DE4431413A1 - Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, der aus einem Stapel miteinander verschweißter Blechplatten besteht, vorzugsweise aus Edelstahl, die durch Prägen mit einer Profi­ lierung versehen und gegenüber benachbarten Blechen um 180° in ihrer Ebene gedreht sind und die symmetrisch angeordnete Mediendurchtrittsöffnungen aufweisen. Durch die Profilierungen zu beiden Seiten werden die Platten im Stapel auf Abstand ge­ halten, so daß zwischen ihnen im Gegenstromprinzip zwei Medien strömen können, ohne sich zu vermischen.

Verschweißte Plattenwärmetauscher sind besonders für Kältean­ lagen und für Anlagen geeignet, bei denen hohe Drücke auftreten und bei denen ein Medium aus Dampf besteht.

Plattenwärmetauscher sind durch die DE-PS 6 15 356 bekannt ge­ worden. Sie sah vor, daß aufvulkanisierte Gummileisten den Ab­ stand zwischen den Platten sichern und zugleich die Strömungs­ kanäle zwischen den Platten abdichten. Bei Verwendung von Kup­ fer, Aluminium oder Edelstahl gelang es, die Plattendicke auf 1 bis 2 mm zu reduzieren, wodurch der Wärmeübergang und das Leistungsgewicht gegenüber älteren Röhrenwärmetauschern erheb­ lich verbessert wurde.

Eine weitere Verbesserung wurde mit der US-PS 31 51 675 durch Einprägen von Erhebungen und Vertiefungen in den wärmetau­ schenden Flächen erreicht, die den Abstand dieser Flächen si­ chern, sie zugleich abstützen und damit ihre Durchbiegung ver­ ringern und außerdem noch die Strömung der wärmeaustauschenden Medien positiv beeinflussen.

Der DE-AS 22 07 756 liegt die Aufgabe zugrunde, die Dicke der Platten weiter zu verringern, ohne den Strömungswiderstand zu erhöhen und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Druckunterschiede der wärmetauschenden Medien zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden im spitzen Winkel zur Längsachse der Platten Rippen mit trapezförmigem Querschnitt in die wärmetauschenden Flächen ge­ prägt, die sich auf der anderen Seite als Rillen mit gleichem Querschnitt darstellen. Durch alternierende Stapelung der um jeweils 180° in ihrer Ebene gedrehten Platten kommen die Ril­ len der einen Platte kreuzend auf die Rippen der anderen, wo­ durch sie sich abstützen. Die Strömung wird durch diese Anord­ nur unwesentlich behindert, nur ihre Turbulenz nimmt zu, wo­ durch der Wärmeübergang begünstigt wird.

Nach der DE-PS 22 46 031 können die Berührungspunkte zwischen den Rillen der einen zu den Rippen der anderen Platte dahinge­ hend optimiert werden, daß eine gleichmäßigere Verteilung der Kräfte erreicht wird.

In der DE-PS 29 48 686 wird das Problem aufgeworfen, daß bei Einsatz eines heißen Mediums die zwischen den Platten angeord­ neten Dichtungsringe aus Gummi einer zu hohen thermischen Be­ lastung ausgesetzt sind, die ihre Nutzungsdauer erheblich ver­ kürzen. Um dem vorzubeugen, wird unter anderem vorgeschlagen, den Dichtring gegen eine den Strömungskanal abdichtende Schweißnaht zu ersetzen.

Auch die DE-OS 33 32 159 sieht Schweißen vor; und zwar sollen die 0,7 mm dicken Platten mit 3 mm dicken, um die Mediendurch­ trittsöffnungen angeordneten Abstandsringen und mit am Umfang angeordneten gleichdicken Abstandselementen mittels Laser oder Elektronen verschweißt werden.

Nach der GB-PS 21 28 726 werden die Platten so gestapelt, daß die Rückseite der einen Platte der Vorderseite der benachbar­ ten Platte gegenüberliegt. In die um die Mediendurchtrittsöff­ nungen und am Umfang eingeprägten Sicken werden Dichtungen eingelegt.

Die DE-PS 36 00 656 sieht vor, daß die sich berührenden Berei­ che der Sicken eines jeden Plattenpaares miteinander ver­ schweißt werden.

