DE3637796A1 - Kreuzstrom-plattenwaermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzstrom-Platten­ wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Wärmetauscher dienen dazu, Wärme von einem heißeren Medium auf ein kälteres Medium zu übertragen, wobei zwischen den beiden Medien vielfach zusätzlich hohe Druckunterschiede bestehen. Um hohe Wärmeaustauschleistungen zu erreichen, wird eine große Dichte des sogenannten Wärmetauscher­ kerns, d.h. eine große wärmetauschende Oberfläche pro Volumeneinheit und eine hohe Wärmedurchgangszahl 2 ange­ strebt, was z.B. aus dünnwandigen profilierten Platten bestehende Wärmetauscherkerne erfüllen, die zudem ein relativ niedriges Baugewicht ergeben und außerdem durch strömungsgünstige Gestaltung ihrer Durchströmwege eine hohe aerodynamische Effektivität, d.h. ein optimales Verhältnis zwischen der erzielten Wärmeaustauschleistung und den unvermeidbaren Strömungsverlusten erreichen.

Den im Hinblick auf gute Wärmeaustauschleistungen gegebenen Vorteilen der aus dünnwandigen profilierten Platten be­ stehenden und durch Schweißen zusammengefügten Wärme­ tauscherkerne stehen jedoch in festigkeitsmäßiger Hin­ sicht Probleme gegenüber, da infolge des mechanischen Auf­ baues mehrachsige Spannungszustände entstehen bedingt durch das Eigengewicht des Wärmetauscherkernes, durch beim Schweißen entstehende Spannungen, durch infolge von Druckunterschieden entstehende Spannungen und durch aus Temperaturdifferenzen entstehenden Dehnungsspannungen zwischen Kern und Gehäuseteilen, insbesondere Seiten­ platten, die insbesondere bei hohen Drücken relativ dickwandig sind. Insbesondere die auftretenden hohen Wärme- und Druckunterschiede der beiden am Wärmeaus­ tausch beteiligten Medien führen daher zu großen Wärme­ dehnungen, die sich vorzugsweise in den Übergangszonen zu den Schweißnähten durch hohe örtliche Spannungen auswirken. Bekanntlich bestehen solche Wärmetauscher­ kerne aus Einzelblechen, die zu Blechpaaren zusammen­ geschweißt sind, welche ihrerseits durch weitere recht­ winklig dazu angeordnete Schweißnähte zu einem Stapel zusammengeschweißt sind. Schließlich sind an den Kanten eines solchen Stapels sog. Eckschweißnähte vorhanden, um die notwendige mechanische Steife sowie Anschluß­ möglichkeiten für das Gehäuse zu schaffen. Hinzu kommen durch von Druckschwankungen der Medien angeregte Materialschwingungen, die sich allseitig fortpflanzen und durch Reflexionen sich zu hohen örtlichen Spannungs­ spitzen aufbauen. Diese thermischen und mechanischen Belastungen müssen vom Festigkeitsverband des Wärme­ tauschers aufgenommen werden und führen im Extrem­ fall zu Spannungs- und Schwingungsbrüchen, insbesondere in den Übergangsbereichen zwischen den im Hinblick auf ein großes λ relativ dünnen, in sich nachgiebigen Blechen und den relativ starren und spröden Schweißnähten sowie vor allen Dingen auch in den Anschlußbereichen zwischen dem nachgiebigen Wärmetauscherkern und dem relativ ver­ windungssteifen Wärmetauschergehäuse. Erschwerend kommt weiter hinzu, daß die außenliegenden Platten des Wärme­ tauscherkerns gegenüber den weiter innen liegenden Platten infolge Außenkühlung unterschiedlichen Temperatur­ schwankungen ausgesetzt sind.

