DE4433659C1 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher, bestehend aus mehreren durch Distanzstücke beabstandeten parallelen Platten so­ wie in Strömungsräumen zwischen den Platten angeordneten Turbulenzprofilen.

Derartige Plattenwärmetauscher sind aus dem Stand der Tech­ nik bekannt. So ist bspw. aus der DE 40 23 694 A1 ein Platten­ wärmetauscher bekannt, der aus mehreren, unter Zwischen­ schaltung von Dichtungen und unter Verwendung von Druck­ platten zu einem Plattenpaket zusammenfügbaren Wärmeüber­ tragungsplatten besteht. Die Zwischenräume zwischen den wärmeübertragungsplatten werden abwechselnd von einem Wärme abgebenden und einem Wärme aufnehmenden Medium durchflos­ sen. Die Wärmeübertragungsplatten selbst sind als ebene Platten ausgebildet, zwischen denen Turbulenzprofile ange­ ordnet sind. Um den Wärmeübergang von den Turbulenzprofilen zu den Wärmeübertragungsplatten zu gewährleisten, wird in der DE 40 23 694 vorgeschlagen, die Wärmeübertragungs­ platten einseitig oder auch beidseitig an die Turbulenz­ platten anzulöten.

Aus der deutschen Patentschrift 29 46 804 geht ein ähnlich aufgebauter Wärmetauscher hervor, bei dem die als Turbu­ lenzprofile dienenden Rippenelemente durch Hartlöten mit den Wärmeübertragungsplatten verbunden sind.

Schließlich wird in der DE 40 09 556 A1 zur Erzielung eines verbesserten Wirkungsgra­ des und einer höheren zulässigen Druckdifferenz zwischen den beiden strömenden Medien vorgeschlagen, zickzackförmige Profilelemente abwechselnd mit Zwischenlageelementen, d. h. Wärmeübertragungsplatten anzuordnen, wobei sowohl die Pro­ fileleinente als auch die Zwischenlageelemente Wölbungen aufweisen. Darüber hinaus sind die Profil- und Zwischenla­ geelemente an ihren jeweiligen Berührungslinien miteinander verschweißt, so daß höhere Druckdifferenzen zwischen den beiden strömenden Medien möglich werden.

Sämtliche der vorgenannten Plattenwärmetauscher besitzen den Nachteil, daß die erforderlichen Löt- bzw. Schweißver­ bindungen zwischen den (Wärmeübertragungs)platten und den dazwischen angeordneten Turbulenzprofilen einen hohen Her­ stellungsaufwand bedingen und gleichzeitig die Löt- bzw. Schweißverbindungen den zur Verfügung stehenden freien Strömungsraum zwischen den (Wärmeübertragungs)platten ver­ kleinern.

Für das große Anwendungsgebiet der Kältetechnik mit dem Me­ dium Ammoniak können Wärmetauscher, die Lötverbindungen zwischen den (Wärmeübertragungs)platten aufweisen, nur ein­ gesetzt werden, wenn eine Nickellötung durchgeführt wird.

Diese Lötung besitzt jedoch den Nachteil, daß sie hohen un­ terschiedlichen Betriebsdrücken zwischen den beiden strömenden Medien nicht Stand hält.

Die Plattenwärmetauscher mit punktverschweißten Turbulenz­ einbauten erlauben zwar höhere Differenzdrücke, bedingen jedoch einen sehr hohen Herstellungsaufwand.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmetauscher der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der die Nachteile des Standes der Technik vermeidet und sich insbesondere durch einen geringen Herstellungsaufwand, einen hohen Wirkungs­ grad bei gleichzeitig hoher zulässiger Druckdifferenz zwi­ schen den strömenden Medien und universelle Anwendbarkeit auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken, auf ei­ ne konventionelle Verbindung zwischen den Platten (nachfolgend stets Wärmeübertragungsplatten genannt) und den Turbulenzprofilen unter Beibehaltung des für den Wärme­ übergang notwendigen Flächenkontaktes zu verzichten.

Im einzelnen wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem Plattenwärmetauscher der eingangs erwähnten Art die ent­ spannten Turbulenzprofile, d. h. die Turbulenzprofile vor dem Einbau in den Plattenwärmetauscher, ein Höhenübermaß gegenüber dem Abstand der Wärmeübertragungsplatten aufwei­ sen, daß durch elastische Verformung der Turbulenzprofile auf den durch die jeweiligen Distanzstücke definierten Ab­ stand reduziert ist.

