DE69837557T2 - Plate heat exchanger - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen vorteilhaft geschweißten Plattenwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, zum Transferieren von Wärme von einem Wärme zuführenden Medium zu einem Wärme empfangenden Medium, insbesondere zwischen Stoffen in verschiedenen Phasen, wie zum Beispiel flüssig und gasförmig.The The present invention relates to an advantageously welded plate heat exchanger according to the generic term of claim 1, for transferring heat from a heat supplying Medium to a heat receiving medium, especially between substances in different Phases, such as liquid and gaseous.
Herkömmlicherweise werden Wärmetauscher unterteilt in Wärmetauscher mit einer Plattenstruktur und solche mit einer Rohrstruktur. Der wesentliche Unterschied in Bezug auf sowohl die Konstruktion als auch den Wärmeaustausch ist, dass die Wärmetransferflächen in einer Struktur hauptsächlich Rohre sind, und Platten in der anderen. In dem Rohrwärmetauscher ist ein Rohrbündel mit Krümmer und sich verzweigenden Teilen gewöhnlich im Inneren eines kreisförmigen Mantels angeordnet. Dank der zylindrischen Form und den Rohren ist die Struktur gut geeignet als ein Druckgefäß, und somit wurden die Rohrwärmetauscher in extrem hohen Drücken verwendet. Von weitem betrachtet sind auch eine große Anzahl von Heizkesselkonstruktionen eine Art von Rohrwärmetauschern. Dies trifft sowohl auf Rauchrohrkessel/Wellrohrkessel als auch auf Wasserrohrkessel zu, wobei die Unterteilung darauf basiert, auf welcher Seite des Rohrs der Druck überwiegt.traditionally, become heat exchangers divided into heat exchangers with a plate structure and those with a tube structure. Of the significant difference in terms of both the construction as also the heat exchange is that the heat transfer surfaces in a structure mainly Tubes are, and plates in the other. In the tube heat exchanger is a tube bundle with manifold and branching parts usually inside a circular Mantels arranged. Thanks to the cylindrical shape and the tubes is the structure well suited as a pressure vessel, and thus the tube heat exchangers in extremely high pressures used. From a distance are also a large number of boiler designs a kind of tube heat exchangers. This is true both Smoke tube boilers / corrugated tube boilers as well as on water tube boilers too, the subdivision being based on which side of the tube the pressure prevails.
Der wesentlichste Nachteil der Rohrwärmetauscher kann als das schwere Gewicht im Vergleich zu der Oberfläche der Wärmetransferfläche erachtet werden. Auf Grund dessen haben die Rohrwärmetauscher im Allgemeinen ein großes Ausmaß. Auch wenn man den Wärmeaustausch und Flusseigenschaften betrachtet, ist es schwierig, Rohrwärmetauscher zu gestalten und herzustellen, insbesondere wenn wirtschaftliche Gründe berücksichtigt werden müssen.Of the most significant disadvantage of the tube heat exchanger can be considered the heavy weight compared to the surface of the Heat transfer surface are considered. Because of this, the tube heat exchangers have generally a big one Extent. Also, considering the heat exchange and river characteristics, it is difficult to pipe heat exchanger to design and manufacture, especially when economic reasons considered Need to become.
Ein typischer Plattenwärmetauscher besteht aus rechteckigen Platten, welche mittels Endplatten gegeneinander gepresst werden, welche wiederum an den Enden des Plattenstapels mittels Spannungsstäben oder Spannungsschrauben festgezogen werden. Die Spalten zwischen den Platten werden mit bandförmigen Dichtungen an ihrem äußeren Umfang geschlossen und abgedichtet, und Dichtungen werden auch an den Flusskanälen verwendet. Da die Tragfähigkeit von glatten Platten schlecht ist, werden sie mit Einschnitten verstärkt, welche gewöhnlich in benachbarten Platten kreuzweise angeordnet sind, wobei sie auch die Druckhaltbarkeit der Struktur verbessern, wenn sich die Grate der Einschnitte gegenseitig unterstützen. Allerdings ist ein wichtigerer Aspekt die Bedeutung der Einschnitte für den Wärmeaustausch: die Form der Einschnitte und ihr Winkel bezüglich der Ströme beeinflusst zum Beispiel den Wärmeaustausch und Druckverluste. In herkömmlichen Plattenwärmetauschern strömt ein wärmezuführendes Medium in jedem zweiten Spalt zwischen den Platten, und ein wärmeempfangendes Medium in den restlichen Spalten. Der Strom wird zwischen den Platten mittels Löcher geleitet, die sich in der Nähe der Ecken der Platten befinden. Jeder Spalt zwischen den Platten enthält immer zwei Löcher mit geschlossenen Rändern und zwei andere Löcher, die als Einlass- und Auslasskanäle für den Spalt zwischen den Platten fungieren. Die Plattenwärmetauscher bestehen gewöhnlich aus relativ dünnen Platten, wobei eine kleine und leichte Struktur erhalten wird. Weil die Platten in eine gewünschte Form profiliert werden können, ist es möglich, die Wärmeaustauscheigenschaften auf die bestmögliche Weise für das Ziel der Anwendung geeignet zu machen. Die größte Schwäche von herkömmlichen Plattenwärmetauschern sind die Dichtungen, welche die Druck- und Temperaturhaltbarkeit der Wärmetauscher begrenzen. In verschiedenen Fällen haben die Dichtungen die Verwendungsmöglichkeiten auch beeinträch tigt, wenn das wärmezuführende oder wärmeempfangende Medium korrosiv war.One typical plate heat exchanger consists of rectangular plates, which by means of end plates against each other pressed, which in turn at the ends of the plate stack by means of tension rods or tension screws are tightened. The columns between the plates are banded Gaskets closed at its outer periphery and sealed, and seals are also used on the river channels. Because the carrying capacity bad of smooth plates, they are reinforced with incisions, which usually in adjacent plates are arranged crosswise, and they too improve the print durability of the structure when the burrs support the incisions each other. However, one more important Aspect the meaning of the cuts for the heat exchange: the form of the Incisions and their angle with respect the streams influences, for example, the heat exchange and pressure losses. In conventional plate heat exchangers flows a heat-supplying Medium in every other gap between the plates, and a heat-receiving Medium in the remaining columns. The electricity is between the plates by means of holes headed, which is close the corners of the plates are located. Every gap between the plates contains always two holes with closed edges and two other holes, as inlet and outlet channels for the Gap between the plates act. The plate heat exchangers usually exist from relatively thin Plates, whereby a small and light structure is obtained. Because the plates in a desired Shape can be profiled Is it possible, the heat exchange properties to the best possible Way for that To make the purpose of the application suitable. The biggest weakness of conventional plate heat exchangers are the seals, which the pressure and temperature durability the heat exchanger limit. In different cases have the seals also affected the possible uses, if the heat-supplying or heat receiving Medium was corrosive.
Versuche wurden unternommen, um die Plattenwärmetauscherkonstruktionen zu verbessern durch Weglassen von einigen oder allen Dichtungen und Ersetzen dieser mit gelöteten Verbindungen oder geschweißten Nähten. Durch Löten hergestellte Plattenwärmetauscher ähneln gewöhnlich denen, die mit Dichtungen ausgestattet sind. Der wichtigste äußere Unterschied ist das nicht Vorhandensein von Spannungsschrauben zwischen den Enden. Auf Grund der Struktur war es nicht möglich, solche Wärmetauscher auseinander zu nehmen.tries were taken to the plate heat exchanger designs too improve by omitting some or all of the seals and Replace this with soldered Joints or welded Seams. By soldering manufactured plate heat exchangers usually resemble those which are equipped with seals. The most important external difference is not the presence of tension screws between the End up. Due to the structure, it was not possible to use such heat exchangers to take apart.
Versuche
wurden unternommen, die Vorteile des Rohrwärmetauschers und des Plattenwärmetauschers
in Wärmetauschern
zu verbinden, deren Konstruktion teilweise beiden dieser grundlegenden
Typen ähnelt.
Eine solche Lösung
ist in der finnischen Patentveröffentlichung
Die
finnische Patentveröffentlichung
Weitere
Beispiele für
Plattenwärmetauscher werden
in
Der Zweck dieser Erfindung ist es, einen Plattenwärmetauscher ohne Abdichtungsprobleme und mit einer Druckhaltbarkeit herzustellen, die den Eigenschaften von Rohrtauschern entspricht, und in welchem die Wärmeaustauscheigenschaften wie bei einem Plattenwärmetauscher gewählt werden können. Die Abdichtungsprobleme werden durch Schweißen der Verbindungen vermieden, und die Steller können vollständig zwischen dem Mantel und dem Plattenstapel entfernt werden. Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher hat einen extrem weiten Anwendungsbereich, und er kann für den Wärmeaustausch zwischen Medien in verschiedenen Phasen verwendet werden.Of the The purpose of this invention is to provide a plate heat exchanger without sealing problems and with a print durability that matches the properties of Equivalent to tube exchangers, and in which the heat exchange properties such in a plate heat exchanger chosen can be. The sealing problems are avoided by welding the joints, and the controllers can Completely be removed between the jacket and the plate stack. The plate heat exchanger according to the invention has an extremely wide range of applications, and it can be used for heat exchange be used between media in different phases.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass sich Löcher in dem Zentrum der kreisförmigen Wärmeaustauschplatten befinden, welche einen Strömungskanal für ein Wärmetransfermedium bilden, mittels welchem Kanal der Strom in die Spalten zwischen den Platten und aus diesen heraus geleitet wird. Für den Fluss des anderen Wärmetransfermediums sind die Platten mit separaten Löchern für Zufluss- und Abflusskanäle versehen. Weil der Plattenstapel ein massives Stück ist, welches zusammengeschweißt ist, kann er in abnehmbarer Weise beispielsweise in einem Zylinder angeordnet werden, welcher geöffnet werden kann, von welchem Ort der Plattenstapel zum Reinigen oder Reparieren entfernt werden kann. Der zentrale Kanal kann auch als Halterung für die Endplatten fungieren, wenn er mit einem Stab, Rohr oder Ähnlichem ausgestattet ist. Mittels eines teilweise geöffneten Rohrs in dem zentralen Kanal und eines teilweise geöffneten Mantels ist es möglich, die Ströme des erfindungsgemäßen Wärmetauschers auf eine fast unbegrenzte Weise zu ändern. Genauer gesagt ist der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher gekennzeichnet durch das, was in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt wird.The Invention is based on the idea that holes in the center of the circular heat exchange plates which have a flow channel for a Heat transfer medium form, by means of which channel the current in the gaps between the Plates and out of these. For the flow of the other heat transfer medium are the plates with separate holes for inflow and drainage channels Mistake. Because the plate stack is a solid piece that is welded together, he can be arranged in a removable manner, for example in a cylinder which will be opened can, from where the disk stack for cleaning or repairing can be removed. The central channel can also be used as a holder for the End plates act when using a rod, pipe or similar Is provided. By means of a partially opened pipe in the central Canal and a partially opened Mantels it is possible the streams of heat exchanger according to the invention to change in an almost unlimited way. More precisely, that is plate heat exchanger according to the invention characterized by what is set forth in the following claims becomes.
Der geschweißte erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher ist mit kreisförmigen eingeschnittenen Platten versehen, welche derart miteinander verbunden sind, dass Strömungskanäle für das wärmezuführende Medium und wärmeempfangene Medium zwischen den Platten gebildet werden. Um die Ströme in die Spalten zwischen den Platten und aus diesen heraus zu leiten, ist der Plattenwärmetauscher mit Kanälen ausgestattet, die mit Zufluss- und Abflussanschlüssen verbunden sind. Damit der Plattenstapel, der aus relativ dünnen Platten besteht, Druck aushält, werden seine Enden mit Endplatten gehalten, welche mit Halterungen, Stäben, einem Mantel, oder Ähnlichem miteinander verbunden sind. In der Mitte der kreisförmigen Platten des Plattenwärmetauschers, welche den Plattenstapel und die Wärmetransferflächen bilden, befindet sich mindestens ein Loch, das einen zentralen Kanal bildet. Die Platten des Plattenwärmetauschers sind in Paaren zusammengefügt an den äußeren Rändern der Löcher, die sich in der Mitte der Platten befinden, und an den äußeren Rändern der Platten des besagten Plattenpaares, auf eine Weise, dass ein geschlossener Strömungskanal für ein Wärmetransfermedium im Inneren der Plattenpaare gebildet wird. Zusätzlich zu dem Loch in der Mitte sind die Platten des Plattenpaares mit mindestens einem Loch versehen, mit dem die Platte an einem entsprechenden Loch in dem benachbarten Plattenpaar befestigt ist. Die Platten sind mit zwei Löchern zusätzlich zu dem Loch in der Mitte versehen, wobei die Löcher Zufluss- und Abflusskanäle für die Strömungskanäle im Inneren der Plattenpaare bilden. Die äußeren Ränder der Strömungskanäle, die zwischen den Plattenpaaren gebildet werden, sind offen und der Fluss in sie hinein und aus ihnen heraus findet mittels des zentralen Kanals statt.Of the welded plate heat exchanger according to the invention is with circular provided cut plates, which are interconnected in such a way are that flow channels for the heat-carrying medium and heat-receiving Medium are formed between the plates. To the currents in the Is to guide gaps between the plates and out of these the plate heat exchanger with channels equipped with inflow and outflow connections. In order to the plate stack, which consists of relatively thin plates, can withstand pressure its ends held with end plates, which with brackets, rods, a Coat, or similar connected to each other. In the middle of the circular plates the plate heat exchanger, which form the plate stack and the heat transfer surfaces, there is at least one hole forming a central channel. The plates of the plate heat exchanger are put together in pairs on the outer edges of the holes, which are located in the middle of the plates, and at the outer edges of the Plates of said plate pair, in a way that a closed flow channel for a Heat transfer medium is formed inside the plate pairs. In addition to the hole in the middle If the plates of the plate pair are provided with at least one hole, with the plate at a corresponding hole in the adjacent Plate pair is attached. The plates are two holes in addition to the hole in the middle, the holes inflow and outflow channels for the flow channels inside form the plate pairs. The outer edges of the Flow channels that between the plate pairs are open and the river into and out of them by means of the central one Channel.
