DE69102755T2

DE69102755T2 - Plattenverdampfer.

Info

Publication number: DE69102755T2
Application number: DE69102755T
Authority: DE
Inventors: Leif Hallgren
Original assignee: Alfa Laval Thermal AB
Current assignee: Alfa Laval Thermal AB
Priority date: 1990-05-08
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2011-04-30
Also published as: ES2060386T3; DK0485555T3; SE9001633L; BR9105744A; DE69102755D1; EP0485555B1; EP0485555A1; US5226474A; WO1991017406A1; SE9001633D0; SE466171B; JPH04506996A; JP2968042B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher zum Verdampfen einer Flüssigkeit, der ein Paket aus aneinanderliegenden rechteckigen und im wesentlichen vertikal angeordneten Wärmetauschplatten aufweist, die zwischen sich Strömungsräume einschließen und mit Wellungsmustern aus Rippen und Tälern versehen sind, wobei die Rippen in mindestens einem Teil jedes Strömungsraums einander kreuzend aneinanderliegen und eine Anzahl von Stützpunkten zwischen nebeneinanderliegenden Wärmetauschplatten bilden, wobei jeder zweite Strömungsraum einen Verdampfungskanal bildet, der unten einen Zulauf für Flüssigkeit und oben an einer der vertikalen Seiten der Wärmetauschplatten einen Ablauf für Flüssigkeit und erzeugten Dampf aufweist, und wobei die übrigen Strömungsräume Kanäle für ein Heizfluid bilden, die oben nahe den anderen vertikalen Seiten der Wärmetauschplatten Zuläufe und unten Abläufe aufweisen.
Bei einem bekannten, in der DE 3721132 A1 beschriebenen Plattenwärmetauscher dieser Art weist der Hauptteil des Wärmetauschbereichs jeder Wärmetauschplatte über seine gesamte Fläche ein und dasselbe Wellungsmuster auf. Dies ist hinsichtlich der Wärmetauschkapazität des Plattenwärmetauschers nicht effektiv.
Bei dem bekannten Plattenwärmetauscher verläuft weiterhin durch das Paket aus Wärmetauschplatten eine Ablaufleitung für Flüssigkeit und erzeugten Dampf, die von miteinander fluchtenden Öffnungen in den Wärmetauschplatten gebildet ist. Die Öffnungen werden so groß wie möglich gestaltet, damit der Strömungswiderstand der Ablaufleitung für den erzeugten Dampf so niedrig wie möglich ist. In der Praxis wurde ein großer Teil des oberen Bereichs jeder Wärmetauschplatte für diese Öffnung benutzt. Da auch eine Zulaufleitung für das Heizfluid durch den Oberteil des Pakets der Wärmetauschplatten verlaufen muß war es nicht möglich, die gesamte Breite der Wärmetauschplatten nur für die Ablaufleitung auszunutzen. So entstanden in jedem Verdampfungskanal zwischen dem Zulauf und dem Ablauf unterschiedlich lange Strömungswege für unterschiedliche Teile der zugeführten Flüssigkeit und des aus dieser erzeugten Dampfes.
Da die bekannten Wärmetauschplatten im Wärmetauschbereich ein einziges Wellungsmuster aufweisen und daher der Strömungswiderstand pro Längeneinheit jedes Strömungsweges für Flüssigkeit und erzeugten Dampf in jedem Verdampfungskanal gleich ist, ist der Gesamtströmungswiderstand des längsten Strömungswegs am größten. Daher nimmt die geringste Flüssigkeits- und Dampfmenge diesen Weg. Infolgedessen erhält nicht die gesamte behandelte Flüssigkeit die gleiche Wärmebehandlung und es besteht entlang des längsten Strömungswegs - vor allem nahe dem Heizfluidzulauf - die Gefahr des Austrocknens.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, den Wirkungsgrad eines Plattenwärmetauschers der oben beschrieben Art zu erhöhen und für eine gleichmäßige Qualität der abgegebenen Flüssigkeit und des erzeugten Dampfs zu sorgen.
Ein erfindungsgemäßer Plattenwärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Verdampfungskanal nahe seinem Flüssigkeitszulauf mindestens eine Wärmetauschplatte mit einer Vielzahl von Zonen versehen ist, die unterschiedlich gewellt und zwischen den vertikalen Seiten der Wärmetauschplatte über deren Breite seitlich nebeneinander angeordnet sind, wobei die Rippen und Täler der Wärmetauschplatten im Bereich dieser Zonen zur Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit in den Verdampfungskanälen unterschiedlich winklig liegen und ihre Winkel so gewählt sind, daß infolge ihrer unterschiedlichen Richtung die Rippen und Täler zusammenwirkend miteinander in jedem Verdampfungskanal in der Hauptströmungsrichtung einen Strömungswiderstand erzeugen, der von der einen zur anderen vertikalen Seite der Wärmetauschplatten allmählich abnimmt.
Es ist bekannt, daß der Wärmeübergang zwischen jeder von zwei Wärmetauschplatten und einem durch den Raum zwischen ihnen strömenden Wärmetauschfluid davon beeinflußt wird, wie die aneinanderliegenden Rippen der Wellung in den Wärmetauschplatten einander kreuzen und relativ zur Hauptströmungsrichtung des Wärmetauschfluids verlaufen. Kreuzen die Rippen einander mit einem stumpfen Winkel bezüglich der Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit, erhält man einen höheren Druckabfall und einen effizienteren Wärmeübergang als bei einem spitzen Kreuzungswinkel bezüglich der Hauptströmungsrichtung. Bei einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher läßt diese Technik sich zum Erzeugen unterschiedlicher Strömungswiderstände und dadurch eines unterschiedlich starken Wärmeübergangs in den verschiedenen Beeichen der Kanäle zwischen den Platten nahe dem Flüssigkeitszulauf ausnutzen.
Strömt in einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher eine Flüssigkeit durch einen Verdampfungskanal aufwärts, wobei es an einer vertikalen Seite de Wärmetauschplatten beginnend allmählich verdampft, ist im Verdampfungskanal nahe dieser einen Seite ein größerer Raum für den erzeugten Dampf erforderlich. Die von unten zuströmende Flüssigkeit wird zwangsweise so über den Verdampfungskanal verteilt, daß einögrößere Menge Flüssigkeit nahe einer vertikalen Seite der Wärmetausch strömt als wenn die Flüssigkeit auf dem gleichen Niveau beginnend über die gesamte Breite der Wärmetauschplatte verdampft. Im Resultat wird die Wärmeübergangsfläche der Wärmetauschplatten auf die wirksamste Weise genutzt. Da weiterhin mehr Flüssigkeit als sonst nahe dem Zulauf für das Heizfluid strömt, verringert sich die Gefahr eines Austrocknens in einem Teil jedes Verdampfungskanals.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers sind die Wellungsmuster der Wärmetauschplatten so angelegt daß die Differenz der von den Rippen und Tälern des Wellungsmusters erzeugten Strömungswiderstands von der einen zur anderen Seite der Wärmetauschplatte im wesentlichen im unteren Teil jedes Verdampfungskanals liegt, in dem im Betrieb die zugeführte Flüssigkeit noch nicht wesentlich verdampft ist, während die entsprechende Differenz des Strömungswiderstands auf anderen Niveaus jedes Verdampfungskanals erheblich geringer ist oder nicht existiert. Dadurch erhält man den erwünschten Verteilungseffekt für die Flüssigkeit und den Dampf in jedem Teil des Verdampfungskanals, ohne daß ein unerwünschter Widerstand gegen eine effiziente Verteilung des zuströmenden Heizfluids (normalerweise Wasserdampf) im oberen Teil der Kanäle für dieses Fluid entsteht. Eine in eine Wärmetauschplatte der vorliegenden Art eingepreßte Wellung aus Rippen und Tälern wirkt auf die Strömungen beiderseits der Platte ein. Im unteren Teil der Kanäle für den Heizdampf ist der größere Teil des Dampf es bereits kondensiert.
Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Fig. 1 zeigt schaubildlich eine Sprengdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers mit zwei Wärmetauschplatteneinheiten;
Fig. 2 zeigt schaubildlich eine Wärmetauschplatte einer ersten Art von vorn; und
Fig. 3 zeigt schaubildlich eine Wärmetauschplatte einer zweiten Art von vorn.
Der in Fig. 1 gezeigte Plattenwärmetauscher weist zwei Arten von rechteckigen länglichen Wärmetauschplatten 1, 2 mit unterschiedlichen eingepreßten Wellungsmustern auf. Die Wärmetauschplatten, die auf herkömmliche Weise in einem Rahmen (nicht gezeigt) zusammengehalten werden sollten, können mit Gummidichtungen entlang den Kanten versehen sein, um die Strömungsräume 3 zwischen ihnen auszubilden; alternativ können sie auch permanent zusammengefügt - bspw. verlötet, verschweißt oder verklebt - sein.
In die Wärmetauschplatten 1 und 2 ist ein Wellungsmuster aus Rippen und Tälern eingepreßt, wobei die Rippen von zwei aufeinanderfolgenden Wärmetauschplatten in den Strömungsräumen 3 einander kreuzen und aneinanderliegen, um eine Anzahl von Stützpunkten zwischen den Wärmetauschplatten zu bilden. Jeder zweite Strömungsraum 3 bildet einen Kanal 4 zum Verdampfen einer Flüssigkeit; dieser Kanal steht in Strömungsverbindung mit einem Flüssigkeitszulauf 5 im Unterteil der Wärmetauschplatten sowie mit einem Ablauf 6 für Flüssigkeit und erzeugten Dampf, der durch den Oberteil der Wärmetauschplatten verläuft. Die übrigen Strömungsräume bilden zweite Kanäle 7 für ein Heizfluid, die mit einem Wasserdampfzulauf 8 im Oberteil der Wärmetauschplatten sowie zwei Kondensatabläufen 9 in Strömungsverbindung stehen, die durch den Unterteil der Wärmetauschplatten verlaufen.
Der in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscher ist hauptsächlich für das Verdampfen oder Konzentrieren verschiedener Flüssigprodukte durch Kletterverdampfung gedacht. Die langen Seiten der Wärmetauschplatten 1 und 2 sind vertikal angeordnet und zu verdampfende Flüssigkeit wird den Kanälen 4 unten zu- und von ihnen oben abgeführt.
Ist ein Gegenstrom-Wärmetausch bevorzugt, wird der Plattenwärmetauscher als Rieselverdampfer mit Wasserdampf als Heizmedium eingerichtet, der den Kanälen 7 oben zugeführt wird; das erzeugte Kondensat geht aus den Kanälen 7 unten ab.
Die Wärmetauschplatten 1 und 2 weisen jeweils einen unteren Verteilungsbereich 15, einen zu verschiedenen, waagerecht verlaufenden Bereichen 17, 18 und 19 mit unterschiedlichen Wellungsmustern unterteilten Wärmetauschbereich 16 sowie einen oberen Verteilungsbereich 20 auf. Der untere Verteilungsbereich 15 ist so angeordnet, daß in jedem Kanal 4 Flüssigkeit vom Zulauf 5 im wesentlichen aufwärts zum Wärmetauschbereich 16 und in jedem Kanal 7 Kondensat vertikal sowohl abwärts als auch aufwärts zu den Abläufen 9 gefördert wird. Der obere Verteilungsbereich ist auf die in der US-PS 37 38 090 ausführlicher beschriebene Weise ausgebildet.
