzt angeordnet, daß der zickzackförmige Ka­ nalquerschnitt entsteht. Die Verdampferkanäle 15 sind gegen die Umgebung durch die Dichtringe 37 in den Distanz­ rahmen 13 abgedichtet.

Die Fig. 8-10 zeigen eine modifizierte Form der in den Fig. 5-7 gezeigten Ausführungsform. Da die meisten Einzelheiten den in den Fig. 5-7 gezeigten entsprechen, gelten die gleichen Bezugszeichen, aber um den Buchstaben "a" ergänzt. Eine Abänderung besteht darin, daß die Dicke der Distanzrahmen 13a in Strömungsrichtung der Fallschicht zunimmt, eine weitere Modifikation darin, daß die Platten 11a, 12a mit Wärmetauscherflächen aus­ geführt sind, deren Breite in Strömungsrichtung abnimmt, so daß die Rippen 35a, 36a zur Plattenmitte hin etwas konvergieren.

Die Fig. 9 zeigt im Aufriß den Distanzrahmen 13a, in dem die schräg verlaufende Abdichtung 37a die entsprechende weitere Umfangsabnahme der Verdampfungskanäle 15a in Strömungsrichtung ausweist. Diese Zeichnung zeigt auch die Kanäle 38a für das Heizmittel sowie die entspre­ chenden Dichtungen 39a.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen wurden haupt­ sächlich als Beispiele für das Prinzip der vorliegenden Erfindung gewählt. Die Funktion der dargestellten Distanz­ rahmen kann natürlich von den Platten selbst ausgeführt werden, in die dann auch Nuten für die Dichtungen auf be­ kannte Weise eingepreßt werden. Die Divergenz der beiden Wärmetauscherflächen läßt sich in diesem Fall erreichen, indem man die beiden Plattenflächen zum Einlaßende hin zueinanderlaufend auspreßt. Weiterhin ist nicht erfor­ derlich, sämtliche Strömungen durch innerhalb des Plat­ tenumfangs liegende Öffnungen zu- und abzuführen. Bei­ spielsweise kann man den Plattenstapel in ein Gehäuse für den Produktdampf aufnehmen und die Platten so aus­ führen, daß das Produkt am unteren Ende des Plattensta­ pels frei austritt. Dies erbringt den Vorteil, daß die gesamte Länge der Platten zum Wärmeaustausch zur Ver­ fügung steht.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf solche Plattenver­ dampfer, bei denen zwei Wärmetauscherplatten auf be­ liebige Weise - beispielsweise durch Schweißen - entlang des Plattenumfangs zusammengefügt sind, um geschlossene Räume für das Produkt und das Heizmittel auszubilden, wobei das Produkt entweder in die Räume eingeführt oder außerhalb derselben mit einem geeigneten Speisesystem in den Umlauf gezwungen werden kann.

Claims (10)

1. Plattenverdampfer des Steigschicht- und/oder Fallschicht­ typs mit mehreren Wärmetauscherplatten, die im wesentlichen vertikal beabstandet einander gegenüber angeordnet sind, so daß sie zwischen sich abwechselnd Verdampfungs- und Heizmit­ telkanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden nebeneinanderliegenden Platten (1, 1′), die einen Verdampfungskanal (E) bilden, mit Ausbuchtungen (2, 2′) ausgeführt ist, die im Vergleich mit gedachten, vollständig flachen Platten das Volumen der Ver­ dampfungskanäle (E) verringern, und daß das Volumen der Aus­ buchtungen (2, 2′) in Strömungsrichtung des zu verdampfenden Mediums so abnimmt, daß in der genannten Strömungsrichtung der Querschnitt der Verdampfungskanäle zunimmt und ihr Um­ fang abnimmt.

2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtungen im wesentlichen vertikal verlau­ fende Rippen (2, 2 ′) sind, deren Höhe in Strömungsrich­ tung des zu verdampfenden Mediums abnimmt.

3. Verdampfer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (5, 5′), die zwischen sich einen Verdampfungskanal (E′) einschließen, mit entgegengesetzt gerichteten Rippen (7, 7′) ausgeführt sind, wobei die Rippen (7) der einen Platte um die halbe Teilung gegen­ über den Rippen (7′) der anderen Platte versetzt sind.

4. Verdampfer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptteil jedes Verdampfungskanals (E′) frei von Abstützpunkten oder Abstützelementen zwischen den den Kanal begrenzenden beiden Platten (5, 5′) ist.

5. Verdampfer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide einen Verdampfungskanal (E′) um­ grenzenden Platten (5, 5′) mit entgegengesetzt gerichteten Rippen (7, 7′) ausgeführt sind und daß Stützpunkte zwischen jeweils zwei einen Heizmittelkanal (H′) umgrenzenden Platten vorgesehen sind, wobei sich die Stützpunkte in den zwischen den Rippen (7, 7′) liegenden Plattenbereichen befinden.

6. Verdampfer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einen Heizmittelkanal (H′) bildende Platten (5, 6′) mit ihren Rippen (7′, 8) einander unmittelbar gegenüber­ liegend angeordnet sind.

7. Verdampfer nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Abstützpunkte mit Hilfe von Distanzelementen (9) gebildet sind, die in den zwischen den Rippen (7′, 8) gebildeten Plattenbereichen die beiden Platten vonein­ ander beabstandet halten.

8. Verdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Distanzelemente quer über die Rippen verlaufende Stab­ elemente (9) sind.

9. Verdampfer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Verdampfungskanäle (15a) in der Ausdehnungsebene der Platten in der Strömungsrich­ tung des zu verdampfenden Mediums abnimmt, um den Umfang der Verdampfungskanäle in dieser Strömungsrichtung weiter zu verringern.

10. Verdampfer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einen Verdampfungskanal (15a) bil­ dende Platten (11a, 12a) in Strömungsrichtung des zu ver­ dampfenden Mediums divergierend angeordnet sind, so daß die Querschnittsfläche der Verdampfungskanäle (15a) in dieser Richtung weiter zunimmt.