DE4020735A1 - Plattenwaermeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher mit einer Mehrzahl im wesentlichen rechteckiger, miteinander fluchtender und durch Prägen mit einer Profilierung in Form von Wellenbergen und -tälern versehener Platten, die abwechselnd um 180° gegeneinander gedreht unter gegensei­ tiger Abdichtung und unter Anlage der aufeinander zu ge­ richteten Profilierung benachbarter Platten gegebenen­ falls lösbar zu einem Stapel gespannt sind, wobei die Platten zwischen sich abwechselnd für ein erstes und ein dazu im wesentlichen parallel geführtes zweites Medium durch die Umfangsdichtung umfangene Strömungsräume bil­ den, die über miteinander fluchtende, von in den Eckbe­ reichen der Platten angeordneten Durchbrechungen gebil­ dete Zu- und Abströmöffnungen mit dem jeweiligen Medium beschickbar sind, wobei ferner die Platten einen mittle­ ren, im wesentlichen rechteckigen und zwei auf gegenüber­ liegenden Seiten daran anschließende, die Zu- und Ab­ strömöffnungen enthaltende, im wesentlichen dreieckförmi­ ge Wärmeaustauschbereiche aufweisen, und wobei bei wenig­ stens einer der Platten die Profilierung des mittleren Wäremaustauschbereiches gegenüber der direkten Strömungs­ verbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbe­ reichen einen Winkel aufweist.

Bei solchen Plattenwärmeaustauschern sind benachbarte Platten über entlang ihrem Umfang angeordnete Dichtungen gegeneinander verspannt, so daß die Dichtungen die zwi­ schen den Platten gebildeten Räume abgrenzen.

Die Profilierung besteht bei den Platten derartiger Wär­ meaustauscher in der Regel aus einer wellenförmigen, vielfach sinusförmig gewellten Prägung mit im Querschnitt gleichgroßen Wellenbergen und Wellentälern. Jedoch sind hierbei auch von der gleichen Querschnittsform abweichen­ de Prägungen gebräuchlich und nachfolgend eingeschlossen.

Der Verlauf der Wellenberge und Wellentäler der Profilie­ rung weist gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen, was in der Regel die Vertikale der Platten ist, je nach An­ wendungsbereich des Plattenwärmeaustauschers unterschied­ liche Winkel auf, wobei Winkel unter 45° zu sogenannten weichen Platten führen, während Winkel oberhalb 45° soge­ nannte harte Platten ergeben. Die harten, eine hohe Tur­ bulenz bewirkenden Platten werden in der Regel für klei­ nere Durchsatzmengen der Medien verwendet und ergeben einen hohen Wärmeaustauschkoeffizienten. Demgegenüber finden die weichen Platten mit geringerem Wärmeaustausch­ koeffizienten für die Durchsätze großer Mengen Anwendung.

Werden Platten der vorstehend beschriebenen Art im Stapel gegeneinander gepreßt, bewirkt der Preßdruck an den Plat­ ten über die Abstützung der aufeinanderliegenden Profilie­ rungen eine Tendenz der Platten dahingehend, daß sie sich quer zur direkten Strömungsverbindung bzw. der Vertikal­ achse strecken. Diese Tendenz, die im Bereich der Um­ fangsdichtungen zu Relativverschiebungen und damit zu Problemen führt, ist bei den sogenannten harten Platten relativ gering, da dort die Profilierung mehr quer zur Vertikalen ausgerichtet ist, also in dieser Richtung eine gewisse Stützwirkung ausübt. Demgegenüber führt jedoch die Profilierung der weichen Platten unter dem genannten Preßdruck zu einer größeren seitlichen Auswanderung. Um dem zu begegnen, wird bei den weichen Platten die Profi­ lierung über die quer zur direkten Strömungsrichtung ge­ sehene Breite der Platten mehrfach zick-zack-förmig bzw. fischgrätförmig abgeknickt, um der Platte in der genann­ ten Querrichtung die erforderliche Stabilität zu geben.

Diese mehrfache Abknickung der Profilierung weicher Plat­ ten führt jedoch an den dadurch für den Strömungsverlauf gegebenen Umkehrpunkten zu unvollständigen Randkanälen im Bereich der Umkehrpunkte und zu Druckverlust erzeugenden Reflektionen insbesondere in den Randbereichen der Plat­ ten neben der Umfangsdichtung. Diese Druckverluste und die damit einhergehenden Turbulenzen sind zwar auf der einen Seite erwünscht, um die bei den weichen Platten sich ausbildenden laminaren Strömungsbilder zu stören. Andererseits können jedoch die Druckverluste nicht voll­ ständig in eine Verbesserung der Wärmeübertragungslei­ stung umgesetzt werden, so daß sie im Ergebnis eine Lei­ stungsherabsetzung darstellen, die wie vorstehend ausge­ führt, insbesondere aus Gründen der Festigkeit der wei­ chen Platten in Kauf genommen werden muß.

