EP2657636A1 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

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EP2657636A1
EP2657636A1 EP20120165205 EP12165205A EP2657636A1 EP 2657636 A1 EP2657636 A1 EP 2657636A1 EP 20120165205 EP20120165205 EP 20120165205 EP 12165205 A EP12165205 A EP 12165205A EP 2657636 A1 EP2657636 A1 EP 2657636A1
Authority
EP
European Patent Office
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plate
heat exchanger
inflow
medium
plate heat
Prior art date
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Granted
Application number
EP20120165205
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2657636B1 (de
Inventor
Gerd Abker
Alfred Ernst
Bernd Müller
Klaus Mönig
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.)
Kelvion PHE GmbH
Original Assignee
GEA Ecoflex GmbH
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Filing date
Publication date
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Priority to US13/620,769 priority patent/US9546825B2/en
Priority to RU2012145976/06A priority patent/RU2576404C2/ru
Priority to KR1020130051326A priority patent/KR101992332B1/ko
Publication of EP2657636A1 publication Critical patent/EP2657636A1/de
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    • 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
    • F28D9/0037—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 conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
    • F28F13/08—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media by varying the cross-section of the flow channels
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    • F28F9/0268—Header boxes; End plates with static flow control means, e.g. with means for uniformly distributing heat exchange media into conduits by using guiding means or impingement means inside the header box in the form of multiple deflectors for channeling the heat exchange medium
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    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/24—Arrangements for promoting turbulent flow of heat-exchange media, e.g. by plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/104—Particular pattern of flow of the heat exchange media with parallel flow

Definitions

  • the invention relates to a plate heat exchanger with flowed in cocurrent or countercurrent flow of a first and a second medium flow channels, which are formed for the first medium between each pair of plates connected to individual plates and for the second medium between assembled to a plate stack plate pairs, wherein the individual plates and the plate pairs are connected to one another at longitudinal edges and contact surfaces extending parallel to the main flow direction, wherein each individual plate has longitudinally corresponding, diagonally arranged inflow and outflow cross sections for the first medium and transversely adjacent inflow and outflow cross sections for the second medium, wherein the Abströmqueritese for the first medium are each offset by half the height of the inflow and outflow of the second medium, wherein the single plate ver with a turbulence generating profiling see is.
  • Plate heat exchangers of this type are used industrially with plate dimensions of several meters.
  • One field of application here is the use in waste incineration plants, power plants, chemical plants, refineries and / or the like in which the resulting combustion heat of the flue gas is used to heat a second medium.
  • a plate heat exchanger discloses in detail the German patent DE 41 42 177 C2 ,
  • guide vanes are provided, which distribute the medium entering through the inflow to the full channel width of the flow channel.
  • the guide vanes are provided with extended Abströmschenkeln, which protrude beyond the longitudinal center of the single plate.
  • the vanes for equalizing the flow within the flow channel in the longitudinal center of the individual plates are arranged closer to the inflow cross section than in the direction of the longitudinal edge of the single plate.
  • the turbulence-generating profiling which covers the largest possible area of the individual plates, serves the same purpose.
  • a plate heat exchanger according to the preamble of the main claim is proposed, in which the turbulence generating profiling is formed perpendicular to the main flow direction over the entire bottom of the individual plates to the contact surfaces, and the individual plates in the region of the contact surfaces edge channels with a variable across its longitudinal extent cross-section exhibit.
  • the edge channels according to the invention also lead, by reducing the barrier-free bypasses, to an improved flow pattern, which in turn increases the heat output of the heat exchanger.
  • the edge channels are formed like a labyrinth and are in the area of the contact surfaces, d. H. formed in the edge region of the individual plates, where otherwise the heat medium would seek a barrier-free and thus interaction-free flow path.
  • the variation of the cross-section over the longitudinal extension of the edge channels ensures that the medium flowing through it can not continue to flow straightforward, but suffers a congestion effect at the narrowings of the cross section.
  • an interaction-free medium flow through the edge channels of the single plate and consequently also a power loss is greatly reduced. This leads to a performance increase of up to 5% over the prior art. This power increase can also be used to reduce the necessary plate length of the heat exchanger, so that the same performance can be achieved with shorter individual plates.
  • the cross section of the edge channels is variable by more than 50%. This reduces the barrier-free cross-section for the medium at a constriction by half or more.
  • a spatially offset flow channel is created in combination with the s-shaped design, which further enhances the interaction between the medium and the heat exchanger.