Der Plattenstapel bestehend aus den Platten des Plattenwärmetauschers wird zwischen den Endplatten gehalten. Die Endplat ten können aneinander mit Stäben oder ähnlichem befestigt werden, wobei der äußere Rand des Plattenwärmetauschers hauptsächlich offen gelassen wird, oder die Endplatten können mit einer Mantelstruktur verbunden werden, wodurch der gesamte äußere Rand geschlossen werden kann. Der zentrale Kanal kann auch mit einem Rohr oder ähnlichem versehen werden, um die Endplatten zu halten. Der Strom des Wärmetransfermediums tritt ein in oder verlässt den offenen zentralen Kanal in der radialen Richtung der Platte. Somit überkreuzt der Strom des zweiten Wärmetransfermediums den Strom des ersten, wobei der Plattenwärmetauscher ein Querstrom-Wärmetauscher ist. Der Mantel des Plattenwärmetauschers kann an dem gewünschten Ort geöffnet sein, um den Strom des Wärmetransfermediums dem Plattenwärmetauscher zuzuführen oder ihn von ihm abzuführen. Die Ströme werden von dem Mantel gesteuert, der sich an dem Plattenstapel anliegend befindet, von einem Rohr, das sich im Inneren des zentralen Kanals an dessen Wänden anliegend befindet, und von Öffnungen an dem Mantel und in dem Rohr. Durch Auswahl der Orte der Öffnungen und Löcher an den Platten funktioniert der Plattenwärmetauscher sowohl als ein Vorwärtsstromtauscher als auch ein Gegenstromtauscher. Die Querschnittsfläche des Stroms zwischen den Platten wird durch den parallelen Strom auf beiden Seiten des zentralen Kanals vergrößert. Die Strömungsbedingungen zwischen den Platten können durch Ändern des Winkels β zwischen den Graten der Einschnitte auf den Platten, die gegeneinander platziert sind, gesteuert werden, wobei durch Verwenden kleinerer Winkel größere Strömungsmengen für Ströme von gasförmigen Medien durch den Wärmetauscher erreicht werden. Dementsprechend können die Ströme von flüssigen Medien kleiner sein und der Winkel β kann größer sein. Indem man die Querschnittsflächen der Einschnitte in den Platten variabel in der Größe A1 > A2 macht, ist es möglich, größere Volumenströme auf der Gasseite als auf der flüssigen Seite zu fördern. Die Einschnitte auf den Platten des Plattenwärmetauschers können auch symmetrisch bezüglich der Mitte der Platte gemacht werden. Somit bleiben die Strömungsbedingungen fast gleich in den verschiedenen Teilen der Platte und in allen Strömungsarten.The plate stack consisting of the plates of the plate heat exchanger is held between the end plates. The Endplat th can be attached to each other with rods or the like, wherein the outer edge of the plate heat exchanger is left mainly open, or the end plates can be connected to a shell structure, whereby the entire outer edge can be closed. The central channel can also be provided with a tube or the like to hold the end plates. The flow of the heat transfer medium enters or exits the open central channel in the radial direction of the plate. Thus, the flow of the second heat transfer medium crosses the flow of the first, with the plate heat exchanger being a cross-flow heat exchanger. The shell of the plate heat exchanger may be opened at the desired location to supply the flow of heat transfer medium to the plate heat exchanger or remove it from it. The streams are controlled by the jacket adjacent the plate stack, by a tube located inside the central channel against its walls, and by openings on the jacket and in the tube. By selecting the locations of the openings and holes on the plates, the plate heat exchanger functions as both a forward flow exchanger and a countercurrent exchanger. The cross-sectional area of the flow between the plates is increased by the parallel flow on both sides of the central channel. The flow conditions between the plates can be controlled by changing the angle β between the ridges of the cuts on the plates placed against each other, whereby by using smaller angles larger flow rates for streams of gaseous media are achieved by the heat exchanger. Accordingly, the flows of liquid media may be smaller and the angle β may be larger. By making the cross-sectional areas of the cuts in the plates variable in size A 1 > A 2 , it is possible to promote larger volume flows on the gas side than on the liquid side. The cuts on the plates of the plate heat exchanger can also be made symmetrical with respect to the center of the plate. Thus, the flow conditions remain almost the same in the different parts of the plate and in all types of flow.
Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher hat eine einfache Struktur. Aufgrund der kreisförmigen Form ist es möglich, die Herstellungstechniken, beispielsweise das Schweißen, mit relativ geringen Kosten zu automatisieren. Die kreisförmige Form verbessert auch die Druckhaltbarkeit. Wenn eine zylindrische äußere Hülle verwendet wird, kann ein Ende angeordnet sein, um geöffnet zu werden, wobei es möglich ist, die Wärmetransferflächen auf mindestens einer Seite zu reinigen. Es ist möglich, eine große Wärmetransferfläche in die kleine Größe und das leichte Gewicht aufzunehmen. Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher kann aus einem korrisionsbeständigen Material hergestellt werden, z.B. Titan, mit moderaten Kosten, weil die Materialdicken der Platten auf Grund der Struktur gering sind.Of the plate heat exchanger according to the invention has a simple structure. Due to the circular shape it is possible to use the Manufacturing techniques, such as welding, with relatively low cost to automate. The circular Shape also improves print durability. When using a cylindrical outer shell an end may be arranged to be opened, whereby it is possible to the heat transfer surfaces on to clean at least one side. It is possible to have a large heat transfer area in the small size and the light weight To absorb weight. The plate heat exchanger according to the invention may consist of a korrisionsbeständigen Material, e.g. Titanium, with moderate cost, because the material thicknesses of the plates are low due to the structure.
Der geschweißte erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher kann auf eine breite Vielfalt von Arten und in zahlreichen Situationen verwendet werden. Der Plattenwärmetauscher kann als Querstrom-, Vorwärtsstrom- und Gegenstromwärmetauscher verwendet werden. Wärmeaustausch zwischen Medien in verschiedenen Phasen und in derselben Phase ist möglich. In verschiedenen Technologiefeldern kann der Wärmetauscher, außer als herkömmlicher Wärmetauscher verwendet zu werden, auch beispielsweise als ein Kühler, ein Verdampfer, ein Kondensator, ein Erhitzer, und ein Abhitzekessel verwendet werden.Of the welded plate heat exchanger according to the invention Can be used in a wide variety of ways and in many situations be used. The plate heat exchanger can be used as a cross-flow, forward current and counterflow heat exchanger be used. heat exchange between media in different phases and in the same phase is possible. In different technology fields, the heat exchanger, except as conventional heat exchangers to be used, for example, as a cooler Evaporator, a condenser, a heater, and a waste heat boiler be used.
Im Folgenden wird die Erfindung mittels Beispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in welchenin the Below, the invention will be described by way of example and with reference to the attached Drawings described in more detail in which
In
Der
Strom des Wärmetransfermediums
in diesem Kreislauf wird von undurchbrochenen Pfeilen
Das
Bezugszeichen
Um
den Plattenstapel
Die
folgenden Formeln sind anwendbar auf die Berechnungen, die in Verbindung
mit einem Plattenwärmetauscher
mit kreisförmigen
Platten verwendet werden:
- dh
- = hydraulischer Durchmesser in dem Einschnitt (m)
- w
- = Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Platten (m/s)
- Lekv
- = äquivalente Strömungslänge zwischen den Platten
- d h
- = hydraulic diameter in the incision (m)
- w
- = Flow velocity between the plates (m / s)
- L ekv
- = equivalent flow length between the plates
Lekv=f(α,L)
Wenn
man den Einfluss des Winkels α auf die äquivalente
Strömungslänge betrachtet,
kann man feststellen, dass, wenn sich der Winkel beispielsweise
in der Größenordnung
von 45 Grad bis 15 Grad ändert,
sich die äquivalente
Strömungslänge um das
dreifache und darüber
hinaus vergrößert. In Versuchsläufen haben
die erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher
Wärmeübergangskoeffizienten erreicht,
welche 300 W/m2K überschreiten. Die Wärmetransfereigenschaften
des Plattenwärmetauschers
In
der Lösung
gemäß
Somit ist der Wert des Winkels α überall der gleiche, sowohl in kreisförmigen Strömen als auch in radialen Strömen.Consequently the value of the angle α is the same everywhere, both in circular Stream as well as in radial streams.
Wie
in dem vorangegangen offenbart, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten,
den erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher
Allerdings
wird in dem geschlossenen Plattenwärmetauscher
In
Plattenwärmetauschern
Für jeden
Fachmann ist es offensichtlich, dass nur wenige Ausführungsformen
und Verwendungen des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers
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