Der untere, horizontal verlaufende Bereich 17 ist zu einer Anzahl von Zonen 23, 24, 25 und 26 mit unterschiedlichen Wellungsmustern unterteilt, die in jedem der Verdampfungskanäle nebeneinander nahe dem Zulauf 5 für die Flüssigkeit angeordnet sind. Die Rippen und Täler in den Zonen 23, 24, 25, und 26 sind so gerichtet, daß sie zusammenwirkend der aufwärtsströmenden Flüssigkeit und dem erzeugten Dampf in jedem Verdampfungskanal 4 einen Strömungswiderstand entgegensetzen, der von der einen zur anderen vertikalen Seite der Wärmetauschplatten allmählich abnimmt. Hierdurch erhält man in den Verdampfungskanälen 4 zwischen den vertikalen Seiten eine gewünschte Verteilung der Flüssigkeitsströmung.
In die in den Fig. 2 und 3 gezeigten Wärmetauschplatten 1 und 2 sind an jedem Ende Löcher eingestanzt. Diese Löcher bilden einen unteren Anschluß 10A bzw. 10B für zu verdampfende Flüssigkeit, einen oberen Anschluß 11A bzw. 11B für konzentrierte Flüssigkeit und erzeugten Dampf einen oberen Anschluß 12A bzw. 12B für Heizwasserdampf sowie zwei untere Anschlüsse 13A, 14A bzw. 13B, 14B für Kondensat und ggf. nichtkondensierten Wasserdampf des Heizmittels.
Die Wärmetauschplatten 1 und 2 sind weiterhin mit unteren Verteilungsbereichen 15 bzw. 15B, oberen Verteilungsbereichen 20A bzw. 20B sowie Wärmetauschbereichen 16A bzw. 16B ausgeführt, wobei letztere zu verschiedenen, horizontal verlaufenden Zonen 17A, 18A, 19A bzw. 17B, 18B, 19B mit unterschiedlichen Wellungsmustern unterteilt sind. Die unteren Bereiche 17A bzw. 17B jeder Platte sind zu verschiedenen, vertikal verlaufenden Zonen 23A, 24A, 25A, 26A bzw. 23B, 24B, 25B, 26B mit unterschiedlichen Wellungsmustern unterteilt.
Die Wärmetauschplatte 1 hat auf einer Seite eine Anzahl von Nuten 21, die eine einheitliche Dichtung aufnehmen. Die Dichtung verläuft um die Anschlußöffnungen 10A bzw. 10B sowie um den gesamten Umfang de Platte herum. Entsprechend enthält die Wärmetauschplatte 2 eine Anzahl von Nuten 22 zur Aufnahme einer Dichtung, die um jedes Anschlußloch 12B, 13B und 14B sowie um den gesamten Umfang der Platte herumverläuft. Die Dichtungen sind so angeordnet, daß sie einen dichten Abschluß zwischen aufeinanderfolgenden Wärmetauschplatten 1 und 2 herstellen. Alternativ können Dichtungsnuten so hergestellt sein, daß zwei aufeinanderfolgende Platten mit einander zugewandten Nutenböden verschweißt werden, wobei nur jeder zweite Zwischenraum mit einer Dichtung versehen ist, die in diesem Fall in die einander zugewandten Nuten von nebeneinanderliegenden Wärmetauschplatten eingelegt ist.
In den horizontal verlaufenden Bereichen 17A-19A bzw. 17B- 19B sind die Rippen und Täler unter unterschiedlichen Winkeln gegen die Soll-Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit geneigt. Insbesondere nimmt das Gefälle von einer zur nächsten Zone von unten nach oben ab.
