DE60220189T2

DE60220189T2 - Kreisplattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE60220189T2
Application number: DE60220189T
Authority: DE
Inventors: Jouko Laine; Mauri Kontu
Original assignee: Vahterus Oy
Current assignee: Vahterus Oy
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2022-12-28
Also published as: EP1811258A3; FI20012575A0; WO2003056267A1; EP1811258A2; CN100458349C; DE60220189D1; EP1811258B1; ATE362605T1; US7013963B2; US20050039896A1; EP1466134A1; AU2002352311A1; FI118391B; DK1811258T3; ES2286309T3; EP1466134B1; DK1466134T3; FI20012575A; CN1608193A

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreisplattenwärmetauscher gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1. Solch ein Wärmetauscher ist von der WO-A-9930099 bekannt.
Herkömmliche Plattenwärmetauscher haben die Form eines Rechtecks mit gerundeten Ecken. Die Wärmetransferplatten wurden typischerweise mit vier Löchern für die ersten und zweiten Ströme versehen. Der Stapel von Platten ist mit Gummidichtungen oder ähnlichem abgedichtet, und mit Befestigungsschrauben zwischen Endplatten eingespannt. In solchen Wärmetauschern ist der Querschnitt des Stroms fast konstant über die gesamte Weglänge des Stroms. Insbesondere trifft dies auf Plattenwärmetauscher mit Platten mit einer langen und schmalen Form zu. Die Wärmeleitungsplatten sind normalerweise mit radialen oder gekrümmten Einschnitten um die Öffnungen der ersten und zweiten Ströme versehen, um die Ströme so gleichmäßig wie möglich in den Räumen zwischen den Wärmeleitungsplatten zu verteilen. Weil der gerade Teil der Wärmetauscher im Bezug auf den Strom homogen ist, sind die Wärmeleitung und der Strom in diesem Teil ausgeglichen. Eine große Vielfalt von Formen und Mustern zum Einschneiden der Wärmeleitungsplatten ist vorbekannt. Die gebräuchlichsten Einschnittmuster waren Muster, die aus verschiedenen geraden Elementen gebildet wurden, wie zum Beispiel Fischgrätenmuster oder ähnliche.
Ein Nachteil bei Plattenwärmetauschern, die mit Dichtungen ausgestattet sind, ist ihre schlechte Beständigkeit gegenüber Druck, Temperatur und Korrosion. Allerdings wurden herkömmliche Rohrwärmetauscher in einem kreisförmigen Gehäuse angeordnet, was vorteilhaft im Bezug auf die Druckbehältertechnik ist. Kreisplattenwärmetauscher sind auch vorbekannt, in wel chen der Stapel von Platten in einem kreisförmigen Gehäuse angebracht wird. Plattenwärmetauscheraufbauten dieser Art wurden beispielsweise in der FI-Patentveröffentlichung 79409 , FI-Patentveröffentlichung 84659 , WO-Veröffentlichung 97/45689 , und FI-Patentanmeldung 974476 vorgestellt.
Bei dem Wärmetauscher nach der finnischen Patentveröffentlichung 79409 ist der Stapel von Platten aus Wärmeleitungsplatten zusammengesetzt, die an ihren äußeren Rändern aneinander geschweißt sind, und die die Form eines Kreises oder eines regelmäßigen Polygons aufweisen. Die Wärmeleitungsplatten weisen keine Löcher auf, sondern die ersten und zweiten Ströme werden in die Räume zwischen den Wärmetransferplatten von ihren äußeren Rändern eingeführt. Die Platten sind mit gleichmäßigen Einschnitten auf ihren gesamten Oberflächen versehen. Aufgrund der kreisförmigen Form des Wärmetauschers unterscheiden sich die Flussraten und die Wärmeleitungseigenschaften an verschiedenen Punkten der Platte. In der Lösung nach der WO-Veröffentlichung 97/45689 wird der aus kreisförmigen Wärmeleitungsplatten zusammengesetzte Stapel von Platten in einem zylindrischen Gehäuse angebracht, wie in der Anordnung der FI-Veröffentlichung 84659 . In den Anordnungen jeder Veröffentlichung befinden sich Löcher an dem Durchmesser für den Strom eines zweiten Wärmetransfermediums, auf den gegenüberliegenden Seiten der Wärmeleitungsplatten. Die Wärmetauscheraufbauten nach den oben vorgestellten Veröffentlichungen haben Platten verwendet, deren Einschnitte gerade sind, und die sich linear von einer Kante der Platte zu einer anderen erstrecken. Der Wärmetauscher nach der FI-Patentanmeldung 974476 unterscheidet sich von den anderen dadurch, dass ein zentrales Loch in seinen Wärmeleitungsplatten vorgesehen ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die die Wärmeleitung eines kreisförmigen Wärmetauschers verbessert, die einfach zu verwirklichen ist, und wodurch eine gleichmäßige Wärmeleitung an einer kreisförmigen Wärmeleitungsplatte erreicht wird.
Eine typische Ausführungsform der Erfindung basiert auf der Tatsache, dass die Dichte oder die Form der Einschnitte in den Wärmeleitungsplatten, und/oder der Gratwinkel α zwischen Einschnitten auf benachbarten Platten in Richtung des zweiten Stroms des Wärmetransfermediums geändert werden, um Änderungen zu kompensieren, die durch die kreisförmige Platte unter den Flussbedingungen des Wärmetransfermediums verursacht werden. Bei Verwendung von kreisförmigen Wärmeleitungsplatten, die mit einem zentralen Loch versehen sind, wird in den Fällen von radialem Fluss der Flussquerschnitt typischerweise entweder vergrößert oder verkleinert, abhängig davon, ob der Fluss dem zentralen Loch in der Wärmeleitungsplatte zugeleitet oder von ihm abgeleitet wird.
Die Erfindung betrifft einen Kreisplattenwärmetauscher nach Anspruch 1.
Durch die Erfindung werden im Vergleich mit dem Stand der Technik bedeutende Vorteile erzielt. Durch die kreisförmigen Wärmeleitungsplatten wird eine effektive Wärmeleitung an der gesamten Leitungsfläche erzielt. Der Fluss in der radialen Richtung der kreisförmigen Platte wird naturgemäß verlangsamt, wenn er sich von dem inneren Rand zu dem äußeren Rand bewegt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Verringerung in der Wärmeleitung, die naturgemäß durch die Verlangsamung des Flusses verursacht wird, effektiv durch Flüssigkeitsflussanordnungen ausgeglichen, wie beispielsweise Turbulenz- und/oder Flusskontrolle, als auch verschiedene Muster auf den Wärmeleitungsplatten. Ein quadratisches oder Diamantmuster, das von Graten zwischen den Einschnitten in benachbarten Wärmeleitungsplatten gebildet wird, wird mechanische Unterstützungspunkte an den Endpunkten der rechteckigen Musterelemente in dem Stapel von Platten bereitstellen. Die Musterelemente formen ein Gitter, in welchem die interne mechanische Unterstützung des Stapels von Platten stark werden wird, und dadurch beständig gegenüber hohem Druck. Der Fluss von den Verteilungskanälen zu den Räumen zwischen den Platten und zu der Abflussröhre ist in einer solchen Weise verwirklicht, dass die Flüssigkeit so gleichmäßig wie möglich in die verschiedenen Räume zwischen den Platten fließen wird, und an jeden Punkt in jedem Raum zwischen Platten. Der Druckverlust in dem Gasfluss ist unerheblich, weil sich keine Strukturen in den Gasflusskanälen befinden, die unnötige Druckverluste verursachen würden.
Im Folgenden wird die Erfindung genauer beschrieben, mit Bezug auf die angehängte Zeichnung, in welcher
1 schematisch einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher zeigt, in einer Querschnittsansicht von der Seite,
2 schematisch eine Aufsicht eines Stapels von Platten zeigt, der aus Wärmeleitungsplatten mit einem zentralen Loch besteht, und Einschnitte in der Form einer veränderten Evolventen aufweist,
3 schematisch eine Aufsicht eines Stapels von Platten zeigt, der aus Wärmeleitungsplatten mit einem zentralen Loch besteht, und Einschnitte in der Form einer normalen Evolventen aufweist.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Kreisplattenwärmetauscher 1, in einer seitlichen Querschnittsansicht. Die Gehäuseeinheit 2, die als ein Druckbehälter für den Wärmetauscher 1 mit Plattenstruktur verwendet wird, umfasst ein Gehäuse 3 und Endplatten 4 und 5, welche an dem Gehäuse 3 auf eine feste Weise befestigt sind. Die Gehäuseeinheit 2 nimmt einen Stapel 6 von Platten auf, die die Wärmeleitungsflächen 10 bilden, wobei der Stapel zur Reinigung und Wartung entfernt werden kann, beispielsweise durch Verbinden eines der Enden 4, 5 mit dem Gehäuse 3 mittels einer Flanschverbindung. Ein Wärmetransfermedium, das im Inneren des Stapels 6 von Platten fließt, bildet einen ersten Strom, der zu dem Stapel 6 von Platten mittels des Einlasses 7 in dem Ende 5 geleitet wird, und der mittels eines Auslasses 8 abgeleitet wird, wie mit den Pfeilen 9 gezeigt.
Der Stapel 6 von Platten bildet die Wärmetauschflächen des Plattenwärmetauschers 1, welche aus kreisförmig eingeschnittenen Wärmeleitungsplatten 10 zusammengesetzt sind, die miteinander verbunden sind. Die Wärmeleitungsplatten 10 sind miteinander in Paaren durch Schweißen an den äußeren Rändern der Flussöffnungen 11 und 12 verbunden, und die Paare von Platten sind miteinander durch Schweißen an den äußeren Rändern 13 der Wärmeleitungsplatten verbunden. Die Flussöffnungen 11 und 12 bilden die Einlass- und Auslassöffnungen für den ersten Strom im Inneren des Stapels 6 von Platten, wobei durch diese Öffnungen das Wärmetransfermedium den Leitungskanälen, die von den Wärmeleitungsplatten 10 gebildet werden, zugeführt wird, und von diesen abgeleitet wird.
In der Ausführungsform von 1 wird der zweite Strom mit Pfeilen 14 aufgezeigt. Das Wärmetransfermedium des zweiten Stroms wird mittels einer Einlassöffnung 15 in dem Ende 5 eingeleitet, zu einem zentralen Leitungskanal 16, der von einem zentralen Loch in dem Stapel 6 von Platten gebildet wird, wobei das Wärmetransfermedium aus dem zentralen Leitungskanal 16 in radialer Weise abgeleitet wird, durch eine Auslassöffnung 17 in dem Gehäuse 3.
2 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Stapel 6 von Platten, der mit veränderten evolventen Kurven 18 eingeschnitten ist. In den Figuren stellen durchgezogene Linien die Grate 18 zwischen den Einschnitten dar, die in einer Wärmeleitungsplatte ausgebildet sind, und durchbrochene Linien stellen Grate 18 einer gegen diese angeordneten Platte dar. Der Winkel zwischen diesen Graten 18 dieser benachbarten Platten ist mit dem Buchstaben α angedeutet. Der Stapel 6 von Platten wird aus identischen Wärmetransferplatten 10 gebildet, wobei jede zweite Platte in Bezug auf die vorangegangene Platte 10 in einer solchen Weise gedreht wird, dass zwei untere oder obere Flächen von ansonsten identischen Platten 10 immer gegeneinander angeordnet werden. Die unterstützenden Punkte der Grate 18 des Paares von Platten bilden Musterelemente, wie zum Beispiel Diamanten oder Rechtecke, wobei sie diesen auf eine Weise ähnlich sind, dass die Flächen der oben genannten Musterelemente gleich sind. Die Winkel zwischen den Seiten in dem Muster reichen vorzugsweise von 70° bis 110°. Das Gratmuster ist an dem Mittelpunkt des Radius der Plattenoberfläche orthogonal, und unterscheidet sich leicht von orthogonal, wenn man sich auf die innere Kante 19 oder die äußere Kante 13 der Wärmeleitungsplatte 10 zubewegt. Die radialen Flüsse der Flüssigkeiten sind in jedem Abschnitt des Kreises identisch, ihre Größe entspricht dem Winkel, der von benachbarten Evolventen gebildet wird; dieser Winkel ist vorzugsweise nicht größer als einige Grad. Dank des fast identischen Musters an der gesamten Plattenoberfläche ist die Wärmeleitungseffizienz, die pro Einheit des Radius des Wärmetauschers 10 berechnet wird, fast konstant in allen Teilen der Wärmeleitungsplatte 10. Eine leichte radiale Abnahme der Wärmeleitungseffizienz kann lokal auftreten, aufgrund der Verringerung der Flussrate und der Turbulenz, die durch die radiale Bewegung in der Flüssigkeit verursacht wird, als auch durch eine Änderung des Volumens, die durch Abkühlung des Gases verursacht wird.
3 zeigt schematisch eine Familie von idealen Evolventen, in welchen die Punkte einer einzelnen Evolvente in einem karthesischen Koordinatensystem durch ein Paar von Gleichungen bestimmt sind, wobei die Krümmungsrichtung durch das Vorzeichen der Formel für die Berechnung der y-Koordinate bestimmt wird: x = ±r(cosθ + θsinθ) y = ±r(sinθ – θcosθ)in welchen θ der Winkel zwischen der Linie zwischen dem Punkt und dem Ursprung und der x-Achse in Radiant ist, und r der innere Radius der Familie von Kurven ist. Die Evolventenfamilien in dem zylindrischen Koordinatensystem werden in Bezug auf den Ursprung durch Drehen und Kopieren der Kurve einer einzelnen Evolventen gebildet, wobei in beide Richtungen gedreht wird, durch lineare Änderung des Niveaus. Die Flächen der Musterelemente, die von idealen Evolventenfamilien gebildet werden und Diamanten ähnlich sind, sind in der Richtung des Radius nicht konstant, und die Abweichungen dieser Musterelemente von der quadratischen Form werden vergrößert, wenn man sich von dem inneren Radius entfernt, und kein orthogonales Muster wird von den Schnittpunkten von Kurven gebildet, die sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Die Unterschiede in der Fläche der Musterelemente und die Abweichungen der Kurven von dem orthogonalen System werden größer, je größer das Verhältnis R/r zwischen den Radien wird.
Die veränderte Evolventenfamilie, die von Einschnitten und/oder dazwischenliegenden Graten 18 gebildet wird, und in 2 gezeigt ist, wurde aus idealen Evolventenfamilien gebildet, die sich in entgegengesetzte Richtungen erstrecken, durch Veränderung der einzelnen Kurven in einer solchen Weise, dass die Flächen der rechteckigen Musterelemente konstant sind und dass die Abweichung von der Form eines Quadrats so klein wie möglich ist, und dass die Kurven so nah an dem orthogonalen System wie möglich sind.

Claims

Ein Kreisplattenwärmetauscher (1), der ein Gehäuse (3), das als Rahmen (2) benutzt wird, und einen Stapel (6) von Platten, der aus kreisförmig eingeschnittenen Wärmeleitungsplatten (10) zusammengesetzt ist, aufweist wobei die Wärmeleitung zwischen festen, gasförmigen, flüssigen oder entsprechenden Wärmetransfermedien stattfindet, die in Räumen zwischen den Wärmeleitungsplatten (10) fließen, wobei diese Platten versehen sind mit – zentralen Löchern (16) im mittleren Teil der Platten (10), die den Fluss eines Wärmetransfermediums zu den Räumen zwischen den Platten führen, und zwar radial im Bezug auf die Wärmeleitungsplatten (10). – diametralen Löchern (11, 12) auf gegenüberliegenden Seiten des zentralen Lochs, von denen der Strom eines zweiten Wärmetransfermediums zu einem Strom in die Richtung des Randes des Kreisplattenwärmetauschers (1) geleitet wird, wobei die diametralen Löcher (11, 12) auf den gegenüberliegenden Seiten des zentralen Loches der Wärmeleitungsplatten (10) und das zentrale Loch (16) Zu- und Abflüsse für die Wärmetransfermedien bilden, und – Einschnitten in ihrer Ebene und dazwischenliegenden Graten (18), entlang welcher Einschnitte das Wärmetransfermedium zwischen den diametralen Löchern (11, 12) fließen soll, dadurch gekennzeichnet, dass – die Grate zwischen den Einschnitten von zwei benachbarten Wärmeleitungsplatten ein orthogonales Muster formen, und dass – die Einschnitte und/oder die dazwischenliegenden Grate (18) gekrümmte evolvente Kurven sind, oder veränderte evolvente Kurven, wobei die veränderten evolventen Kurven durch Änderung der einzelnen evolventen Kurven gebildet werden in einer Weise, dass die Flächen der Elemente des orthogonalen Musters, die von den evolventen Kurven gebildet werden, konstant sind, und dass die Abweichung von der Form eines Quadrats so klein wie möglich ist, und dass die Kurven so annähernd orthogonal wie möglich sind.