DE3618225C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind Rohrbündel-Wärmeaustauscher bekannt, bei denen ein Bündel von Wärmeübertragungsrohren innerhalb eines Mantel­ rohres angeordnet ist und von einem ersten Medium durchflos­ sen wird. Ein zweites Medium durchströmt den Mantelraum und wird dabei durch eingebaute Umlenkbleche in mehreren Quer­ strömen durch den Mantelraum geführt. Das erste Medium kann ein- oder mehrwegig durch die Rohre geleitet werden. Die Wärmeübertragung erfolgt über die Wandungen der Wärmeüber­ tragungsrohre.

Rohrbündel-Wärmeaustauscher sind für überschneidende Temperaturen wenig geeignet. Ein optimaler Durchfluß ist durch das Rohrbündel nicht möglich und im Bereich der Umlenk­ bleche sind stets Totzonen vorhanden.

Ferner sind Plattenwärmeaustauscher bekannt, bei denen mehrere dünne, geprägte Einzelplatten aus Metall mit Hilfe von Dichtungen so zu einem Plattenpaket zusammengefügt sind, daß die zwischen den Einzelplatten gebildeten Fließspalte abwechselnd von den beiden Medien durchflossen werden, so daß über die Einzelplattenwandung die Wärmeübertragung er­ folgt. Beide Medien fließen innerhalb des Plattenpaketes. Plattenwärmeaustauscher sind nur für einen begrenzten Betriebs­ druck einsetzbar, und es bestehen nur geringe Anbaumöglich­ keiten an Maschinen und Anlagen.

Je nach Anwendung und Einsatzzweck haben sowohl der Rohrbündel-Wärmeaustauscher als auch der Plattenwärmeaus­ tauscher Vorteile, die beispielsweise den Platzbedarf, die Reinigungsmöglichkeit und die thermodynamische Auslegung betreffen. So bestehen für Rohrbündel-Wärmeaustauscher bes­ sere Anbaumöglichkeiten an Maschinen und Anlagen. Sie sind auch für hohe Drücke geeignet und robust gegen Umweltein­ flüsse. Die Vorteile von Plattenwärmeaustauschern bestehen insbesondere darin, daß durch Verkleinerung oder Vergröße­ rung der Plattenzahl die Wärmeübertragungsleistung leicht verändert werden kann. Durchkorrodierte Platten können sehr leicht ausgetauscht werden. Der Platten-Wärmeaustauscher ist sehr gut für überschneidende Temperaturen geeignet.

Aus der US-PS 34 54 082 ist ein Wärmeaustauscher mit einem zylindrischen Gehäuse bekannt, in dem ein Plattenpaket angeordnet ist, dessen Platten quadratisch ausgebildet sind und einseitige, mittige längsverlaufende Ausnehmungen aufweisen. Die Platten sind kreuzweise verlegt und liegen mit den Ecken abgedichtet am Mantel des Gehäuses an. Sie sind ferner abgedichtet miteinander verbunden.

Die GB-PS 11 16 723 zeigt einen Wärmeaustauscher, der im Prinzip ganz ähnlich aufgebaut ist wie der Wärmeaustauscher nach der US-PS 34 54 082. Die quadratischen Wärmeaustauscherplatten bestehen aus ebenen Trennplatten und dazwischen angeordneten aufeinanderfolgend kreuzweise verlegten gewellten Blechen. Die Wärmeaustauscherplatten liegen mit den Ecken abgedichtet am Mantel des Gehäuses an.

Bei beiden bekannten Wärmeaustauschern entstehen durch die gewählte Konstruktion im Kreuzstrom durchströmte, voneinander getrennte Fließspalte, die beide vom Mantelraum aus durchströmt werden. Solche Wärmeaustauscher haben den großen Nachteil, daß eine absolute Abdichtung der Plattenecken gegen die Mantelinnenwandung praktisch nicht möglich ist, so daß die Gefahr besteht, daß sich die beiden Medien mischen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Wärmeaustauscher der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß weitestgehend die Vorteile der beiden Wärmeaustauschertypen Rohrbündel- und Plattenwärmeaustauscher erreicht werden und die Gefahr einer Mischung beider Wärmeaustauschermedien vermieden ist.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht also im Prinzip eine Kombination des Gehäuses eines Rohrbündel-Wärmeaus­ tauschers mit dem Plattenpaket eines Plattenwärmeaustauschers vor. Die einzelnen Platten des Plattenpaketes sind dabei so ausgebildet und zu einem Paket zusammengefügt, daß das zweite Medium innerhalb des Plattenpaketes strömt und das erste Medium - vom ersten Medium durch die Plattenwandung getrennt - von außen das Plattenpaket durchströmt, wobei ein fast idealer Gegenstrom beider Medien erzielbar ist. Dies ergibt eine optimale Wärmeübertragung. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher ist sehr gut einsetzbar auch bei sich stark überschneidenden Temperaturen. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung wirft die Abdichtung der inneren Fließspalte zwischen benachbarten Platten des Plattenpaketes keine Probleme auf. Derartige Abdichtungen sind bei Platten­ wärmeaustauschern bekannt. Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher gewährleistet eine absolute Trennung zwischen dem Mantelraum und den damit strömungsmäßig verbundenen Fließspalten einerseits und den Fließspalten innerhalb des Plattenpaketes andererseits.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Weiterbildung nach Anspruch 2 wird erreicht, daß das erste Medium den Mantelraum und damit das Platten­ paket in mehreren Querströmen durchströmt. Durch die wei­ tere Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 wird erreicht, daß das zweite Medium im Inneren des Plattenpaketes in mehreren Querströmen geführt wird. Hierdurch ist eine Verbesserung der Wärmeübertragung erreichbar.