  • the Randkanalsaussch invention results in combination with the inventive design of the turbulence generating profiling into the respective edge region of each individual plate the synergistic effect that free flow paths for the medium are basically avoided.
  • the in the Plate heat exchanger inflowing media can thus avoid a pass-like, interaction-free flow path.
  • Neither the edge near the bottom of each individual plate nor in the edge region between two individual plates forming edge channel represent according to the embodiment of the invention in contrast to the prior art such Beipass arrangement, since the edge channels according to the invention are designed like a labyrinth and the turbulence causing profiling into the edge region is pulled into each individual plate.
  • a performance increase or with the same power a reduced plate size can be achieved. For such a configuration, there is no model in the prior art.
  • the invention provides that the onflow limbs and the outflow limbs have an angle between 140 ° and 100 °, preferably 135 ° and 112 ° to each other.
  • angling of up to 90 ° is thus also possible, without the risk of blockages of the inflow cross sections due to foreign substance deposits on the guide vanes.
  • the individual plates within an inlet region formed by embossments, projecting into the flow channel guide vanes, wherein the guide vanes arcuately formed with a substantially parallel to the main flow direction aligned inflow leg and at an angle to the inflow leg aligned Abströmschenkel, wherein the turbulence generating Profiling of the individual plates has pronounced nubs.
  • the nubs can be produced very easily and inexpensively by embossing the individual plates.
  • a uniform pimple field is also ideally suited to increase the performance of the heat exchanger. Due to the turbulent flow of heat transfer is increased and thus improves the efficiency.
  • nubs may be formed as spacers for adjacent individual plates.
  • spacers can also be formed in the region of the guide vanes to the individual plates in the area of the inflow and Keep outflow cross sections at the specified distance from each other.
  • all nubs can serve as spacers.
  • the guide vanes of the inflow cross sections do not protrude beyond the longitudinal center of the individual plates, i. the vanes are formed exclusively in the plate halves assigned to the respective inflow cross sections, the inflow limbs and the outflow limbs of the vanes having substantially equal lengths, and wherein the inflow limbs of the vanes are respectively arranged directly on the transverse edges of the individual plates running essentially perpendicular to the main flow direction. Due to the shorter, steeper to the main flow direction and closer to the edge arranged vanes, the adhesion of the dirt particles is minimized. This reliably prevents clogging of the inflow cross sections, which would otherwise result in expensive cleaning.
  • the turbulence-generating profiling in the region of the inflow cross-sections project up to the guide vanes and be recessed in the region of the outflow cross-sections.
  • plate half creates a negative pressure relative to the gas pressure within the profiled inflow cross-section, whereby an intake of the incoming flue gas is effected in the profile-free area.
  • a homogeneous distribution of the inflowing medium is effected on the entire plate width, which in turn positively affects the performance of the plate heat exchanger.
  • the invention Leitschaufelnauschalnote one hand, and the inventive design of the turbulence generating profiling on the other hand provide in combination the synergistic effect that a homogenization of the incoming media in the plate heat exchanger on the entire plate width, while minimizing the risk of leading to blockages in the worst case Contamination of the vanes.
  • This is in contrast to the prior art according to the aforementioned DE 41 42 177 C2 with the invention deliberately in contrast to the previous embodiment proposed to reduce the guide vanes, in particular with regard to the respective discharge limb.
  • the number of vanes has been significantly reduced.
  • the according to the statements in the DE 41 42 177 C2 As a result of these measures, the fear of deterioration in the equalization of media is more surprising
  • the plate heat exchanger according to the invention in contrast to previously known plate heat exchangers, is less susceptible to soiling or even blockage, as a result of which the operational reliability is increased and / or maintenance intervals can be increased.
  • it has a particularly positive effect that the outflow legs of the guide vanes according to the invention, in contrast to the prior art, are much steeper and much shorter.
  • the guide vanes are completely embossed, so that these rest without gaps on the adjacent individual plate.
  • the guide vanes serve completely as a support or as a spacer, so that vibrations within the plate pairs and within the plate stack are reduced and thus the structure of the heat exchanger is more stable overall.
  • the fully stamped guide vanes may rest on the guide vanes of adjacent individual plates or on the opposite wall of the flow channels.
  • FIG. 1 schematically illustrated embodiment of a plate heat exchanger shows in perspective a plate stack S of a plurality of stamped individual plates 1, which are each connected to a pair of plates P.
  • Each individual plate 1 comprises a bottom 11, which lies in a different plane than the longitudinal edges 12.
  • each individual plate 1 is in each case formed with a contact surface 13, which is offset in height relative to the longitudinal edges 12.
  • the offset between the abutment surface 13 and the associated longitudinal edge 12 is twice as large as the offset between the longitudinal edges 12 and the bottom 11.
  • the floor 11 is therefore in height in the middle between the plane of the longitudinal edges 12 and the plane of the contact surfaces 13.
  • transverse edges 14a and 14b, in height, ie perpendicular to the surface of the bottom 11 are offset by the same amount as the planes in which on the one hand the longitudinal edges 12 and on the other hand the contact surfaces 13 lie.
  • the FIG. 1 clearly shows that in this case the transverse edges 14a and 14b are diagonally opposite each other.
  • FIG. 1 Two of each in FIG. 1 As a top part illustrated individual plates 1 are shown in the lower illustration in FIG. 1 connected to plate pairs P. In FIG. 1 five complete plate pairs P are shown, wherein on the uppermost plate pair still a single plate 1 is arranged, which is also connected to the spaced top single plate 1 to a pair of plates P.
  • the plate pairs P are connected in the region of the contact surfaces 13 to the plate stack S, resulting superimposed channels for the two participating in the heat exchange media. While a medium flows in the flow channels, the are each formed by the plate pairs P, the other medium flows in the flow channels, which result from the joining of the plate pairs P to the plate stack S.
  • the transverse edges 14b of the individual plates 1 running in the plane of the abutment surfaces 13 form the inflow cross sections Z2 and the outflow cross sections A2 for the other medium, which flows between the individual plates 1 of each plate pair P either in the same or in the opposite direction to the first medium.
  • the FIG. 1 which shows a countercurrent heat exchanger, can be seen that due to the diagonal arrangement of the inlet and outlet openings, the inflow Z1 or Z2 for the one medium next to the outflow sections A2 and A1 for the other medium, each by half Height of a pair of plates P offset.
  • FIG. 2a shows a single plate 1 according to the invention, the Zuströmquerites Z1 extends over half the width of the single plate 1, from the longitudinal center to the longitudinal edge 12.
  • the single plate has an inlet region E whose length in the main flow direction characterizes the distance which the inflowing medium requires in order to be distributed over the full width of the single plate 1.
  • four guide vanes 2 are arranged to the right next to the longitudinal center of the single plate 1, which each have an inflow leg 21 and a discharge limb 22.
  • the on-stream legs 21 and outflow legs 22 are approximately the same length and enclose an angle of approximately 140 ° to 100 ° between them. In this case, none of the outflow limb 22 projects beyond the longitudinal center of the single plate 1.
  • the on-stream legs 21 are each mounted in the immediate vicinity of the transverse edge 14a.
  • the single plate 1 has over its entire width up to the contact surfaces 13 a turbulence generating profiling 31, 32.
  • This profiling 31, 32 consists of a large number of embossed nubs 31, 32 embossed in the single plate 1, which extend in the region of the inflow cross section Z1 as far as the guide vanes 2 and are recessed in the area to the left of the longitudinal center.
  • S-shaped edge channels 15 formed with a size variable over its longitudinal extension cross-section.
  • FIG. 2b can be seen in a perspective view one of a plurality of individual plates 1 plate stack S formed. The interaction of the individual plates 1 can be taken from this presentation well.
  • FIG. 3 shows such an enlarged edge channel 15 shown in plan view.
  • the Figures 4 a, 4 b and 4 c show sectional views of this edge channel 15 at different interfaces A, B and C according to FIG. 3 . It can be seen that the cross section through which the medium can flow is at maximum point A, while the cross section at points B and C is only about 50% or less of the maximum cross section, the cross section at points B and C respectively is narrowed to different sides of the edge channel 15. This results in the constrictions due to impressions 33, which with respect to the image plane after FIG. 3 are formed part-circular, resulting in the total longitudinally s-shaped channel shape.
  • the invention works in such a way that the heat medium, in this case flue gas, flowing into the single plate 1 through the inflow cross section Z1, meets the on-stream leg 21 of the guide vanes 2, which adjoins the transverse edge 14a directly. From there, the flue gas is passed to the outflow legs 22, which are at an angle of about 140 ° to 100 ° to the on-stream legs 21.
  • the heat medium in this case flue gas
  • the inlet region E in the region of the inflow Z1 has a directly following the vanes 2 profiling 31, 32, while in the mirror-symmetrical left of the longitudinal center region of the inlet plate 1 no profiling is formed above the profiling 31, 32 within the inlet region E from a pressure distribution, which sucks the inflowing flue gas from the guide vanes 2 in the profile-free area.
