EP0211400B1

EP0211400B1 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: EP0211400B1
Application number: EP86110554A
Authority: EP
Inventors: Heinz Dr.-Ing. Gross
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1985-08-06
Filing date: 1986-07-30
Publication date: 1988-11-02
Also published as: EP0211400A1; US4724902A; CA1273005A; DE3661112D1; DE8522627U1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft im weiteren Sinne einen Plattenwärmetauscher, im engeren Sinne einen Plattenwärmetaucherkörper. Plattenwärmetauscher bestehen aus einem Stapel gewellter Platten zwischen denen durchströmbare Kanäle bestehen. Der Bereich, in welchem zwischen diesen Kanälen Wärme ausgetauscht wird, ist der eigentliche Wärmetauscherkörper, während zu dem vollständigen Wärmetauscher auch ein System von Zu- und Abführungsleitungen zu den einzelnen Kanälen für die strömenden Medien gehören. Die Erfindung betrifft in erster Linie eine neue Gestaltung des Plattenwärmetauscherkörpers, der in herkömmlicher Weise mit Zu- und Abführungsleitungen für die strömenden Medien ausgerüstet werden kann.

Stand der Technik

Bekannte Plattenwärmetauscher bestehen (nach Ullmann, Enzyklopädie der technischen Chemie; 4. Auflage, Band 2, S. 440) aus einem Bündel aus beliebig vielen gewellten oder anderweitig profilierten Platten, die, durch Dichtungen voneinander getrennt, in einer Presse zusammengehalten werden. Nach Öffnen der Presse lassen sich die Platten leicht voneinander trennen und reinigen.
Sogenannte Lamellen- oder Stapelwärmetauscher sind (nach Ullmann, loc. cit., S. 441) aus einem Stapel von abwechselnd flachen und gewellten Blechen zusammengesetzt, wobei die Wellungsrichtung der gewellten Bleche abwechselt. An den vier Seitenflächen des Stapels ist jeweils ein Sammelkasten und eine Zu- bzw. Abführungsleitung für die strömenden Medien angebracht. Die Medien, zwischen denen Wärme ausgetauscht wird, können nur kreuzweise zueinander geführt werden. Der Wärmeübergang findet nur an den flachen Blechen statt.
Platten- oder Lamellenwärmetauscher sind wegen ihres einfachen Aufbaus billig und durch leichten Ab- und Aufbau bequem zu warten und zu reinigen.
Aus der DE-A-2 910 005 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt, der aus einem Stapel von gewellten Platten besteht, zwischen denen durchströmbare Kanäle bestehen, und bei denen die Platten wenigstens in Teilbereichen in zwei kreuzweise zueinander liegenden Richtungen gewellt sind und in dem Stapel aufeinanderfolgenden Platten so angeordnet sind, daß die Wellungen in den kreuzweise gewellten Bereichen in der einen Richtung gleichphasig und in der anderen Richtung gegenphasig verlaufen. Die Platten lassen sich nicht unter Bildung von kreuzweise verlaufenden Kanälen stapeln.

Aufgabe und Lösung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Plattenwärmetauscher der zuletzt genannten Art in der Weise zu verbessern, daß sich allein durch die Abfolge der Stapelung kreuzweise verlaufende Kanäle ausbilden können.
Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Wellungen in den kreuzweise zueinander liegenden Richtungen in Wellenform, Wellenlänge und Wellenamplitude übereinstimmen.
Die zum Aufbau des Wärmetauscherkörpers verwendeten Platten sind leicht herstellbar, da es sich um einflächige Körper ohne von der Fläche abstehende Rippen oder Vorsprünge handelt, die nach bekannten Verfahren durch Umformung eines ebenen Flächenmaterials leicht herstellbar sind. Beim Stapeln in der erfindungsgemäßen Weise ergibt sich zwischen je zwei Platten von selbst eine Vielzahl von parallelen Kanälen, die durch ein flüssiges oder gasförmiges Medium durchströmbar sind. Diese Kanäle haben einen gewellten Verlauf, wodurch das strömende Medium stark verwirbelt wird. Dadurch bildet sich bereits bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten eine turbulente Grenzschicht aus, die zu einem Anstieg des Wärmeübergangskoeffizienten führt. Weiterhin ergibt sich durch die kreuzweise Wellung der Plattensegmente eine erhebliche Vergrößerung der zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehenden Oberfläche. Der Wärmeaustausch wird weiterhin dadurch gefördert, daß alle Kanalwände von dem jeweils anderen Medium berührt werden, so daß praktisch keine für den Wärmetausch unwirksamen Wände zwischen den vom gleichen Medium durchströmten Kanälen bestehen.
Durch die zweiachsige Wellung besitzt jede einzelne Platte eine hohe Steifigkeit, die beim Zusammenfügen zu einem Stapel noch erheblich verstärkt wird, da sich alle Einzelplatten in geringen Abständen gegenseitig abstützen. Man erhält daher auch dann, wenn dünnwandiges Material für die einzelnen Platten verwendet wird, einen mechanisch außerordentlich steifen und stabilen Wärmetauscherkörper von geringem Gewicht und hoher Austauschkapazität.

