EP1757887A1 - Wärmetauscherblock - Google Patents

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EP1757887A1
EP1757887A1 EP05018507A EP05018507A EP1757887A1 EP 1757887 A1 EP1757887 A1 EP 1757887A1 EP 05018507 A EP05018507 A EP 05018507A EP 05018507 A EP05018507 A EP 05018507A EP 1757887 A1 EP1757887 A1 EP 1757887A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
plates
exchanger block
block according
hoods
Prior art date
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EP05018507A
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EP1757887B1 (de
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Marcus Dr. Franz
Jürgen Dr. Künzel
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SGL Carbon SE
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SGL Carbon SE
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Publication date
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Priority to ES05018507T priority patent/ES2374818T3/es
Priority to EP05018507A priority patent/EP1757887B1/de
Priority to PL05018507T priority patent/PL1757887T3/pl
Priority to AT05018507T priority patent/ATE528605T1/de
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Priority to CA2557037A priority patent/CA2557037C/en
Priority to US11/510,241 priority patent/US7549464B2/en
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    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/02—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of carbon, e.g. graphite
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • 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
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/048—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of ribs integral with the element or local variations in thickness of the element, e.g. grooves, microchannels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F3/083—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning capable of being taken apart
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2230/00—Sealing means

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchanger block.
  • the channels for the heat-releasing gaseous medium (hereinafter referred to as flue gas channels) are formed by recessed into the abutting surfaces of the plates grooves between which ribs remain. At least two such plates are combined so that the grooves in the abutting surfaces of both plates complement each other and thus form channels bounded by the abutting ribs of both plates.
  • the channels for the second, to be heated medium (hereinafter referred to as cooling medium) are formed as the plates penetrating holes.
  • the thickness of the plates is chosen so that there is only a thin, the heat transfer little obstructing Materialbatiiere between the two channel systems, but the strength of which is sufficient to fluid-tightly separate the channel systems from each other and to ensure mechanical strength.
  • the outwardly facing surfaces of the panels are flat.
  • the plates are held together in a fluid-tight manner by adhesives or by means of seals and tension or tension anchors.
  • the channel systems can be arranged parallel or perpendicular to each other, depending on whether a media guide in the counter or DC or in the cross flow is intended. For the parallel guidance of the media, however, a significantly higher design and
  • the bores extend between the grooves embedded in the plate surfaces, i. they lie on a plane near or above the bottoms of the grooves.
  • the channel systems are, so to speak, interlocked. This results in that the mouths of the flue gas ducts and the mouths of the cooling channels are not very close to each other at the end faces at the end faces of the plates. Therefore, specially designed for the supply and distribution of the media to the respective channel system or for the collection of the partial streams from the channels and the stipulateabtransport headers are necessary, which allow in a confined space a separate arrival or removal of various media.
  • DE 296 04 521 proposed to close the holes at their front ends, for example, by glued-in plugs, and to provide tap holes from the plate surfaces to the holes forming the cooling channels, so that can be done from the plate surface and transport of the cooling medium.
  • this variant solves the space problem at the end faces, but is even more expensive to manufacture, since the frontal orifices must be fluid-tightly sealed at each bore and additionally two tap holes must be attached.
  • cross-flow guidance is preferably used in practice, although more effective cooling can be achieved by means of counter-current guidance.
  • the flue gas channels are preferably designed so that on the one hand a high ratio of heat transfer surface (wall surface) is achieved to channel volume, on the other hand, the free flow cross section is sufficient to ensure the outflow of gases through natural convection. This is achieved by channels in the form of slots with a high ratio of depth to width.
  • the production of the flue gas channels forming grooves is mainly by milling.
  • the channels for the cooling medium always have a circular cross-section, as they are drilled.
  • the formation of these channels as holes is disadvantageous because of the high processing costs.
  • the heat transfer coefficient alpha between the wall surface and the cooling medium which in turn depends inter alia on the flow state of the cooling medium and on the geometric shape of the heat transfer surface, can be increased exclusively by increasing the flow velocity of the cooling medium in the bores.
  • the heat exchanger according to the invention is intended to enable countercurrent flow of the gas stream and cooling medium to be cooled without great design complexity.
  • the heat transfer to the cooling medium proceeds via the outwardly facing surfaces of the two plates comprising the flue gas channels.
  • chambers through which a cooling medium flows are provided in the heat exchanger block according to the invention, which spaces directly adjoin the outwardly facing surfaces of the plates comprising the flue gas channels.
  • the heat exchanger block according to the invention is always lying down, i. the flue gas channels 2 extend in the horizontal direction.