Um bei weichen Platten diesem Problem zu begegnen, ist es bereits bekannt, die sich bei weichen Platten ergebende laminare Strömung durch Einprägen von Noppen bzw. "Stol­ perstellen", also die Erzeugung örtlicher Turbulenzen zu stören. Dies bedingt jedoch erhöhte Werkzeugkosten und führt nur bei dünnflüssigen Medien zu einer wirksamen Er­ höhung des Wärmeübergangskoeffizienten, da mit zunehmen­ der Viskosität die Störstellen von der laminaren Strö­ mungsschicht überdeckt werden, ohne daß größere Turbulen­ zen entstehen. Damit ist zwar auf Strömungsverhalten der durch weiche Platten gebildeten Strömungsräume ein gewis­ ser Einfluß genommen, das Festigkeitsproblem dieser wei­ chen Platten quer zur oben genannten direkten Strömungs­ verbindung kann jedoch dadurch keine Verbesserung erfah­ ren, so daß es auch hier bei der Ausbildung unvollständi­ ger Randkanäle und damit Druckverlust erzeugende Reflek­ tionen infolge mehrfacher Abknickung der Profilierung bleibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die weichen Platten eines Plattenwärmeaustauschers der eingangs genannten Art eine Gestaltung anzugeben, die die Herabsetzung der Um­ kehrpunkte innerhalb der Profilierung erlaubt, anderer­ seits den Platten eine mit harten Platten vergleichbare Stabilität quer zur genannten direkten Strömungsverbin­ dung verleiht und schließlich an gewünschten Stellen ein "Aufbrechen" der sich ausbildenden laminaren Strömungs­ verhältnisse bewirkt. Die Lösung dieser Aufgabe soll mit Hilfe einfacher, für die Herstellung der in Rede stehen­ den Platten üblicher Werkzeuge möglich sein.

Ausgehend von einem Plattenwärmeaustauscher der eingangs genannten Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei den weichen Platten die Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches durch wenigstens einen in Richtung der direkten Strömungsverbindung kurzen, sich quer dazu über die gesamte Plattenbreite erstreckenden Abschnitt unterbrochen ist, dessen Profilierung gegenüber der direkten Strömungsverbindung einen gegenüber der übrigen Profilierung größeren Winkel aufweist.

Dabei kann die Profilierung des mittleren Wärmeaustausch­ bereiches einen Winkel unterhalb 45° gegenüber der direk­ tan Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen aufweisen und der Abschnitt einen Winkel oberhalb 45°. Ebensogut ist es jedoch auch mög­ lich, daß die Profilierung des Abschnittes im Abstand ihrer Wellen enger aneinander gerückt ist als die übrige Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches.

Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen bedeuten also, daß in die weichen Platten kurze Gürtel nach Art harter Platten eingezogen bzw. eingesetzt werden. Dies hat die Wirkung, daß weichen Platten innerhalb des Strömungsverlaufes zwi­ schen den dreieckförmigen Bereichen quer zu diesem Strö­ mungsverlauf eine genügende Stabilität gegen Ausdehnung unter dem den Plattenstapel bildenden Preßdruck gegeben wird, so daß die Profilierung der weichen Platten eine Reduzierung der Zahl ihrer Umkehrpunkte erfahren kann. Dies bedingt wiederum eine Herabsetzung von unvollständi­ gen Randkanälen und Reflektionen.

Andererseits ergeben die kurzen Gürtel nach Art einer harten Platte eine wirksame Störung sich ausbildender laminarer Strömungsbilder der weichen Platten, wobei durch entsprechende Zahl und Anordnung der genannten Gür­ tel diese Störungen so positioniert werden können, daß sie immer dann auftreten, wenn sich an den weichen Plat­ ten eine annähernd laminare Strömung ausgebildet hat.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung besteht darin, daß der durch die Gürtel nach Art einer härteren Plattenprägung entstehende Druckverlust voll in Wärmeübergangsleistung umgesetzt wird.

Andererseits nimmt die insgesamte Härte des so gebildeten Strömungsraumes bzw. die bei gleicher Strömungsgeschwin­ digkeit übertragbare Wärmeleitung zwischen benachbarten Platten etwas zu, womit sich aus dem damit einhergehenden besseren Wärmeübergang eine kleinere Gesamtfläche des Wärmeaustauschbereiches ermöglicht.