Teilweise oder vollständig zu verdampfende Flüssigkeit wird dem Plattenwärmetauscher durch den Zulauf 5 im Unterteil der Wärmetauschplatten zugeführt und strömt dann aufwärts durch den Kanal 4. Die Flüssigkeit wird zwischen den unteren Verteilungsbereichen 15A und 15B gleichmäßig über die Breite der Wärmetauschplatten verteilt. Zwischen den Wärmetauschbereichen 16A und 16B durchläuft die Flüssigkeit zunächst die Bereiche 17A und 17B, die die vier Zonen 23A, 24A, 25A, 26A bzw. 23B, 24B, 25B, 26B aufweisen. Die Zonen 23A und 23B, die sich an einer vertikalen Seite der Platte befinden, enthalten ein Wellungsmuster, das der in den Verdampfungskanälen 4 aufwärtsströmenden Flüssigkeit einen verhältnismäßig hohen Strömungswiderstand entgegensetzt, d.h. die Rippen in den Platten kreuzen einander mit einem verhältnismäßig großen Winkel gegen die Strömungsrichtung der Flüssigkeit. Der Wärmeübergang zwischen den Platten und der Flüssigkeit wird also verhältnismäßig wirkungsvoll, so daß in diesen Teilen der Kanäle 4 verhältnismäßig früh Dampf erzeugt wird.
In den Wellungszonen 23A-26A bzw. 23B-26B sind die Rippen und Täler unterschiedlich gegen die Soll-Stromungsrichtung der Flüssigkeit geneigt. Das Gefälle nimmt von einer zur anderen Zone und von einer zur anderen vertikalen Seite jeder Platte ab. In der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung beträgt der Winkel α der Platte 1 zwischen der Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit (vertikal strichpunktiert gezeigt) und der Richtung der Wellungsrippen -40º in der Zone 23A, -36º in der Zone 24A, -30º in der Zone 25A und -22º in der Zone 26A. In der Platte 2 beträgt der Winkel β zwischen der Strömungsrichtung der Flüssigkeit und der Richtung der Wellungsrippen +40º in der Zone 23B, +36º in der Zone 24B, +30º in der Zone 25B und +22º in de Zone 26B. Folglich beträgt der von den sich kreuzenden Rippen der Platten 1, 2 eingeschlossene Winkel 80º in den Zonen 23A-B, 72º in den Zonen 24A-B, 60º in den Zonen 25A-B sowie 22º in den Zonen 26A-B. Für die Bereiche 17A und 17B beträgt der Winkel durchschnittlich ca. 64º. Der entsprechende Winkel ist 50º in den Bereichen 18A-B und 40º in den Bereichen 19A-B. Die für diese Winkel angegebenen Werte wurden im Hinblick auf eine bestimmte Wärmetauschaufgabe des vorliegenden Plattenwärmetauschers gewählt. Für andere Wärmetauschaufgaben sind natürlich auch andere Werte möglich.
Aus den Räumen zwischen den Bereichen 17A und 17B strömen Flüssigkeit und erzeugter Dampf im Verdampfungskanal weiter aufwärts zwischen die Bereiche 18A und 18B sowie die Bereiche 19A und 19B, in denen de Winkel zwischen den sich kreuzenden Rippen allmählich abnimmt, d.h. der von den Rippen zur Strömungsrichtung gebildete Winkel wird immer spitzer. Daher nimmt der der Flüssigkeit und dem erzeugten Dampf entgegengesetzte Strömungswiderstand im Bereich der Plattenteile 17A und 17B teils von einer zur anderen vertikalen Seite und teils in der Strömungsrichtung der Flüssigkeit in den Bereichen 17A-19A und 17B-19B allmählich ab. Flüssigkeit und erzeugter Dampf strömen dann weiter in die oberen Verteilungsbereiche 20A und 20B und gehen durch den Ablauf 6 ab.
In den Kanälen 7 für das Heizmedium erfolgt die Strömung in entgegengesetzter Richtung. So wird Wasserdampf durch den Wasserdampfzulauf 8 (Fig. 1) zugeführt und trifft in den Kanälen 7 auf einen allmählich steigenden Strömungswiderstand. Die Fig. 1 zeigt zwei Kondensatabläufe 9, es ist aber nur einer erforderlich. Da der Strömungswiderstand zwischen den Bereichen 17A und 17B der Platten an einer vertikalen Seite jeder Wärmetauschplatte höher ist als an der anderen, wird die Verteilung des Heizfluids in den unteren Teilen der Kanäle 7 beeinflußt. Da der seitlich unterschiedliche Strömungswiderstand auf die unteren Teile der Kanäle 7 beschränkt ist, wo der Hauptanteil des zugeführten Wasserdampfs bereits kondensiert ist, wird dadurch die Verteilung des Wasserdampfs in den oberen Bereichen der Kanäle 7 nicht wesentlich beeinträchtigt.
