DE69314788T2 - Plattenwärmetauscher für flüssigkeiten mit verschiedenen mengen - Google Patents

Plattenwärmetauscher für flüssigkeiten mit verschiedenen mengen

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher für den Wärmetausch zwischen zwei Flüssigkeiten bzw. Fluiden mit unterschiedlichem Volumendurchsatz, der mehrere im Prinzip rechteckige Wärmetauschplatten jeweils mit Zu- und Ablauföffnungen für die Flüssigkeiten bzw. Fluide in ihren Eckbereichen aufweist, die weiterhin einen mittig zwischen Zu- und Ablauföffnungen befindlichen Wärmetauschbereich sowie zwei Verteilbereiche aufweisen, die zwischen dem Wärmetauschbereich und den Zu- und Ablauföffnungen liegen und für die Verteilung der beiden Flüssigkeiten bzw. Fluide beim Lauf von den Zulauföffnungen zu den Wärmetauschbereichen ausgeführt sind.
  • Herkömmlich ausgeführte Plattenwärmetauscher weisen ein Paket identischer Wärmetauschplatten mit gleichen Zu- und Ablauföffnungen für beide Fluide auf. Ein solcher Wärmetauscher mit gleichartigen Zu- und Ablauföffnungen ist nur bei gleichem Durchsatz beider Wärmetauschfluide optimal. Ist für eines der Fluide der Durchsatz im Wärmetauscher geringer als der der anderen, ergeben sich für sie unterschiedliche Druckabfälle; da der Druckabfall dem Quadrat des Volumendurchsatzes proportional ist. Bei unterschiedlichem Durchsatz der Fluide kann also der Wärmetausch zwischen den Fluiden und den Wärmetauschplatten nicht auf beiden Seiten jeder Platte optimal sein.
  • Um bei einem sogen. asymmetrischen Durchsatz den Wärmetausch zwischen den Wärmetauschfluiden zu erhöhen, hat man vorgeschlagen, das Volumen der Strömungskanäle auf einer Seite der Wärmetauschplatten zu verringern (vergl. hierzu die EP 470 073) oder den Strömungswiderstand der Strömungskanäle durch eine Kombination unterschiedlicher Wellungsmuster der Wärmetauschplatten zu beeinflussen (vergl. hierzu die EP 88 316 oder die EP 204 880). Diese in der Vergangenheit vorgeschlagenen Anordnungen lassen nur eine geringe Asymmetrie des Durchsatzes der beiden Fluide zu, so daß der Wärmetausch hinsichtlich der Wärmetauschplatten nicht für beide Fluide gleich effektiv ist.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, bei einem Plattenwärmetauscher einen verbesserten Wärmetausch zwischen zwei Fluiden mit verschiedenem Volumendurchsatz zu erreichen. Ein zusätzliches Ziel ist, einen Plattenwärmetauscher anzugeben, der eine höhere Asymmetrie zwischen den Fluidströmungen als bei bekannten Plattenwärmetauschern zuläßt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Plattenwärmetauscher der eingangs beschriebenen Art dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ablauföffnungen der Wärmetauschplatten für das erste der beiden Fluide kleiner sind als die Zu- und Ablauföffnungen für das andere Fluid und daß die Wärmetauschplatten in ihren Verteilbereichen so ausgebildet sind, daß der Strömungswiderstand für das erste Fluid, das zwischen den Zu- und den Ablauföffnungen derselben und den Wärmetauschbereichen strömt, höher ist als der Strömungswiderstand für das andere Fluid, das zwischen den Zu- und Ablauföffnungen für das zweite Fluid und den Wärmetauschbereichen strömt.
  • Die vorliegende Erfindung zielt auf einen gleichen Druckabfall beiderseits der Wärmetauschplatten trotz unterschiedlicher Strömungen der beiden Wärmetauschfluide. So werden bspw. die Strömungsbedingungen für das erste Fluid, d.h. das Fluid mit dem geringeren Durchsatz, bezüglich des Wärmetausches optimiert, während gleichzeitig die Strömung für das andere Fluid, d.h. das Fluid mit dem höheren Durchsatz, vereinfacht wird.