Schließlich ist die Herstellung der erfindungsgemäßen "weichen" Platten äußerst kostengünstig, da die genannten Gürtel harter Prägung sich innerhalb des Prägewerkzeuges als Abschnitte eines Werkzeugs zur Herstellung von Plat­ ten harter Prägung ohne weiteres einsetzen lassen. Diese Gürtel können als Werkzeugteil in der üblichen Art herge­ stellt werden, wie dies für sogenannte harte Platten der Fall ist.

Insgesamt gilt für den vorstehenden Erfindungsgegenstand, daß die Abschnitte harter Prägung bzw. harter Plattenpro­ filierung so kurz wie möglich sein sollen, also keines­ wegs einen namhaften Teil des mittleren Wärmeaustauschbe­ reiches einnehmen sollen, obwohl sie auf der anderen Sei­ te in größerer Zahl vorgesehen werden können je nachdem, wie oft nach der Größe der Wärmeaustauschplatte deren Querstabilisierung einerseits und die Unterbrechung einer sich ausbildenden laminaren Strömung andererseits erfor­ derlich ist.

Zweckmäßig ist es, daß bei benachbarten Platten die kur­ zen Abschnitte derart angeordnet sind, daß sie keine ge­ genseitige Überdeckung aufweisen. Auf diese Weise läßt sich die Entstehung eines Abschnittes zu großen Strö­ mungswiderstandes vermeiden.

Ferner ist es vorteilhaft, daß die mittleren Wärmeaus­ tauschbereiche und die kurzen Abschnitte eine V-förmige Profilierung mit einer Umkehrstelle auf der quer zur direkten Strömungsverbindung gelegenen Plattenmitte auf­ weisen. Dies ergibt sich einmal aus Symmetriegründen. Zum anderen ist aber gerade eben durch die erfindungsgemäße Gestaltung die Reduzierung der Umkehrpunkte bzw. Umlenk­ stellen der Profilierung auf eine solche Stelle möglich.

Schließlich ist es zweckmäßig, daß die Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches einen Winkel gegenüber der direkten Strömungsverbindung im Bereich von 60° und die Profilierung der kurzen Abschnitte im Bereich von 30° aufweist.

Weitere Merkmale und Einzelheiten des Erfindungsgegen­ standes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform, die auf der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Plattengestaltung in Draufsicht;

Fig. 2 die Platte gemäß Fig. 1 als Gegenplatte in um 180° gedrehter Form und

Fig. 3 eine Mehrzahl der Platten gemäß Fig. 1 und 2 als Anordnung innerhalb eines Plattenstapels in Explosionsdarstellung in vereinfachter Wieder­ gabe.

Fig. 1 zeigt eine Platte 1 eines Plattenwärmeaustauschers mit im wesentlichen rechteckiger Konfiguration. Die Plat­ te weist einen mittleren Wärmeaustauschbereich 2 und daran an beiden Enden anschließende, im wesentlichen dreieckförmige Wärmeaustauschbereiches 3, 4 auf, inner­ halb derer in den Eckbereichen der Platte 1 Zu- und Ab­ strömöffnungen 5, 6, 7, 8 angeordnet sind.

Der mittlere Wärmeaustauschbereich hat gegenüber der direkten oder Hauptströmungsrichtung 9, die gleichzeitig im wesentlichen mit der vertikalen Mittellängsachse der Platte 1 übereinstimmt, eine symmetrische Profilierung 10, die gegenüber der Achse 9 ersichtlich einen Winkel unterhalb 45° aufweist.

Die entsprechend den eingangs gemachten Ausführungen wei­ che Profilierung 10 ist im Verlauf der Vertikalen der Platte 1 zweimal bei 11 unterbrochen durch eine Strö­ mungsrichtung zwischen den Öffnungen 5, 6 kurzen Ab­ schnitt einer solchen Plattenprofilierung, deren Winkel gegeüber der Vertikalen 9 oberhalb 45° liegt. Auch diese Profilierung ist bezüglich der Vertikalmittellängsachse symmetrisch so angeordnet, daß die Knickstelle der Profi­ lierung auf dieser Vertikalachse 9 liegt.

Außerhalb der die Wärmeaustauschbereiche 3, 4, 10, 11 um­ gebenden Kontur 12, aber innerhalb der Außenkontur 13 der Platte 1 ist eine Umfangsdichtung 20 angeordnet derart, daß im Falle der Fig. 1 das dort auf der dem Betrachter zugewandten Seite der Platte strömende Medium sich zwi­ schen Öffnungen 5, 6 bewegt und gegenüber den Öffnungen 7, 8 abgesperrt ist, während bei der Gegenplatte gemäß Fig. 2 die entsprechende Dichtung 20 so angeordnet ist, daß auf dem nächsten Strömungsspalt das andere Medium zwischen den Öffnungen 7, 8 in gegenüber den Öffnungen 5, 6 abgesperrter Form fließt.