Durch Variieren der Anzahl der Umlenkbleche und der versetzten und verschlossenen Durchflußöffnungen können die Strömungswege verändert werden, wodurch ein solcher Wärmeaustauscher optimal an die verschiedenen Einsatzfälle anpaßbar ist.

Die normalerweise im Bereich der Umlenkbleche bei Rohrbündel-Wärmeaustauschern vorhandenen Tot-Zonen werden durch die exakte Querströmung, die durch die Einzelplatten erzwungen wird, vermieden.

Durch die weitere Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist eine zweiwegige Durchströmung des Wärmeaustauschers durch das zweite Medium erreichbar, indem das Medium nach einem erstmaligen Durchströmen durch die zusätzlichen Durchfluß­ öffnungen wieder zurückführbar ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, daß mantelseitig nicht stopfbuchsmäßig oder ähnlich abgedichtet werden muß und daß die Anschlüsse für das das Plattenpaket von außen durchströmende zweite Medium nur an einer Seite auszubilden sind. Nachteilig ist, daß eine solche Ausführungsform für sich stark überschnei­ dende Temperaturen nicht einsetzbar ist.

Vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Einzel­ platten des Plattenpaketes sind in den Ansprüchen 8 und 9 gekennzeichnet.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht des Wärmeaus­ tauschers,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf den Wärmeaus­ tauscher,

Fig. 3 eine genauere Darstellung des Fließverlaufs und der Plattenanordnung nach Fig. 1 im senk­ rechten Schnitt,

Fig. 4 eine genauere Darstellung des Fließverlaufs und der Plattenanordnung nach Fig. 2 im horizontalen Schnitt,

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Fließver­ laufs beider Medien,

Fig. 6 die Ansicht einer ersten Ausführungsform von beim Wärmeaustauscher eingesetzten Platten,

Fig. 7 und 8 Schnitte A-A und B-B durch die Platte nach Fig. 6,

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform einer beim Wärme­ austauscher verwendeten Platte,

Fig. 10 einen Schnitt C-C durch die Platte nach Fig. 9,

Fig. 11 die Anordnung und Ausbildung des Plattenpaketes nach den Fig. 2 und 4 im Bereich des Mantels im senkrechten Schnitt, und

Fig. 12 die Anordnung und Ausbildung des Plattenpaketes nach den Fig. 1 und 3 im Bereich des Mantels im horizontalen Schnitt.

Gleiche Bauteile in den Figuren der Zeichnung sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen schematisch einen Wärmeaus­ tauscher 2 mit einem Mantelrohr 4, der seitlich durch Deckel 6, 8 verschlossen ist. Das Mantelrohr 4 weist seitlich einen Einlaßstutzen 10 und einen Auslaßstutzen 12 für ein erstes Medium 14 auf.

Die Deckel 6, 8 sind mit einem Einlaßstutzen 16 und einem Auslaßstutzen 18 für ein zweites Medium 19 ausge­ stattet.

Innerhalb des Mantelrohres 4 ist ein aus Einzelplatten 20 zusammengefügtes Plattenpaket 22 abgedichtet angeordnet. Die Einzelplatten 20 sind so ausgebildet und miteinander verbunden, daß zwischen ihnen Fließspalte 24, 25 gebildet wer­ den, die abwechselnd vom ersten und zweiten Medium durch­ flossen werden.

Im Mantelraum 26 sind mehrere Umlenkbleche 28 in vor­ bestimmten Abständen wechselseitig für das erste Medium angeordnet. Das erste Medium strömt durch diese Ausbildung im Mantelraum 26 vom Einlaßstutzen 10 zum Auslaßstutzen 12, und zwar von außen durch das Plattenpaket 22 hindurch und wird dabei durch die Umlenkbleche 28 in mehreren Querströ­ mungen 30 zickzackförmig durch den Mantelraum und damit durch das Plattenpaket geführt.

