DE4142177C2

DE4142177C2 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE4142177C2
Application number: DE4142177A
Authority: DE
Inventors: Horst Daschmann; Gregor Schaefer; Horst Wittig
Original assignee: Balcke Duerr AG
Current assignee: Balcke Duerr AG
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2011-12-21
Also published as: RU2068166C1; EP0548602A1; ES2079775T3; US5301747A; DE59204069D1; DK0548602T3; ATE129337T1; EP0548602B1; DE4142177A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit im Gleich strom oder Gegenstrom durchströmten Kanälen, die für das eine Medium zwischen jeweils zu einem Plattenpaar verbundenen Einzel platten und für das andere Medium zwischen den zu einem Plattenstapel zusammengefügten Plattenpaaren gebildet sind, wobei die Einzelplatten und die Plattenpaare an ihren parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Rändern miteinander ver bunden sind, die Zu- und Abströmquerschnitte jedes Strömungs kanals in Hauptströmungsrichtung diagonal zueinander angeordnet und die unmittelbar aneinanderliegenden Zuström- bzw. Abström querschnitte für das eine Medium zu den benachbarten Abström- bzw. Zuströmquerschnitten für das andere Medium jeweils um die halbe Höhe der Zu- bzw. Abströmquerschnitte versetzt sind.

Plattenwärmetauscher der voranstehend beschriebenen Art mit im Gegenstrom durchströmten Kanälen sind aus der DE 41 00 940 C1 bekannt. Sie haben bei äußerst kompakter Bauweise einen hohen Wärmetauscherwirkungsgrad und können preisgünstig auch für aggressive Medien hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad dieser bekannten Plattenwärmetauscher bei gleich zeitiger Verringerung ihrer Abmessungen weiter zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplatten mindestens im Eintrittsbereich jedes Strömungskanals mit leitschaufelartigen, durch einseitige Ausprägungen der Einzelplatten gebildeten und von einer Seite in den Strömungskanal hineinragenden und das durch den Zuströmquerschnitt eintretende Medium auf die volle Kanalbreite des Strömungskanals verteilenden Erhebungen versehen sind, die in der Art eines Winkels mit einem etwa parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Anströmschenkel und einem unter einem Winkel zwischen 7° und 90° zur Hauptströmungs richtung liegenden Abströmschenkel ausgebildet sind, wobei zwischen den leitschaufelartigen Erhebungen und der gegenüber liegenden Wand der Strömungskanäle ein definierter Spalt ausge bildet ist.

Durch die leitschaufelartigen Erhebungen gemäß der Erfindung wird das in die Strömungskanäle eintretende Medium innerhalb eines sehr kurzen axialen Strömungsabschnittes gleichmäßig auf die volle Kanalbreite des Strömungskanals verteilt, so daß Tot räume im Eintrittsbereich der Strömungskanäle weitestgehend ver mieden werden und nahezu die volle Fläche der Einzelplatten zum Wärmeaustausch zwischen den Medien herangezogen wird. Aufgrund der unter Vermeidung von Toträumen schnelleren Ausbreitung des einseitig in den Strömungskanal eintretenden Mediums auf die volle Kanalbreite steigt einerseits der Wirkungsgrad; anderer seits ermöglicht die nahezu vollständige Ausnutzung der zur Ver fügung stehenden Wärmeaustauschfläche und deren Beaufschlagung im echten Gleich- oder Gegenstrom bei Bedarf eine Reduzierung der Außenabmessungen des Plattenwärmetauschers ohne Verlust an Wärmeaustauschleistung. Da die leitschaufelartigen Erhebungen mit der gegenüberliegenden Wand des Strömungskanals einen definierten Spalt bilden, so daß die Erhebungen vom jeweiligen Medium überströmt werden können, werden Anlagerungen und ggf. Verstopfungen der Strömungskanäle auch dann vermieden, wenn mit Feststoffpartikeln und ggf. Feuchtigkeit beladene Medien am Wärmeaustausch teilnehmen. Selbst das Vorhandensein von Fest stoffpartikeln und Feuchtigkeit führt somit bei der erfindungs gemäßen Ausbildung nicht zu Anbackungen in den mit leitschaufel artigen Erhebungen versehenen Strömungskanälen, so daß der er findungsgemäße Plattenwärmetauscher trotz der getroffenen Maß nahmen zur Wirkungsgradverbesserung unempfindlich gegen Ver stopfungen ist. Die erfindungsgemäße Ausbildung der leit schaufelartigen Erhebungen in der Art eines Winkels ergibt auf besonders wirkungsvolle und verlustarme Weise eine Ausbreitung des durch den Zuströmquerschnitt eintretenden Mediums auf die volle Kanalbreite.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann zumindest ein Teil, vorzugsweise der in der Längsmitte der Einzelplatten ange ordnete Teil der leitschaufelartigen Erhebungen mit verlängerten Abströmschenkeln ausgebildet sein. Diese verlängerten Abström schenkel dienen als zusätzliche Leitvorrichtungen und führen das eintretende Medium bis in den vom Zuströmquerschnitt abgewandten Teil des Strömungskanals.