Mit der DE-OS 29 48 586 und der DE-OS 40 20 735 sind wellen­ förmige Profilierungen bekannt geworden mit im Querschnitt gleichgroßen Wellenbergen und Wellentälern, die sich im spitzen Winkel zur Längsachse der Platte ausbreiten. Diese wellenför­ mig profilierten Platten können nach DE-OS 40 37 969 auch mit Profilen abgedichtet werden, die durch Löten oder Schweißen zwischen benachbarten Platten befestigt werden.

Am häufigsten werden so profilierte Wärmetauscherplatten ein­ seitig mit Kupfer beschichtet, um sie dann übereinandergelegt unter Wärmeeinwirkung zusammenzulöten. Dabei werden um die Mediendurchtrittsöffnungen Abstandsringe angeordnet und mit den Platten verlötet.

Die verlöteten Plattenwärmetauscher haben den Nachteil, daß bei Verwendung aggressiver Medien das Lot angegriffen, und allmählich aufgelöst wird, wodurch die Plattenwärmetauscher undicht und damit unbrauchbar werden. In Kälteanlagen mit Ammoniak sind daher mit Kupfer verlötete Plattenwärmetauscher nicht einsetzbar. Dabei gewinnt Ammoniak für Kälteanlagen zu­ nehmend an Bedeutung, weil Fluorkohlenwasserstoffe wegen ihres schädlichen Einflusses auf die Ozonschicht der Erde nicht mehr eingesetzt werden.

Auch in industriellen Dampfkreisläufen ist stets etwas Ammo­ niak enthalten, das im Kondensat Kupferionen löst und dadurch die Nutzungsdauer mit Kupfer verlöteter Plattenwärmetauscher verkürzt.

Versuche, Lote auf der Basis von Nickel anstelle von Kupfer zu verwenden, haben nicht zum Erfolg geführt. In der Lötkehle bildeten sich Sprödphasen, die die dynamische Belastbarkeit der mit Nickel verlöteten Plattenwärmetauscher erheblich ver­ ringerten.

Ein anderes Problem, das in Kälteanlagen und Wärmetauschern mit gasförmigen Medien auftritt, besteht in der Bildung von Gasblasen, die sich in den Strömungskanälen zwischen den Plat­ ten festsetzen können und in ihrem Bereich den Wärmeaustausch verringern und den Strömungswiderstand vergrößern. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Wärmetauschers stark beeinträchtigt werden.

Dieser stationären Blasenbildung ist von außen schwer bei zu­ kommen.

Eine Abführung der Gasblasen durch Durchbrüche in den Platten, wie sie in der DE-AS 27 22 288 und in der DE-OS 42 07 761 vorgesehen ist, scheitert daran, daß hinter jeder Platte ein Medium vorhanden ist, mit dem die Gasblasen nicht in Berührung kommen dürfen.

Einen Nachteil, den alle bekannten Plattenwärmetauscher haben, besteht darin, daß sie mit Zugankern zwischen stabilen Druck­ platten eingespannt werden müssen, um den hohen Drücken von 40 bar und mehr und den durch hohe Temperaturunterschiede hervorgerufenen Spannungen standhalten zu können; denn die Platten sind grundsätzlich nur am Umfang und um die Medien­ durchtrittsöffnungen verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Montage der Platten zu einem Stapel zu erleichtern, die Festigkeit ihrer wärmetauschenden Bereiche so zu erhöhen, daß aufwendige Druck­ platten und Zuganker entfallen können, und den Strömungswider­ stand in den gasführenden Strömungskanälen durch Verhinderung der Blasenbildung zu vermindern und dadurch zugleich den Wär­ meübergang zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmetauscherplatten an ausgewählten Berührungspunkten ihrer Profilierungen gelocht werden, daß die Ebenen um je zwei der symmetrisch zur Längsachse der Platten angeordneten Medien­ durchtrittsöffnungen bis zur Höhe der Profilierungen auf jeder Seite einer Platte erhaben geprägt werden, daß der Rand einer jeden Platte in einem Winkel kleiner als 90° schüsselförmig aufgestellt wird und daß schließlich alle sich berührenden Bereiche der Platten, insbesondere um die Lochungen und um die Mediendurchtrittsöffnungen sowie die schüsselförmig aufgestellten Ränder, mittels Laser verschweißt werden.

Die Lochungen können vor dem Schweißen nach einem vorgegebenen Muster eingestanzt werden, sie können aber auch mit dem Laser­ strahl eingebracht werden. Sie sollten einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm haben.