Im Plattenpaket 22 sind an mehreren vorbestimmten Stellen 36 Durchströmöffnungen 32 von Einzelplatten verschlossen aus­ gebildet, wodurch erreicht wird, daß das zweite Medium das Innere des Plattenpaketes gleichfalls in mehreren Querströ­ men 38 zickzackförmig durchströmt.

In den Fig. 3, 4 und 5 ist der Fließverlauf der beiden Medien durch das Plattenpaket 22 genauer dargestellt.

Die Fig. 3 zeigt einen senkrechten Schnitt durch einen Teil des Wärmeaustauschers. Mit dem Bezugszeichen 4 ist wie­ derum der Mantel, mit 14 der Durchflußweg des ersten Mediums von außen durch die Fließspalte 24 (nachfolgend äußere Fließ­ spalte 24 genannt) im Plattenpaket, mit 22 ein Teil des Plat­ tenpaketes und mit 28 die Umlenkbleche bezeichnet. Die Plat­ ten des Plattenpaketes sind mit ihren oberen und unteren ge­ raden Seiten beabstandet vom Mantel angeordnet, so daß sich ein Ringraum 40 ergibt, der abwechselnd oben und unten von Umlenkblechen 28 versperrt wird zum Umlenken des Medien­ stromes.

Die Fig. 4 zeigt einen horizontalen Schnitt durch einen Teil des Wärmeaustauschers. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet den Mantel, 22 einen Teil des Plattenpaketes, 19 den Durch­ flußweg des zweiten Mediums innerhalb des Plattenpaketes durch die Fließspalte 25 (nachfolgend innere Fließspalte 25 genannt). Die Platten des Plattenpaketes schließen mit ihren linken und rechten kreisförmigen Seiten dicht am Mantel 4 an. Jeweils mehrere abgedichtet miteinander verbundene Plat­ ten sind strömungsmäßig über offene Durchströmöffnungen 32 miteinander verbunden. Der so am Rand gebildete Verbindungs­ weg 44 zwischen den Einzelplatten ist beidseitig abwechselnd bei 36 verschlossen und somit gesperrt, so daß auch das zweite Medium mehrfach innerhalb des Plattenpaketes in den inneren Fließspalten umgelenkt wird.

Die Fig. 5 zeigt schematisch den Fließverlauf beider Medien. Die Fließebenen der Fließspalte beider Medien lie­ gen senkrecht zueinander. An den mit 46 bezeichneten Stellen ist jeweils eine der Durchströmöffnungen einer Platte des Plattenpaketes verschlossen ausgebildet.

In den Fig. 6 bis 8 ist eine Einzelplatte 20 darge­ stellt. Sie besteht aus einem mit schrägen Prägungen 50 ver­ sehenen Metallkörper 52, der zwei einander gegenüberliegende gerade Seiten 54, 56 und zwei einander gegenüberliegende kreisförmige Seiten 58, 60 aufweist, deren Krümmungsradius dem Krümmungsradius des Mantelrohres 4 entspricht.

Im Randbereich der kreisförmigen Seiten 58, 60 sind Durchlaßöffnungen 62, 64 ausgebildet.

Die Prägungen 50 sind so ausgebildet, daß sich im Schnitt, wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt ist, eine wellen­ artige Oberfläche ergibt.

Die Platte nach Fig. 6 ist zum Aufbau eines einwegi­ gen Wärmeaustauschers für das zweite Medium vorgesehen, wie in den Fig. 1 bis 5 dargestellt ist.

Um einen zweiwegigen Wärmeaustauscher für das zweite Medium zu erhalten, ist die Platte 66 nach den Fig. 9 und 10 vorgesehen, die sich von der Platte 20 nach den Fig. 6 bis 8 nur dadurch unterscheidet, daß an den kreisförmigen Seiten 58 und 60 zwei Durchströmöffnungen 68, 70 und 72, 74 ausgebildet sind und die Prägungen 50 den Durchströmöff­ nungen zugeordnet zweigeteilt ausgebildet sind, wobei zwi­ schen beiden Prägungshälften eine längsverlaufende Dicht­ rippe 76 ausgebildet ist.

Die Fig. 11 und 12 zeigen die Anordnung und Ausbildung von Einzelplatten 20 des Plattenpaketes im Bereich des Man­ tels 4 genauer.

