DE69715919T2 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plattenwärmetauscher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein solcher Plattenwärmetauscher ist aus der WO 95/31687 A1 bekannt.
• In Plattenwärmetauschern der oben beschriebenen Art sind die Wärmeübertragungsplatten und deren Auskleidungen dünn und stehen in direktem Kontakt mit den Wärmetauschfluiden, deshalb nehmen diese Teile des Plattenwärmetauschers sehr schnell die Temperatur der Wärmetauschfluide an und sind dadurch schnellen Längenänderungen unterworfen. Die Rahmenplatten sind andererseits wesentlich dicker als die Wärmeübertragungsplatten und die Auskleidungen, und die Rahmenplatten stehen nicht in direktem Kontakt mit den Wärmetauschflüssigkeiten. Die Rahmenplatten stehen daher mit ihrer einen Innenseite in Kontakt mit den jeweiligen äußeren Wärmeübertragungsplatten des Plattenstapels und mit ihrer anderen Außenseite stehen sie in Kontakt mit der Umgebungsluft. Dadurch sind die Rahmenplatten einer kleineren und langsameren Längenänderung unterworfen als die Wärmeübertragungsplatten.
• Die unterschiedlichen Längenänderungen der Wärmeübertragungsplatten und der Rahmenplatten können zu Festigkeitsproblemen in der Auskleidung, in der Verbindung zwischen der Auskleidung und den äußeren Wärmeübertragungsplatten und in den Abschnitten um die Öffnungen der äußeren Wärmeübertragungsplatte führen. Um diese Festigkeitsprobleme zu verringern, wird die Auskleidung, wie eingangs erwähnt, radial beweglich in Bezug auf die Rahmenplatte angeordnet. Eine Anordnung dieser Art ist in der WO 95/31687 A1 beschrieben.
• Die radiale Beweglichkeit der Auskleidung relativ zur Rahmenplatte macht einen Spalt zwischen der Auskleidung und der Rahmenplatte erforderlich. Dieser Spalt führt dazu, daß die äußere Wärmeübertragungsplatte in einem Bereich um die Öffnung herum keine Haltefläche hat, an die sie anstoßen kann. Da der Fluiddruck im Plattenstapel hoch ist, wird die äußere Wärmeübertragungsplatte in diesem Bereich einer Verbiegung ausgesetzt, wodurch das Risiko von Materialdefekten, in erster Linie durch Ermüdung, steigt. Wird die Auskleidung von einer mittigen Position im Durchgangsloch der Rahmenplatte aufgrund der unterschiedlichen Längenänderungen der Rahmenplatte und des Plattenstapels verschoben, wird der Abschnitt der äußeren Wärmeübertragungsplatte, der einer Biegekraft unterworfen wird, besonders groß. Wird die Breite des Spaltes z. B. verdoppelt, führt das fast zu einer Vervierfachung der Biegungskraft.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, das oben beschriebene Risiko von Materialdefekten in der äußeren Wärmeübertragungsplatte eines Plattenwärmetauschers der eingangs beschriebenen Art zu vermeiden, während die radiale Beweglichkeit der Auskleidung relativ zur Rahmenplatte erhalten wird. Nach der Erfindung kann dieses Ziel erreicht werden, indem ein Plattenwärmetauscher vorgesehen wird, umfassend:
• - einen Plattenstapel von Wärmeübertragungsplatten, zwischen denen Durchgänge für zwei Wärmetauschfluide gebildet sind, wobei die Wärmeübertragungsplatten mit Öffnungen versehen sind, die Kanäle durch den Plattenstapel für mindestens eines der Wärmetauschfluide bilden,
• - zwei Rahmenplatten, zwischen denen der Plattenstapel angeordnet ist, wobei mindestens eine der Rahmenplatten mit mindestens einem Durchgangsloch versehen ist, das mit einem der Kanäle verbunden ist,
• - mindestens ein Verbindungsrohr, das fest mit einer Rahmenplatte im mindestens einen Durchgangsloch verbunden ist,
• - mindestens eine röhrenförmige Auskleidung, die im Verbindungsrohr und von ihm beabstandet auf eine solche Weise angeordnet ist, daß die Auskleidung beim Gebrauch in einer radialen Richtung relativ zur Rahmenplatte beweglich ist, wobei die Auskleidung weiterhin dauerhaft um eine Öffnung einer äußeren Wärmeübertragungsplatte des Plattenstapels verbunden ist, wobei die Außenplatte am nächsten zur Rahmenplatte angeordnet ist,
• gekennzeichnet durch
• - eine Trageanordnung, die einer Verbiegung der äußeren Wärmeübertragungsplatte in einem Abschnitt um ihre Öffnung herum entgegenwirkt, wobei die Anordnung einen Ring umfaßt, der sich um die Auskleidung herum erstreckt und mindestens von der Auskleidung oder der Rahmenplatte beabstandet ist, um beim Gebrauch eine radiale Bewegung der Auskleidung relativ zur Rahmenplatte zu erlauben, und wobei eine Seite so angeordnet ist, daß sie axial an den Abschnitt der äußeren Wärmeübertragungsplatte anstößt, und die andere Seite so angeordnet ist, daß sie an eine dafür vorgesehene Tragefläche anstößt, die in Bezug auf die Rahmenplatte fest ist.
• Durch die Erfindung wird der Abschnitt um die Öffnung der äußeren Wärmeübertragungsplatte, der vorher einer Biegekraft unterworfen wurde, gestützt. Zur Aufrechterhaltung der radialen Beweglichkeit der Auskleidung relativ zur Rahmenplatte öffnet sich ein schmaler Spalt zwischen der Auskleidung und dem Ring und/oder ein schmaler Spalt zwischen dem Ring und der Rahmenplatte. Indem der Ring geeignete Innen- und Außendurchmesser erhält, kann der Spalt, oder alternativ beide Spalte, genau so breit gemacht werden, wie es zur Aufrechterhaltung der gewünschten radialen Beweglichkeit der Auskleidung relativ zur Rahmenplatte notwendig ist. Der Spalt oder alternativ einer der Spalte kann sich an einem Abschnitt der äußeren Wärmeübertragungsplatte befinden, der weniger anfällig für ein Verbiegen ist als der Abschnitt, der der Öffnung am nächsten liegt.
• Nach der Erfindung kann das Verbindungsrohr mit der Rahmenplatte auf zwei unterschiedliche Weisen verbunden werden, entweder an der Außenseite der Rahmenplatte oder in ihrem Durchgangsloch. In beiden Fällen kann die Rahmenplatte auf der Seite, die gegen den Plattenstapel stößt, um ihr Durchgangsloch herum mit einer Vertiefung für den Ring versehen werden. Im Fall, daß das Verbindungsrohr mit der Rahmenplatte in ihrem Durchgangsloch verbunden ist, kann die Fläche des Verbindungsrohres die Tragefläche im Verbindungsrohr bilden. Eine solche Anordnung kann natürlich durch eine Vertiefung in der Rahmenplatte ergänzt werden, so daß die Tragefläche für den Ring sowohl von der Endfläche des Rohres als auch von der Rahmenplatte gebildet wird.
• Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist der Ring radial relativ zur Rahmenplatte beweglich, jedoch nicht relativ zur Auskleidung. Auf diese Weise kann sich der Ring radial zusammen mit der Auskleidung bewegen und dadurch immer die äußere Wärmeübertragungsplatte in ihrem Abschnitt tragen, der der Öffnung am nächsten liegt. Der Spalt, der sich in diesem Fall zwischen dem Ring und der Rahmenplatte befindet, ist an einem Abschnitt der äußeren Wärmeübertragungsplatte angeordnet, der relativ unempfindlich gegenüber einem Verbiegen in einem gewissen Abstand von der Verbindung zwischen der Platte und der Auskleidung ist. Darüber hinaus wird die äußere Wärmeübertragungsplatte an beiden Seiten des Spaltes getragen.
• Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ring ebenfalls radial relativ zur Auskleidung beweglich. In dieser Ausführungsform werden zwei Spalte gebildet, einer zwischen der Auskleidung und dem Ring und einer zwischen dem Ring und der Rahmenplatte. Der Spalt zwischen der Auskleidung und dem Ring kann z. B. ein Drittel der Breite des Spaltes zwischen dem Ring und der Rahmenplatte haben. Jede der Verbiegungen der äußeren Wärmeübertragungsplatte in dieser Ausführungsform ist beträchtlich kleiner als die entsprechenden Verbiegungen der Ausführungsformen, die nur einen Spalt haben. Ein wichtiger Vorteil der eben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform im Vergleich zu den anderen Ausführungsformen besteht darin, daß ein erforderliches bzw. gewünschtes Tragen der äußeren Wärmeübertragungsplatte mit einer kleinstmöglichen Vertiefung in der Rahmenplatte erreicht werden kann.