  • Vorzugsweise kann der Strömungswiderstand für das erste Fluid höher angesetzt werden als der für das andere, indem an jedem Verteilungspunkt die Strömungsbahn für das erste Fluid länge gemacht wird als die für das andere.
  • Indem man weiterhin den Verteilbereich derart ausbildet, daß die Gesamtbreite der Strömung für das erste Fluid kleiner wird als die für das andere Fluid, kann man den Strömungswiderstand für das erste Fluid höher machen als für das andere.
  • Der Strömungswiderstand für die beide Fluide läßt sich auch ungleich machen, indem man die Einpreßmuster für die Verteilbereiche der Wärmetauschplatten auf einer Seite jeder Wärmetauschplatte mit einer geringeren Einpreßtiefe ansetzt als auf der anderen. M.a.W.: die Höhe der Verteilbereiche läßt sich so verschieben, daß die für die schwächere Strömung gedachte Seite der Wärmetauschplatten flachere Strömungskanäle als die für eine stärkere Strömung gedachte Seite aufweist. Dadurch steigt bei asymmetrischer Strömung der beiden Fluide die Möglichkeit eines effektiveren Wärmetausches.
  • Indem man weiterhin bei den Wärmetauschplatten teilweise die Zu- und Ablauföffnungen für die beiden Fluide unterschiedlich groß macht und teilweise in den Verteilbereichen ein Einpreßmuster vorsieht, um der Strömung in den größeren Öffnungen eine verhältnismäßig breite Zu- und Ablauffront und der Strömung in den kleineren Öffnungen eine verhältnismäßig schmale Zu- und Ablauffront zu erteilen, läßt sich die Strömungskapazität für die Strömung durch die größeren Öffnungen erhöhen und für die durch die kleineren Öffnungen verringern. Die Wärmetauschplatten lassen also eine hohe Asymmetrie zwischen den beiden Fluidströmungen zu, während für beide Fluide Strömungsbedingungen geschaffen werden, die für den Wärmetausch zwischen ihnen günstig sind.
  • Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen ausführlich erläutert werden.
  • Fig. 1 zeigt schaubildlich einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher;
  • Fig. 2 zeigt eine erste Wärmetauschplatte für den Plattenwärmetauscher nach Fig. 1;
  • Fig. 3 zeigt eine zweite Wärmetauschplatte für den Plattenwärmetauscher der Fig. 1; und
  • Fig. 4 zeigt eine alternativ aufgebaute Wärmetauschplatte für einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher.
  • Fig. 1 zeigt einen Plattenwärmetauscher 1 aus einem Paket aus dünnen Wärmetauschplatten 2, einer vorderen Abschlußplatte 3 und einer hinteren Abschlußplatte 4. Die vordere Abschlußplatte 3 enthält eine Zulauföffnung 5 und eine Ablauföffnung 6 für ein erstes Fluid mit verhältnismäßig geringer Strömung sowie eine Zulauföffnung 7 und eine Ablauföffnung 8 für ein zweites Fluid mit verhältnismäßig starker Strömung.
  • Die Wärmetauschplatten 2 werden durch Einpressen mit einem Muster in Form von Rippen und Tälern versehen; die Rippen abwechselnder erster und zweiter Wärmetauschplatten liegen aneinander an. Zwischen den Wärmetauschplatten angeordnete Dichtmittel grenzen in jedem zweiten Plattenzwischenraum einen Strömungsraum für das erste Fluid und in den verbleibenden Plattenzwischenräumen Strömungsräume für das andere Fluid ab.
  • Die Wärmetauschplatten 2 der Fig. 1 sind miteinander hartverlötet; alternativ lassen sich in einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher die Platten mittels eines Rahmens oder auf andere geeignete Weise zusammenhalten.