Ein solcher Wärmetauscher ist z.B. durch die DE-PS 16 01 215 bekanntgeworden. Dort ist der aus dünn­ wandigen Platten zusammengesetzte Wärmetauscherkern über unnachgiebige Halterungen starr mit dem Wärme­ tauschergehäuse verschweißt. Infolge dieser starren Verbindung und der während des Betriebs herrschenden hohen thermischen und mechanischen Belastungen reißen nach kurzer Betriebszeit die einzelnen Platten auf und entstehen Schweißnahtbrüche. Es haben sich daher bisher lediglich Plattenwärmetauscher eingeführt, deren Wärmetauscherkerne aus form­ gepreßten dünnwandigen Platten zusammengesetzt sind; vgl. z.B. GB-PS 13 57 282. Diese Platten werden auf stabilen Stegen gestapelt und durch zwei biegesteife Endplatten über Spannbolzen zusammengehalten, wo­ bei sich die einzelnen Platten über ihre Ausprägungen gegenseitig abstützten, so daß Strömungskanäle gebildet werden. Ferner sind zwischen den einzelnen Wärmetauscher­ platten zwecks Abdichtung und zu deren Abstandsfixierung elastische Dichtungen eingesetzt. Die vorstehend be­ schriebenen Spannungszustände und Schwingungen können dort infolge der "losen" Bauart also nicht auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be­ schriebenen Nachteile vollgeschweißter Plattenwärme­ tauscher zu vermeiden durch eine neue Ausbildung einer Aufhängung für den Wärmetauscherkern im Wärmetauscher­ gehäuse, die fähig ist, wesentliche während des Be­ triebes infolge der thermischen Belastung auftretenden mechanischen Spannungen verursachten Dehnungskräfte so aufzunehmen, daß der Wärmetauscherkern auch über lange Betriebszeiten ohne Spannungsrisse und Schweiß­ nahtbrüche bleibt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merk­ male des Patentanspruches 1 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Aufhängung des Wärmetauscherkerns ist imstande, die infolge der Betriebsbelastungen hervorgerufenen örtlich unterschiedlichen Dehnungen elastisch aufzufangen, so daß Spannungsspitzen, initiiert durch lokale Wärmeunterschiede im Wärme­ tauscherkern, abgebaut bzw. von vornherein vermieden werden. Desgleichen werden schädliche Schwingungen durch die erfindungsgemäßen Dehnkragen gedämpft und rasch zum Abklingen gebracht. Örtliche Risse in den einzelnen Wärmetauscherplatten, insbesondere aber an den Schweiß­ nähten, treten daher nicht mehr auf.

Der Erhöhung der Elastizität bzw. Nachgiebigkeit der Dehnkragen und der beidseitigen Anschlußbogen dienen die im Scheitelbereich der Dehnkragen und in den An­ schlußbogen längsverlaufend vorgesehenen Entlastungs­ nuten. Durch die Anordnung solcher Entlastungsnuten besteht die Möglichkeit, den Grad der Elastizität sowohl der Dehnkragen als auch der Anschlußbogen durch entsprechende Bemessung der Nutentiefe, gegebenenfalls durch örtliche Variierung, zu optimieren.

In der Zeichnung ist mehr oder minder schematisch ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 einen Wärmetauscher im Längsschnitt, wobei der Wärmetauscherkern in An­ sicht veranschaulicht ist,

Fig. 2 einen Ausschnitt des Wärmetauschers im Bereich eines Dehnkragens in perspektivischer Darstellung, wobei die vordere Seitenwand weggelassen ist,

Fig. 3 einen Ausschnitt des Wärmetauscher­ kerns ebenfalls perspektivisch und

Fig. 4 eine im Ausschnitt gezeigte Ansicht in Richtung des Pfeiles M 2 in Fig. 2.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist das Wärmetauscherge­ häuse G strömungsmäßig in zwei Gehäusebereiche aufge­ teilt: Erstens in einen Haubenbereich mit einer spalt­ seitigen Zuströmhaube G 1 für das eine am Wärmeaustausch beteiligte gasförmige Medium, das wärmeabgebende Medium M 1, und mit einer spaltseitigen Abströmhaube G 2 zum Sammeln des Mediums M 1, nachdem dieses den Wärmetauscher­ kern K durchlaufen hat und zweitens in einen kasten­ förmigen Bereich mit einem rohrseitigen Zuströmteil G 3 für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium, näm­ lich das wärmeaufnehmende Medium M 2, einem Abström­ teil G 4 für das nunmehr aufgeheizte Medium M 2 und in einen Gehäusewandungen 18 aufweisenden mittleren Ge­ häuseteil G 5 mit mehreren Umlenkwänden 6.