Anwendung

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich zum Wärmeaustausch zwischen flüssigen oder gasförmigen Medien oder zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen Medium. Er eignet sich in besonderem Maße für die Erstellung von großen Wärmetauschanlagen, insbesondere in Kühltürmen, wo eine Vielzahl von Wärmetauscherkörpern zu einem großen Kühlsystem zusammengestellt sind.
Der Wärmetauscherkörper kann auch gleichzeitig als chemischer Reaktor dienen, wenn die Kanäle in einer Richtung mit einer durchströmbaren Katalysatormasse gefüllt oder ihre Wände mit einem Katalysatormaterial belegt sind. Auch können die Kanäle mit durchströmbaren Absorptionsmaterialien gefüllt sein, so daß der Wärmetauscherkörper gleichzeitig als Filter wirkt.
Die einfache Herstellungsweise des Wärmetauscherkörpers macht es möglich, jede gewünschte Dimensionierung und jede gewünschte Anpassung an die im Betrieb auftretenden Temperaturen und die chemische Beschaffenheit der strömenden Medien zu erreichen.

Figuren

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläutert.

Figur 1 zeigt in perspektivischer Sicht eine für den Aufbau des Rekuperator-Körpers geeignete zweiachsig gewellte Platte, bzw. einen Ausschnitt aus einer solchen Platte.
Figur 2 zeigt Ausschnitte aus vier übereinanderliegenden Platten eines erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauscherkörpers in perspektivischer Explosionsdarstellung.
Figur 3 stellt die Anordnungsweise der einzelnen Platten eines Kreuzstromwärmetauschers in schematisierter Weise dar, wobei die strichpunktierte Linie eine Ecke des Wärmetauscherkörpers darstellt. Rechts und links davon ist in dick ausgezogenen Linien der Wellenverlauf der Einzelplatten in den an die Ecke anschließenden Seitenflächen dargestellt. Die dünnen Linien zeigen die Projektion der einzelnen zweiachsig gewellten Platten auf die Seitenfläche des Wärmetauscherkörpers.
Figur 3a zeigt die Anordnung in Explosionsdarstellung,
Figur 3b in Betriebsanordnung.
Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch den Rand eines Wärmetauschers längs der Linie AB in Figur 4a mit angeschlossenem Sammelkasten und Anschlußleitung.
Figur 5 zeigt in Aufsicht einen Wärmetauscherkörper mit angesetzen Sammelkästen und Anschlußleitungen.