  • Die Fig. 2 zeigt eine erste Wärmetauschplatte 2a, die langgestreckt und im wesentlichen rechteckig ausgeführt ist und Zu- und Ablauföffnungen 5a, 6a bzw. 7a, 8a enthält. Die Zuund Ablauföffnungen liegen in den Eckbereichen 9a, 10a, 11a, 12a der.Wärmetauschplatte. Die Zu- und Ablauföffnungen 5a, 6a für das erste Fluid liegen auf einer langen Seite 13a, die Zu- und Ablauföffnungen 7a, 8a für das andere Fluid auf der anderen langen Seite 14a der Wärmetauschplatte. Die Wärmetauschplatte 2a ist für eine Parallelströmung konstruiert, d.h. die Hauptströmungsrichtungen der Fluide, die beiderseits der Wärmetauschplatte strömen, verlaufen parallel.
  • Erfindungsgemäß sind die Zu- und Ablauföffnungen 5a, 6a für das erste Fluid gleich, aber signifikant kleiner als die Zu- und Ablauföffnungen 7a, 8a für das andere Fluid ausgeführt. Auch die Zu- und Ablauföffnungen 7a, 8a sind gleich.
  • Weiterhin weist die Wärmetauschplatte 2a oben einen Verteilbereich 15a, unten einen Verteilbereich 16a und zwischen diesen einen Bereich 17a auf, der hauptsächlich für den Wärmetausch gedacht ist.
  • Der obere und der untere Verteilbereich 15a, 16a enthalten Einpreßmuster im wesentlichen nach der Lehre der GB-PS 1.357.282. Sie weisen folglich aneinandergrenzende Rippen 18a, die aus der Mittelebene der Wärmetauschplatte 2a aufwärts eingepreßt sind, sowie winklig zu den Rippen 18a angrenzende Täler 19a auf, die aus der Mittelebene abwärts eingepreßt sind. Da die Täler 19a auf der anderen Seite der Wärmetauschplatte 2a Rippen bilden, weist die Wärmetauschplatte auf beiden Seiten Rippen auf, die zusammen mit Zwischenbereichen der Platte Kanäle für die Wärmetauschfluide auf den beiden Seiten der Verteilbereiche 15a, 16a bilden. Die so gebildeten Kanäle verlaufen auf einer Seite der Platte winklig zu den Kanälen, die auf die gleiche Weise auf der anderen Seite der Platte ausgebildet sind.
  • Wie sich aus der Fig. 2 ergibt, verlaufen die Pippen 18a der jeweiligen Verteilbereiche 15a, 16a auf der Seite der Wärmetauschplatte im wesentlichen von den verhältnismäßig großen Öffnungen 7a, 8a zum Wärmetauschbereich 17a hin, während die Täler 19a im wesentlichen von den verhältnismäßig kleinen Öffnungen 5a, 6a zum Wärmetauschbereich 17a hin verlaufen.
  • Der Wärmetauschbereich 17a enthält Einpressungen in Form eines sogen. Fischgrätenmusters aus Rippen und Tälern.
  • Die Fig. 3 zeigt eine zweite Wärmetauschpaltte 2b, die mit der Wärmetauschplatte 2a nach Fig. 2 in einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher zusammenarbeiten soll. Einzelheiten der Wärmetauschpaltte 2b, die sich auch an der Wärmetauschplatte 2a finden, sind mit den gleichen, aber um den Index "b" (anstelle von "a") ergänzten Bezugszeichen versehen.
  • Bei der Wärmetauschplatte 2b sind in den Verteilbereichen 15b, 16b die Rippen 18b, 19b auf andere Weise als die entsprechenden Rippen 18a, 19a der Wärmetauschplatte 2a der Fig. 2 ausgebildet. So verlaufen die Rippen 18b im wesentlichen von den verhältnismäßig kleinen Öffnungen 5b, 6b zum Wärmetauschbereich 17b hin, während die Täler 19b im wesentlichen von den verhältnismäßig großen Öffnungen 7b, 8b zum Wärmetauschbereich 17b hin verlaufen.
  • Weiterhin unterscheidet der Wärmetauschbereich 17b der Wärmetauschplatte 2b sich vom entsprechenden Bereich 17a der Wärmetauschplatte 2a hinsichtlich der Richtungen der eingepreßten Rippen und Täler des Fischgrätenmusters.
  • Werden zwei Wärmetauschplatten 2a, 2b in einem Plattenwärmetauscher eng nebeneinander angeordnet, berühren in den Verteilbereichen 15a, 16a bzw. 15b, 16b der Platten die Rippen der einen die hierzu parallel verlaufenden Rippen der anderen Wärmetauschplatte. Im Bereich der Wärmetauschbereiche 17a, 17b kreuzen und berühren die Rippen des Fischgrätenmusters der Platten einander; es entsteht ein sogen. Kreuzwellungsmuster.
  • Zwischen zwei Wärmetauschplatten mit Wärmetauschbereichen, die unter Bildung eines Kreuzwellungsmusters zusammenwirken, in dem die sich kreuzenden Rippen - in Strömungsrichtung eines zwischen den Platten strömenden Fluids gesehen - stumpfe Winkel bilden, erfährt das Fluid einen sehr hohen Strömungswiderstand. Die Verteilbereiche der Wärmetauschplatte tragen in diesem Fall normalerweise einen sehr kleinen prozentualen Anteil des Strömungswiderstands im Plattenzwischenraum bei, obgleich die Strömungsgeschwindigkeit infolge der Plattengeometrie in den Verteilbereichen etwa doppelt so hoch ist wie im Hauptwärmetauschbereich.
  • Wärmetauschbereiche mit Fischgrätenmuster, die einen spitzen Winkel zwischen den sich kreuzenden Rippen bilden, ergeben demgegenüber einen geringen Strömungswiderstand; der Beitrag der Verteilbereiche zum Strömungswiderstand eines Plattenzwischenraums kann dann verhältnismäßig groß sein.
  • Erfindungsgemäß wird eine Asymmetrie zwischen den Volumendurchsätzen von zwei Wärmetauschfluiden aufgenommen, indem man den Strömungswiderstand für die verhältnismäßig stärkere Strömung kleiner als für die verhältnismäßig schwächere Strömung macht. Dies wird erreicht, indem man in den Wärmetauschplatten die Zu- und Ablauföffnungen für die stärkere Strömung größer als die für die schwächere Strömung und die Verteilbereiche für die stärkere Strömung breiter und kürzer, aber die für die schwächere Strömung entsprechend länger und schmaler macht.
  • Bspw. erhält in den Verteilbereichen 15a, 16a die Fluidströmung durch die verhältnismäßig großen Zu- und Ablauföffnungen 7a, 8a eine breite Zu- und Ablauffront, d.h. die gesamte Durchströmungsbreite ist auf einer Seite der Wärmetauschplatten, die für die verhältnismäßig starke Strömung gedacht ist, größer und auf der anderen Seite der Wärmetauschplatte, d.h. der für die verhältnismäig schwache Strömung, kleiner.
  • Weiterhin sind in den Verteilbereichen 15a, 16a die Strömungskan,äle für die schwache Strömung länger als die für die starke Strömung.
  • Im Einpreßmuster für die Verteilbereiche, wie es die Fig. 2 und 3 zeigen, kann auf Kosten des Strömungsquerschnitts der Kanäle für die schwächere Strömung (auf der einen Seite der Platte) der Strömungsquerschnitt der Kanäle für die starke Strömung (auf der anderen Seite eine Platte) noch weiter vergrößert werden, indem man die zwischen den aufwärts eingepreßten Rippen und den abwärts eingepreßten Tälern liegenden Plattenbereiche näher an den Boden der Täler als an den Kamm der Rippen legt.
  • Die Fig. 4 zeigt eine weitere Wärmetauschplatte 20, die sich von der in der Fig. 2 gezeigten Wärmetauschplatte 2a hauptsächlich dahingehend unterscheidet, daß eine Zulauföffnung 25 für ein erstes Fluid auf einer langen Seite 21 und eine Ablauföffnung 26 für das gleiche Fluid auf der zweiten langen Seite 22 der Wärmetauschplatte liegt, während eine Zulauföffnung 27 für ein zweites Fluid auf der zweiten langen Seite 22 und eine Ablauföffnung 28 für das anderen Fluid auf der einen langen Seite 21 der Wärmetauschplatte angeordnet sind. Die Wärmetauschplatte 20 ist für eine sogen. Diagonalströmung ausgeführt; die Hauptströmungsrichtungen der Fluide kreuzen einander also und verlaufen diagonal über die Platte 20.
