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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung wird nun unter Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schaubildlich eine Sprengdarstellung eines
erfindungsgemäß ausgebildeten Wärmetauschers mit
zwei Wärmetauschplatteneinheiten;
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Fig. 2 zeigt schaubildlich eine Wärmetauschplatte einer
ersten Art von vorn; und
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Fig. 3 zeigt schaubildlich eine Wärmetauschplatte einer
zweiten Art von vorn.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.