DE60017245T2 - Wärmetauscher mit hartgelöteten platten und luftzerlegungsanlage mit diesem wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher mit hartgelöteten platten und luftzerlegungsanlage mit diesem wärmetauscher Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher mit hartgelöteten Platten von der Art mit zumindest einem sich entlang einer ersten Richtung erstreckende Fluiddurchgang, der mit zu der ersten Richtung im Wesentlichen parallelen Wärmeaustauschwellen versehen ist, und mit zumindest einem Umverteilungsbereich an einem Ort entlang seiner Länge, der mit zumindest einem seitlichen Kollektor verbunden ist und mit Ablenkwellen versehen ist, die sich entlang zumindest einer zweiten Richtung erstrecken, die einen Winkel mit der ersten Richtung bildet, wobei dieser Umverteilungsbereich die ganze Breite des Durchgangs quer zur ersten Richtung einnimmt, wobei die Ablenkwellen alle mit Wärmeaustauschwellen in Verbindung stehen.
  • Die Druckschrift "The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturer's association", ALPEMA, erste Ausgabe 1994, beschreibt verschiedene Konfigurationen von Wärmetauschern dieser Art.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, Wärmetauscher für die Verdampfung von unter Druck stehenden Flüssigkeiten und insbesondere von unter Druck stehenden Tiefsttemperaturflüssigkeiten.
  • Die so genannten Luftzerlegungsvorrichtungen "mit Pumpe" erzeugen aus Luft zumindest ein Gas (im Allgemeinen Sauerstoff) in flüssiger Form, das vor seiner Verdampfung durch eine Pumpe unter Druck gesetzt wird, wodurch es ermöglicht wird, das Komprimieren der reinen gasförmigen Produkte durch einen Kompressor zu vermeiden; dies ist wirtschaftlich und technisch besonders interessant und für Sauerstoff sicherer. Wiedererwärmung und Verdampfung der unter Druck stehenden Flüssigkeit erfolgen in einer Wärmetauschleitung, die im Allgemeinen aus einem oder mehreren Wärmetauschkörpern besteht, die typischerweise von der Art mit Platten aus hartgelötetem Aluminium sind. Auf derjenigen Höhe des Wärmetauschers, auf der die unter Druck stehende Flüssigkeit aufhört zu verdampfen, treten starke Schwankungen des Wärmeübergangskoeffizient dieses Fluids auf, die aus Flussschwankungen resultieren, die das Produkt aus einem zweiphasigen Mischzustand, dessen Wärmeübergangskoeffizient hoch ist, in einen rein gasförmigen Zustand übergehen lassen, dessen Wärmeübergangskoeffizient sehr gering ist. Daraus folgt lokal eine empfindliche Schwankung der Temperatur der Wandung oder Platte und der Wärmetauscherwellen. Wenn der Temperaturunterschied zwischen dem verdampfenden Fluid und den benachbarten wärmenden Fluiden erheblich ist, er kann 10°C weit überschreiten und beträgt typischerweise zwischen 10°C und 30°C, kann die lokale Temperatur der Wandung und der Wellen schnell und heftig wiederkehrend zwischen typischerweise 5 und 15°C variieren; dies genügt, um thermische Ermüdungsphänomene hervorzurufen.