Der Wärmetauscherkern besteht aus vielen einzelnen dünnwandigen waffelförmig profilierten Blechen K 1, K 2, K 3, K 4, K 5 usw., wie in Fig. 3 näher dargestellt. Hier­ bei sind stets zwei spiegelbildlich aufeinander gelegte Einzelbleche K 2 und K 3 bzw. K 4 und K 5 mit ihren einen gegenüberliegenden Randbereichen 7 und 8 durch erste Schweißnähte 9 - Rollnähte - jeweils zu einem Platten­ paar P 1 bis Pn vereinigt, wobei die Einzelbleche durch ihre entsprechenden Profilierungen jeweils einen Durch­ trittsspalt S für das wärmeabgebende Medium M 1 bilden. Jedes Plattenpaar P 2, P 3 ist mit dem benachbarten Plattenpaar P 4, P 5 durch gegenüberliegende zweite an deren Rändern verlaufende Schweißnähte 10 - Quernähte - die senkrecht zu den ersten Schweißnähten 9 verlaufen, fest verbunden, d.h. durch die Schweißnähte 10 sind die benachbarten Bleche K 1 und K 2 bzw. K 3 und K 4 je eines Plattenpaares mit ihren anderen gegenüberliegenden Randbereichen 11 und 12 fest miteinander verbunden. Da­ bei bilden die einander zugewandten Bleche K 1 und K 2 bzw. K 3 und K 4 durch ihre entsprechenden Profilierungen Durch­ strömrohre 13 für das wärmeaufnehmende Medium M 2.

Auf diese Weise entsteht ein Blechpaket vorbestimmter Höhe - entsprechend der gewünschten Wärmetauscher- Leistung -, das in Richtung der Stapelhöhe, also jeweils senkrecht zu den Roll- und Quernähten durch vier an den Ecken des Blechpaketes vorgesehenen sog. Eckaufbaunähte 14 verfestigt ist. Diese Schweißnähte 14 dienen dem Anschluß des genannten Wärmetauscherge­ häuses.

Die Aufhängung des Wärmetauscherkerns K im vorstehend beschriebenen Wärmetauschergehäuses G erfolgt über vier metallische Bauelemente, die zwecks elastisch nachgiebiger Lagerung des Wärmetauscherkerns halbkreis­ förmige bzw. dachrinnenförmig gestaltete Dehnkragen D mit jeweils einem kernseitigen Anschlußbogen BK und einem gehäuseseitigen Anschlußbogen BG aufweisen. Die kernseitigen Anschlußbogen BK sind jeweils über die senkrecht zu den Schweißnähten 9 und 10 verlaufende Einbauschweißnaht 14 mit dem Wärmetauscherkern K fest verbunden. Die gehäuseseitigen Anschlußbogen BG sind jeweils über eine zur Einbauschweißnaht 14 parallele Schweißnaht 15 mit der Einströmhaube G 1 bzw. Ausström­ haube G 2 fest verbunden, siehe insbesondere Fig. 2 und 4, die jeweils nur eine Seitenwand 18 zeigen.

Die Dehnkragen D sind an den Stirnseiten 16 mit ihren Anschlußbogen BK und BG jeweils über eine Schweißnaht 17 - die letzte Quernaht (siehe Fig. 4) - mit den Seitenwänden 18 des Wärmetauschergehäuses dicht und fest verbunden. Durch die Aufbauschweißnähte 14, an an denen die Schweißnähte 17 anschließen, und die Dehnkragen D sowie deren Anschlußbogen BK und BG werden die beiden Medien M 1 und M 2 bzw. deren Strömungswege durch Aufteilung in zwei Druckräume hermetisch voneinander getrennt , wobei jeweils nur eine Stirnseite gezeigt ist.

Die Gefahr des Reißens der Schweißnähte 17 ist des­ wegen ausgeschlossen, weil an den Außenbereichen des Wärmetauschers sowohl für den Wärmetauscherkern K als auch für die Bauteile des Wärmetauschergehäuses in­ folge der großen Wärmekapazität der relativ starken Seitenwände 18 etwa die gleichen Temperaturverhältnisse vorherrschen. Während des Betriebes sind hier die Temperaturunterschiede nicht so groß, daß etwaige Dehnungen die Schweißnähte 17 gefährden könnten. Da­ gegen bilden die Wärmedehnungen im mittleren Bereich, insbesondere dort, wo das wärmeabgebende Medium M 1 einströmt, ein Maximum; diese Dehnungen werden über die Länge der Dehnkragen D und der Anschlußbogen BK und BG nachgiebig aufgenommen.