  • Bei der Diagonalströmung braucht man zwei unterschiedliche Arten von Wärmetauschplatten (mit unterschiedlichen Einpreßmustern), damit die Einpreßmuster aneinandergrenzender Platten im Plattenwärmetauscher auf die gewünschte Weise zusammenwirken. Die erfindungsgemäßen Funktionen der mittigen Wärmetausch- sowie auch der Verteilbereiche sind bei für die Diagonalströmung gedachten Platten (Fig. 4) analog denen der Platten für eine Parallelströmung (Fig. 2 und 3).
  • Bei Parallelströmung läßt sich ein erfindungsgemäßer Plattenwärmetauscher mit Platten nur einer Art, d.h. mit identischen Einpreßmustern im Verteil- und im Wärmetauschbeeich erreichen, wenn man die Platten abwechselnd um 180º um eine Achse in der Plattenebene dreht. Dabei ist jedoch eine spezielle Abdichtung zwischen den Platten entlang deren Kanten und um deren Zu- und Ablauföffnungen herum erforderlich.
  • Eine Kombination von einer um 50 % breiteren Front für die stärkere als für die schwächere Strömung in den Verteilbereichen der Wärmetauschplatten und von um 50 % längeren Kanälen für die schwächere als für die stärkere Strömung kann die Strömungskapazität der Kanäle für die stärkere Strömung - im Vergleich zu denen für die schwächere Strömung - verdoppeln, und zwar bei gleichem Druckabfall für beide Strömungen in den jeweiligen Piattenzwischenräumen.
  • In einer Kombination von flacheren Kanälen für die schwächere mit tieferen Kanälen für die stärkere Strömung wurde eine Asymmetrie von 3:1 zwischen der stärkeren und der schwächeren Strömung in den Verteilbereichen erzielt.
  • Beschreibt der Wärmetauschbereich ein spitzwinkliges Fischgrätenmuster mit folglich verhältnismäßig geringem Strömungswiderstand, läßt sich das Verhältnis 3:1 über den gesamten Plattenwärmetauscher erreichen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher läßt sich der Druckabfall des strömenden Wärmetauschfluids beiderseits der Wärmetauschplatten trotz des Durchsatzunterschieds aufrechterhalten. Dies wird dadurch erreicht, daß die Strömungsbahn des verhältnismäßig schwach strömenden Fluids einen kleineren Strömungsquerschnitt erhält als die entsprechende Strömungsbahn in einem herkömmlichen Plattenwärmetauscher, bei dem die Zu- und Ablauföffnungen in den Wärmetauschplatten gleich groß sind. Dadurch konnte wiederum die Strömungsbahn für das verhältnismäßig stärker strömende Fluid mit einem größeren Querschnitt ausgeführt werden als die entsprechende Strömungsbahn in einem herkömmlichen Plattenwärmetauscher. Folglich kann ein erfindungsgemäßer Plattenwärmetauscher auf der Hochstromseite eine höhere Strömungskapazität und daher eine höhere Wärmetauschkapazität aufweisen als ein herkömmlicher Plattenwärmetauscher mit gewisser Asymmetrie zwischen den beiden Strömungen der Wärmetauschfluide.