  • Wenn diese Schwankungen in einem homogenen Bereich in Wärmetauschern auftreten, bleibt die Ermüdung sehr begrenzt. Erheblich wird die Ermüdung hingegen, wenn das Verdampfen des Fluids gegenüber von Ablenkwellen endet, die in den Durchgängen für wärmendes Fluid enthalten sind. Diese Situation entspricht zum Beispiel dem Austritt teilweise gekühlter Luft, die zur Kühlhaltung der Anlage zentrifugiert werden soll. Die thermischen Ermüdungsphänomene werden in der Tat durch thermische und mechanische Inhomogenitäten der Struktur verschärft, da die Verteilungs- oder Umlenkwellen beabstandeter und dicker und damit steifer als die Wärmeaustauschwellen sind, um dem Durchtritt von Fluiden einen geringere Widerstand zu bieten, während gleichzeitig die erwünschte mechanische Festigkeit sichergestellt wird. Die Ablenkwellen weisen im Allgemeinen eine größere Schrittweite auf als die Wärmeaustauschwellen, um den Druckverlust der Verfteilungsbereiche zu reduzieren, und diese Ablenkwellen sind folglich dicker, um dem Druck standzuhalten. Weitere ungünstige Faktoren sind das Vorhandensein von Totbereichen und eventuell von Trennleisten in den Umverteilungsbereichen.
  • Man beobachtet somit eine Bruchneigung der Platten in den Grenzbereichen der Ablenkwellen.
  • Diese thermischen Ermüdungsphänomene sind in den eingeschobenen Umverteilungsbereichen, wo das wärmende Fluid aus dem Wärmetauscher austritt und/oder in ihn eintritt, besonders schwer zu vermeiden. Entsprechend der Betriebsart der Anlage schwankt die Höhe des Verdampfungsendes in den benachbarten Durchgängen in der Tat beträchtlich und es ist nicht möglich, eine erhebliche Höhe der Erwärmungsdurchgänge zu neutralisieren, um die Umverteilungsbereiche zu positionieren.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Wärmetauscherstruktur vorzuschlagen, die zumindest einen Umverteilungsbereich umfasst, wodurch insbesondere die oben zuletzt genannten Nachteile vermieden werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist hierzu ein Wärmetauscher nach Anspruch 1.
  • Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können die Totbereiche in dem Umverteilungsbereich eliminiert werden, wodurch verhindert wird, dass die Oberfläche des Wärmetauschers nur der Temperatur des verdampften Fluids folgt, und es wird eine gute thermische und mechanische Homogenität zwischen dem Umverteilungsbereich und den Wärmeaustuschbereichen sichergestellt. Die thermischen Ermüdungsphänomene werden auf diese Weise beträchtlich reduziert.
  • Bei einer derartigen Anordnung weist der Umverteilungsbereich eine Steifigkeit auf, die vergleichbar mit derjenigen des Rests des Durchgangs ist, und der Wärmeaustausch mit den Fluiden, deren Temperatur sich am wenigsten und am langsamsten ändert, wird begünstigt.
  • Gemäß einem Merkmal der Erfindung weisen die Ablenkwellen im Wesentlichen die gleichen geometrischen Proportionen wie die Wärmeaustauschwellen auf, das heißt, sie sind vergleichsweise wenig steif und bieten eine gute Wärmetauschfläche. In diesem Kontext verwirft man vorzugsweise die Verwendung einer inneren Trennleiste oder eines Dichtungskörpers, die üblicherweise zwischen stromaufwärtigen und dem stromabwärtigen Bereich eines Umverteilungsbereichs angeordnet sind.
  • Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Ablenkwellen und die Wärmeaustauschwellen hingegen von unterschiedlicher Art sein (perforiert und nicht perforiert und/oder versetzt ("gezackt") und nicht versetzt).
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ebenso, die Verwendung eines derartigen Wärmetauschers beim Verdampfen von unter Druck stehenden Flüssigkeiten vorzuschlagen, typischerweise beim Verdampfen von unter Druck stehenden Tiefsttemperaturflüssigkeiten.
  • Deshalb ist ein weiterer Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Destillation von Luft, die zumindest eine unter Druck stehende Tiefsttemperaturflüssigkeit produziert und mit zumindest einem Wärmetauscher versehen ist, der zum Verdampfen dieser Flüssigkeit dient.