Die zweiachsig gewellte Platte

Geometrisch entsteht die Flächengestalt der zweiachsig gewellten Platte dadurch, daß eine Wellenkurve E als Erzeugende an einer wellenförmigen Führungskurve F parallel verschoben wird. Die Rolle der Führungskurve und der Erzeugenden sind austauschbar. Jede Schnittfläche, die parallel zu der Erzeugenden E durch die zweiachsige gewellte Fläche gelegt wird, hat das Profil der Erzeugenden E. Ebenso hat jede Schnittfläche, die parallel zu der Führungskurve F durch die zweiachsig gewellte Fläche gelegt wird, das Profil der Führungskurve F. In der Praxis genügt es, wenn die ideale geometrische Gestalt näherungsweise in solchem Maße verwirklicht ist, daß eine Schichtung unter Bildung von durchströmbaren Kanälen möglich ist.
An den Kreuzungspunkten der Wellenmaxima und -minima ergeben sich durch Überlagerung der beiden Wellenzüge Kuppeln 4 und Mulden 5, zwischen denen Sattelflächen liegen, deren höchste bzw. tiefste Punkte auf einem Höhenniveau liegen, das die Mitte zwischen dem Niveau der Kuppel 4 und dem Niveau der Mulden 5 bildet.
Die beiden Wellungsachsen E und F stehen in der Regel im rechten Winkel zueinander, jedoch ist dies keine zwingende Voraussetzung für den Aufbau des Wärmetauscher-Körpers. Die Wellenzüge E und F stimmen in der Wellenform, der Wellenlänge und der Wellenamplitude überein.
Die Wellenform wird so gewählt, daß sich zwei gleichphasige Wellen möglichst dicht aneinander fügen lassen. Geeignet sind Sinuswellen, Trapezwellen und dazwischenliegende Wellentypen, deren einzelne Wellen aus gebegenen und geknickten geradlinigen Stücken zusammengesetzt sein können. In den Figuren 1 bis 6 wurde für die Wellenkurven E und F eine Trapezkurve zugrunde gelegt.
Die Kanäle bilden sich von selbst, wenn die zweiachsig gewellten Platten in der erfindungsgemäßen Weise übereinandergeschichtet werden. Daher ist die äußere Begrenzung der einzelnen Platten grundsätzlich beliebig. Um jedoch die Zu- und Abführungsleitung leicht anbringen zu können, ist es zweckmäßig, daß alle Platten die gleiche Grundfläche haben, so daß sie im Stapel eine gemeinsame Seitenfläche bilden. Eine rechteckige Grundfläche ist zweckmäßig.
Die Wellenlänge und die Wellenamplitude richten sich sowohl nach dem Verwendungszweck des Wärmetauscher-Körpers als auch nach der Herstellungsweise der Platten. Das Verhältnis von Wellenamplitude zu Wellenlänge liegt vorzugsweise im Bereich von 1 : 10 bis 1 : 1. Ein hohes Verhältnis innerhalb dieses Bereiches fördert eine starke Verwirbelung des strömenden Mediums und damit einen guten Wärmeübergang, führt aber zu einem hohen Strömungswiderstand. Bei abnehmendem Verhältnis von Amplitude zu Wellenlänge nimmt der Strömungswiderstand zunächst ab, dann aber wegen zunehmender Verengung des Kanalquerschnittes wieder zu. Die Wellenlänge liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 500 mm, die Wellenamplitude dementsprechend im Bereich von 1 bis 150 mm. Die Anzahl der Wellen in Längs- und Querrichtung kann nach den technischen Erfodernissen frei gewählt werden. Vorzugsweise betragen die Längen der Seitenkante einer rechteckigen Grundfläche 0,1 bis 3 m und die Anzahl der Wellen je Seite etwa 10 bis 400.
Für die Herstellung der zweiachsig gewellten Platten eignet sich eine Vielzahl von Werkstoffen. Verwendbar sind z. B. Metalle, keramische Werkstoffe, wie Ton, Porzellan oder Glas, Kunststoff, wie Thermoplaste, Duroplaste, faserverstärkte Kunststoffe oder kunststoffgefüllte Gewebe oder Vliese. Besonders vorteilhaft sind ebene, flächige Ausgangswerkstoffe, die sich zu der zweiachsig gewellten Gestalt umformen lassen. Hierzug gehören Bleche aus Stahl, Aluminium, Kupfer und anderen Metallen oder Legierungen, sowie alle thermoplastisch bzw. thermoelastisch umformbare Kunststofftafeln. Geeignete Kunststofftafeln dieser Art bestehen z. B. aus Acrylglas (Polymethylmethacrylat und Methylmethacrylat-Copolymerisate), Polyvinylchlorid, Polyolefinen, wie Polyäthylen oder Polypropylen, Polycarbonaten, wie Bisphenol-A-Polycarbonat, Polysulfonen, Polyimiden, Polyestern. Gut geeignet sind auch fasergefüllte Kunststoffe, wie sogenannte Prepregs, die in der Regel aus einem Glasfaservlies und einem wärmehärtbaren Epoxidharz bestehen.
Die tafelförmigen Ausgangsmaterialien werden zur Herstellung zweiachsig gewellter Platten unter Umformungsbedingungen zwischen zwei geeigneten korrespondierenden Werkzeugen in die gewünschte zweiachsig gewellte Form gebracht. Bei der Umformung von Kunststoffen im thermoelastischen Zustand ist es nicht erforderlich, vollflächig ausgearbeitete Formwerkzeuge zu verwenden. Es genügt, wenn die äußersten Maxima 4 und Minima 5 durch geeignete Formstempel ausgebildet werden. Die dazwischenliegenden Wellenformen bilden sich unter der Einwirkung der bei der Umformung entstehenden elastischen Gegenkräfte von selbst in der erforderlichen Weise aus. Für diese Umformung können Kunststofftafeln einer Dicke von 0,01 bis 3 mm eingesetzt werden. In entsprechender Weise können auch Metallbleche umgeformt werden.