Eine weitere wirkungsvolle Unterstützung der Vergleichmäßigung der Strömung innerhalb des Strömungskanals läßt sich dadurch er zielen, daß die angeströmten Enden der leitschaufelartigen Erhebungen schräg zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, wobei die leitschaufelartigen Erhebungen in der Längsmitte der Einzelplatten näher am Zuströmquerschnitt angeordnet sind als die am Rand der Einzelplatten angeordneten Erhebungen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die leitschaufelartigen Erhebungen im Austrittsbereich jeder Einzel platte spiegelbildlich zu den leitschaufelartigen Erhebungen im Einströmbereich ausgebildet, wodurch sich Herstellungsverein fachungen erzielen lassen.

Um zusätzlich zu der erfindungsgemäßen Ausbreitung des in den Strömungskanal eintretenden Mediums eine Erhöhung der Wärmeaus tauschleistung zu erzielen, kann bei einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher jede Einzelplatte gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung mit sich an den Eintrittsbereich an schließenden, über die gesamte Kanalbreite und Kanallänge ver laufenden und Turbulenzen erzeugenden Profilierungen versehen sein. Durch die turbulente Strömung wird der Wärmeübergang ver größert und damit der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers erhöht.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden diese Profilierungen dadurch geschaffen, daß jede Einzelplatte mit ab wechselnd zu einer der beiden Seiten ausgeprägten Noppen ver sehen ist.

Damit auch bei geringen Abständen zwischen benachbarten Einzel platten der vorgegebene Plattenabstand über die volle Kanal länge und Kanalbreite gewährleistet ist, können erfindungsgemäß einige der Noppen als Abstandshalter für benachbarte Einzel platten ausgebildet sein. Derartige Abstandshalter können schließlich auch im Bereich der leitschaufelartigen Erhebungen ausgebildet werden, um die Einzelplatten auch im Ein- und Aus trittsbereich im vorgegebenen Abstand voneinander zu halten.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des erfindungsge mäßen Plattenwärmetauschers dargestellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines aus mehreren Einzelplatten gebildeten Plattenstapels, wobei jedoch wegen der besseren Übersicht die leitschaufelartigen Erhebungen und Einzelnoppen nicht dargestellt sind,

Fig. 2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß mit leitschaufelartigen Erhe bungen und einem Noppenfeld ausgebildeten Einzel platte,

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel einer Einzelplatte für einen Gleichstrom-Wärmetauscher und

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einzelplatte.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines Plattenwärmetauschers zeigt perspektivisch einen Plattenstapel S aus einer Mehrzahl formgeprägter Einzelplatten 1, die jeweils miteinander zu einem Plattenpaar P verbunden sind.

Jede Einzelplatte 1 umfaßt einen Boden 11, der in einer anderen Ebene liegt als die Längsräder 12. Im Anschluß und parallel zu diesendiesen Längsrädern 12 ist jede Einzelplatte 1 jeweils mit einer Anlagefläche 13 ausgebildet, die gegenüber den Längsrädern 12 in der Höhe versetzt ist. Der Versatz zwischen der Anlagefläche 13 und dem zugehörigen Längenrand 12 ist doppelt so groß wie der Versatz zwischen den Längsrädern 12 und dem Boden 11. Der Boden 11 liegt demzufolge höhenmäßig in der Mitte zwischen der Ebene der Längsränder 12 und der Ebene der Anlageflächen 13.

