DE60112767T2

DE60112767T2 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE60112767T2
Application number: DE60112767T
Authority: DE
Inventors: Mauri Kontu
Original assignee: Vahterus Oy
Current assignee: Vahterus Oy
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2021-08-24
Also published as: AU2001282214A1; CN1447898A; EP1311792A1; KR20030029848A; EP1311792B1; CN1295473C; FI20001860A; DK1311792T3; US6918433B2; WO2002016852A1; ATE302399T1; DE60112767D1; FI20001860A0; US20040031600A1; FI114738B; KR100829902B1

Description

Die Erfindung betrifft einen geschweißten Plattenwärmetauscher zur Wärmeübertragung zwischen Stoffen im gleichen Zustand oder in verschiedenen Zuständen, z.B. ein Gas oder eine Flüssigkeit. Die Wärmeübertragungsflächen bestehen aus miteinander verbundenen und in einem Plattenstapel zusammengefassten Wärmeübertragungsplatten, welche kreisförmig sind und wenigstens zwei Flussöffnungen für die Zufuhr und den Abfluss eines Wärmeübertragungsmittels durch die von den Platten gebildeten Kanäle aufweisen. Die Platten des Wärmetauschers sind paarweise an den Umfängen der Flussöffnungen zusammengeschweißt und die Plattenpaare sind miteinander dadurch verbunden, dass die Platten der Plattenpaare an ihren Umfängen an die Platten anderer Plattenpaare geschweißt sind. Der Plattenstapel ist in eine zylindrische Gehäuseeinheit eingepasst, welche als ein Druckbehälter verwendet wird. Die Erfindung betrifft eine Anordnung, mittels derer es möglich ist, den Strom des zweiten Wärmeübertragungsmittels durch die Gehäuseeinheit in gewünschte Kanäle und aus gewünschten Kanälen im Plattenstapel in eine gewünschten Richtung zu leiten.
Ein herkömmlicher Plattenwärmetauscher ist aus überlagerten Platten zusammengesetzt, welche einen Plattenstapel bilden, welcher mittels Verbindungsstangen zwischen zwei Endplatten eingespannt ist. Die von den Platten gebildeten Kanäle und die damit verbundenen Flussöffnungen sind an ihren Umfängen durch separate Dichtungen abgedichtet. Die Platten derartiger Plattenwärmetauscher sind typischerweise rechteckig und die Flussöffnungen, gewöhnlich vier, sind in der Nähe der Ecken angeordnet. In herkömmlichen Plattenwärmetauschern sind die Ströme des Wärmeübertragungsmittels normalerweise so eingerichtet, dass die Flussöffnungen an gegenüberliegenden Seiten als Einlasskanäle und Auslasskanäle verwendet werden, wobei die Ströme der Primärseite und der Sekundärseite in benachbarten, von den Wärmeübertragungsplatten gebildeten Kanälen fließen. In herkömmlichen Plattenwärmetauschern ist es möglich, die Ströme der Primärseite und der Sekundärseite abzustufen und sie in mehrere Ströme aufzuteilen, indem die Flussöffnungen an gewünschten Stellen geschlossen werden.
Herkömmliche Röhrenwärmetauscher, in welchen das zweite Wärmeübertragungsmittel in einem in einen Zylinder eingepassten Röhrenbündel strömt, verwenden normalerweise plattenartige Flussführungen, welche senkrecht zum Röhrenbündel stehen. Daher durchfließt der Strom des Wärmeübertragungsmittels im Zylinder, welcher normalerweise zur Sekundärseite fließt, das Röhrenbündel mehrere Male. Die Zahl der Flussführungen kann verwendet werden, um den Strom im Zylinder zu beschleunigen und um Turbulenz im Strom herbeizuführen, wodurch die Wärmeübertragung verbessert werden kann. Die Dimensionierung von Röhrenwärmetauschern basiert jedoch normal erweise auf der Wärmeübertragung in den Röhren, welche normalerweise geringer als die Wärmeübertragung außerhalb des Röhrenbündels ist. Die großen Abmessungen von Röhrenwärmetauschern rühren hauptsächlich von der schlechten Wärmeübertragung in der Röhre her. Der Zylinderdurchmesser des Röhrenwärmetauschers ist normalerweise klein im Verhältnis zur Zylinderlänge. In den meisten Fällen ist der Strom im Zylinder so eingerichtet, dass er von einem Ende zu einem anderen Ende fließt. Aufgrund der Form des Wärmetauschers werden normalerweise keine Dichtungsanforderungen für die als Stützmittel für das Röhrenbündel verwendeten Flussführungen festgesetzt.