Der Wärmetauscherkörper

Ein Wärmetauscherkörper mit abwechselnden Lagen von parallelen Kanälen für jedes der beiden Medien wird aus drei oder mehr übereinander geschichteten zweiachsig gewellten Platten gebildet. Jede weitere Platte fügt eine weitere Lage von parallelen Strömungskanälen hinzu. Die Platten werden in der Weise gestapelt, daß die Wellungen von jeweils zwei aufeinanderfolgenden Platten in Richtung der einen Wellenachse gleichphasig und in Richtung der anderen Wellenachse gegenphasig verlaufen. Platten, die eine durchgehend gleichmäßige Kreuzwellung aufweisen, lassen sich zu einem Kreuzstromrekuperator zusammensetzen, wobei die Richtungen des gleichphasigen und des gegenphasigen Verlaufs mit jeder Platte wechseln. Wie Figur 3 zeigt, ergeben sich dabei vier verschiedene Stellungen der einzelnen Platten, die in Figur 3 mit I bis IV bezeichnet sind. Die Lage der fünften Platte stimmt wieder mit der Lage der ersten überein.
Wenn die Platten eine in die Grundfläche projizierte Länge der Seitenkante von einem ungeraden Vielfachen der halben Wellenlänge haben, kann ein Kreuzstromrekuperator mit in einer Ebene liegenden Seitenkanten aus der gewünschten Zahl von völlig gleich gestalteten Einzelplatten aufgebaut werden. Diese werden jeweils um eine Vierteldrehung gegeneinander versetzt angeordnet. Diese Bauweise ist besonders vorteilhaft, weil man mit einem einzigen paar von Umformwerkzeugen ohne Verschnitt zweiachsig gewellte Platten herstellen kann, die jeweils durch Vierteldrehungen in jede der vier Stellungen bis IV gebracht werden können.
Der Kreuzstromrekuperator hat den Vorteil, daß die Zuleitungen 7, 8 und die Ableitungen 9, 10 für zwei durchströmende Medien besonders einfach an den Wärmetauscherkörper 15 angeschlossen werden können, indem auf jede seiner vier Seitenflächen je ein Sammelkasten 11, 12,13,14 aufgesetzt wird, von denen je zwei gegenüberliegende Kästen 11, 12 bzw. 13, 14 jeweils eines der beiden Medien führen.
Der Rand der Platten bildet zweckmäßigerweise gegenüber der Mittelebene 18 in der einen Richtung des Randes eine Stufe 2 nach oben und in der anderen Richtung des Randes eine Stufe 3 nach unten. Aufeinanderfolgende Platten im Stapel sind jeweils entgegengesetzt gestuft, wodurch sich in jeder Schicht ein Eintrittstrichter 19 bzw. 20 bildet. Der bis zu den Ecken durchgehende Trichter 19 wird an jeder Ecke des Plattenstapels mit einem elastischen Dichtungsblock seitlich verschlossen. Werden entsprechend Fig. 5 Sammelkästen 11, 12, 13, 14 an die Seiten des Wärmetauscherkörpers 15 angeschlossen und die Leitungen 7 und 9 als Zu- bzw. Ablauf für das eine Medium und die Leitungen 8 und 10 als Zu- bzw. Ablauf für das andere Medium benutzt, so erhält man einen Kreuzstromwärmetauscher.
Die Anzahl der zweiachsig gewellten Platten, die zu einem Wärmetauscherkörper vereinigt werden, ist grundsätzlich beliebig. Sie richtet sich im Einzelfall nach der erforderlichen Wärmetauschleistung und der jeweils zweckmäßigsten Gestaltung. Typische Wärmetauscherkörper haben 3 bis 100 Einzelflächen.
Beim bloßen Aufeinanderstapeln einzelner Platten zu einem Wärmetauscherkörper ist der seitliche Abschluß der Kanäle an den Seitenkanten nicht _Vl llig dicht. Trotzdem kann ein solcher Stapel in vielen Fällen als Wärmetauscher verwendet werden, wenn eine geringfügige Durchmischung der beiden Medien durch Leckströmung an den Seitenkanten hingenommen werden kann. Dies kann beispielsweise für den Wärmeaustausch zwischen Kühlwasserströmen oder zwischen der Zu- und Abluft von Gebäuden der Fall sein. In diesen Fällen genügt es, wenn der Wärmetauscherkörper durch geeignete Spannmittel mechanisch zusammengehalten wird.
Wenn dagegen eine Durchmischung der strömenden Medien ausgeschlossen werden muß, werden die einzelnen Platten in den Randbereichen 2, 3 dichtend miteinander verbunden. Dies kann beispielsweise durch ein aufgesetztes U-Profil 28, welches über jeweils zwei Außenkanten gelegt ist, geschehen.
Man kann an die Seitenflächen eines Wärmetauscherkörpers 15 Sammelkästen 11, 12, 13, 14 mit einer weichelastischen, dichtenden Beschichtung anpressen. Vorteilhafter ist es, die gleichphasig verlaufenden Ränder benachbarter Platten umzufalzen, miteinander zu verkleben oder zu verschweißen. Geeignete Klebemassen können beim Aufeinanderstapeln jeweils zwischengefügt werden. Sofern die Platten aus einem thermoplastischen Kunststoff bestehen, kann zum gleichzeitigen Verschweißen aller an einer Seitenfläche liegenden gleichphasigen Berührungslinien ein beheizbares Werkzeug verwendet werden, in welches Nuten entsprechend den an den Seiten des Wärmetauscherkörpers liegenden Außenkanten der einzelnen Platten eingeschnitten sind. Beim Einsenken der Seitenfläche in diese Nuten wird der Werkstoff aufgeschmolzen und verschweißt.
Eine weitere Möglichkeit zum Anschluß eines Sammelkastens 11 ist in Figur4 dargestellt. Er kann über die Seitenflächen des Plattenstapels gestülpt und auf geeignete Weise, z. B. durch Verkleben, dicht befestigt werden. Um den Wärmetauscher regelmäßig warten und reinigen zu können, wird der Sammelkasten vorzugsweise lösbar befestigt und auch die Verbindung der Platten lösbar ausgeführt. Der Sammelkasten kann in diesem Falle - wenigstens wo er am Plattenstapel anliegt - aus elastischem Material bestehen und mit einem Zugband 25 befestigt sein. Die Eintrittstrichter 19 können durch ein eingefügtes U-Profil 26 mit Durchtrittsöffnung 27 ausgesteift werden, um die Ränder 2 dicht schließend aufeinanderpressen zu können. Ein dichter Verschluß zweier aufeinanderliegender Ränder 2 kann auch mittels eines aufgesteckten U-Profils 28 erreicht werden.