  • Die Beschreibung einer Ausführungsform, die nur zur Veranschaulichung dient und keine Einschränkung darstellt, nimmt auf die folgenden beigefügten Zeichnungen Bezug:
  • 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Umverteilungsbereichs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers;
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Umverteilungsbereichs einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers; und
  • 3 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Umverteilungsbereichs eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
  • In der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen tragen identische oder analoge Elemente die gleichen, gegebenenfalls indizierten Bezugszeichen. Die exakten geometrischen Proportionen sind in den Zeichnungen nicht gewahrt, um ihr Studium zu erleichtern.
  • In 1 ist auf sehr schematische Weise eine Wandung oder Platte 1 eines Wärmetauschers mit hartgelöteten Metallplatten dargestellt, die zwei Fluiddurchgänge trennt, von denen der eine P, wie im Querschnitt im linken Teil der 1 skizziert ist, ein Fluid befördert, das durch Verdampfung aus einem flüssigen Zustand 2 in einen gasförmigen Zustand 3 übergeht. Auf Höhe des Grenzflächenbereichs 4, wo die unter Druck stehende flüssige Phase aufhört zu verdampfen, ist in einem im Längsschnitt gezeigten, angrenzenden Durchgang P' ein Umverteilungsbereich 5 dargestellt, aus dem das wärmende Fluid, das normalerweise entlang der Wandung 1 in der Hauptströmungsrichtung des Wärmetauschers (in der Figur vertikal absteigend) strömt, seitlich zu einem Kollektor 6 abgelenkt wird, um teilweise aus dem Wärmetauscher entnommen zu werden (Pfeil E).
  • Die Wand 1 ist auf herkömmliche Weise mit parallelen, relativ feinen Wärmeaustauschwellen 7 mit enger Schrittweite versehen (sehr viel enger als in den Figuren dargestellt, um diese nicht zu überladen). Bei der Ausführungsform der 1 wird die Strömung durch Ablenkwellen 8 des Bereichs 5 von und zum seitlichen Kollektor 6 abgelenkt, die im Wesentlichen die gleichen geometrischen Eigenschaften (Dicke, Form, Dichte) wie die Wärmeaustauschwellen 7 aufweisen, aber hier senkrecht zu diesen letzteren verlaufen. Wie man in 1 sieht, sind die Wellen 8 über ein prismatisches Volumen mit V-förmigem Querschnitt verteilt, das sich schrittweise über den ganzen Querschnitt des durch die Wärmeaustauschwellen 7 definierten Durchgangs erstreckt, wobei eine mittlere Welle 8a den Durchgang somit in zwei Bereiche trennt, einen oberen, in dem der ganze Strom F des entlang der Wellen 7 absteigenden wärmenden Fluids zum Kollektor 6 abgelenkt wird, und einen unteren, in dem ein Teil des in dem Kollektor 6 gesammelten wärmenden Fluids zum unteren Teil des Durchgangs P' mit Wärmeaustauschwellen 7 umverteilt wird.
  • Eine derartige Anordnung erlaubt es erfindungsgemäß, die inneren Dichtungskörper wegzulassen, die mechanische Inhomogenitäten bilden und Totbereiche erzeugen, die von den Fluiddurchgängen isoliert und daher allein auf die Temperaturschwankungen der anderen Seite der Wandung empfindlich sind.
  • Um die Verteilung der Strömung in den Ablenkwellen 8 zu verbessern, wird vorteilhafterweise stromaufwärts dieser letzteren, wie dargestellt, und/oder stromabwärts ein Strömungswiderstand oder Druckabfall angeordnet, der typischerweise aus einem kurzen Abschnitt von Wärmeaustauschwellen 10 besteht, die "querliegend" angeordnet sind, das heißt senkrecht zur Strömung F, und mit zickzackartig versetzten Öffnungen oder Öffnungen der "gezackten" Art.
  • 2 gibt eine Ausführungsform wieder, bei der abgeleitete Durchfluss E durch Ablenkung eines vorbestimmten Anteils des eintretenden Flusses F vorausgewählt wird, von dem ein Teil den Verteilungsbereich 5 direkt mit Umverteilung durchquert.