Durch den schüsselförmigen Rand zentrieren sich die aufeinan­ dergelegten Platten beim Stapeln selbst.

Nach dem Auflegen einer jeden Platte wird sie mit der darun­ terliegenden Platte mittels Laser verschweißt.

Durch die vorgesehene Formgebung der Platte kann zwischen den Platten auf abstandhaltende Einbauten und Dichtungen verzichtet werden, die aggressiven Medien Angriffsflächen bieten könnten. Auch Verbundmaterial zwischen den Platten ist nicht erforder­ lich, da mit Laser geschweißt wird. Dadurch haben die erfin­ dungsgemäßen Plattenwärmetauscher ein wesentlich verbessertes Korrosionsverhalten auch bei aggressiven Medien.

Das Verschweißen der Berührungspunkte der Profilierungen zwei­ er Platten hat die Wirkung, daß die wärmetauschenden Bereiche nicht nur durch Auflagen gestützt werden, sondern an den Auf­ lagen zugleich fest eingespannt sind. Das hat zur Folge, daß sie bei gleicher Belastung eine geringere Durchbiegung haben. Dadurch kann darauf verzichtet werden, den verschweißten Plat­ tenstapel mit Zugankern zwischen Druckplatten einzuspannen. Andererseits können die Plattenwärmetauscher mit den vorge­ schlagenen Veränderungen aber auch bei größeren Drücken ein­ gesetzt werden.

Die Lochungen im Bereich der sich berührenden Profilierungen zweier Platten verhindern wirksam die Blasenbildung, weil sie sich an den, von der Mittellinie der Strömungskanäle gemessen, entferntesten Punkten befinden, wo Blasenbildung am ehesten auftreten kann, und weil sie eine Verbindung zum gleichen Medium schaffen, das in Strömungsrichtung einen geringeren Druck aufweist.

Die Schweißnaht um jede Lochung verhindert, daß die Medien in andere, nicht für sie bestimmte Kanäle entweichen können.

Gegenüber verlöteten Plattenwärmetauschern ergibt sich noch der Vorteil, daß die erfindungsgemäßen Wärmetauscher keiner Größenbeschränkung unterliegen. Die für das Verlöten erfor­ derliche Wärme wird in einem Ofen zugeführt, dessen Größe auch die Größe der Plattenstapel beschränkt. Darüberhinaus ist die einsetzbare Wärmemenge durch das verwendete Plattenmaterial beschränkt und kann nur bis zu einer dadurch bestimmten Größe des Plattenstapels die in seinem Inneren erforderliche Löt­ temperatur erzeugen. Beim Verschweißen mittels Laser werden dagegen die Platten einzeln verschweißt, wodurch diese Proble­ me nicht auftreten.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert:

Fig. 1 zeigt miteinander verschweißte Wärmetauscherplatten, die gegeneinander in ihrer Ebene um 180° gedreht sind,

Fig. 2 eine Wärmetauscherplatte ohne Lochungen,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt AA der in Fig. 1 dargestell­ ten Wärmetauscherplatten.

Die Wärmetauscherplatten sind am schüsselförmig aufgestellten Rand 1, an den gegenüber der Ebene der Platte zu ihren beiden Seiten erhabenen Ebenen 2 um die Mediendurchtrittsöffnungen 3 und an den sich berührenden Profilierungen 4 verschweißt um die Lochungen 5.

Claims (2)

1. Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige Medien, bestehend aus einem Stapel gleichförmiger Platten, die gegenüber benachbarten Platten um jeweils 180° in ihrer Ebene gedreht sind und deren Wärmetauscherflächen Profi­ lierungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten an einigen sich berührenden Profilie­ rungen zweier Platten gelocht sind, daß die Ebenen um je zwei der symmetrisch angeordneten Mediendurchtrittsöffnun­ gen bis zur Höhe der Profilierungen auf jeder Seite einer Platte erhaben geprägt sind, daß der Rand einer jeden Platte in einem Winkel kleiner als 90° schüsselförmig auf­ gestellt ist und daß alle sich berührenden Bereiche der Platten, insbesondere um die Lochungen und um die Medien­ durchtrittsöffnungen sowie die schüsselförmig aufgestell­ ten Ränder, mittels Laser verschweißt sind.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Lochungen einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm haben, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm.