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Die vorliegende Erfindung betrifft einen
Plattenwärmetauscher zum Wärmetausch von einem zu einem anderen Fluid mit
einem Stapel von Doppelwandelementen die zwischen sich
Strömungskanäle für die beiden Fluide bilden und die
jeweils zwei dünne Wärmetauschplatten jeweils mit einem
mittigen Wärmetauschbereich und einem diesen umgebenden und
unmittelbar an entsprechenden Oberflächen der anderen
Wärmetauschplatte anliegenden Dichtbereich aufweisen. Der
Plattenwärmetauscher weist weiterhin ein Dichtelement, das
dicht abschließend an nebeneinanderliegenden
Doppelwandelementen entlang den Dichtbereichen der jeweiligen
Wärmetauschplatten anliegt und einen Strömungskanal zwischen
den Doppelwandelementen umgrenzt, und eine
Verbindungseinrichtung auf, die so eingerichtet ist, daß sie die
Doppelwandelemente mit den Oberflächen in den
Wärmetauschbereichen
der jeweiligen Platten direkt sowie über die
Dichtelemente mit den Oberflächen in den Dichtbereichen der
Wärmetauschplatten indirekt aufeinanderdrückt.
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Ein Plattenwärmetauscher dieser Art ist in der WO-A-88/
03253 gezeigt und ist für den Wärmetausch zwischen Fluiden
geeignet, die einander nicht verunreinigen dürfen. Der
Stapel aus Doppelwandelementen wird durch Mittel
zusammengehalten, die die Doppelwandelemente mit den
Oberflächen in den Wärmetauschbereichen der jeweiligen Platten
direkt und über das Dichtelement mit den Oberflächen in
den Dichtbereichen der Platten indirekt
aufeinanderdrükken. Infolge dieses Zusammendrückens der
Doppelwandelemente entsteht in jedem der Doppelwandelemente eine große
Wärmetauschfläche, was einen guten
Wärmetausch-Wirkungsgrad des Wärmetauschers bedeutet. Gleichzeitig ist mit
Sicherheit gewährleistet, daß eine Undichtigkeit in einer
Wärmetauschplatte nicht sofort zu einer Vermischung der
Wärmetauschfluide führt.
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Bei einer möglichen Leckage durch eine Wärmetauscherplatte
in einem Plattenwärmetauscher dieser Art muß das
austretende Fluid aus dem Plattenwärmeaustauscher entweichen
können, damit sich die Undichtigkeit erfassen läßt.
Weiterhin ist erwünscht, daß eine Leckage innerhalb eines
bestimmten Zeitintervalls nach dem Auftreten des Lecks
erfaßt werden kann.
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In der Praxis hat sich herausgestellt, daß der Wunsch nach
einem guten Wärmeaustausch dem nach einem schnellen
Entdecken eines Lecks entgegensteht. Je besser der Kontakt
zwischen den beiden Wärmetauschplatten in jedem
Doppelwandelement, desto schwieriger scheint es zu sein, den
letzteren Wunsch zu erfüllen.
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Um die Leckströmung zum Äußeren des Wärmetauschers zu
erleichtern, ist es, wie die FR-A-2 454 075 zeigt, möglich,
die Wärmetauschplatten in jedem Doppelwandelement mittels
zwischen sie eingelegtem wärmeleitendem Maschendraht auf
Abstand zu halten. Dies bedeutet jedoch, daß der
Wärmeleitkontakt zwischen den Wärmetauscherplatten und damit
der Wirkungsgrad des Wärmetauscher beeinträchtigt werden.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, einen
Plattenwärmetauscher der eingangs genannten Art anzugeben, der
einen hohen Wirkungsgrad aufweist und bei dem gleichzeitig
eine Leckage in einer Wärmetauscherplatte schnell erfaßt
werden kann.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem Plattenwärmetauscher
der eingangs genannten Art erreicht, der gekennzeichnet
ist durch mindestens einen Kanel in jedem
Doppelwandelement zwischen dessen beiden Wärmetauschplatten, wobei
dieser Kanal zwischen begrenzten, einander gegenüberliegenden
Teilen der Dichtbereiche der Wärmetauschplatten gebildet
ist, quer über die Dichtbereiche verläuft und einen Teil
jedes Dichtbereiches mit dem Äußeren des
Plattenwärmetauschers verbindet, wobei verbleibende Teile der
Dichtbereiche unmittelbar aneinander anliegen.
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Mit der Erfindung hat es sich nun als möglich erwiesen,
ein Leck schnell zu erfassen, ohne daß die
Wärmetauschbereiche der beiden Wärmetauschplatten jedes
Doppelwandelements beabstandet gehalten werden müßten. Daher scheint
das Problem der Möglichkeit, ein Leck in einem
Plattenwärmetauscher der in Frage stehenden Art schnell zu erfassen,
primär nicht daraus entstanden zu sein, daß die
Wärmetauschbereiche der Platten jedes Doppelwandelements in
enge Berührung gepreßt worden sind, sondern aus dem
Umstand, daß man die Dichtbereiche dieser Platten mittels
der Dichtelemente so kräftig aufeinandergedrückt hat, daß
ausgetretenes Fluid zwischen den Platten innerhalb der
ununterbrochen um die Wärmetauschteile herumverlaufenden
Dichtbereiche eingeschlossen blieb.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist
zwischen den Wärmetauschplatten jedes Doppelwandelements
in den besagten Teilen der Dichtbereiche der Platten ein
Abstandselement angeordnet.
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In einer alternativen Ausführungsform ist in mindestens
einer der Wärmetauscherplatten eine Nut ausgebildet, die
den Kanal bildet.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezug auf die
beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen die
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Fig. 1 schaubildlich einen erfindungsgemäßen
Plattenwärmetauscher mit acht voneinander getrennten
Wärmetauschplatten; die
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Fig. 2 schaubildlich einen Schnitt durch einige
Wärmetauschplatten in einem erfindungsgemäßen
Plattenwärmetauscher; die
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Fig. 3 einen Schnitt durch Teile von zwei
Wärmeaustauschplatten entlang einer Linie III-III in
Fig. 2, und die
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Fig. 4 einen dem der Fig. 3 entsprechenden Schnitt
durch zwei Wärmetauschplatten in einem
Plattenwärmetauscher nach einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung zeigen.
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Der in Fig. 1 gezeigte Plattenwärmetauscher hat acht
Wärmeaustauschplatten 1 - 8, die zu Doppelwandelementen 9
- 12 gepaart sind. Die Doppelwandelemente bilden zwischen
sich Strömungskanäle 13 - 15 für die beiden Fluide. In der
dargestellten Ausführungsform sind alle Wärmetauschplatten
1 - 8 identisch ausgeführt und aus einem dünnen Blech
gefertigt, in das Wellungen in Form von Leisten 16 und
Tälern 17 eingepreßt sind. Diese Rippen 16 und Täler 17
bilden auf den entsprechenden Seiten jeder Platte in deren
Wärmetauschbereich 18 ein Fischgrätenmuster. Jede
Wärmetauschplatte ist rechteckig und weist in den Eckbereichen
jeweils eine Durchflußöffnung 19 - 22 auf. Die beiden
Wärmetauschplatten jedes Doppelwandelements sind so
orientiert, daß ihre Fischgrätenmuster gleichlaufen und ihre
Durchflußöffnungen fuchten.
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Aufeinanderfolgende Paare von Doppelwandelementen 9 und
10, 10 und 11 bzw. 11 und 12 sind in ihren Ebenen um 180º
so gegeneinander verdreht, daß ihre Durchflußöffnungen in
den Eckbereichen über den gesamten Stapel von
Doppelwandelementen miteinander fluchten.
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Zusätzlich zum mittigen Wärmeaustauschbereich 18 hat jede
Wärmeaustauschplatte 1 - 8 Dichtbereiche. Einer dieser
Dichtbereiche umgibt den Wärmetauschbereich. Der Rest der
Dichtbereiche umgibt die Durchflußöffnungen 19 - 22 der
Wärmetauschplatten. Abhängig von der Position der
Wärmetauschplatte im Plattenwärmetauscher liegt ein
Dichtelement an einer oder beiden Seiten der Wärmetauschplatten
1 - 8 in deren Dichtbereichen an, teils um die
Strömungskanäle 13 - 15 zwischen den Doppelwandelementen 9 - 12
dicht abzuschließen, und teils um die von den
Strömungsöffnungen 19 - 22 gebildeten Kanäle dicht abzuschließen.
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Wie die verschiedenen Wärmetauschplatten, wenn
aneinandergedrückt, dicht abschließend aneinanderliegen sollen,
ist in Fig. 1 mit gestrichelten Linien gezeigt. Die
Wärmetauschplattenpaare 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 bzw. 7 und
8 jeweils eines und desselben Doppelwandelements 9, 10, 11
und 12 sind nur um die vier Durchflußöffnungen 19 - 22
herum fest aufeinandergedrückt. Da die Wärmetauschplatten
in ein und demselben Doppelwandelement im
Plattenwärmetauscher gleichgerichtet sind, liegen die Rippen 16 bspw.
der Wärmetauschplatte 2 in den Tälern auf der Rückseite
der Wärmetauschplatten 1, die von den Rippen 16 auf deren
Vorderseite gebildet sind. Dadurch entsteht eine große
Kontaktfläche für den Wärmetausch zwischen den
Wärmetauschplatten eines Doppelwandelements im wesentlichen
über sämtliche Flächenteile derselben. Normalerweise
strömt kein Fluid zwischen diesen Wärmetauschplatten 1 und
2.
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Auf die gleiche Weise sollen die Platten 3 und 4, 5 und 6
bzw. 7 und 8 einen guten Flächenkontakt miteinander haben
und nur um die Durchflußöffnungen 19 - 22 herum
aufeinandergedrückt sein.
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Nebeneinanderliegende Wärmetauschplatten wie bspw. die
Wärmetauschplatten 2 und 3, die zu verschiedenen
Doppelwandelementen gehören und in der Plattenebene um 180º
gegeneinander verdreht sind, sollen gemeinsam einen
Strömungskanal 13 für das eine Fluid begrenzen. Zu diesem
Zweck sind diese Wärmetauschplatten nur teils entlang
ihrer Dichtbereiche, die um die Wärmetauschbereiche der
Platten herumverlaufen und sie einschließen, und teils um
zwei der Durchflußöffnungen der Wärmetauschplatten 2 und 3
herum aufeinandergedrückt. Dies ist in Fig. 1 mit einer
gestrichelten Linie in der Wärmetauschplatte 3, die um den
Wärmetauschbereich 18 und die vier Durchflußöffnungen 19
- 22 verläuft, sowie durch eine gestrichelte Linie
dargestellt, die um die Durchflußöffnung 21 verläuft. Eine
entsprechende gestrichelte Linie sollte um die
Durchflußöffnung 20 der Wärmetauschplatte 3 gezeigt sein, die im
dargestellten Beispiel von dem gleichen Fluid durchflossen
wird wie die Durchflußöffnung 21. Diese Durchflußöffnung
20 ist jedoch durch die vor ihr liegende Wärmetauschplatte
2 verdeckt.
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Im Zwischenraum zwischen den nebeneinanderliegenden
Wärmetauschplatten 2 und 3 kreuzen und berühren die Rippen
16 der Wärmetauschplatten die auf der Rückseite der
Wärmetauschplatte 2, die die Täler 17 auf der Vorderseite
dieser Platte 2 bilden. Zwischen den Berührungspunkten auf
diesen Wärmetauschplatten 2 und 3 ist ein Strömungskanal
13 gebildet, der in Strömungsverbindung mit den
Durchflußöffnungen 20, 21 rechts in der Wärmetauschplatte 2 (in
Fig.1) und mit den Durchflußöffnungen 19 und 22
unmittelbar vor diesen in der Wärmetauschplatte 3 steht, während
der Strömungskanal 13 gegen den Rest der
Durchflußöffnungen in diesem beiden Wärmetauschplatten dicht
abgeschlossen ist. Die Wärmetauschplatten 6 und 7 wirken auf die
gleiche Weise zusammen wie die Wärmetauschplatten 2 und 3
und bilden einen Strömungskanal 15, der parallel zum
Strömungskanal 13 zwischen den Wärmetauschplatten 2, 3
verläuft. Die Wärmetauschplatten 4 und 5 wirken auf
entsprechende Weise zusammen; in diesem Fall steht jedoch der
Strömungskanal 14 zwischen diesen beiden Platten 4 und 5
in Strömungsverbindung mit den Durchflußöffnungen 19 und
22 links in der Wärmetauschplatte 5 (in Fig. 1) und mit
den Öffnungen 20 und 21 in der Wärmetauschplatte 4
unmittelbar vor diesen Öffnungen.
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Die Durchflußöffnungen 19 - 22 der Wärmetauschplatten
bilden durch das Plattenpaket verlaufende Kanäle für zwei
Wärmetauschfluide. Mit Pfeilen ist in Fig. 2 gezeigt, wie
ein erstes Fluid F1 über die Öffnung 20 in der
Wärmetauschplatte 1 in das Plattenpaket eingeleitet wird und
über die Öffnung 21 der gleichen Platte zurückkehrt und
wie ein zweites Fluid F2 über die Öffnung 22 in der Wärme
tauschplatte 1 in das Paket eingeleitet wird und über die
Öffnung 19 in der gleichen Platte zuruckkehrt. Wie
dargestellt, strömt das Fluid F1 im Betrieb des
Plattenwärmetauschers durch die parallelgeschalteten Strömungskanäle
13 und 15, das Fluid F2 durch den Strömungskanal 14.