Sowohl im Scheitelbereich der Dehnkragen D als auch in den Anschlußbogen BK und BG sind Entlastungsnuten 19 vorgesehen, welche die Elastizität des Dehnkragens D und der Anschlußbogen BK und BG erhöhen. Obwohl diese Entlastungsnuten nicht zwingend sind, ist dem Konstrukteur hierdurch eine Möglichkeit an die Hand gegeben, nicht nur pauschal die Elastizität der Dehn­ kragen D und der Anschlußbogen BK und BG zu erhöhen, sondern auch - über deren Länge gesehen - die Elastizität örtlich zu variieren, und zwar z.B. insbesondere durch verschiedene Tiefen oder räumlichen Verlauf dieser Nu­ ten 19.

Jeder Dehnkragen bildet also ein beidseitig einge­ spanntes Dehnelement mit der größten Dehnung in der Mitte des von den Seitenwänden eingeschlossenen Bereichs.

Claims (4)

1. Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher, mit einem in einem Gehäuse eingebauten Wärmetauscherkern, der zur Bildung von sich kreuzenden Strömungswegen für die beiden am Wärmetausch be­ teiligten Medien aus einzelnen, aneinandergereihten, recht­ eckigen, profilierten Platten besteht, die über ihre einen gegenüberliegenden Randbereiche durch erste Schweißnähte zu Plattenpaaren mit insbesondere spaltförmigen, gewellten Strö­ mungswegen für das eine Medium verbunden sind, und aneinander­ gereihte Plattenpaare - von Plattenpaar zu Plattenpaar - durch Verbinden der jeweils benachbarten Platten über deren andere gegenüberliegende Randbereiche durch zweite Schweißnähte rohr­ förmige Strömungswege für das andere Medium bilden, und der auf diese Weise gebildete Wärmetauscherkern an seinen vier Außenkanten über senkrecht zu den vorgenannten ersten und zweiten Schweißnähten verlaufende, als Aufbauschweißnähte die­ nende dritte Schweißnähte mit dem Wärmetauschergehäuse bzw. gehäusefesten Bauteilen druckdicht verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkern (K) zu­ mindest teilweise über nachgiebige metallische Bauelemente (D) mit dem Gehäuse (G) druckdicht verbunden ist.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Bauelemente (D) zwischen den Aufbauschweißnähten (14) und dem Gehäuse (G) bzw. gehäusefe­ sten Bauteilen, vorzugsweise einer das wärmeabgebenden Medium (M ₁) dem Wärmetauscherkern (K) zuführenden Zuströmhaube (G ₁) und einer dieses Medium wieder sammelnden Abströmhaube (G ₂) vorgesehen sind und Dehnkragen (D) von vorzugsweise halbkreis­ förmigem Querschnitt bilden, mit an ihren beiden Längsseiten sowohl zur Aufbauschweißnaht (14) als auch zu den gehäuse­ festen Bauteilen (G ₁ und G ₂) hin angeordneten Anschlußbogen (BK und BG), deren Stirnseiten (16) mit den Seitenwänden (18) des Gehäuses (G) druckdicht verschweißt und innerhalb eines von den Randbereichen des Wärmetauscherkerns eingeschlossenen Mittenbereich elastisch nachgiebig sind.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sowohl im Scheitel der halb­ kreisförmigen Dehnkragen (D) als auch in dem beidseitigen An­ schlußbogen (BK und BG) Spannungsspitzen abbauende Entlastungs­ nuten (19) längsverlaufend vorgesehen sind.

4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Grad der Elastizität sowohl der Dehnkragen (D) als auch der beidseitigen Anschlußbogen (BK und BG) durch verschiedene Tiefen der Entlastungsnuten (19) und durch örtliche Variierung der Tiefenbemessungen die­ ser Entlastungsnuten (19) oder durch deren räumlichen Verlauf bestimmbar ist.