Claims

1. Plattenwärmetauscherkörper, bestehend aus einem Stapel von gewellten Platten, zwischen denen durchströmbare Kanäle bestehen, wobei die Platten wenigstens in Teilbereichen in zwei kreuzweise zueinander liegenden Richtungen gewellt sind und in dem Stapel aufeinanderfolgende Platten so angeordnet sind, daß die Wellungen in den kreuzweise gewellten Bereichen in der einen Richtung gleichphasig und in der anderen Richtung gegenphasig verlaufen, dadurch gekennzeichnet,

daß die Wellungen aller Platten in den kreuzweise zueinander liegenden Richtungen in Wellenform, Wellenlänge und Wellenamplitude übereinstimmen und in dem Stapel die Richtungen des gleichphasigen und des gegenphasigen Verlaufs mit jeder Platte wechseln.

2. Plattenwärmetauscherkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Platten die gleiche rechteckige Grundfläche haben und daß die entsprechenden Außenkanten im Stapel jeweils in einer Ebene liegen.

3. Plattenwärmetauscherkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten einen umlaufenden ungewellten Rand (2, 3) parallel zur Mittelebene (18) haben.

4. Plattenwärmetauscherkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je zwei einander gegenüberliegende ungewellte Ränder (2, 3) ein vom Niveau der Mittelebene (18) um eine Amplitudenhöhe der Wellung abweichendes Niveau haben, daß sich die Richtung dieser Niveauabweichung an jeder Ecke umgekehrt und daß in dem Stapel je zwei gegenüberliegende Ränder der benachbarter Platten dicht aufeinanderliegen.

5. Plattenwärmetauscherkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderliegenden Ränder benachbarter Platten durch Kleb- oder Schweißverbindungen oder durch aufgesetzte U-Profile dichtend verbunden sind.

6. Plattenwärmetauscherkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß er durch lösbare mechanische Mittel zusammengehalten wird und wiederholt zerlegbar ist.