• Ein allgemeiner Vorzug der Erfindung besteht darin, daß Plattenwärmetauscher so hergestellt werden können, daß sie den Kundenwünschen und Anwendungsgebieten auf einfache und kostengünstige Weise angepaßt werden können. Die Rahmenplatten für Plattenwärmetauscher einer bestimmten Größe werden alle mit Vertiefungen derselben Größe hergestellt. Danach werden, je nach Anwendungsgebiet für einen bestimmten Plattenwärmetauscher, Ringe mit einer geeigneten Größe für das beabsichtigte Anwendungsgebiet um die Auskleidungen in den Vertiefungen herum angeordnet. Wenn eine Auskleidung z. B. nicht eine maximale radiale Beweglichkeit relativ zur Rahmenplatte haben muß, d. h. wenn der Plattenwärmetauscher nicht von einem Wärmetauschfluid mit maximal erlaubter Temperatur durchströmt wird, kann ein höherer Fluiddruck im Plattenwärmetauscher erlaubt sein.
• Die vorliegende Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
• Fig. 1 zeigt einen Plattenwärmetauscher von oben,
• Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Einlaß oder einen Auslaß eines Plattenwärmetauschers nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
• Fig. 3a und 3b zeigen im Detail die Funktionsweise der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2,
• Fig. 4a, 4b und 5a, 5b zeigen zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung.
• Fig. 1 zeigt einen Plattenwärmetauscher 1 mit einem Plattenstapel 2, der dauerhaft miteinander verbundene Wärmeübertragungsplatten 3 zum Wärmetausch zwischen zwei Wärmetauschfluiden umfaßt. Jede Wärmeübertragungsplatte ist mit vier Öffnungen versehen, die zwei Einlaß- und zwei Auslaßkanäle durch den Plattenstapel 2 bilden. Der Plattenstapel 2 ist zwischen zwei Rahmenplatten 4, 5 angeordnet, die durch Stangen 6 zusammengehalten werden. Eine der Rahmenplatten ist mit vier Verbindungsrohren 7 verbunden, deren Inneres mit den jeweiligen Einlaß- und Auslaßkanälen im Plattenstapel 2 verbunden ist (nur zwei Verbindungsrohre 7 sind gezeigt).
• Jedes der beiden Wärmetauschfluide strömt in den Plattenwärmetauscher 1 durch ein Verbindungsrohr 7, das mit einem Einlaßkanal verbunden ist, weiter durch Plattenzwischenräume zwischen den Wärmeübertragungsplatten 3 zu einem Auslaßkanal und von dort durch ein Verbindungsrohr 7 aus dem Plattenwärmetauscher heraus. Unterschiedliche Wärmetauschfluide strömen durch benachbarte Plattenzwischenräume.
• Fig. 2 zeigt einen Querschnitt z. B. durch einen der Einlässe eines Plattenwärmetauschers, der nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ausgestaltet ist. Alle Einlässe und Auslässe des Plattenwärmetauschers können in derselben Weise ausgebildet sein. Die Rahmenplatte 4 ist mit einem Durchgangsloch 8 versehen, in dem eines der Verbindungsrohre 7 fest mit der Rahmenplatte 4 verbunden ist. Um die Rahmenplatte 4 und das Verbindungsrohr 7 vor einem Kontakt mit dem Wärmetauschfluid zu schützen, ist das Verbindungsrohr 7 auf seiner Innenseite mit einer röhrenförmigen Auskleidung versehen. Diese Auskleidung 9 ist dauerhaft mit einer äußeren Wärmeübertragungsplatte 10 des Plattenstapels 2 verbunden. Da der Plattenstapel 2 vom Wärmetauschfluidum durchströmt wird, das eine andere Temperatur hat als seine Umgebung, wird der Plattenstapel 2 Längenänderungen relativ zur Rahmenplatte 4 parallel dazu unterworfen. Wenn sich der Plattenstapel in der Länge ändert, wird die Auskleidung 9 radial relativ zur Rahmenplatte 4 und zum Verbindungsrohr 7 verschoben. Es ist deshalb möglich, daß ein Spalt 10 zwischen dem Verbindungsrohr 7 und der Auskleidung 9 entsteht.
• Während des Einsatzes des Plattenwärmetauschers wird die äußere Wärmeübertragungsplatte 10 im Abschnitt um ihre Öffnung 12 aufgrund des Fluiddrucks im Plattenwärmetauscher einem Druck ausgesetzt. Um ein Verbiegen dieses Abschnittes der Wärmeübertragungsplatte 10 zu vermeiden, ist die Rahmenplatte 4 auf ihrer Innenseite mit einer Vertiefung 13 um das Durchgangsloch 8 herum versehen, und in der Vertiefung 13 befindet sich ein Ring 14, der sich um die Auskleidung 9 herum erstreckt. Der Ring 14 verhindert ein Verbiegen der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10, indem er mit seiner einen Seite axial gegen die äußere Wärmeübertragungsplatte 10 stößt und mit seiner anderen Seite axial gegen die Rahmenplatte 4 in der Vertiefung 13. Um die radiale Beweglichkeit der Auskleidung 9 zu ermöglichen, ist auch ein ringförmiger Spalt 15 zwischen der Auskleidung 9 und dem Ring 14 und ein ringförmiger Spalt 16 zwischen dem Ring 14 und der Rahmenplatte 4 vorgesehen.
• In Fig. 2 ist die Auskleidung mittig im Verbindungsrohr 7 gezeigt. In Fig. 3a ist der Plattenstapel 2 einer gewissen Längenänderung relativ zur Rahmenplatte 4 in einer durch einen Pfeil gekennzeichneten Richtung unterworfen worden, wobei die Auskleidung 9 radial verschoben worden ist, so daß sie den Ring 14 bei 17 berührt. Der Spalt 15 hat somit die Form einer Sichel angenommen, während der Spalt 16 immer noch ringförmig ist. In Fig. 3b zeigt der Plattenstapel nach einer weiteren Längenänderung in der Richtung des Pfeils, wobei die Auskleidung 9 nun in einem solchen Ausmaß verschoben worden ist, daß der Ring 14 die radiale Begrenzungsfläche der Vertiefung 13 bei 18 berührt. Nun hat auch der Spalt 16 die Form einer Sichel. In dieser Ausführungsform trägt der Ring 14 die äußere Wärmeübertragungsplatte 10, während er bei einer radialen Verschiebung der Auskleidung 9 axial gegen die Rahmenplatte auf einer relativ großen Kontaktfläche ruht.
• Eine andere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4a und 4b gezeigt. In dieser Ausführungsform hat der Ring 14 eine solche Form, daß nur ein Spalt 19 gebildet wird, der sich zwischen dem Ring 14 und der Rahmenplatte 4 befindet. Dieser Spalt 19 befindet sich gegenüber einem Abschnitt der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10, der für ein Verbiegen relativ unempfindlich ist. Die äußere Wärmeübertragungsplatte wird nämlich oft im Bereich dieses Spaltes 19 zerfurcht, wodurch die Wärmeübertragungsplatte 10 versteift wird. Darüber hinaus wird die äußere Wärmeübertragungsplatte 10 an beiden Seiten des Spaltes 19 durch den Ring 14 bzw. die Rahmenplatte 4 getragen. In Fig. 4a ist die Auskleidung 9 mittig im Verbindungsrohr 7 gezeigt und in Fig. 4b hat der Plattenstapel 2 eine Längenänderung in der Richtung des Pfeils durchlaufen, wobei die Auskleidung 9 und der Ring 14 radial so verschoben worden sind, daß der Ring 14 die Rahmenplatte 4 bei 20 berührt. Der Spalt 19 hat dann die Form einer Sichel angenommen. In der in Fig. 4a und 4b gezeigten Ausführungsform der Erfindung besteht ein besserer Halt für den Abschnitt um die Öffnung 12 der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10 herum als in der Ausführungsform nach Fig. 2, 3a und 3b. Bei der radialen Verschiebung der Auskleidung 9 und des Ringes 14 ist jedoch die axiale Tragefläche für den Ring in der Vertiefung 13 kleiner als die entsprechende Tragefläche in der Ausführungsform nach Fig. 2, 3a und 3b.
• Fig. 5a und 5b zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, in der ein Spalt 21 zwischen der Auskleidung 9 und dem Ring 14 gebildet wird. In diesem Fall gibt es keinen Spalt zwischen dem Ring 14 und der Rahmenplatte 4 und der Ring 14 kann sich daher nicht relativ zur Rahmenplatte bewegen. Der Spalt 21 erlaubt eine radiale Verschiebung der Auskleidung 9 relativ zur Rahmenplatte 4, und in Fig. 5a und 5b ist die Auskleidung 9 vor bzw. nach einer solchen Verschiebung gezeigt. Der Ring 14 füllt an der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10 den im Durchgangsloch 8 der Rahmenplatte 4 zwischen der axialen Endfläche des Verbindungsrohres 7 und der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10 gebildeten Raum aus.
• Es ist hervorzuheben, daß die in den Fig. 2, 3a, 3b, 4a, 4b und 5a, 5b gezeigte äußere Wärmeübertragungsplatte 10 Öffnungen 12 mit einem Durchmesser hat, der kleiner ist als derjenige der Öffnungen in den verbleibenden Wärmeübertragungsplatten des Plattenstapels 2. Die äußere Wärmeübertragungsplatte 10 hat somit Abschnitte um ihre Öffnungen 12 herum, die keine Gegenstücke in den verbleibenden Platten des Plattenstapels 2 haben. In den Rahmen der Erfindung fallen sowohl die Möglichkeit, daß diese Abschnitte ursprünglich in einem Stück mit der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10 geformt worden sind, wie auch die Möglichkeit, daß sie später fest damit verbunden worden sind. Sie können z. B. einen Teil der entsprechenden Auskleidungen 9 gebildet haben und dann mit der äußeren Wärmeübertragungsplatte 10 verbunden worden sein, wenn die Auskleidungen 9 damit z. B. durch Schweißen verbunden wurden.