  • the inventive Wömeleyerblock can of course also in a standing position (flue gas ducts 2 extend vertically) are operated.
  • the specialist decides on the type of installation based on the particular application.
  • the plates 1a, 1b could in principle also be made of metallic materials.
  • temperature and corrosivity of the gaseous medium to be cooled must be taken into account.
  • grooves 2a, 2b are preferred with a depth which is great in relation to their width.
  • the ratio of groove width to groove depth can be up to about 1:50, with a ratio of about 1: 1 to 1:10 being particularly favorable for production and procedural considerations for graphite apparatuses.
  • the thickness of the plates 1a, 1b is designed so that the distance between the bottoms of the grooves 2 a, 2 b forming the flue gas channels 2 and as the Wäzmegangs vom 4 a, 4 b acting surfaces of the plates 1a, 1b is as small as possible, but a sufficient to ensure the mechanical stability and fluid tightness material layer stops.
  • the minimum layer thickness required for stability is approximately 10 to 15 mm.
  • the ribs 3a, 3b are used in addition to the limitation of the flue gas ducts 2 and the support of the plates 1a, 1b, which are loaded by the adjacent flowed through by the cooling medium spaces 5a, 5b and these spaces final caps 6a, 6b.
  • Suitable materials for the hoods 6a, 6b are metallic materials, such as cast iron.
  • the hoods 6a, 6b, which close off the spaces 5a, 5b through which a cooling medium flows, do not come into contact with the hot and corrosive flue gas. Therefore, the materials for the hoods 6a, 6b do not have to be so demanding in terms of corrosion resistance.
  • the use of corrosion-resistant but expensive and difficult-to-machine materials such as graphite or ceramic can be limited to those areas in which such materials are absolutely necessary because of contact with hot corrosive media.
  • the delimitation of the space flowed through by the cooling medium 5a, 5b by hoods 6a, 6b also allows almost any design of the flow guidance of the cooling medium.
  • hoods 6a, 6b are sealed with circumferential flat or O-ring seals 7a, 7b against the plate surfaces 4a, 4b.
  • the flexible seals 7a, 7b compensate for the differences in thermal expansion between the plates 1a, 1b through which the hot flue gas flows and the relatively cold hoods 6a, 6b.
  • the gap between the plates 1a, 1b must be sealed.
  • FIG. 2 shows a heat exchanger block according to the invention with the connection hoods 9, 9 'attached thereto for the inlet and outlet of a gaseous medium, e.g. Flue gas from an incinerator.
  • a gaseous medium e.g. Flue gas from an incinerator.
  • the construction of such connection hoods is known and will therefore not be described in detail. It should only be mentioned that the hood 9 'is optionally provided with a Kondensatab Wegneck,voriques for the exit of the cooled gaseous medium, when the gaseous medium to be cooled contains condensable constituents.
  • the structure of the heat exchanger according to the invention opens up the possibility of releasably securing the flue gas connections 9, 9 'independently of each other on the hoods 6a and 6b by means of screws and one retaining ring 10, 10'.
  • a plurality of inventive heat exchanger blocks can be arranged next to or in succession.
  • the surfaces 4a, 4b of the plates 1a, 1b acting as heat transfer surfaces are provided with profile structures 11 which increase the area available for the heat transfer and / or increase the turbulence of the flow of the cooling medium .
  • Such structures 11 may, for example, grooves, beads, ribs, webs, protrusions, eg knobs or the like. Contain structural elements or combinations thereof.
  • mutually offset ribs or ribs with mutually offset openings because thereby the turbulence of the cooling medium is increased.
  • profile structures as used in plate heat exchangers (plate heat exchangers) and for example from the patent EP 0 203 213 are known.
  • the hood 6a, 6b can be designed as a flat plate, which is mounted on the one with a circumferential seal 7a , 7b provided raised edge of the structured plate surface 4a, 4b and is supported by the protruding from the plate surface 4a, 4b structural elements 11.
  • the insides of the hoods 6a, 6b which in each case close off the space 5a, 5b through which a cooling medium flows, may be provided with profile structures 11 'suitable for generating turbulence (FIG. 4).
  • the variant from FIG. 4 with structured inner sides of the hoods 6a, 6b is preferred over the variant from FIG. 3 with structured heat transfer surfaces 4a, 4b of the plates 1a, 1b, because the hoods 6a, 6b are made of metallic materials which are easier to machine than Graphite or ceramic materials.
  • the structures 11 and 11 ' are also adapted to direct the flow of the cooling medium, almost regardless of the placement and type of connections 12a, 12b for the supply and 12a, 12b' the discharge of the cooling medium.
  • the first heat exchanger has according to the DE 296 04 521 U1 known prior art cooling channels, which are formed by holes 13 in the plates 1a, 1b ( Figure 5).
  • the flow rate of the cooling medium in the bores of the first heat exchanger is assumed to be a constant size for all three heat exchangers, i.
  • the cooling medium flows through the heat transfer surfaces of all three heat exchangers at the same speed.
  • the heat transfer coefficient alpha is 50% higher in the heat exchanger according to the invention with a flat heat transfer surface overflowed by the cooling medium compared with the bores through which the cooling medium flows according to the prior art.
  • heat exchanger according to the invention with a structured heat transfer surface is the increase of the heat transfer coefficient alpha compared to the prior art even 3.5 times.
  • the improvement of the heat transfer to the cooling water made possible by the design according to the invention of the heat exchanger is particularly advantageous if the gas-side heat transfer coefficient is also high. This is the case when the gas to be cooled contains condensable fractions.
  • the heat transfer surface can be reduced in the inventive design of the heat exchanger thanks to the increased heat transfer coefficient at the same cooling capacity.
  • the heat exchanger can be made more compact than, for example, with the in DE 296 04 521 U1 described prior art is possible.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscherblock. Das abzukühlende gasförmige Medium strömt in Kanälen, die durch Nuten in den aneinanderstoßenden Oberflächen zweier Platten gebildet werden. Im Wärmetauscherblock sind von einem Kühlmedium durchströmte Räume vorgesehen, welche unmittelbar an die äußeren Oberflächen der Platten anschließen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscherblock.
  • Aus dem Gebrauchsmuster DE 296 04 521 U1 ist ein aus Platten aus Graphit zusammengesetzter Wärmetauscherkötper bekannt. Innerhalb dieses Wärmetauscherkörpers sind Kanalsysteme für zwei Medien angeordnet.
  • Die Kanäle für das Wärme abgebende gasförmige Medium (im folgenden als Rauchgaskanäle bezeichnet) werden durch in die aneinander stoßenden Oberflächen der Platten eingelassene Nuten gebildet, zwischen denen Rippen stehen bleiben. Mindestens zwei derartige Platten werden so miteinander kombiniert, dass die Nuten in den aneinander stoßenden Oberflächen beider Platten einander ergänzen und auf diese Weise Kanäle bilden, welche durch die aneinander stoßenden Rippen beider Platten begrenzt werden.
  • Die Kanäle für das zweite, zu erwärmende Medium (im folgenden als Kühlmedium bezeichnet) sind als die Platten durchdringende Bohrungen ausgebildet. Die Stärke der Platten wird so gewählt, dass sich zwischen den beiden Kanalsystemen nur eine dünne, den Wärmeübergang wenig behindernde Materialbatiiere befindet, deren Stärke aber ausreichend ist, um die Kanalsysteme fluiddicht voneinander zu trennen und mechanische Festigkeit zu gewährleisten.
  • Die nach außen gewandten Oberflächen der Platten sind eben.
  • Die Platten werden durch Klebemittel oder mittels Dichtungen und Zug- oder Spannankern fluiddicht zusammen gehalten.
  • Mehrere Paare von Platten können neben- und aneinander gelegt werden können. Diese modulare Bauweise erlaubt eine gezielte Anpassung der Kapazität des Wärmetauschers für verschiedene Anforderungen.
  • Die Kanalsysteme können parallel oder senkrecht zueinander angeordnet sein, je nachdem, ob eine Medienführung im Gegen- bzw. Gleichstrom oder im Kreuzstrom beabsichtigt ist. Für die parallele Führung der Medien ist jedoch ein erheblich höherer Konstruktions- und
  • Bearbeitungsaufwand nötig, um die Trennung des abzukühlenden und des aufzuwärmenden Stromes zu erreichen.
  • Bei paralleler Medienführung liegen die Mündungen beider Kanalsysteme auf denselben Stirnseiten der Platten. D.h. an den betreffenden Stirnseiten sind jeweils Anschlusssysteme (Kopfdstücke) für zwei separate Medienströme vorzusehen.
  • Um die Materialbarriere zwischen den beiden Kanalsystemen möglichst gering zu halten, verlaufen die Bohrungen zwischen den in die Plattenoberflächen eingelassenen Nuten, d.h. sie liegen auf einer Ebene nahe oder oberhalb der Böden der Nuten. Die Kanalsysteme sind sozusagen ineinander verschränkt. Dies führt dazu, dass die Mündungen der Rauchgaskanäle und die Mündungen der Kühlkanäle nicht an den Stirnseiten an den Stirnseiten der Platten sehr nahe beieinander liegen. Daher sind für die Zufuhr und Verteilung der Medien auf das jeweilige Kanalsystem bzw. für die Sammlung der Teilströme aus den Kanälen und den Medienabtransport speziell ausgebildete Kopfstücke nötig, die auf engstem Raum einen getrennten An- bzw. Abtransport von verschiedenen Medien ermöglichen.
  • Als Alternative wird in DE 296 04 521 vorgeschlagen, die Bohrungen an ihren stirnseitigen Enden zu verschließen, beispielsweise durch eingeklebte Pfropfen, und Stichbohrungen von den Plattenoberflächen zu den die Kühlkanäle bildenden Bohrungen anzubringen, so dass An- und Abtransport des Kühlmediums von der Plattenoberfläche aus erfolgen können. Diese Variante löst zwar das Platzproblem an den Stirnflächen, ist aber noch aufwendiger in der Herstellung, da an jeder Bohrung die stirnseitigen Mündungen fluiddicht verschlossen und zusätzlich zwei Stichbohrungen angebracht werden müssen.
  • Praktisch angewendet wird daher bevorzugt die Kreuzstromfuhrung, obwohl mittels Gegenstromführung eine effektivere Kühlung ereichbar ist.
  • Die Rauchgaskanäle sind bevorzugt so gestaltet, dass einerseits ein hohes Verhältnis von Wärmeübergangsfläche (Wandfläche) zu Kanalvolumen erreicht wird, andererseits der freie Stromungsquerschnitt ausreicht, um das Abströmen der Gase durch natürliche Konvektion zu gewährleisten. Dies wird erreicht durch Kanäle in Form von Schlitzen mit einem hohen Verhältnis von Tiefe zu Breite. Die Herstellung der die Rauchgaskanäle bildenden Nuten erfolgt vorwiegend mittels Frästechnik.
  • Die Kanäle für das Kühlmedium haben stets einen kreisförmigen Querschnitt, da sie gebohrt werden. Die Ausbildung dieser Kanäle als Bohrungen ist jedoch nachteilig wegen des hohen Bearbeitungsaufwands.
  • Darüber hinaus ist die durch den Bohrvorgang bedingte Festlegung auf kreisförmige Kanalquerschnitte ungünstig für den Wärmeübergang. Bei feststehender Gestalt der Kanäle kann der Wärmeübergangskoeffizient Alpha zwischen Wandfläche und Kühlmedium, der seinerseits u.a. vom Strömungszustand des Kühlmediums sowie von der geometrischen Form der Wärmeübergangsfläche abhängig ist, ausschließlich über eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums in den Bohrungen gesteigert werden.
  • Daraus resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen aus Platten zusammengesetzten Wärmetauscherblock so auszubilden, dass die Führung des Kühlmediums nicht durch Bohrungen erfolgt.
  • Zudem soll der erfindungsgemäße Wännetauscher ohne hohen konstruktiven Aufwand eine Gegenstromführung von abzukühlendem Gasstrom und Kühlmedium ermöglichen.
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im erfindungsgemäßen Wärmetauscherblock der Wärmeübergang auf das Kühlmedium über die nach außen weisenden Oberflächen der beiden die Rauchgaskanäle umfassenden Platten abläuft. Dafür sind im erfindungsgemäßen Wärmetauscherblock von einem Kühlmedium durchströmte Räume vorgesehen, welche unmittelbar an die nach außen weisenden Oberflächen der die Rauchgaskanäle umfassenden Platten anschließen.
  • Ein erfindungsgemäßer Wärmetauscherblock (Figur 1) umfasst:
    • zwei zusammenwirkende Platten 1a, 1b, deren aneinander grenzende Oberflächen mit Nuten 2a, 2b versehen sind, die von Rippen 3a, 3b begrenzt werden, wobei die Nuten 2a, 2b in den beiden Plattenvberflächen einander ergänzen und auf diese Weise Strömungskanäle 2 für ein gasförmiges Medium bilden, welche durch die aneinander stoßenden Rippen 3a, 3b beider Platten 1a, 1b begrenzt werden,
    • an die nach außen weisenden, als Wärmeübergangsflächen wirkenden Oberflächen 4a, 4b der Platten 1a, 1b anschließende, von einem Kühlmedium durchströmte Räume 5a, 5b, die jeweils von einer auf die Platte 1a bzw. 1b aufgesetzten Haube 6a bzw. 6b begrenzt werden
    • umlaufende Dichtungen 7a, 7b zur Abdichtung der Spalten zwischen den Plattenoberflächen 4a, 4b und den Rändern der Hauben 6a, 6b
    • Mittel zur Abdichtung des Spaltes zwischen den Platten l a und 1b
    • Mittel 8 zum Zusammenhalten des Blocks
  • Weitere Vorteile, Details und Varianten der Erfindung können den Figuren und der folgenden ausführlichen Beschreibung entnommen werden.
    • Die Figuren zeigen:
    • Figur 1
    schematischer Aufbau eines erfindungsgemäßen Wärmetauscherblocks
    Figur 2
    erfindungsgemäßer Wärmetauscherblock mit Rauchgasanschlüssen
    Figur 3
    perspektivische Ansicht einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherblocks
    Figur 4
    Querschnitt einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wännetauscherblocks
    Figur 5
    Wännetauscherblock gemäß dem Stand der Technik (Vergleichsbeispiel)
  • In den Figuren 1 bis 5 ist der erfindungsgemäße Wärmetauscherblock der Einfachheit halber stets liegend dargestellt, d.h. die Rauchgaskanäle 2 verlaufen in horizontaler Richtung. Dies soll jedoch keine Festlegung auf eine bestimmte Art der Aufstellung bzw. des Einbaus bedeuten, der erfindungsgemäße Wätmetauscherblock kann selbstverständlich auch in stehender Position (Rauchgaskanäle 2 erstrecken sich vertikal) betrieben werden. Über die Art der Aufstellung entscheidet der Fachmann anhand des jeweiligen Anwendungsfalls.
  • Die Platten 1a, 1b, welche die Rauchgaskanäle 2 umschließen, können, wie aus DE 296 04 521 U1 bekannt, aus synthetischem Graphit, dessen Poren durch Imprägnierung verschlossen wurden, oder aus einem Verbundwerkstoff aus einer Polymermatrix mit einem hohen Anteil darin verteilter wärmeleitfthiger Partikel, beispielsweise Partikel aus Graphit oder Siliciumcarbid, gefertigt werden.
  • Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht an diese Werkstoffe gebunden. Die Platten 1a, 1b könnten prinzipiell auch aus metallischen Werkstoffen gefertigt werden. Bei der Wahl des Werkstoffs für die Platten 1a, 1b sind Temperatur und Korrosivität des abzukühlenden gasförmigen Mediums zu beachten.
  • Bezüglich der Auslegung der Rauchgaskanäle 2 gelten die bereits in DE 296 04 521 U1 dargelegten Erwägungen. Um einen Kanalquerschnitt zu erhalten, der sowohl strömungstechnisch günstig ist als auch eine große Wärmeübergangsfläche bereit stellt, werden Nuten 2a, 2b mit einer gegenüber ihrer Weite großen Tiefe bevorzugt. Das Verhältnis von Nutweite zu Nuttiefe kann bis zu ca. 1:50 betragen, wobei aus produktions- und verfahrenstechnischen Überlegungen für Graphitapparate ein Verhältnis von ca. 1:1 bis 1:10 besonders günstig ist. Beim Kombinieren der Platten 1a, 1b ergänzen sich die schmalen tiefen Nuten 2a, 2b zu schlitzförmigen Kanälen 2.
  • Die Stärke der Platten 1a, 1b wird so ausgelegt, dass der Abstand zwischen den Böden der die Rauchgaskanäle 2 bildenden Nuten 2a, 2b und den als Wäzmeübergangsflächen 4a, 4b wirkenden Oberflächen der Platten 1a, 1b möglichst gering ist, jedoch eine für die Gewährleistung der mechanischen Stabilität und Fluiddichtheit ausreichende Materialschicht stehen bleibt. Bei Graphitwerkstoffen beträgt die für die Stabilität notwendige Mindestschichtdicke ca. 10 bis 15 mm.
  • Die Rippen 3a, 3b dienen neben der Begrenzung der Rauchgaskanäle 2 auch der Abstützung der Platten 1a, 1b, welche durch die angrenzenden vom Kühlmedium durchströmten Räume 5a, 5b und die diese Räume abschließenden Hauben 6a, 6b belastet sind.
  • Geeignete Werkstoffe für die Hauben 6a, 6b sind metallische Werkstoffe, beispielsweise Gusseisen. Die Hauben 6a, 6b, welche die von einem Kühlmedium durchströmten Räume 5a, 5b abschließen, kommen nicht mit dem heißen und korrosiven Rauchgas in Berührung. Daher müssen an die Werkstoffe für die Hauben 6a, 6b keine so hohen Anforderungen hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit gestellt werden. So lässt sich in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscherblock der Einsatz von korrosionsbeständigen, aber teuren und schwer zu bearbeitenden Werkstoffen wie Graphit oder Keramik auf jene Bereiche beschränken, in denen solche Werkstoffe wegen des Kontakts zu heißen korrosiven Medien zwingend erforderlich sind.
  • Die Abgrenzung des vom Kühlmedium durchströmten Raumes 5a, 5b durch Hauben 6a, 6b erlaubt zudem eine nahezu beliebige Gestaltung der Strömungsführung des Kühlmediums.
  • Die Ränder der Hauben 6a, 6b werden mit umlaufenden Flach- oder O-Ringdichtungen 7a, 7b gegen die Plattenoberflächen 4a, 4b abgedichtet.
  • Die flexiblen Dichtungen 7a, 7b kompensieren die Unterschiede der thermischen Ausdehnung zwischen den vom heißen Rauchgas durchströmten Platten 1a, 1b und den im Vergleich dazu relativ kalten Hauben 6a, 6b.
  • Auch der Spalt zwischen den Platten 1a, 1b muss abgedichtet werden.
  • Dies kann durch ein Klebemittel erfolgen, beispielsweise könnten aus Graphit bestehende Platten 1a, 1b miteinander verkittet werden. Eine solche permanente Verbindung der die Rauchgaskanäle 2 umschließenden Platten 1a, 1b durch ein Klebemittel hat jedoch den Nachteil, dass die Platten 1a, 1b dann nicht mehr zerstörungsfrei voneinander gelöst werden können.
  • Daher ist es bevorzugt, den Block umfassend die Hauben 6a, 6b und die Platten 1a, 1b mittels lösbarer Spanneinrichtungen 8, beispielsweise Zuganker zusammen zu halten, wobei der Spalt zwischen den Platten 1a, 1b mittels einer Weichdichtung abgedichtet wird. Dieser Aufbau erlaubt eine komplette Demontage einschließlich der Trennung der Platten 1a und 1b voneinander. Dies erleichtert Wartungsarbeiten wie beispielsweise die Reinigung der Rauchgaskanäle.
  • Die Zu- bzw. Ableitung des gasförmigen Mediums in die bzw. aus den Rauchgaskanälen 2 erfolgt über Anschlusshauben 9, 9'. Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmetauscherblock mit den daran befestigten Anschlusshauben 9, 9' für den Ein- und Austritt eines gasförmigen Mediums, z.B. Rauchgas von einer Verbrennungsanlage. Der Aufbau derartiger Anschlusshauben ist bekannt und wird daher nicht weiter im Detail beschrieben. Es sei nur erwähnt, dass die Haube 9' für den Austritt des abgekühlten gasförmigen Mediums ggf. mit einer Kondensatabflussvorrichtung versehen ist, wenn das abzukühlende gasförmige Medium kondensierbare Bestandteile enthält.
  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Gasanschlusshauben 9, 9' mit Zugankern, die sich über die Außenseiten des Wärmetauscherblocks erstrecken, zu verspannen. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Rauchgasanschlusshauben wegen der gemeinsamen Verspannung durch die Zuganker nicht separat abgenommen werden können.
  • Der erfindungsgemäße Aufbau des Wärmetauschers eröffnet die Möglichkeit, die Rauchgasanschlüsse 9, 9' unabhängig voneinander jeweils an den Hauben 6a und 6b mittels Schrauben und je einem Haltering 10, 10' lösbar zu befestigen. Somit sind Montage- und Wartungsarbeiten an den Rauchgasanschlüssen 9, 9' unabhängig voneinander möglich.
  • Für die Zufuhr des Kühlmediums in die Strömungsräume 5a, 5b sind Anschlüsse 12a, 12b und für den Abtransport des erwärmten Kühlmediums Anschlüsse 12a', 12b' an den Hauben 6a, 6b vorgesehen.
  • Zur Vergrößerung der Wärmeübergangsfläche können mehrere erfindungsgemäße Wännetauscherblöcke neben- oder nacheinander angeordnet werden.
  • Aufgrund der vereinfachten Form der Platten 1a, 1b, die im Gegensatz zum Stand der Technik keine Bohrungen aufweisen, können zu ihrer Herstellung auch solche Fertigungstechniken angewendet werden, die nicht materialabtragend arbeiten. Besonders vorteilhaft sind Techniken wie Formpressen, Extrudieren u.ä., da so der Bearbeitungsaufwand und die Materialverluste, welche mit einer spanabhebende Bearbeitung verbunden sind, vermieden werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmetauscherblocks (Figur 3) sind die als Wärmeübergangsflächen wirkenden Oberflächen 4a, 4b der Platten 1a, 1b mit Profilstrukturen 11 versehen, welche die für den Wärmeübergang zur Verfügung stehende Fläche vergrößern oder/und die Turbulenz der Strömung des Kühlmediums erhöhen. Solche Strukturen 11 können beispielsweise Rillen, Wülste, Rippen, Stege, Vorsprünge, z.B. Noppen o.ä. Strukturelemente oder Kombinationen davon enthalten. Vorteilhaft sind beispielsweise versetzt zueinander stehende Rippen oder Rippen mit versetzt zueinander angeordneten Durchbrechungen, weil dadurch die Turbulenz des Kühlmediums erhöht wird. Besonders vorteilhaft sind solche Profilstrukturen, wie sie in Plattenwärmeüberträgern (Plattenwärmetauschern) eingesetzt werden und beispielsweise aus der Patentschrift EP 0 203 213 bekannt sind.
  • Wenn der vom Kühlmedium durchströmte Raum 5a, 5b, wie in Figur 3 dargestellt, in die Oberfläche 4a, 4b der Platte 1a, 1b eingelassen ist, kann die Haube 6a, 6b als flache Platte ausgeführt werden, die auf dem mit einer umlaufenden Dichtung 7a, 7b versehenen erhabenen Rand der strukturierten Plattenoberfläche 4a, 4b aufliegt und durch die aus der Plattenoberfläche 4a, 4b herausstehenden Strukturelemente 11 abgestützt wird.
  • Eine solche Abstützung durch die Strukturelemente ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, da auch ein kleiner Spalt zwischen Strukturelementen 11 Hauben 6a und 6b verfahrenstechnisch toleriert werden kann, und die Funktion nicht beeinträchtigt.
  • Alternativ oder zusätzlich können die Innenseiten der Hauben 6a, 6b, die jeweils den von einem Kühlmedium durchströmten Raum 5a, 5b abschließen, mit zur Erzeugung von Turbulenzen geeigneten Profilstrukturen 11' versehen sein (Figur 4).
  • Die Variante aus Figur 4 mit strukturierten Innenseiten der Hauben 6a, 6b ist gegenüber der Variante aus Figur 3 mit strukturierten Wärmeübergangsflächen 4a, 4b der Platten 1a, 1b bevorzugt, weil die Hauben 6a, 6b aus metallischen Werkstoffen bestehen, welche leichter zu bearbeiten sind als Graphit oder keramische Werkstoffe.
  • Die Strukturen 11 und 11' sind auch dazu geeignet, die Strömung des Kühlmediums zielgerichtet zu führen, und zwar nahezu unabhängig von der Plazierung und Art der Anschlüsse 12a, 12b für die Zuführung und 12a, 12b'die Abführung des Kühlmediums. Das aus dem Stand der Technik bekannte Problem, dass bei paralleler Medienführung an denselben Stirn- oder Seitenflächen des Blocks auf engstem Raum Anschlüsse für zwei verschiedene, voneinander getrennt zu haltende Medienströme untergebracht werden müssen, wird so im erfindungsgemäßen Wärmetauscherblock vermieden.
  • Somit lässt sich durch entsprechende Strukturierung der Wärmeübertragungsflächen 4a, 4b oder/und der Innenseiten der Hauben 6a, 6b im erfindungsgemäßen Wärmetauscher ein reiner Gegenstrom von Rauchgas und Kühlmittel erzielen, welcher für die Wärmeübertragung besonders effektiv ist.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Es wurden drei Wärmetauscher ausgelegt, die dieselbe Kühlaufgabe leisten müssen.
  • Der erste Wärmetauscher weist gemäß dem aus DE 296 04 521 U1 bekannten Stand der Technik Kühlkanäle auf, welche durch Bohrungen 13 in den Platten 1a, 1b gebildet werden (Figur 5).
  • Im zweiten, erfindungsgemäßen Wärmetauscher erfolgt die Übertragung der von den Rauchgasen abgegebenen Wärme an das Kühlmedium über die ebenen äußeren Oberflächen 4a, 4b der Platten 1a, 1b, die vom Kühlmedium überströmt werden (Figur 1).
  • Beim dritten Wärmetauscher sind entsprechend einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung die nach außen weisenden Oberflächen 4a, 4b der Platten 1a, 1b mit einer derartigen Strömungsstruktur 11 versehen wie die Platten eines Plattenwärmetauschers (Figur 3).
  • Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums in den Bohrungen des ersten Wärmetauschers wird als konstante Größe für alle drei Wärmetauscher angenommen, d.h. über die Wärmeübergangsflächen aller drei Wärmetauscher fließt das Kühlmedium mit der gleichen Geschwindigkeit.