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Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch Teile der vier
Doppelwandelemente 23, 24, 25 und 26 eines erfindungsgemäßen
Plattenwärmetauschers. Der Schnitt ist durch einen
Dichtbereich geführt, der einen Wärmetauschbereich bspw. in dem
Oberfläche eines Doppelwandelements umgibt, der in Fig. 1
markiert und dem das Bezugszeichen 27 zugeteilt wurde.
Entlang des Dichtbereichs liegen die Doppelwandelemente
über die Dichtelemente 28,29, 30 bzw. 31 aneinander an,
die in einer Dichtnut in den Doppelwandelementen
angeordnet sind und die Strömungskanäle 32, 33 und 34 umgrenzen
und sie gegen die Umgebung 35 des Plattenwärmetauschers
dicht abschließen.
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Um einem durch eine Wärmetauschplatte hindurchtretenden
Fluid das Entweichen an die Umgebung des
Plattenwärmetauschers zu erleichtern, ist zwischen den Wärmetauschplatten
der Doppelwandelemente 23 - 26 jeweils ein Abstandselement
36 - 39 angeordnet, um auf den Seiten desselben einen
Kanal 40 bzw. 41 zu schaffen, der einen bereich innerhalb
dieses Dichtbereichs mit der Umgebung des
Plattenwärmetauschers verbindet. In dem dargestellten Beispiel besteht
das Abstandselement aus einem Metallband, das zwichen die
Wärmetauschplatten im Doppelwandelement eingelegt ist. Das
Metallband verläuft quer über den Boden der Dichtnut und
auf deren beiden Seitenflanken hinauf. Wie die Kanäle 40
und 41 gebildet sind, ergibt sich aus der
Schnittdarstellung der Fig. 3 des Doppelwandelements 23 mit dem entlang
der Dichtnut verlaufenden Dichtelement 28 und dem
Metallband 36.
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Alternativ kann der Kanal gebildet werden, in dem man in
mindestens einer der Wärmetauschplatten eines
Doppelwandelements konstruktiv eine Nut vorsieht. Eine solche
Ausführungsform ist in Fig. 4 gezeigt. Der Schnitt der Fig. 4
entspricht dem der Fig. 3; anstelle der in Fig. 3
gezeigten, durch ein Metallband 36 gebildeten Kanäle ist ein
Kanal 42 quer über die Dichtnut ausgebildet. In dem
dargestellten Beispiel ist in die beiden Wärmetauschplatten
eines Doppelwandelements jeweils eine Nut derart
eingepreßt, daß sie unter Bildung eines Kanals 42
zusammenwirken.
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In der in den Fig.2 - 4 dargestellten Ausführungsform wird
der Kanal (bzw. werden die Kanäle) gebildet durch ein
Abstandselement oder eine Nut. Natürlich kann eine beliebige
Anzahl Kanäle vorliegen, wobei die beiden
Wärmeaustauschplatten jedes Doppelwandelements zwischen diesen Kanälen
direkt aneinanderliegen. In dem in Fig. 2 gezeigten
Beispiel liegen die Abstandselement durch den Stapel der
Doppelwandelement hindurch unmittelbar voreinander. Es ist im
Rahmen der Erfindung jedoch möglich, die Abstandselemente
oder Nuten in Längsrichtung der Dichtnut auch
gegeneinander versetzt anzuordnen.
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In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung ist das
in die Wärmetauschbereiche der Wärmetauschplatten
eingepreßte Muster in Gestalt von Rippen und Tälern
ausgebildet; es sind jedoch Vorsprünge und Vertiefungen in
vielfältiger anderer Gestalt möglich.
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Damit austretendes Fluid schnell genug austreten kann,
sind nur geringe Abmessungen der Abstandselemente oder
Nuten erforderlich. In einem Beispiel eines
Plattenwärmetauschers diese Art liegt die Dicke der Wärmetauschplatten
zwischen 0,25 mm und 0,6 mm. Es hat sich herausgestellt,
daß man eine ausreichende Strömung des austretenden Fluids
mit einem Metallband von 0,05 bis 1 mm Dicke oder mit
einer Nut von 0,04 mm Tiefe erreicht. Damit erreicht man
einen guten Flächenkontakt zwischen den
Wärmetauschbereichen der Wärmetauschplatten eines Doppelwandelements,
während sich gleichzeitig eine mögliche Undichtigkeit schnell
erfassen läßt.