Die quer zu den Längsrädern 12 der Einzelplatte 1 verlaufenden Ränder liegen beim Ausführungsbeispiel etwa zur Hälfte in der Ebene der Längsräder 12 bzw. in der Ebene der Anlageflächen 13. Auf diese Weise ergeben sich Querränder 14a und 14b, die in der Höhe, d. h. senkrecht zur Fläche des Bodens 11 um denselben Betrag zueinander versetzt sind wie die Ebenen, in denen einerseits die Längsränder 12 und andererseits die Anlageflächen 13 liegen. Die Fig. 1 läßt deutlich erkennen, daß hierbei die Querränder 14a bzw. 14b einander diagonal gegenüberliegen.

Jeweils zwei der in Fig. 1 als oberstes Teil dargestellten Einzelplatten 1 werden gemäß der unteren Darstellung in Fig. 1 zu Plattenpaaren P verbunden. In Fig. 1 sind fünf komplette Plattenpaare P dargestellt, wobei auf dem obersten Plattenpaar noch eine Einzelplatte 1 angeordnet ist, die mit der im Abstand dargestellten obersten Einzelplatte 1 ebenfalls zu einem Plattenpaar P verbunden wird.

Wenn die Plattenpaare P im Bereich der Anlageflächen 13 zum Plattenstapel S verbunden werden, ergeben sich übereinanderliegende Kanäle für die beiden am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien. Während das eine Medium in den Strömungskanälen strömt, die jeweils durch die Plattenpaare P gebildet werden, strömt das andere Medium in den Strömungskanälen, die sich durch das Zusammenfügen der Plattenpaare P zum Plattenstapel S ergeben. Die in der Ebene der Längsränder 12 liegenden Querränder 14a der Einzelplatten 1 bilden hierbei den Zuströmquerschnitt Z₁ bzw. den Abströmquerschnitt A₁ der Strömungskanäle für das zwischen den Plattenpaaren P strömende Medium. Die in der Ebene der Anlageflächen 13 verlaufenden Querränder 14b der Einzelplatten 1 bilden die Zuströmquerschnitte Z₂ bzw. die Abströmquerschnitte A₂ für das andere Medium, das zwischen den Einzelplatten 1 jedes Plattenpaares P entweder in derselben oder in Gegenrichtung zum ersten Medium strömt. Die Fig. 1, die einen Gegenstrom-Wärmetauscher zeigt, läßt erkennen, daß aufgrund der diagonalen Anordnung der Eintritts- und Austrittsöffnungen die Zuströmquerschnitte Z₁ bzw. Z₂ für das eine Medium neben den Abströmquerschnitten A₂ bzw. A₁ für das andere Medium liegen, und zwar jeweils um eine halbe Höhe eines Plattenpaares P versetzt.