  • Der Wärmeübergangskoeffizient Alpha ist im erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit ebener vom Kühlmedium überströmter Wärmeübergangsfläche gegenüber dem nach dem Stand der Technik mit vom Kühlmedium durchströmten Bohrungen, um 50 % höher. Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher mit strukturierter Wärmeübergangsfläche beträgt die Steigerung des Wärmeübergangskoeffizienten Alpha gegenüber dem Stand der Technik sogar das 3,5-Fache.
  • Die durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Wärmetauschers ermöglichte Verbesserung des Wärmeübergangs auf das Kühlwasser ist besonders dann vorteilhaft, wenn auch der gasseitige Wärmeübergangskoeffizient hoch ist. Dies ist dann der Fall, wenn das abzukühlende Gas kondensierbare Anteile enthält.
  • Weil der Wärmeübergangskoeffizient Alpha über den Wärmedurchgangskoeffizienten k, neben der Wärmeübergangsfläche und der Temperaturdifferenz die übertragbare Wärmeleistung bestimmt, kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Wärmetauschers dank des vergrößerten Wärmeübergangskoeffizienten bei gleicher Kühlleistung die Wärmeübergangsfläche verringert werden. Somit lassen sich bei ansonsten gleichen Randbedingungen die Wärmetauscher kompakter gestalten als dies beispielsweise mit dem in DE 296 04 521 U1 beschriebenen Stand der Technik möglich ist.

Claims (11)

  1. Wärmetauscherblock umfassend
    • zwei Platten (1a, 1b), deren aneinander grenzende Oberflächen mit Nuten (2a, 2b) versehen sind, die von Rippen (3a, 3b) begrenzt werden, wobei die Nuten (2a, 2b) in den beiden Plattenoberflächen einander ergänzen und auf diese Weise Strömungskanäle (2) für ein gasförmiges Medium bilden, welche durch die aneinander stoßenden Rippen (3a, 3b) beider Platten (1a, 1b) begrenzt werden,
    • an die nach außen weisenden, als Wärmeübergangsflächen wirkenden Oberflächen (4a, 4b) der liegenden Platten (1a, 1b) anschließende, von einem Kühlmedium durchströmte Räume (5a, 5b), die jeweils von einer auf die Platte (1a, 1b) aufgesetzten Haube (6a, 6b) begrenzt werden
    • umlaufende Dichtungen (7a, 7b) zur Abdichtung der Spalten zwischen den Plattenoberflächen (4a, 4b) und den Rändern der Hauben (6a, 6b)
    • Mittel zur Abdichtung des Spaltes zwischen den Platten (1a, 1b)
    • Mittel (8) zum Zusammenhalten des Blocks
  2. Wärmetauscherblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (1a, 1b) aus Graphit, einem keramischen Werkstoff oder einem Verbundwerkstoff aus einer Polymermatrix mit einem hohen Anteil darin verteilter wärmeleitfähiger Partikel bestehen, und die Hauben (6a, 6b) aus einem metallischen Werkstoff.
  3. Wärmetauscherblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalten zwischen den Plattenoberflächen (4a, 4b) und den Rändern der Hauben (6a, 6b) mit O-Ringdichtungen (7a, 7b) abgedichtet sind.
  4. Wärmetauscherblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Block mittels lösbarer Spanneinrichtungen (8) zusammengehalten wird, wobei der Spalt zwischen den Platten (1a, 1b) mittels einer Weichdichtung abgedichtet ist.
  5. Wärmetauscherblock nach Anspruch 1 mit Rauchgasanschlüssen (9, 9'), dadurch gekennzeichnet, dass jeder Rauchgasanschluss (9, 9) mittels Schrauben und einem Haltering (10, 10') an den beiden Hauben (6a, 6b) befestigt ist.
  6. Wärmetauscherblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenoberflächen (4a, 4b) oder/und die Innenseiten der Hauben (6a, 6b) mit Profilstrukturen (11, 11') versehen sind.
  7. Wärmetauscherblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstrukturen (11, 11') mindestens eines der Strukturelemente Rillen, Wülste, Rippen, Stege, Vorsprünge, Noppen enthalten,
  8. Wärmetauscherblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstrukturen (11, 11') versetzt zueinander stehende Rippen oder Rippen mit versetzt zueinander angeordneten Durchbrechungen enthalten.
  9. Wärmetauscherblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstrukturen (11, 11') so gestaltet sind wie die Strukturen auf den Plattenoberflächen von Plattenwärmetauschem.
  10. Wärmetauscherblock nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstrukturen (11, 11') in der Strömung des Kühlmediums Turbulenzen erzeugen.
  11. Wärmetauscherblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium in den Räumen (5a, 5b) im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Medium in den Rauchgaskanälen (2) geführt wird.
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