Das Übermaß der Turbulenzprofile wird so gewählt, daß sich beim Aufbringen der für den Zusammenbau des Wärmetauschers erforderlichen Anpreßkräfte eine elastische Verformung der Turbulenzprofile auf den durch die Distanzstücke definier­ ten Abstand zwischen den einzelnen Wärmeübertragungsplatten ergibt. Es liegt selbstverständlich im Rahmen der Erfin­ dung, daß die Strömungsräume des Plattenwärmetauschers in­ folge unterschiedlicher Distanzstücke verschiedene Abmes­ sungen aufweisen können. Auch wird das Wesen der Erfindung durch die Anzahl der Wärmeübertragungsplatten sowie Turbu­ lenzprofile und Distanzstücke nicht beeinflußt. Infolge der entfallenden Löt- bzw. Schweißverbindungen besitzt ein er­ dingungsgemäßer Plattenwärmetauscher bei vergleichbarer Baugröße einen größeren freien Strömungsraum, was nicht nur eine Verminderung der Druckverluste in dem Plattenwärme­ tauscher zur Folge hat, sondern auch die Gefahr von Materi­ alschwächungen und Korrosionen an den Verbindungsstellen, z. B. bei Widerstandsschweißung, beseitigt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung, wird der Wär­ metauscher im Gegenstrom betrieben.

Eine Schweißverbindung der Wärmeübertragungsplatten mit den Distanzstücken erlaubt einen Betrieb des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers mit höheren Temperaturen und Drücken sowie mit aggressiveren Medien, da auf die empfindlichen Dichtungen zwischen den einzelnen Schichten verzichtet wer­ den kann. Darüber hinaus entfallen bei einer Schweißverbin­ dung die für den notwendigen Zusammenhalt des Plattenwärme­ tauschers ansonsten üblicherweise vorgesehenen Druckplat­ ten, die um das Paket aus Wärmeübertragungsplatten sowie Turbulenzprofilen und Distanzstücken angeordnet sind.

Um einen möglichst guten Wärmeübergang zwischen den Strö­ mungsräumen zu erzielen, sind die Wärmeübertragungsplatten so dünn wie möglich im Verhältnis zu den Distanzstücken zu gestalten. Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers stellt sich daher das Problem, daß eine Schweißverbindung Dünn-Dickblech nach Anzahl der Lagen mehrmals durchzuführen ist. Bei derartigen Schweißverbin­ dungen kann ein Verzug der Wärmeübertragungsplatten auftre­ ten, der den für den Wärmeübergang erforderlichen Flächen­ kontakt der Turbulenzprofile mindern kann. Um dieses Pro­ blem bei der Herstellung der Schweißverbindung zu lösen, wird bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers vorgeschlagen, daß die Wärme­ übertragungsplatten mit den Distanzstücken unter einer vor­ zugsweise flächenmäßig wirkenden Vorspannkraft verschweißt werden.

Bei dem bereits wegen des Fortfalls der Verlötung bzw. Ver­ schweißung der Turbulenzprofile mit den Übertragungsplatten kostengünstigen Verfahren, läßt sich eine weitere Kosten­ einsparung dadurch erzielen, daß die Schweißnaht aus einem übermaß der Wärmeübertragungsplatten gegenüber den Distanz­ stücken unter Verzicht auf Schweißzusatzwerkstoffe herge­ stellt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in den Zeich­ nungen dargestellten Ausführungsbeispieles des näheren er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers und

Fig. 2 den Strömungsverlauf in den unterschiedlichen Schichten des Plattenwärmetauschers sowie

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher während seiner Herstellung vor dem Verschweißen.

Fig. 1 zeigt den insgesamt mit 1 bezeichneten Wärme­ tauscher, bestehend aus mehreren durch Distanzstücke 2 be­ abstandeten glatten Wärmeübertragungsplatten 3. Als gewell­ te Rippenelemente 4 ausgebildete Turbulenzprofile bilden Kanäle 5a, 5b in den Strömungsräumen A, B. Die Strömungs­ räume A werden in dem gezeigten Beispiel von dem Wärme ab­ gebenden, die Strömungsräume B von dem Wärme aufnehmenden Medium durchflossen.