Um das in die Strömungskanäle eintretende Medium, dessen Zuströmquerschnitt Z₁ bzw. Z₂ sich lediglich über die halbe Breite des Strömungskanales erstreckt, innerhalb eines möglichst kurzen axialen Eintrittsbereiches E auf die volle Breite des Kanalquerschnittes zu verteilen, sind gemäß der Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Einzelplatte 1 in Fig. 2 im Eintrittsbereich E leitschaufelartige Erhebungen 1 angeordnet, die in den Strömungskanal hineinragen und das durch den Zuströmquerschnitt Z₁ bzw. Z₂ eintretende Medium auf die volle Kanalbreite des Strömungskanals verteilen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Aus führungsbeispiel sind die leitschaufelartigen Erhebungen in der Art eines Winkels mit einem etwa parallel zur Hauptströmungs richtung ausgerichteten Anströmschenkel 21 und einem unter einem Winkel zwischen 7° und 90° zur Hauptströmungsrichtung liegenden Abströmschenkel 22 ausgebildet. Hierdurch ergibt sich eine Reihe in der Art von Leitschaufeln, wie der obere Teil in Fig. 2 erkennen läßt. Um Totzonen im linken oberen Teil des Strömungskanals gemäß Fig. 2 zu vermeiden, können vorzugsweise die in der Mitte der Einzelplatte 1 ausgebildeten Erhebungen 2 mit verlängerten Abströmschenkeln 22 ausgebildet sein. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die angeströmten Enden der Erhebungen 2 schräg zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, wobei die leitschaufelartigen Erhebungen 2 in der Längsmitte der Einzelplatte 1 näher am Zuströmquerschnitt angeordnet sind als die am Rand der Einzelplatten 1 angeordneten Erhebungen 2.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Gegenstrom-Wärmetauschers sind die leitschaufelartigen Erhebungen 2 durch einseitige Ausprägungen der Einzelplatten 1 gebildet, wobei die im unteren Teil der datstellung gestrichelt dargestellten Erhebungen 2 in den jeweils anderen, von derselben Einzelplatte 1 begrenzten Strömungskanal hineinragen. Auf diese Weise ergeben sich von beiden Seiten in den jeweiligen Strömungskanal hineinragenden leitschaufelartige Erhebungen 2, wobei zwischen diesen gegenüberliegenden Erhebungen 2 ein definierter Spalt ausgebildet ist, der ein teilweises Überströmen der Erhebungen 2 ermöglicht, wodurch ein Zusetzen der Eintrittsbereiche E bei mit Feststoffpartikeln beladenen Medien verhindert wird.

Um die Wärmeaustauschleistung des mit den Einzelplatten 1 nach Fig. 2 ausgestatteten Plattenwärmetauschers zu erhöhen, ist gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 jede Einzelplatte 1 mit einem sich an den Eintrittsbereich E anschließenden, über die gesamte Kanalbreite und Kanallänge verlaufenden Noppenfeld aus einer Vielzahl von in den Strömungskanal hineinragenden Einzel noppen 31, 32 versehen. Diese Einzelnoppen 31, 32 sind abwechselnd zu einer der beiden Seiten der Einzelplatte 1 ausgeprägt. Die in der Draufsicht nach Fig. 2 erkennbaren Einzelnoppen 31 sind je weils durch einen Kreis, die auf der abgewandten Seite ausge bildeten Einzelnoppen 32 durch ein Kreuz dargestellt. Das durch die Einzelnoppen 31 und 32 in den beiden benachbarten Strömungs kanälen ausgebildete Noppenfeld schafft mittels der hierdurch erzeugten Profilierungen eine turbulente Strömung über die volle Länge und Breite der Strömungskanäle, wodurch sich die Wärmeaustauschleistung des Plattenwärmetauschers erhöht.

Durch Punkte und größere Kreuze ist angedeutet, daß einige der Noppen 31 bzw. 32 als Abstandshalter für benachbarte Einzelplatten 1 ausgebildet sein können. Auch im Bereich der leitschaufelartigen Erhebungen 2 können derartige Abstandshalter ausgebildet sein, die in Fig. 2 durch Kreise angedeutet sind. Diese Abstandshalter liegen an den Abstandshaltern benachbarter Einzelplatten an, so daß hierdurch der vorgegebene Abstand zwischen benachbarten Einzelplatten 1 auch unter ungünstigen Bedingungen aufrechterhalten wird.

Die Fig. 3 zeigt eine Einzelplatte 1 für einen Wärmetauscher, dessen Kanäle im Gleichstrom der beiden Medien durchströmt werden. Demzufolge sind die zu der einen Seite ausgeprägten leitschaufelartigen Erhebungen 2 spiegelbildlich zu den zur anderen Seite ausgeprägten Erhebungen 2 ausgebildet. Das eine Medium ist hierbei durch mit ausgezogenen Linien dargestellte Pfeile, das andere Medium durch Pfeile symbolisiert, die gestrichelt dargestellt sind.

Die Fig. 4 zeigt schließlich eine Einzelplatte 1, die ebenfalls für einen Gleichstrom-Wärmetauscher bestimmt ist, bei der jedoch leitschaufelartige Erhebungen 2 nicht nur im Eintrittsbereich E, sondern auch im Austrittsbereich A angeordnet sind, wobei diese wiederum spiegelbildlich zu den Erhebungen 2 im Eintrittsbereich E ausgebildet sind.