Im übrigen sind die Platten gemäß Fig. 1 und 2 gleicher­ maßen ausgebildet, nur ist die Platte gemäß Fig. 2 eine Platte gemäß Fig. 1 in um 180° in der Plattenebene ge­ drehter Form. Daraus ist auch ersichtlich, daß sich dann die Bereiche 11 bei aufeinanderliegenden Platten gemäß Fig. 1 und 2 nicht gegenseitig überdecken.

Fig. 3 zeigt die Explosionsdarstellung mehrerer aneian­ derliegender Platten gemäß Fig. 1 und 2, also Platten mit einem "weichen" Prägemuster für große Massendurchsätze bei geringem Wärmeaustausch zwischen den zusammengeführ­ ten Medien, die im skizzierten Strömungsbild einerseits gemäß der Strömungslinie 14, 15 und andererseits gemäß der Strömungslinie 16, 17 zu- bzw. abströmen.

Auch hier ist noch einmal ersichtlich, daß die als quer zur Vertikalen 9 angeordneten Gürtel 11 harter Prägung bei benachbarten Platten nicht aufeinander zu liegen kommen, anderseits aber in so ausreichender Zahl über die Höhe der Platten angeordnet sind, daß sie an geeigneten Stellen die sich an den weichen Profilierungen 10 der mittleren Plattenbereiche ausbildenden laminaren Strömun­ gen gestört werden, andererseits die Platten quer zur Vertikalen 9 eine genügende Stabilität gegenüber dem durch die Pfeile 18, 19 angedeuteten Preßdruck aufweisen, durch den die Platten in an sich bekannter Weise zu einem Paket miteinander verspannt sind und unter dem sie sich quer zur Vertikallinie 9 zu verbreitern suchen.

Claims (6)

1. Plattenwärmeaustauscher mit einer Mehrzahl im wesent­ lichen rechteckiger, miteinander fluchtender und durch Prägen mit einer Profilierung in Form von Wellenbergen und -tälern versehener Platten, die abwechselnd um 180° gegeneinander gedreht unter gegenseitiger Abdichtung und unter Anlage der aufeinander zu gerichteten Profilierung benachbarter Platten gegebenenfalls lösbar zu einem Sta­ pel gespannt sind, wobei die Platten zwischen sich ab­ wechselnd für ein erstes und ein dazu im wesentlichen parallel geführtes zweites Medium durch die Umfangsdich­ tung umfangene Strömungsräume bilden, die über miteinan­ der fluchtende, von in den Eckbereichen der Platten ange­ ordneten Durchbrechungen gebildete Zu- und Abströmöffnun­ gen mit dem jeweiligen Medium beschickbar sind, wobei ferner die Platten einen mittleren, im wesentlichen rechteckigen und zwei auf gegenüberliegenden Seiten daran anschließende, die Zu- und Abströmöffnungen enthaltende, im wesentlichen dreieckförmige Wärmeaustauschbereiche aufweisen, und wobei wenigstens einer der Plattenprofi­ lierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckför­ migen Wärmeaustauschbereichen einen Winkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei dieser Platte (1) die Profilierung (10) des mitt­ leren Wärmeaustauschbereiches durch wenigstens einen in Richtung der direkten Strömungsverbindung (9) kurzen, sich quer dazu über die gesamte Plattenbreite erstrecken­ den Abschnitt (11) unterbrochen ist, dessen Profilierung gegenüber der direkten Strömungsverbindung einen gegen­ über der übrigen Profilierung größeren Winkel aufweist.

2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenprofilierung des mittleren Wärmeaustausch­ bereiches einen Winkel unterhalb 45° gegenüber der direk­ ten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen aufweist und der Abschnitt (11) einen Winkel oberhalb 45°.

3. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung des Abschnittes (11) im Abstand ihrer Wellen enger aneinandergerückt ist als die übrige Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches.

4. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei benachbarten Platten (1) die kurzen Abschnitte (11) derart angeordnet sind, daß sie keine gegenseitige Überdeckung aufweisen.

5. Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Wärmeaustauschbereiche (2) und die kur­ zen Abschnitte (11) eine V-förmige Profilierung mit einer Umlenkstelle auf der quer direkten Strömungsverbindung gelegenen Plattenmitte (9) aufweisen.

6. Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (10) des mittlerem Wärmeaustauschbe­ reiches (2) einen Winkel gegenüber der direkten Strö­ mungsverbindung (9) im Bereich von 60° und die Profilie­ rung der kurzen Abschnitte (11) im Bereich von 30° auf­ weist.