Aus Fig. 2 ist der Verlauf der Kanäle 5a, 5b in den Strö­ mungsräumen A, B zu erkennen. Positionen 6a bzw. 6b be­ zeichnen die Verteiler für das Wärme abgebende bzw. Wärme aufnehmende Medium auf die einzelnen Kanäle 5a, 5b in den unterschiedlichen Strömungsräumen A, B des erfindungsgemä­ ßen Plattenwärmetauschers 1. Die Verteiler 6a, 6b führen zu den in den Zeichnungen nicht dargestellten Zu- bzw. Abläu­ fen des Plattenwärmetauschers.

Weiter sind aus den Fig. 1 und 3, die gegenüber den Wär­ meübertragungsplatten 3 dicker ausgeführten, den Platten­ wärmetauscher 1 an den Stirnflächen begrenzenden Deckplat­ ten 7a, 7b zu erkennen.

Die Distanzstücke 2 und die Wärmeübertragungsplatten 3 bzw. Deckplatten 7a, 7b werden durch Schmelzschweißen miteinan­ der verbunden. Hierzu wird das aus Fig. 3 ersichtliche übermaß 8 der Wärmeübertragungsplatten 3 aufgeschmolzen, während über die Deckplatten 7a, 7b eine Vorspannkraft auf den Plattenwärmetauscher ausgeübt wird. Die Vorspannkraft während des Schweißvorganges ist erforderlich, um das Hö­ henübermaß der entspannten Rippenelemente 4 bereits während des Schweißvorganges elastisch auf den durch die Distanz­ stücke 2 definierten Abstand zu reduzieren. Die aufgrund der elastischen Verformung in den Rippenelementen 4 wirken­ den Kräfte sorgen für einen innigen Flächenkontakt mit den Wärmeübertragungsplatten 3.

Die Gestaltung des Rippenelementes 4 und die aufzubringende Vorspannkraft sind derart aufeinander abgestimmt, daß keine weitere Verformung der Rippenelemente 4 unter den zu erwar­ tenden Differenzdrücken zwischen den Strömungsräumen A, B auftreten kann. Das heißt, die aufzubringende Vorspannkraft ist größer, als die während des Betriebsdruckes auf die Rippenelemente wirkende Kraft. Es ist daher keine Durchbie­ gung der Wärmeübertragungsplatten 3 infolge weiterer Ver­ formung der Rippenelemente möglich.

Der in der Fig. 1 dargestellte Plattenwärmetauscher ist wegen der angestrebten Unempfindlichkeit gegen aggressive Medien aus Edelstahl hergestellt. Selbstverständlich kann der Plattenwärmetauscher jedoch je nach Einsatzzweck aus anderen Materialien hergestellt werden, sofern diese eine elastische Verformung der Turbulenzprofile zulassen und ausreichend beständig gegen die Übertragungsmedien sind.

Claims (5)

1. Plattenwärmetauscher bestehend aus mehreren durch Di­ stanzstücke beabstandeten parallelen Platten sowie in Strömungsräumen zwischen den Platten angeordneten Turbulenzprofilen, dadurch gekennzeichnet, daß die entspannten Turbulenzprofile (4) ein Höhenübermaß gegenüber dem Abstand der Platten (3, 7a, 7b) aufweisen, das durch elastische Verformung der Turbulenzprofile (4) auf den durch die jeweiligen Distanzstücke (2) definierten Abstand reduziert ist.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Platten (3, 7a, 7b) mit den Di­ stanzstücken (2) verschweißt sind.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von den stirnseitig den Plattenwärmetauscher begrenzenden Platten (Deckplatten) (7a, 7b) eingeschlossenen Platten einen höheren Wärme­ durchgang aufweisen (Wärmeübertragungsplatten) (3).

4. Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der aus abwechselnd Platten sowie Turbulenzprofilen und Distanzstücken aufgebaute Plattenwärmetauscher unter Einwirkung einer vorzugsweise flächenmäßig wirkenden Vor­ spannkraft an den Übergängen zwischen den Distanzstücken (2) und den Platten (3, 7a, 7b) verschweißt wird.

5. Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweiß naht aus einem Übermaß der Platten (3) insbesondere der Wärmeübertragungsplatten (3) gegenüber den Distanzstücken (2) unter Verzicht auf Schweißzusatzwerkstoffe hergestellt wird.