Bezugszeichenliste
A Austrittsbereich
A₁ Abströmquerschnitt
A₂ Abströmquerschnitt
E Eintrittsbereich
P Plattenpaar
S Plattenstapel
Z₁ Zuströmquerschnitt
Z₂ Zuströmquerschnitt
1 Einzelplatte
11 Boden
12 Längsrand
13 Anlagefläche 14a Querrand
14b Querrand
2 Erhebung
21 Anströmschenkel
22 Abströmschenkel
31 Einzelnoppe
32 Einzelnoppe

Claims

1. Plattenwärmetauscher mit im Gleichstrom oder Gegenstrom durchströmten Kanälen, die für das eine Medium zwischen je weils zu einem Plattenpaar (P) verbundenen Einzelplatten (1) und für das andere Medium zwischen den zu einem Platten stapel (S) zusammengefügten Plattenpaaren (P) gebildet sind, wobei die Einzelplatten (1) und die Plattenpaare (P) an ihren parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Rändern (12, 13) miteinander verbunden sind, die Zu- und Ab strömquerschnitte (Z₁, Z₂, A₁, A₂) jedes Strömungskanals in Hauptströmungsrichtung diagonal zueinander angeordnet und die unmittelbar aneinanderliegenden Zuström- bzw. Abström querschnitte (Z₁, Z₂, A₁, A₂) für das eine Medium zu den be nachbarten Abström- bzw. Zuströmquerschnitten (A₁, A₂, Z₁, Z₂) für das andere Medium jeweils um die halbe Höhe der Zu- bzw. Abströmquerschnitte (Z₁, Z₂, A₁, A₂) versetzt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelplatten (1) mindestens im Eintrittsbereich (E) jedes Strömungskanals mit leitschaufelartigen, durch ein seitige Ausprägungen der Einzelplatten (1) gebildeten und von einer Seite in den Strömungskanal hineinragenden und das durch den Zuströmquerschnitt (Z₁, Z₂) eintretende Medium auf die volle Kanalbreite des Strömungskanals verteilenden Er hebungen (2) versehen sind, die in der Art eines Winkels mit einem etwa parallel zur Hauptströmungsrichtung ausge richteten Anströmschenkel (21) und einem unter einem Winkel zwischen 7° und 90° zur Hauptströmungsrichtung liegenden Abströmschenkel (22) ausgebildet sind, wobei zwischen den leitschaufelartigen Erhebungen (2) und der gegenüber liegenden Wand der Strömungskanäle ein definierter Spalt ausgebildet ist.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zumindest ein Teil, vorzugsweise der in der Längsmitte der Einzelplatten (1) angeordnete Teil der leit schaufelartigen Erhebungen (2) mit verlängerten Abström schenkeln (22) ausgebildet ist.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die angeströmten Enden der leitschaufelartigen Erhebungen (2) schräg zur Haupt strömungsrichtung angeordnet sind, wobei die leitschaufel artigen Erhebungen (2) in der Längsmitte der Einzelplatten (1) näher am Zuströmquerschnitt (Z₁, Z₂) angeordnet sind als die am Rand der Einzelplatten (1) angeordneten Erhebungen (2).

4. Plattenwärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitschaufelartigen Erhebungen (2) im Austrittsbereich jeder Einzelplatte (1) spiegelbildlich zu den leitschaufelartigen Erhebungen (2) im Einströmbereich (E) ausgebildet sind.

5. Plattenwärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Einzelplatte (1) mit sich an den Eintrittsbereich (E) anschließenden, über die gesamte Kanalbreite und Kanallänge verlaufenden und Turbu lenzen erzeugenden Profilierungen (31, 32) versehen ist.

6. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß jede Einzelplatte (1) mit abwechselnd zu einer der beiden Seiten ausgeprägten Noppen (31, 32) versehen ist.

7. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß einige der Noppen (31, 32) als Abstandshalter für benachbarte Einzelplatten (1) ausgebildet sind.

8. Plattenwärmetauscher nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Abstandshalter auch im Bereich der leitschaufelartigen Erhebungen (2) aus gebildet sind.