  • Eine größere Wärmetauschkapazität der Wärmetauschplatten läßt sich unterschiedlich ausnutzen; für eine bestimmte Wärmetauschaufgabe kann ein erfindungsgemäßer Plattenwärmetauscher mit weniger Wärmetauschplatten auskommen als ein herkömmlicher; oder die Wärmetauschplatten können kleiner ausgeführt werden als herkömmlich konstruierte. Im letzteren Fall sinkt zusätzlich zum Aufwand für die Wärmetauschplatten selbst auch der für den Rahmen, der das Paket der Wärmetauschplatten zusammenhält. Bspw. lassen sich im letzteren Fall erfindungsgemäß ausgeführte langgestreckte Wärmetauschplatten dünner ausführen als herkömmliche. Desgl. kann der Rahmen dann dünner und folglich kostengünstiger ausgeführt werden.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, daß die Maßnahmen zum Vereinfachen der Asymmetrie der Fluidströmungen möglich sind, ohne die Widerstandsfähgikeit der Wärmetauschplatten (bei gleicher Dicke) gegen hohe Strömungsdrücke zu beeinträchtigen. Stütz- und Kontaktpunkte zwischen den Wärmetauschplatten können so nahe beieinander wie bei herkömmlichen Wärmetauschplatten liegen.
  • Es sind oben nur ein Einpreßmuster für die Verteil- und ein Einpreßmuster für die Wärmetauschbereiche der Wärmetauschplatten beschrieben. Andere geeignete Einpreßmuster liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen beschrieben ist.

Claims (6)

1. Plattenwärmetauscher zum Wärmetausch zwischen zwei Fluiden mit unterschiedlichem Volumendurchsatz mit mehreren im wesentlichen rechteckigen Wärmetauschplatten (2a, 20) jeweils mit Zu- und Ablauföffnungen (5a, 6a und 7a, 8a; 25, 26 und 27, 28) für die Fluide in ihren Eckbereichen (9a, 10a, 11a, 12a), einem Wärmetauschbereich (17a), der mittig zwischen zusammengehörenden Zu- und Ablauföffnungen liegt, sowie zwei Verteilbereichen (5a, 16a), die zwischen dem Wärmetauschbereich (17a) und zusammengehörigen Zu- und Ablauföffnungen liegen und so ausgebildet sind, daß sie die Fluide bei der Strömung von ihren Zulauföffnungen zu ihren Wärmetauschbereichen verteilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und Ablauföffnungen (5a, 6a; 25, 26) der Wärmetauscbplatten für das erste der beiden Fluide kleiner sind als die Zu- und Ablauföffnungen (7a, 8a; 27, 25) für das andere Fluid und daß die Wärmetauschplatten in ihren Verteilbereichen so ausgebildet sind, daß der Strömungswiderstand für das erste Fluid, das zwischen den Zu- und den Ablauföffnungen (5a, 6a; 25, 26) derselben und den Wärmetauschbereichen (17a) strömt, höher ist als der Strömungswiderstand für das andere Fluid, das zwischen den Zu- und Ablauföffnungen (7a, 8a; 27, 28) für das zweite Fluid und den Wärmetauschbereichen (17) strömt.
2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Strömungsweg über die Verteilbereiche (15a, 16a) für das erste Fluid länger ist als der Strömungsweg über die Verteilbereiche (15a, 16a) für das andere Fluid.
3. Plattenwärmetauscher nach einem der Anprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamt-Strömungsbreite der Verteilbereiche (15a, 16a) für das erste Fluid schmaler ist als für das andere Fluid.
4. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilbereiche (15a, 16a) ein Einpreßmuster aufweisen, bei dem die Einpreßtiefe auf der einen Seite tiefer ist als auf der anderen Seite der Wärmetauschplatten (2a; 20), so daß die Strömungskanäle für das erste Fluid weniger tief sind als die für das andere Fluid.
5. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschplatten länglich sind und daß die Zu- und die Ablauföffnungen (5a, 6a) für das erste Fluid auf einer langen Seite (13a) jeder Wärmetauschplatte und die Zu- und die Ablauföffnungen (7a, 8a) für das andere Fluid auf der zweiten langen Seite (14a) jeder Wärmetauschplatte angeordnet sind.
6. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuund die Ablauföffnungen (25 - 28) der Wärmetauschplatten so angeordnet sind, daß die beiden Haupt-Strömungsrichtungen für die Strömung der Fluide zwischen den Wärmetauschplatten einander schneiden und diagonal über die Wärmetauschplatten verlaufen.
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