In der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Erfindung enthalten beide Wärmetauschplatten 1 und 2 mehrere waagerechte Bereiche 17, 18 und 19 mit unterschiedlichem Wellungsmuster sowie im Bereich 17 mehrere verschiedene Zonen. Es dürfte jeedoch möglich sein, den gewünschten Effekt der Erfindung auch zu erreichen, wenn nur eine der Wärmetauschplatten derart unterteilt ist und die andere überall das gleiche Wellungsmuster aufweist. Weiter sind die verschiedenen Plattenbereiche 17A-19A, 23A-26A bzw. 17B-19B und 23B-26B als deckungsgleich dargestellt; alternativ können sie einander nur teilweise deckend angeordnet sein. Desgl. lassen die Anzahl sowie die Größe der Bereiche sich anders als hier dargestellt wählen.

Claims

1. Plattenwärmetauscher zum Verdampfen einer Flüssigkeitmit einem Paket aneinanderliegender rechteckiger und im wesentlichen vertikal angeordneter Wärmetauschplatten (1, 2), die zwischen sich Strömungsräume abgrenzen und mit Wellungsmustern aus Rippen und Tälern versehen sind, wobei die Rippen in mindestens einem Teil jedes Strömungsraums einander kreuzend aneinanderliegen und zwischen nebeneinanderliegenden Wärmetauschplatten (1, 2) eine Anzahl von Stützpunkten ausbilden, wobei jeder zweite Strömungsraum einen Verdampfungskanal (4) für die Flüssigkeit mit einem Flüssigkeitszulauf (5) im Unterteil und einem Ablauf (6) für Flüssigkeit und erzeugten Dampf im Oberteil nahe einer der vertikalen Seiten der Wärmetauschplatten bildet, während die übrigen Strömungsräume Kanäle (7) für ein Heizfluid bilden, die oben Zuläufe (8) nahe den anderen vertikalen Seiten der Wärmetauschplatten und unten Abläufe (9) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Verdampfungskanal (4) nahe an seinem Flüssigkeitszulauf (5) mindestens eine Wärmetauschplatte (1) mit einer Vielzahl von Zonen (23A - 26A) versehen ist, die unterschiedliche Wellungsmuster haben und quer über die Wärmetauschplatte seitlich nebeneinander zwischen den vertikalen Seiten der Wärmetauschplatten angeordnet sind, wobei die Rippen und Täler der Wärmetauschplatten (1, 2) im Bereich dieser Zonen unterschiedliche Winkel zur Hauptströmungsrichtung der Flüssigkeit in den Verdampfungskanälen (4) ausbilden und die Winkel so gewählt sind, daß die Rippen und Täler infolge ihrer unterschiedlichen Richtungen in jedem Verdampfungskanal (4) in dessen Hauptströmungsrichtung zusammenwirken, um einen Strömungswiderstand zu erzeugen, der von der einen zur anderen vertikalen Seite der Wärmetauschplatte allmählich abnimmt.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellungsmuster der Wärmetauschplatten so angelegt sind, daß die Differenz des von den Rippen und Tälern der Wellung erzeugten Strömungswiderstands von der einen zur anderen vertikalen Seite der Wärmetauschplatten im unteren Teil jedes Verdampfungskanals (4) konzentriert ist, in dem die während des Betriebs zugeführte Flüssigkeit noch nicht in einem wesentlichen Ausmaß verdampft ist.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jede zweite Wärmetauschplatte (1) mindestens drei Zonen aufweist, die nebeneinander angeordnet und mit unterschiedlichen Wellungsmustern ausgeführt sind.