Die Fig. 11 zeigt vier im Randbereich abgedichtet miteinander verbundene Einzelplatten im senkrechten Schnitt. Zwischen den geraden Seiten 54 und 56 und dem Mantel 4 ist der Ringraum 40 gebildet. In der Fig. 11 ist nur die obere gerade Seite dargestellt. Der Ringraum wird an vorbestimm­ ten Stellen von Umlenkblechen 28 abwechselnd oben und unten gesperrt, die die Form von Kreisabschnitten haben, wie dies in Fig. 6 gestrichelt eingezeichnet ist, zum Umlenken des äußeren Medienstromes in mehreren Querströmen durch die äuße­ ren Fließspalte 24 im Plattenpaket. Die Umlenkbleche stellen vorzugsweise, wie dargestellt, einstückig mit den Platten aus­ gebildete Verlängerungen der geraden Seiten der Platten dar. Sie können aber auch separat hergestellt und an den geraden Seiten angebracht, beispielsweise angeschweißt, werden.

Die Fig. 12 zeigt sechs im Randbereich und um die Durch­ strömöffnungen 28 herum abgedichtet miteinander verbundene Einzelplatten 20. Die Platten liegen mit ihren kreisförmi­ gen Seiten 58 und 60 abgedichtet am Mantel 4 an. In der Fig. 12 ist nur eine der kreisförmigen Seiten der Platten dargestellt. An vorbestimmten Stellen 36 sind keine Durchströmöffnungen ausgebildet, so daß der durch die Durchströmöffnungen 32 gebildete Verbindungsweg 44 an diesen Stellen unterbrochen ist zum Umlenken des inneren Mediumstromes 19 in mehreren Querströmungen durch die inneren Fließspalte 25 im Platten­ paket. Es ist auch möglich, Platten mit vorgefertigten Durch­ strömöffnungen zu verwenden und dann die Durchströmöffnungen an den vorbestimmten Stellen mit Verschlußelementen zu ver­ schließen, um so die Umlenkung zu bewirken.

Die Einzelplatten der Plattenpakete sind über Dichtungen 78 miteinander und mit dem Mantel des Wärmeaustauschers ver­ bunden, wobei die Abdichtung und Verbindung auch durch Ver­ schweißen, Verlöten oder Verkleben erfolgen kann.

Durch verschiedene Anordnungen der Umlenkbleche bzw. der verschlossenen Durchflußöffnungen kann die Anzahl der jeweiligen Fließspalte verändert und damit den Durchfluß­ mengen angepaßt werden.

Claims (8)

1. Wärmeaustauscher für flüssige und/oder gasförmige Medien mit einem Gehäuse, dessen Mantel ein Plattenpaket umgibt, zwischen dessen Platten erste mit dem Mantelraum in Verbindung stehende Fließspalte für ein erstes Medium und zweite für ein zweites Medium vorgesehene, von den ersten Fließspalten getrennte, zweite Fließspalte gebildet sind, wobei die Fließspalte so angeordnet sind, daß sie kreuzweise von den Medien durchströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Fließspalte als innere, zwischen den Platten (20, 66) ausgebildete, nach außen gegenüber dem Mantelraum (26) abgedichtete Fließspalte (25) ausgebildet sind, die miteinander über in den Platten ausgebildete Durchströmöffnungen (62, 64; 68, 70, 72, 74) in Verbindung stehen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse ein mit seitlichen Deckeln (6, 8) versehenes Mantelrohr (4) ist, in dessen den Gehäuseraum bildenden Mantelraum (26) Umlenkbleche (28) zur Führung des ersten Mediums (14) in mehreren Querströmen (30) von außen durch die ersten Fließspalte (24) des Plattenpaketes (22) angeordnet sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Führung des zweiten Mediums (19) in mehreren Querströmungen (34) durch die zweiten Fließspalte (25) innerhalb des Plattenpaketes (22) Durchströmöffnungen der Einzelplatten wechselseitig versetzt verschlossen (bei 36) sind.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenpaket (22) ziehbar durch Stopfbuchsen oder Rundschnurringe am jeweiligen Ende des Plattenpaketes abgedichtet angeordnet sind.

5. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplatten (20) des Plattenpaketes (22) unter Verwendung von Dichtungen (78) zusammengezogen oder verspannt sind oder durch Löten, Schweißen oder Kleben miteinander verbunden sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplatten (20) mit vier Durchströmöffnungen (54, 56, 58, 60) versehen sind zur Erzielung eines zweiwegigen Strömungsweges für das zweite Medium innerhalb des Plattenpaketes (22).

7. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplatten (20, 66) vierseitige Platten mit zwei gegenüberliegenden geraden, zum Mantel (4) beabstandeten Seiten (54, 56) und mit zwei gegen­ überliegenden kreisbogenförmigen Seiten (58, 60) sind, deren Krümmungsradius dem Krümmungsradius des Mantelrohres (4) entspricht und die an der Mantelinnenwandung abgedichtet anliegen.

8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkbleche (28) wechselseitig mit geraden Seiten (54, 56) der Platten (20, 66) verbunden sind oder wechselseitig einstückig mit den Platten ausgebildete Verlängerungen der geraden Seiten darstellen und abgedichtet an der Mantelinnenwandung angeordnet sind.