EP1065462A1 - Plattenwärmetauscher, inbesondere Plattenreaktor - Google Patents

Plattenwärmetauscher, inbesondere Plattenreaktor Download PDF

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Publication number
EP1065462A1
EP1065462A1 EP00112563A EP00112563A EP1065462A1 EP 1065462 A1 EP1065462 A1 EP 1065462A1 EP 00112563 A EP00112563 A EP 00112563A EP 00112563 A EP00112563 A EP 00112563A EP 1065462 A1 EP1065462 A1 EP 1065462A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
plate
plates
exchanger plates
inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00112563A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Borst
Dietmar Heil
Bruno Motzet
Konrad Dr. Schwab
Alois Tischler
Marc Weisser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Xcellsis AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xcellsis AG filed Critical Xcellsis AG
Publication of EP1065462A1 publication Critical patent/EP1065462A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F28F3/083—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning capable of being taken apart
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0062—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F28D9/0075—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements the plates having openings therein for circulation of the heat-exchange medium from one conduit to another

Definitions

  • the present invention relates to a plate heat exchanger, in particular a plate reactor, according to the preamble of the claim 1.
  • Conventional plate heat exchangers have one Number of heat exchanger plates arranged one above the other. For The supply and removal of the corresponding heat exchange media are for each of the heat exchange media provided inlet and outlet channels, which by the stacked heat exchanger plates extend, and with primary or secondary Flow channels between the heat exchanger plates communicate.
  • the heat exchanger plates and the inlet or Outlet channels are designed in such a way that the primary side and the secondary-side flow channels not with each other communicate.
  • Conventional heat exchanger plates have a rectangular shape, being used to form the inlet and outlet channels appropriate holes are provided in the plates which are when the plates are arranged one above the other swear.
  • To separate the primary and secondary sides Flow channels are all heat exchanger plates, in particular circumferential, connected to each other. Furthermore, the Base area of the available for the heat exchange media Spaces given by the plate dimensions.
  • a plate heat exchanger as described above is for example known from WO 91/16589.
  • the object of the invention is to create a plate heat exchanger, with the thermal stresses occurring in a simple manner can be reduced or compensated.
  • a plate heat exchanger is now created, which is essential compared to conventional solutions lower thermal stresses occur.
  • the heat transfer medium is dispensed with, and this heat exchange medium in the secondary flow channels is introduced is a spatial proximity of inlet channels, which is a very cold or a very hot heat exchanger medium feed, avoided.
  • the inlet channel of the primary-side flow channels is expediently in the area of the central axis of the plate heat exchanger in the main flow direction of the first heat exchange medium arranged at a first end of the plate heat exchanger, the two outlet channels of the primary-side flow channels symmetrical with respect to the other end of the plate heat exchanger the central axis are arranged.
  • this measure is an essentially symmetrical or Y-shaped flow the primary flow channels of the plate heat exchanger realizable. As a result, the thermal stress on the individual heat exchanger plates of the plate heat exchanger can be reduced.
  • the heat exchanger plates are expediently in the region of Inlet and outlet channels with a conventional one rectangular heat exchanger plates reduced footprint. That is, the edges of the individual heat exchanger plates, which traditionally used to form a rectangular Plate can run perpendicular to each other in the area of the inlet channel converge. Between the symmetrical An indentation can be formed around the central axis the heat exchanger plates may be provided. These shapes are possible because, according to the invention, Outlet channels for the second heat exchanger medium are dispensed with becomes.
  • the plate heat exchanger shown in Fig. 1 is total designated 1. It has a number of one above the other Heat exchanger plates 2. For the sake of simplicity Only the top and bottom are shown here Plate 2 is shown with a herringbone-like structure. It is possible to include some or all of the between the upper and lower plate lying heat exchanger plates to train with such a structuring.
  • the spaces between the plates 2 form on the primary side or secondary-side flow channels for by means of the plate heat exchanger heat exchange media to be charged. It is for example conceivable, alternately on the primary side and to provide flow channels on the secondary side.
  • the primary side and secondary-side flow channels do not communicate together.
  • an input channel 3 For supplying a first heat exchange medium, for example into the primary-side flow channels is an input channel 3 provided, which only with the primary-side flow channels communicates.
  • the stacked heat exchanger plates 2 with aligned holes, being between each Plates, surrounding the holes, spacing elements 4 are formed.
  • the spacing elements 4 serve both to set a desired distance between the one above the other arranged heat exchanger plates, as well as to ensure the desired communication of the inlet duct 3 exclusively with the primary flow channels.
  • Purposes provided in the spacing elements 4 are known per se and are not described in detail.
  • the primary flow channels communicate furthermore with outlet channels 5, 6 which are in relation to the inlet channel 3 formed at the opposite end of the plate heat exchanger are.
  • the outlet channels are, analogous to the inlet channel, through aligned holes in the heat exchanger plates and spacing elements formed with appropriate openings.
  • the outlet channels 5, 6 with respect to the central axis M of the plate heat exchanger symmetrically in the main flow direction are arranged.
  • the outlet channels 5, 6 form together with the inlet duct 3 the outlet channels 5, 6 a Y-shaped arrangement, whereby a uniform and symmetrical flow with respect to the central axis M. of the heat exchange medium through the primary flow channels is guaranteed.
  • Flow channels are these in the edge areas of the heat exchanger plates 2 through suitable measures, for example through Soldering superimposed heat exchanger plates together, closed fluid-tight.
  • the secondary-side flow channels are according to the invention Plate heat exchanger not designed with the inlet and outlet channels described. Rather, a second flows Heat exchange medium in the represented by the arrows p Direction towards the plate heat exchanger and hits the face on the first side of the plate heat exchanger flow channels on the secondary side.
  • the secondary flow channels are in contrast to the primary side Flow channels, in the edge areas of the heat exchanger plates forming them at least partially open.
  • the plate heat exchanger 1 is arranged within a box, of which only the base area 10 is shown.
  • the second heat exchange medium is to act on the front ends of the secondary Flow channels accordingly in the box, not shown introduced.
  • the surfaces of the Heat exchanger plates in particular in the inlet area of the heat exchange media be made smaller.
  • the side edges 2a of the heat exchanger plates in the area of the inlet duct 3 are designed to converge, that is, with reference to a conventional rectangular shape of the heat exchanger plates their corners are cut away in the inlet area.
  • the individual are correspondingly in the area of the outlet channels Heat exchanger plates 2 are formed with an indentation 11. This shape allows the weight of the plate heat exchanger compared to conventional solutions.
  • the Shaping is made possible by the fact that overall three inlet and outlet channels 3, 5, 6 are provided so that Areas in which conventional inlet and outlet channels were provided for a second heat exchanger medium can be. As explained, result from the more uniform heat exposure through the second heat exchange medium lower temperature gradients in the area of the inlet and outlet channels.
  • At least heat exchanger plates 2 prefferably be provided partly in the form of perforated sheets, as below will be explained with reference to FIG. 2.
  • FIG. 2 schematically shows a preferred construction of the heat exchanger plates 2 of a plate heat exchanger shown.
  • the top plate is in the illustrated embodiment as Perforated sheet with a herringbone-like structure formed (plate 2a). Under this plate is a flat sheet 2b is provided, below which a plate 2c is arranged, which has at least one surface structuring 10 having.
  • the surface structuring can be, for example Be etching structure, and is purely schematic in FIG. 2 shown (plate 2c). Below this plate 2c is again a perforated plate with a herringbone-like structure formed (plate 2a).
  • the gaps between the The heat exchanger plates shown form flow channels.
  • On primary-side flow channel, which between the plates 2b, 2c is designated by I. By the primary side Flow channel I preferably flows, in the case of an evaporator, the medium to be evaporated.
  • a secondary-side flow channel is formed, which is designated II. You can see that within this flow channel II the herringbone pattern structured perforated sheet 2a extends.
  • Heat exchanger plates 2a, 2b, 2c only one preferred Embodiment is concerned. It is also possible, for example, those trained with herringbone-like structuring To form unperforated plates or sheets (corrugated sheets), in which case flow channels between such Heat exchanger plate and accordingly above or below arranged further heat exchanger plates result.
  • FIG. 2 it can also be seen that an inlet channel 3 only communicates with the primary flow channels I.
  • Secondary flow channels II are, as already explained, acted upon at the end by a heat exchanger medium, as again indicated by the arrows p.
  • the spacing elements 4 is in FIG. 2 Omitted for reasons of clarity.
  • ⁇ describes the stress occurring
  • E is the elastic modulus of the respective material or component
  • ⁇ the elongation of the component
  • ⁇ T the thermal expansion coefficient of the component
  • ⁇ T an occurring temperature difference.
  • Suitable materials can be used to increase the permissible stresses of a plate heat exchanger or the heat exchanger plates, for example superaustenites or nickel-based materials.
  • Nickel-based materials for example Alloy 625, are also suitable for reducing the coefficient of thermal expansion ⁇ T.
  • the plate heat exchanger according to the invention can be particularly advantageously composed of individual modules, the two or three, for example.
  • Heat exchanger plates exist, which each the media rooms or flow channels form.
  • Such modules can be found, for example, in the box, in which the heat exchanger is installed, in simple Stack one on top of the other, whereby the individual plates or Modules can be designed as end or tension plates.
  • This can an external constraint of the individual modules or heat exchanger plates be avoided by suitable storage.
  • the pressure forces that occur can be transmitted by means of corrugated or perforated spacer elements or spacers. such as an appropriate arrangement of end or tension plates become.

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Abstract

Plattenwärmetauscher (1), insbesondere Plattenreaktor, mit übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten (2), zwischen welchen primärseitige Strömungskanäle (I) für ein erstes Wärmetauschermedium und sekundärseitige Strömungskanäle (II) für ein zweites Wärmetauschermedium ausgebildet sind, wobei die primärseitigen Strömungskanäle (I) mit wenigstens einem durch die Wärmetauscherplatten (2) verlaufenden Einlaßkanal (3) zur Zufuhr des ersten Wärmetauschermediums und mit wenigstens zwei durch die Wärmetauscherplatten (2) verlaufenden Auslaßkanälen (5,6) zur Ausgabe des ersten Wärmetauschers kommunizieren, wobei ein Medienraum zur Aufnahme des ersten Wärmetauschermediums im wesentlichen zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauscherplatten (2) gebildet ist, und daß das zweite Wärmetauschermedium stirnseitig ohne Zwischenschaltung von Einlaß- bzw. Auslaßkanälen in die sekundärseitigen Strömungskanäle (II) einführbar bzw. aus diesen abführbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, insbesondere einen Plattenreaktor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Herkömmliche Plattenwärmetauscher weisen eine Anzahl übereinander angeordneter Wärmetauscherplatten auf. Zur Zu- und Abfuhr der entsprechenden Wärmetauschermedien sind für jedes der Wärmetauschermedien Einlaß- und Auslaßkanäle vorgesehen, welche durch die übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten sich erstrecken, und mit primärseitigen bzw. sekundärseitigen Strömungskanälen zwischen den Wärmetauscherplatten kommunizieren. Die Wärmetauscherplatten und die Einlaß- bzw. Auslaßkanäle sind hierbei derart ausgebildet, daß die primärseitigen und die sekundärseitigen Strömungskanäle nicht miteinander kommunizieren. Herkömmliche Wärmetauscherplatten weisen eine rechteckige Form auf, wobei zur Bildung der Ein- und Auslaßkanäle entsprechende Bohrungen in den Platten vorgesehen sind, welche bei Übereinanderanordnung der Platten miteinander fluchten. Zur Trennung der primärseitigen und sekundärseitigen Strömungskanäle sind sämtliche Wärmetauscherplatten, insbesondere umfangsseitig, miteinander verbunden. Ferner ist die Grundfläche der für die Wärmetauschermedien zur Verfügung stehenden Räume durch die Plattenabmessungen vorgegeben.
Ein wie oben beschriebener Plattenwärmetauscher ist beispielsweise aus der WO 91/16589 bekannt.
Aus der WO 8911627 ist es bekannt, anstelle der Auslaßkanäle eines zu verdampfenden Mediums die Kantenbereiche der Strömungskanäle zwischen den Wärmetauscherplatten teilweise offen auszubilden. Durch diese Maßnahme kann ein verdampftes Medium, welches ein wesentlich größeres Volumen als die ursprünglich verdampfte Flüssigkeit einnimmt, in vorteilhafter Weise aus dem Plattenwärmetauscher abgeführt werden.
Als nachteilig bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern erweist sich, daß aufgrund der räumlichen Nähe der Einlaßkanäle für die verschiedenen Wärmetauschermedien thermisch bedingte Spannungen in den Wärmetauscherplatten auftreten. Aufgrund der Thermospannungen entsteht ein Kräftegleichgewicht, welches durch Plattenbereiche mit unterschiedlichen Temperaturen verursacht wird, wobei die Stärke der Spannungen beispielsweise von der Größe der Blechbereiche konstanter Temperatur abhängig ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Plattenwärmetauschers, mit dem auftretende Thermospannungen in einfacher Weise vermindert bzw. kompensiert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plattenwärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist nun ein Plattenwärmetauscher geschaffen, bei welchem im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen wesentlich geringere thermisch bedingte Spannungen auftreten. Dadurch, daß auf Einlaßkanäle für eines der Wärmetauschermedien, insbesondere das Wärmeträgermedium, verzichtet wird, und dieses Wärmetauschermedium stirnseitig in die sekundärseitigen Strömungskanäle eingeführt wird, ist eine räumliche Nähe von Einlaßkanälen, welche ein noch sehr kaltes bzw. ein noch sehr heißes Wärmetauschermedium zuführen, vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zweckmäßigerweise ist der Einlaßkanal der primärseitigen Strömungskanäle im Bereich der Mittelachse des Plattenwärmetauschers in Hauptströmungsrichtung des ersten Wärmetauschermediums an einem ersten Ende des Plattenwärmetauschers angeordnet, wobei die zwei Auslaßkanäle der primärseitigen Strömungskanäle an dem anderen Ende des Plattenwärmetauschers symmetrisch bezüglich der Mittelachse angeordnet sind. Mit dieser Maßnahme ist eine im wesentlichen symmetrische bzw. Y-förmige Durchströmung der primärseitigen Strömungskanäle des Plattenwärmetauschers realisierbar. Hierdurch kann die Thermobeanspruchung der einzelnen Wärmetauscherplatten des Plattenwärmetauschers weiter vermindert werden.
Zweckmäßigerweise sind die Wärmetauscherplatten im Bereich der Einlaß- bzw. Auslaßkanäle mit einer gegenüber herkömmlichen rechteckigen Wärmetauscherplatten verringerten Grundfläche ausgebildet. Das heißt, die Kanten der einzelnen Wärmetauscherplatten, welche herkömmlicherweise zur Bildung einer rechteckigen Platte senkrecht zueinander verlaufen, können im Bereich des Einlaßkanals aufeinander zulaufen. Zwischen den symmetrisch um die Mittelachse ausgebildeten Auslaßkanälen kann eine Einbuchtung der Wärmetauscherplatten vorgesehen sein. Diese Formgebungen sind möglich, da erfindungsgemäß auf die Ein- bzw. Auslaßkanäle für das zweite Wärmetauschermedium verzichtet wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt:
Fig. 1
eine schematische perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers, und
Fig. 2
einen bevorzugten Aufbau übereinanderliegender Wärmetauscherplatten, welche bei dem Plattenwärmetauscher gemäß der Fig. 1 verwendbar sind.
Der in Fig. 1 dargestellte Plattenwärmetauscher ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist eine Anzahl übereinander angeordneter Wärmetauscherplatten 2 auf. Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung sind hierbei lediglich die obere und die untere Platte 2 mit einer fischgrätenmusterartigen Strukturierung dargestellt. Es ist möglich, auch einige oder alle der zwischen der oberen und der unteren Platte liegenden Wärmetauscherplatten mit einer derartigen Strukturierung auszubilden.
Die Zwischenräume zwischen den Platten 2 bilden primärseitige bzw. sekundärseitige Strömungskanäle für mittels des Plattenwärmetauschers zu beaufschlagende Wärmetauschermedien. Es ist beispielsweise denkbar, abwechselnd übereinander primärseitige und sekundärseitige Strömungskanäle vorzusehen. Die primärseitigen und sekundärseitigen Strömungskanäle kommunizieren nicht miteinander.
Zur Zuleitung eines ersten Wärmetauschermediums, beispielsweise in die primärseitigen Strömungskanäle, ist ein Eingangskanal 3 vorgesehen, welcher ausschließlich mit den primärseitigen Strömungskanälen kommuniziert. Zur Bildung des Eingangskanals 3 sind die übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten 2 mit fluchtenden Bohrungen ausgebildet, wobei zwischen den einzelnen Platten, die Bohrungen jeweils umgebend, Beabstandungselemente 4 ausgebildet sind. Die Beabstandungselemente 4 dienen sowohl zur Einstellung eines gewünschten Abstandes zwischen den übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten, als auch zur Gewährleistung der gewünschten Kommunikation des Einlaßkanals 3 ausschließlich mit den primärseitigen Strömungskanälen. Zu diesem Zwecke in den Beabstandungselementen 4 vorgesehene Öffnungen sind an sich bekannt und werden nicht im einzelnen beschrieben. Die primärseitigen Strömungskanäle kommunizieren ferner mit Auslaßkanälen 5,6, welche bezüglich des Einlaßkanals 3 am entgegengesetzten Ende des Plattenwärmetauschers ausgebildet sind. Die Auslaßkanäle sind, analog zum Einlaßkanal, durch fluchtende Bohrungen in den Wärmetauscherplatten und Beabstandungselemente mit entsprechenden Öffnungen gebildet. Man erkennt, daß die Auslaßkanäle 5, 6 bezüglich der Mittelachse M des Plattenwärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung symmetrisch angeordnet sind. Zusammen mit dem Einlaßkanal 3 bilden die Auslaßkanäle 5,6 eine Y-förmige Anordnung, wodurch eine gleichmäßige und bezüglich der Mittelachse M symmetrische Strömung des Wärmetauschermediums durch die primärseitigen Strömungskanäle gewährleistet ist.
Zur Gewährleistung eines dichten Abschlusses der primärseitigen Strömungskanäle sind diese in den Randbereichen der Wärmetauscherplatten 2 durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Zusammenlöten übereinanderliegender Wärmetauscherplatten, fluiddicht abgeschlossen.
Die sekundärseitigen Strömungskanäle sind gemäß dem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher nicht mit den beschriebenen Einlaß- bzw. Auslaßkanälen ausgebildet. Vielmehr strömt ein zweites Wärmetauschermedium in der mittels der Pfeile p dargestellten Richtung auf den Plattenwärmetauscher zu und trifft stirnseitig auf der ersten Seite des Plattenwärmetauschers auf die sekundärseitigen Strömungskanäle. Die sekundärseitigen Strömungskanäle sind hierzu, im Gegensatz zu den primärseitigen Strömungskanälen, in den Kantenbereichen der sie bildenden Wärmetauscherplatten wenigstens teilweise offen ausgebildet.
Dadurch, daß das zweite Wärmetauschermedium, insbesondere das Wärmeträgermedium, nicht "lokalisiert" über Einlaßkanäle zugeführt wird, können die thermischen Spannungen innerhalb der Wärmetauscherplatten 2 gegenüber herkömmlichen Lösungen beträchtlich vermindert werden. Insbesondere kann vermieden werden, daß Einlaß- bzw. Auslaßkanäle der ersten und zweiten Wärmetauschermedien in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet werden müssen, so daß starke Temperaturgradienten in der Umgebung benachbarter Einlaß- bzw. Auslaßkanäle für verschiedene Wärmetauschermedien vermieden werden können. Durch die Verminderung der thermomechanischen Beanspruchung der Wärmetauscherplatten 2 kann die Lebensdauer des Plattenwärmetauschers 1 insgesamt verlängert werden.
Ferner können die Herstellungskosten, welche zur Befestigung bzw. Verbindung der Wärmetauscherplatten 2 aneinander anfallen, verringert werden, da herkömmlicherweise notwendige Fügestellen zum fluiddichten Abschluß der sekundärseitigen Strömungskanäle nicht notwendig sind.
Es sei angemerkt, daß der dargestellte Plattenwärmetauscher 1 innerhalb eines Kastens angeordnet ist, von dem nur die Grundfläche 10 dargestellt ist. Das zweite Wärmetauschermedium wird zur Beaufschlagung der stirnseitigen Enden der sekundärseitigen Strömungskanäle entsprechend in den nicht dargestellten Kasten eingeführt.
Da es gegenüber herkömmlichen Lösungen zu geringeren Temperaturgradienten kommt, und ferner eine geringere Anzahl von Einlaß- bzw.Auslaßkanälen vorzusehen ist, können die Flächen der Wärmetauscherplatten insbesondere im Einlaßbereich der Wärmetauschermedien verkleinert werden. Man erkennt in der Fig. 1, daß entsprechend dieser konstruktiven Möglichkeit die Seitenkanten 2a der Wärmetauscherplatten im Bereich des Einlaßkanals 3 aufeinander zulaufend ausgebildet sind, das heißt unter Bezugnahme auf eine herkömmliche rechteckige Form der Wärmetauscherplatten sind deren Ecken im Einlaßbereich weggeschnitten. Entsprechend sind im Bereich der Auslaßkanäle die einzelnen Wärmetauscherplatten 2 mit einer Einbuchtung 11 ausgebildet. Durch diese Formgebung kann das Gewicht des Plattenwärmetauschers gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden. Die Formgebung wird dadurch ermöglicht, daß insgesamt lediglich drei Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 3, 5, 6 vorgesehen sind, so daß Bereiche, in denen herkömmlicherweise Einlaß- bzw. Auslaßkanäle für ein zweites Wärmetauschermedium vorgesehen waren, ausgespart werden können. Wie erläutert, ergeben sich aufgrund der gleichmäßigeren Wärmebeaufschlagung durch das zweite Wärmetauschermedium geringere Temperaturgradienten im Bereich der Einlaß- bzw. der Auslaßkanäle.
Dadurch, daß erfindungsgemäß nur drei Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 3, 5, 6 vorgesehen sind, ist es in einfacher Weise möglich, den Plattenwärmetauscher 1 derart an der Grundplatte 10 zu befestigen, daß keine Zwängung der einzelnen Wärmetauscherplatten 2 bei auftretenden Temperaturgradienten auftritt. Es ist beispielsweise möglich, sämtliche der drei Kanäle 3, 5, 6, oder auch beispielsweise nur die zwei Auslaßkanäle 5, 6 flexibel, das heißt nicht-statisch zu lagern, so daß sie innerhalb ihrer jeweiligen Lagerungen entsprechend einer thermisch bedingten Ausdehnung der einzelnen Wärmetauscherplatten verschiebbar sind. Zur Kompensation von thermisch bedingten Spannungen ist es beispielsweise auch möglich, Entlastungsdurchbrüche in den Wärmetauscherplatten 2 auszubilden. Plattenbereiche, in welchen hohe thermisch bedingte Spannungen auftreten, können dicker ausgebildet sein als Bereiche, in denen nur geringere Spannungen auftreten bzw. zu erwarten sind.
Es ist ferner möglich, die Wärmetauscherplatten 2 wenigstens zum Teil in Form gelochter Bleche vorzusehen, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wird.
In Fig. 2 ist schematisch ein bevorzugter Aufbau der Wärmetauscherplatten 2 eines Plattenwärmetauschers dargestellt. Die oberste Platte ist in der dargestellten Ausführungsform als Lochblech mit einer fischgrätenmusterartigen Strukturierung ausgebildet (Platte 2a). Unter dieser Platte ist ein Flachblech 2b vorgesehen, unterhalb welchem eine Platte 2c angeordnet ist, welche wenigstens einseitig eine Oberflächenstrukturierung 10 aufweist. Die Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise eine Ätzstruktur sein, und ist in der Fig. 2 rein schematisch dargestellt (Platte 2c). Unterhalb dieser Platte 2c ist wiederum ein Lochblech mit einer fischgrätenmusterartigen Strukturierung ausgebildet (Platte 2a). Die Zwischenräume zwischen den dargestellten Wärmetauscherplatten bilden Strömungskanäle. Ein primärseitiger Strömungskanal, welcher zwischen den Platten 2b, 2c gebildet ist, ist mit I bezeichnet. Durch den primärseitigen Strömungskanal I strömt vorzugsweise, im Falle eines Verdampfers, das zu verdampfende Medium.
Zwischen der unstrukturierten Seite des Bleches 2c und einem weiteren Blech 2b ist ein sekundärseitiger Strömungskanal ausgebildet, welcher mit II bezeichnet ist. Man erkennt, daß sich innerhalb dieses Strömungskanals II das fischgrätenmusterartig strukturierte Lochblech 2a erstreckt.
Aufgrund der Strukturierung des Bleches 2c bzw. der Wärmetauscherplatten 2a kommt es innerhalb der jeweiligen Strömungskanäle zu Verwirbelungen der durchströmenden Medien, wodurch die Wärmeübertragung vorteilhaft beeinflußt ist.
Es sei betont, daß es sich bei der dargestellten Anordnung der Wärmetauscherplatten 2a, 2b, 2c lediglich um eine bevorzugte Ausführungsform handelt. Es ist beispielsweise ebenfalls möglich, die mit fischgrätenmusterartiger Strukturierung ausgebildeten Platten bzw. Bleche (Wellbleche) ungelocht auszubilden, wobei sich in diesem Fall Strömungskanäle zwischen einer derartigen Wärmetauscherplatte und entsprechend darüber bzw. darunter angeordneten weiteren Wärmetauscherplatten ergeben.
In Fig. 2 ist ferner zu erkennen, daß ein Einlaßkanal 3 lediglich mit den primärseitigen Strömungskanälen I kommuniziert. Sekundärseitige Strömungskanäle II werden, wie bereits erläutert, stirnseitig durch ein Wärmetauschermedium beaufschlagt, wie wiederum mittels der Pfeile p angedeutet ist. Auf eine Darstellung der Beabstandungselemente 4 ist in der Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Zur Vervollständigung der Darstellung werden im folgenden weitere Maßnahmen erläutert, mittels derer in Plattenwärmetauschern auftretende Thermospannungen vermindert werden können. Thermospannungen lassen sich (der Einfachheit halber hier in eindimensionaler Form) gemäß der Gleichung σ = E (ε - αTΔT) beschreiben. Hierbei beschreibt σ die auftretende Spannung, E ist das Elastizitätsmodul des jeweiligen Werkstoffs bzw. Bauteils, ε die Dehnung des Bauteils, αT der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bauteils und ΔT eine auftretende Temperaturdifferenz.
Zur Erhöhung zulässiger Spannungen eines Plattenwärmetauschers bzw. der Wärmetauscherplatten können geeignete Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise Superaustenite oder Nickelbasiswerkstoffe. Zur Verminderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten αT eignen sich ebenfalls Nickelbasiswerkstoffe, beispielsweise Alloy 625.
Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher läßt sich in besonders vorteilhafter Weise aus einzelnen Modulen zusammensetzen, die beispielsweise aus zwei oder drei. Wärmetauscherplatten bestehen, welche jeweils die Medienräume bzw. Strömungskanäle bilden. Derartige Module lassen sich beispielsweise in dem Kasten, in welchem der Wärmetauscher eingebracht ist, in einfacher Weise aufeinanderstapeln, wobei die einzelnen Platten bzw. Module als End- bzw. Zugplatten ausbildbar sind. Hierbei kann eine äußere Zwängung der einzelnen Module bzw. Wärmetauscherplatten durch eine geeignete Lagerung vermieden werden. Gegenüber herkömmlichen Systemen erweist es sich als vorteilhaft, daß nur drei Verbindungen der einzelnen Platten bzw. Module ausgebildet sind, nämlich die Einlaß- bzw. Auslaßkanäle, so daß eine statische Lagerung vermieden werden kann. Es ist ferner möglich, thermische Spannung mittels variabler Blechdicken oder Entlastungsdurchbrüche zu verringern.
Eine Übertragung der auftretenden Druckkräfte kann mittels gewellter oder gelochter Beabstandungselemente bzw. Spacer,. sowie einer zweckmäßigen Anordnung von End- bzw. Zugplatten erreicht werden.

Claims (3)

  1. Plattenwärmetauscher, insbesondere Plattenreaktor, mit übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten (2), (2a), (2b), (2c), zwischen welchen primärseitige Strömungskanäle (I) für ein erstes Wärmetauschermedium und sekundärseitige Strömungskanäle (II) für ein zweites Wärmetauschermedium ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die primärseitigen Strömungskanäle (I) mit wenigstens einem durch die Wärmetauscherplatten (2), (2a), (2b), (2c) verlaufenden Einlaßkanal (3) zur Zufuhr des ersten Wärmetauschermediums und mit wenigstens zwei durch die Wärmetauscherplatten verlaufenden Auslaßkanälen (5), (6) zur Ausgabe des ersten Wärmetauschers kommunizieren, wobei ein Medienraum zur Aufnahme des ersten Wärmetauschermediums im wesentlichen zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauscherplatten gebildet ist, und daß das zweite Wärmetauschermedium stirnseitig ohne Zwischenschaltung von Einlaß- bzw. Auslaßkanälen in die sekundärseitigen Strömungskanäle (II) einführbar bzw. aus diesen abführbar ist.
  2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (3) im Bereich der Mittelachse M des Plattenwärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung des ersten Wärmetauschermediums an einem ersten Ende des Plattenwärmetauschers angeordnet ist, und zwei Auslaßkanäle (5), (6) an einem zweiten Ende des Plattenwärmetauschers symmetrisch bezüglich der Mittelachse M angeordnet sind.
  3. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (2), (2a), (2b), (2c) im Bereich der Einlaß- bzw. Auslaßkanäle (3), (5), (6) mit einer gegenüber herkömmlichen rechteckigen Wärmetauscherplatten verringerten Grundfläche ausgebildet sind.
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