In aus kreisförmigen Wärmeübertragungsplatten zusammengesetzten Wärmetauschern, bei welchen der Plattenstapel in einem Zylinder angeordnet ist, war es problematisch, den Strom der Sekundärseite im Zylinder so einzurichten, dass kein Nebenstrom auftritt. In derartigen Wärmetauscherstrukturen fließt der die Flussführungen durchfließende Strom an fast allen Wärmeübertragungsflächen vorbei, wodurch die Wärmeübertragung wesentlich verringert wird. Deshalb wurden biegsame Flussführungen aus einer Metallplatte in Wärmetauschern verwendet, um Gummidichtungen oder ähnliche Elemente gegen die Außenoberfläche des Plattenstapels und gegen die Innenoberfläche des Wärmetauschergehäuses zu drücken. Die Aufgabe dieser Flussführungen ist es, den transversalen Nebenstrom zwischen dem Plattenstapel und dem Gehäuse zu verhindern. Dank ihrer biegsamen Struktur haben sich diese Flussführungen im Betrieb bewährt. Im Gegensatz dazu haben sich die starren Abstandsplatten, welche verwendet wurden, um den Strom auf der Sekundärseite in mehrere Ströme aufzuteilen, oft als undicht erwiesen, obwohl sie gegen den Plattenstapel und das Gehäuse mit Gummidichtungen versehen worden sind.
Ein Beispiel für einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit einem Stapel kreisförmiger Platten, welcher in einem Zylinder angeordnet ist, ist in der WO97/45689 angegeben.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen geschweißten Wärmetauscher bestehend aus kreisförmigen Wärmeübertragungsplatten bereitzustellen, welcher die gute Druckresistenz des Röhrenwärmetauschers aufweist, dessen Wärmeübertragung jener eines herkömmlichen Plattenwärmetauschers entspricht und dessen Modifizierbarkeit, mehrere Ströme auf der Primärseite und der Sekundärseite bereitzustellen, der eines herkömmlichen Plattenwärmetauschers entspricht.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass Flussführungen mit einer internen Röhrenstruktur außerhalb des Plattenstapels im Gehäuse des Wärmetauschers vorhanden sind, wobei die Flussführungen wenigstens teilweise an dem Plattenstapel befestigt sind, aber durch ein kleines Loch oder eine Öffnung in diesen eine Verbindung zu dem abgeschlossenen Raum zwischen dem Gehäuse und dem Plattenstapel gebildet wird, wodurch der Strom durch den Raum unterbunden wird und die Flussführungen als nicht zum Druckbehälter gehörende Teile dimensioniert werden können.
Genauer ist der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gekennzeichnet.
Bei dem ertindungsgemäßen Plattenwärmetauscher sind Flussführungen mit einer internen Röhrenstruktur, welche an dem Plattenstapel befestigt sind, zur Führung des sekundären Wärmeübertragungsmittels am Umfang des Plattenstapels vorhanden; es gibt wenigstens zwei Flussführungen und diese sind auf gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels angeordnet, um den Strom in gewünschte Kanäle und aus gewünschten Kanälen des Plattenstapels zu führen. Abstandsplatten sind innerhalb des Gehäuses der Flussführungen befestigt, um den Sekundärstrom in mehrere Ströme aufzuteilen, wobei die Plattenstapelseite der Abstandsplatten mit einer Gummidichtung oder Ähnlichem abgedichtet ist. Die Flussführungen sind mit dem Einlassdurchgang und dem Auslassdurchgang des Gehäuses des Plattenwärmetauschers durch Röhren verbunden, welche teilweise in diesen angeordnet sind und von welchen wenigstens eine an die Innenoberfläche des Durchgangs geschweißt ist. Bei dem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher hat das Wärmeübertragungsmittel durch ein Loch in der Flussführung oder eine nicht mit dem Durchgang verbundene Röhre freien Zugang zum Raum zwischen dem Plattenstapel und dem Gehäuse, in welchem das Wärmeübertragungsmittel jedoch nirgendwohin fließen kann, da der Raum in anderen Teilen eingeschlossen ist.
Durch den erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher werden deutliche Vorteile erreicht. Die Ströme auf der Primärseite und der Sekundärseite können wunschgemäß aufgeteilt werden, wodurch die Zahl der Ströme abhängig von den Eigenschaften der Wärmeübertragungsmittel und der Strommengen frei gewählt werden kann. Der Plattenwärmetauscher kann als Gleichstromwärmetauscher, Gegenstromwärmetauscher oder Kreuzstromwärmetauscher verwendet werden. Bei dem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher ist die Wärmeübertragung des Wärmetauschers nicht durch Nebenströme verringert. Die Flussführungen sind Plattenteile mit einer leichten Struktur, da sie nicht Teile des Druckbehälters sind.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben, in denen
1 schematisch den erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher in einer Seitenansicht zeigt,
2 schematisch den Plattenwärmetauscher von 1 in einem Querschnitt zeigt,
3 schematisch den Querschnitt des Plattenwärmetauscher von 1 am Ort der Linie A-A zeigt,
4 schematisch den Auslassdurchgang des Gehäuses des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers im Querschnitt zeigt, und
5 schematisch den Einlassdurchgang des Gehäuses des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers im Querschnitt zeigt.
Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben. 1 bis 5 zeigen ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers 1 mit zwei Strömen sowohl auf der Primär seite als auch auf der Sekundärseite. Die Gehäuseeinheit 2, welche als Druckbehälter für den Plattenwärmetauscher verwendet wird, umfasst ein Gehäuse 3 und Endplatten 4 und 5, welche unbeweglich am Gehäuse 3 befestigt sind. Die Gehäuseeinheit 2 beherbergt einen Plattenstapel 6, welcher die Wärmeübertragungsflächen bildet, wobei der Stapel zur Reinigung und Wartung entfernt werden kann, z.B. indem eines der Enden 4, 5 mit einer Flanschverbindung mit dem Gehäuse 3 verbunden ist. Ein innerhalb des Plattenstapels 6 fließendes Wärmeübertragungsmittel bildet einen Primärstrom, welcher durch die Endplatte 5 über einen Einlassdurchgang 7 zum Plattenstapel 6 geleitet wird und über einen Auslassdurchgang 8 am gegenüberliegenden Ende 4 abfließt. Der Durchgang des Primärstroms ist mit Pfeilen 9 dargestellt.
Der Plattenstapel 6 bildet die Wärmeaustauschflächen des Wärmetauschers 1, welche aus miteinander verbundenen kreisförmigen gerillten Wärmeübertragungsplatten 10 bestehen. Die Wärmeübertragungsplatten 10 sind paarweise durch Schweißen an den Umfängen der Flussöffnungen 11 und 12 miteinander verbunden und die Plattenpaare sind paarweise durch Schweißen an den Umfängen 13 der Wärmeübertragungsplatten 10 verbunden. Die Flussöffnungen 11 und 12 stellen den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang des Primärstroms im Plattenstapel 6 dar, wobei durch diese Durchgänge das Wärmeübertragungsmittel geführt wird und aus den von den Wärmeübertragungsplatten gebildeten Kanälen abfließt. Durch Schließen der Flussöffnungen 11, 12 kann der Strom auf der Primärseite in mehrere Ströme aufgeteilt werden. 2 zeigt, dass Schließen des Flussdurchgangs 11 am Punkt 14 den Strom der Primärseite in zwei Ströme abändert.
Der Plattenstapel 6 wird montiert und vorgespannt, indem die Endplatten 15, 16 im Plattenstapel 6 mit Seitenstützplatten 17, 18 zusammengeschweißt werden. Um einen Nebenstrom des Wärmeübertragungsmittels in dem Raum zwischen dem Plattenstapel 6 und den Seitenstützplatten 17, 18 zu vermeiden, wird der Raum vor der Montage mit Gummidichtungen 19, 20 oder Ähnlichem versehen. Die Gehäuse 23, 24 der Flussführungen 21, 22 sind an ihren Seiten durch Schweißen mit den Seitenstützplatten 17, 18 verbunden. Die Enden der Flussführungen 21, 22 sind mit separaten Endplatten 25, 26 oder dadurch abgeschlossen, dass die Gehäuse 23, 24 der Flussführungen 21, 22 direkt an die Endplatten 15, 16 des Plattenstapels 6 geschweißt sind.
Das Wärmeübertragungsmittel des Stroms auf der Sekundärseite wird durch einen das Gehäuse 3 durchstoßenden Einlassdurchgang 27 in die Gehäuseeinheit 2 geleitet und fließt über einen Auslassdurchgang 28 ab. Der Strom auf der Sekundärseite ist in 2 mit Pfeilen 29 dargestellt. Die Flussführung 22 ist mit dem Einlassdurchgang 27 und dem Auslassdurchgang 28 mittels Röhren 30 und 31 verbunden, welche teilweise in den Einlassdurchgang und Auslassdurchgang eingepasst sind. Die Flussführung 22 ist durch eine in das Gehäuse 24 der Flussführung 22 geschweißte Abstandsplatte 32 in zwei Teile aufgeteilt. Eine Gummidichtung 33 oder eine entsprechende Anordnung wird zwischen der Abstandsplatte 32 und dem Plattenstapel 6 verwendet, um einen Nebenstrom in der Flussführung 22 zu vermeiden. Die Zahl von Strömen auf der Sekundärseite kann durch Hinzufügen von Abstandsplatten 32 in den Flussführungen 21, 22 erhöht werden. 4 und 5 zeigen, wie die der Flussführung 22 zugehörigen Röhren 30, 31 teilweise in den Einlassdurchgang und den Auslassdurchgang 27 und 28 eingepasst sind. Im in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die in den Einlassdurchgang 27 eingepasste Röhre 30 dicht mit einer Schweißnaht 34 an die Innenoberfläche des Einlassdurchgangs 27 geschweißt. Zwischen dem Auslassdurchgang 28 und der darin eingepassten Röhre 31 ist jedoch eine Lücke belassen, durch welche das Wärmeübertragungsmittel in den Raum 35 zwischen dem Gehäuse 3, den Flussführungen 21, 22 und den Stützplatten 17, 18 für den Plattenstapel 6 fließen kann.
Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher 1 wird durch Kontrolle der Ströme auf der Primärseite und der Sekundärseite normal verwendet. Die einzige Beschränkung für die Verwendung der Vorrichtung ist das erste Anfahren, bei welchem berücksichtigt werden muss, dass die Flussführungen 21, 22 keine Teile des Druckbehälters sind und dass eine bestimmte Verzögerungszeit für das Auffüllen des Raums 35 mit dem Wärmeübertragungsmittel reserviert werden muss.
Es ist für jeden Fachmann offensichtlich, dass oben nur ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens dargestellt worden ist, welches natürlich innerhalb des Umfangs der Ansprüche variieren kann. Zum Beispiel kann die Zahl der Ströme auf der Primärseite und der Sekundärseite des Wärmetauschers 1 verschieden sein und die Lagen der Einlassdurchgänge und Auslassdurchgänge 7, 8, 27, 28 kann fast frei ge wählt werden. Die Verbindung der Flussführungen 21, 22 zum Einlassdurchgang und zum Auslassdurchgang 27, 28 der Sekundärseite kann so eingerichtet sein, dass der Plattenstapel 6 leicht von der Gehäuseeinheit 2 abgenommen werden kann. Des Weiteren kann das Auffüllen des Raums 35 im Gehäuse mit dem Wärmübertragungsmittel auf eine von der oben dargestellten verschiedene Art verwirklicht werden.

Claims

Plattenwärmetauscher (1), bevorzugt geschweißt, welcher für die Wärmeübertragung zwischen Stoffen im gleichen Zustand oder in verschiedenen Zuständen, z.B. ein Gas und eine Flüssigkeit, vorgesehen ist, umfassend – einen geschlossenen Plattenstapel (6), welcher aus kreisförmigen Wärmeübertragungsplatten (10) besteht, welche als Wärmeübertragungsflächen Verwendung finden und miteinander an ihren Umfängen (13) oder an den Umfängen ihrer Flussöffnungen (11, 12) verbunden sind, wobei ein Wärmeübertragungsmittel in dem Stapel (6) fließt, – eine Gehäuseeinheit (2), welche als Druckbehälter Verwendung findet und aus den Plattenstapel (6) stützenden Enden (4, 5) und dem umgebenden Gehäuse (3) besteht, wobei ein anderes Wärmeübertragungsmittel in der Gehäuseeinheit (2) fließt, – Einlassdurchgänge und Auslassdurchgänge (7, 8, 27, 28) für die in dem Plattenstapel (6) und in der Gehäuseeinheit (2) fließenden Wärmeübertragungsmittel, welche sich durch das Gehäuse (3) und die Enden (4, 5) erstrecken, und – auf dem Umfang (13) des Plattenstapels (6) in dem Gehäuse (3) vorgesehene Flussführungen (21, 22) für das in der Gehäuseeinheit (2) fließende Wärmeübertragungsmittel, welche eine interne Röhrenstruktur aufweisen, – dadurch gekennzeichnet, dass die Flussführungen wenigstens teilweise mit dem Plattenstapel (6) verbunden sind, dass – wenigstens zwei Flussführungen (21, 22) mit einer internen Röhrenstruktur vorhanden sind, wobei diese bevorzugt auf gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels (6) angeordnet sind, und dass – die Flussführungen (21, 22) mit dem Einlassdurchgang und dem Auslassdurchgang (27, 28) der Gehäuseeinheit (2) durch wenigstens teilweise in den Durchgängen angeordnete Röhren (30, 31) verbunden sind, von welchen wenigstens eine lecksicher, bevorzugt durch Schweißen, mit der Innenoberfläche des Einlassdurchgangs und/oder des Auslassdurchgangs (27, 28) der Gehäuseeinheit (2) verbunden ist.
Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussführungen (21, 22) an ihren Seiten mit Seitenstützplatten (17, 18) des Plattenstapels (6) und an ihren Enden mit separaten Endplatten (25, 26) oder mit den Endplatten (15, 16) des Plattenstapels (6) verbunden sind.
Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussführungen (21, 22) Elemente mit einer Plattenstruktur sind, welche nicht zum Druckbehälter gehören.
Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Gummidichtungen oder entsprechende Dichtungen (19, 20) unter die Seitenstützplatten (17, 18) für den Plattenstapel (6) eingepasst sind, um einen Strom zwischen dem Plattenstapel (6) und den Seitenstützplatten (17, 18) zu unterbinden.
Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abstandsplatten (32) der Flussführungen (21, 22) bevorzugt durch Schweißen mit Gehäusen (23, 24) der Flussführungen (21, 22) verbunden sind, und dass der Rand der Abstandsplatten (32) auf der Seite des Plattenstapels mit einer Gummidichtung (33) abgedichtet ist.
Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (35) zwischen dem Plattenstapel (6), den Flussführungen (21, 22) und dem Gehäuse (3) der Gehäuseeinheit (2) mit einem nichtfließenden Wärmeübertragungsmittel gefüllt ist.
Plattenwärmetauscher (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussführungen (21, 22) wenigstens eine Öffnung umfassen, um das Wärmeübertragungsmittel in den Raum (35) zwischen der Gehäuseeinheit (2), dem Plattenstapel (6) und den Flussführungen (21, 22) zu führen.
Plattenwärmetauscher (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung so angeordnet ist, dass die in den Einlassdurchgang oder Auslassdurch gang (27; 28) eingepasste Röhre (31; 32) mit dem Durchgang (27; 28) durchlässig verbunden ist.