Claims (7)

1. Plattenwärmetauscher, umfassend:

- einen Plattenstapel (2) von Wärmeübertragungsplatten (3), zwischen denen Durchgänge für zwei Wärmetauschfluide gebildet sind, wobei die Wärmeübertragungsplatten (3) mit Öffnungen versehen sind, die Kanäle durch den Plattenstapel (2) für mindestens eines der Wärmetauschfluide bilden,

- zwei Rahmenplatten (4, 5), zwischen denen der Plattenstapel (2) angeordnet ist, wobei mindestens eine (4) der Rahmenplatten mit mindestens einem Durchgangsloch (8) versehen ist, das mit einem der Kanäle verbunden ist,

- mindestens ein Verbindungsrohr (7), das fest mit einer Rahmenplatte (4) im mindestens einen Durchgangsloch (8) verbunden ist,

- mindestens eine röhrenförmige Auskleidung (9), die im Verbindungsrohr (7) und vom ihm beabstandet auf eine solche Weise angeordnet ist, daß die Auskleidung beim Gebrauch in einer radialen Richtung relativ zur Rahmenplatte (4) beweglich ist, wobei die Auskleidung (9) weiterhin dauerhaft um eine Öffnung (12) einer äußeren Wärmeübertragungsplatte (10) des Plattenstapels (2) verbunden ist, wobei die Außenplatte (10) am nähesten zur Rahmenplatte (4) angeordnet ist,

gekennzeichnet durch

- eine Trageanordnung, die einer Verbiegung der äußeren Wärmeübertragungsplatte (10) in einem Abschnitt um ihre Öffnung (12) herum entgegenwirkt, wobei die Anordnung einen Ring (14) umfaßt, der sich um die Auskleidung (9) herum erstreckt und mindestens von der Auskleidung oder der Rahmenplatte beabstandet ist, um beim Gebrauch eine radiale Bewegung der Auskleidung relativ zur Rahmenplatte zu erlauben, und wobei eine Seite so angeordnet ist, daß sie axial an den Abschnitt der äußeren Wärmeübertragungsplatte (10) anstößt, und die andere Seite so angeordnet ist, daß sie an eine dafür vorgesehene Tragefläche anstößt, die in Bezug auf die Rahmenplatte (4) fest ist.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenplatte (4) eine Vertiefung (13) für den Ring (14) hat, wobei der Ring so angeordnet ist, daß er an die Rahmenplatte (4) an ihrer anderen Seite anstößt.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsrohr (7) an die Außenseite der Rahmenplatte (4) anstößt.

4. Platlenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Verbindungsrohr (7) teilweise in das Durchgangsloch (8) der Rahmenplatte (4) erstreckt.

5. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring 14 so angeordnet ist, daß er mit seiner anderen Seite an das Verbindungsrohr (7) anstößt; das mindestens einen Teil der Tragefläche bildet.

6. Plattenwärmetauscher nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (14) radial beweglich relativ zur Rahmenplatte (4) ist.

7. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (14) radial beweglich relativ zur Auskleidung (9) ist.