  • Hier bilden die Ablenkwellen 8 mit den Wärmeaustauschwellen 7 einen Winkel, der größer als derjenige der Diagonalen der Verteilungsfläche ist, deren Höhe durch den Kollektor 6 definiert ist. Eine (8b) dieser Wellen, die an eine Wärmeaustauschwelle 7 anschließt, definiert die Trennung zwischen der in den Kollektor 6 abgelenkten Strömung und der den Umverteilungsbereich 5 direkt durchquerenden Strömung. Dieser besitzt somit den Querschnitt eines rechtwinkligen Trapezes, dessen Spitze auf dem Rand des Durchgangs gegenüber dem Kollektor 6 liegt und dessen schräge Seite nach oben gerichtet ist.
  • 3 gibt eine Ausführungsform wieder, die derjenigen der 2 ähnlich ist, aber Ablenkwellen 8 aufweist, die diesmal parallel zur Diagonalen der Verteilungsfläche sind, die hier durch eine mittlere Ablenkwelle 8a markiert ist, die sich quer von Rand zu Rand des Hauptdurchgangs erstreckt. Der Bereich 5 besitzt somit einen rechtwinkligen Querschnitt und der ganze eintretende Strom F wird in einer zur Ausführungsform der 1 analogen Weise zum rechten Kollektor 6d umgelenkt, wobei eine Außenleitung 9 einen Teil des aus dem rechten Kollektors 6d entnommenen Stroms zu einem linken Kollektor 6g zurückleitet, der die Hälfte des Wellenmusters 8 speist, die mit den unter dem Umverteilungsbereich 5 liegenden Wärmeaustauschwellen 7 in Verbindung steht. Man beachte, dass auch hier gemäß einem Aspekt der Erfindung der Umverteilungsbereich 5 vollständig frei von inneren Dichtungskörpern ist, wobei ein geringes internes Lecken zwischen den auf beiden. Seiten der Diagonalwelle 8a gelegenen Bereichen keine Probleme aufwerfen wird.
  • Bei jeder Ausführungsform mündet der Umverteilungsbereich 5 seitlich auf der ganzen Höhe des oder jeden zugehörigen Kollektors.
  • In allen Fällen sind gemäß einem Aspekt der Erfindung die Ablenkwellen 8, die von gleicher Art oder anderer Art wie die Wärmeaustauschwellen sind, morphologisch zu letzteren analog, mit gleichen oder analogen Schrittweiten (zu ±10%, ±20% oder ±30 %) und ebenso gleichen oder analogen Dicken (zu ±10%, ±20% oder ±30%), typischerweise zwischen 0,15 und 0,5 mm, und bestehen aus Aluminium. Das gleiche gilt vorzugsweise für die Wellen 10 zur Erzeugung eines Druckabfalls, die in den Fällen der 2 und 3 ebenso vorgesehen sein können, wie gestrichelt gezeigt ist.
  • Wie oben erwähnt, finden derartige Architekturen aus Wärmetauscher-Verteiler, die réalisées typischerweise durch Montage von hartgelöteten Untereinheiten aus Aluminium oder zumindest teilweise aus rostfreiem Stahl hergestellt werden, eine bevorzugte Anwendung bei Tiefsttemperaturvorrichtungen zur Destillation von Luft, die flüssigen Sauerstoff erzeugen, der durch eine Pumpe unter Druck gesetzt wird, bevor er in den Wärmetauschern durch Wärmeaustausch insbesondere mit unter Druck stehender Luft verdampft.

Claims (27)

  1. Wärmetauscher mit hartgelöteten Platten von der Art mit zumindest einem sich entlang einer ersten Richtung erstreckende Fluiddurchgang (P'), der der mit im Wesentlichen zu der ersten Richtung parallelen Wärmeaustauschwellen (7) versehen ist, und mit zumindest einem Umverteilungsbereich (5) an einem Ort entlang seiner Länge, der mit zumindest einem seitlichen Kollektor (6) verbunden ist und mit Ablenkwellen (8) versehen ist, die sich entlang zumindest einer zweiten Richtung erstrecken, die einen Winkel mit der ersten Richtung bildet, wobei dieser Umverteilungsbereich die ganze Breite des Durchgangs quer zur ersten Richtung einnimmt, wobei die Ablenkwellen (8) alle mit Wärmeaustauschwellen (7) in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkwellen (8) im Wesentlichen die gleiche Steifheit aufweisen wie die Wärmeaustauschwellen (7) und die Wärmeaustauschwellen (7) mit einer einen Druckverlust erzeugenden Struktur (10) verknüpft sind, die stromaufwärts und/oder stromabwärts von dem Umverteilungsbereich (5) liegt.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkwellen (8) morphologisch analog zu den Wärmeaustauschwellen (7) sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) gleich sind.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) sich um höchstens 30% unterscheiden.
  5. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) sich um höchstens 20% unterscheiden.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) sich um höchstens 10% unterscheiden.
  7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittweiten der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) gleich sind.
  8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittweiten der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) sich um höchstens 30% unterscheiden.
  9. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittweiten der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) sich um höchstens 20% unterscheiden.
  10. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittweiten der Ablenkwellen (8) und der Wärmeaustauschwellen (7) sich um höchstens 10% unterscheiden.
  11. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkwellen (8) im Wesentlichen die gleichen geometrischen Eigenschaften wie die Wärmeaustauschwellen (7) haben.
  12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkwellen (8) von anderer Art als die Wärmeaustauschwellen (7) sind.
  13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkwellen (8) von der gleichen Art wie die Wärmeaustauschwellen (7) sind.
  14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umverteilungsbereich (5) innere Dichtungskörper fehlen.
  15. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkwellen (8) senkrecht zur ersten Richtung liegen.
  16. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ablenkwelle (8a) sich von einem Seitenrand zum anderen Seitenrand des Umverteilungsbereichs erstreckt.
  17. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umverteilungsbereich (5) einen V-förmigen Querschnitt aufweist, der sich schrittweise über den ganzen Querschnitt des Durchgangs erstreckt.
  18. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umverteilungsbereich (5) einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
  19. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Umverteilungsbereich zwei seitliche, gegenüberliegende Kollektoren (6d, 6g) in direkter äußerer Verbindung (9) miteinander zugeordnet sind.
  20. Wärmetauscher nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Umverteilungsbereich schräge, zu der Diagonalen des Bereichs parallele Ablenkwellen (8a) umfasst, wobei der Bereich einen rechwinkligen Querschnitt aufweist.
  21. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einen Druckverlust erzeugenden Struktur (10) aus Querwellen besteht, die eine Steifigkeit aufweisen, die mit derjenigen Wärmeaustauschwellen (7) vergleichbar ist.
  22. Wärmetauscher nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Querwellen (10) morphologisch analog zu den Wärmeaustauschwellen (7) sind, mit zu ±30% analogen Schrittweiten und zu ±30% analogen Dicken.
  23. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Querwellen (10) von der gleichen Art wie die Wärmeaustauschwellen (7) sind.
  24. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (P') ein Durchgang für eine wärmende Flüssigkeit benachbart zu einem Durchgang zur Verdampfung von Flüssigkeit (P') ist.
  25. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einer Zusammensetzung von hartgelöteten Untereinheiten besteht.
  26. Verwendung eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verdampfung von Flüssigkeit, insbesondere einer unter Druck stehenden Tiefsttemperaturflüssigkeit.
  27. Anlage zur Destillation von Luft, die zumindest eine unter Druck stehende Tiefsttemperaturflüssigkeit erzeugt und mit zumindest einem Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 25 ausgestattet ist, der zum Verdampfen dieser Flüssigkeit dient.
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