  • the flue gas is distributed uniformly over the plate width and ensures a homogeneous heat output over the entire inlet plate 1 of the heat exchanger. Due to the particularly short and steep design of the guide vanes 2, the adhesion of dirt particles to the guide vanes 2 is reduced, so that a blockage of the inflow Z1 is prevented. Overall, thus creating a low maintenance plate heat exchanger, which requires no loss of performance.
  • the single plate 1 may have, in addition to the measures described above, edge channels 15, which have indentations 33 for the purpose of labyrinth formation. This flows into the edge area the single plate 1 reaching medium through the edge channels 15 through and strikes the constrictions and extensions of the respective channel cross-sections, which cause a congestion effect and lead to a higher interaction of the medium with the single plate 1.
  • the flue gas enters the S-shaped cut edge channels 15, where it is in the section A (view FIG. 4 a) the entire channel cross-section has available.
  • the flue gas In the area of section B (view FIG. 4 b) the flue gas must flow through the first bend, in which the cross-section is reduced by half. This creates the aforementioned congestion effect.
  • the cross-section then expands again for a short time in order to reach the region C (FIG. FIG. 4c) again to reduce to half, but this time the s-shape of the edge channel 15 following in the region of the opposite channel side wall.
  • the turbulence generating profiling 31, 32 is formed over the entire width of the individual plates 1 up to the contact surfaces 13. This helps avoid by-passes and thus improves the performance of the heat exchanger.

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit im Gleichstrom oder Gegenstrom von einem ersten und einem zweiten Medium durchströmten Strömungskanälen, die für das erste Medium zwischen jeweils zu einem Plattenpaar (P) verbundenen Einzelplatten (1) und für das zweite Medium zwischen zu einem Plattenstapel (S) zusammengefügten Plattenpaaren (P) gebildet sind, wobei die Einzelplatten (1) im Bereich der Anlageflächen (13) Randkanäle (15) mit einem über ihre Längserstreckung grössenvariabelen Querschnitt aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit im Gleichstrom oder Gegenstrom von einem ersten und einem zweiten Medium durchströmten Strömungskanälen, die für das erste Medium zwischen jeweils zu einem Plattenpaar verbundenen Einzelplatten und für das zweite Medium zwischen zu einem Plattenstapel zusammengefügten Plattenpaaren gebildet sind, wobei die Einzelplatten und die Plattenpaare an parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Längsrändern und Anlageflächen miteinander verbunden sind, wobei jede Einzelplatte in Längsrichtung korrespondierende, diagonal angeordnete Zuström- und Abströmquerschnitte für das erste Medium und in Querrichtung neben diesen liegende Zuström- bzw. Abströmquerschnitte für das zweite Medium aufweist, wobei die Abströmquerschnitte für das erste Medium jeweils um die halbe Höhe der Zuström- bzw. Abströmquerschnitte für das zweite Medium versetzt sind, wobei die Einzelplatte mit einer Turbulenzen erzeugenden Profilierung versehen ist.
  • Plattenwärmetauscher dieser Art werden mit Plattendimensionen von mehreren Metern großtechnisch eingesetzt. Ein Anwendungsbereich ist hierbei die Verwendung in Müllverbrennungsanlagen, Kraftwerken, Chemieanlagen, Raffinerien und/oder dergleichen bei welchen die entstehende Verbrennungswärme des Rauchgases zur Erwärmung eines zweiten Mediums genutzt wird.
  • Einen Plattenwärmetauscher gemäß der vorstehenden Art offenbart im Einzelnen die deutsche Patentschrift DE 41 42 177 C2 . Dabei sind zur Erhöhung des Wirkungsgrades des Wärmetauschers oder alternativ zur Verringerung der Abmessungen der benötigten Einzelplatten Leitschaufeln vorgesehen, welche das durch den Zuströmquerschnitt eintretende Medium auf die volle Kanalbreite des Strömungskanals verteilen. Um Totzonen im Eintrittsbereich, insbesondere im spiegelsymmetrisch zur Längsmitte neben dem Zuströmquerschnitt liegenden Plattenbereich, zu vermeiden, sind die Leitschaufeln mit verlängerten Abströmschenkeln versehen, welche über die Längsmitte der Einzelplatte hinausragen. Zusätzlich sind die Leitschaufeln zur Vergleichmäßigung der Strömung innerhalb des Strömungskanals in der Längsmitte der Einzelplatten näher am Zuströmquerschnitt angeordnet als in Richtung des Längsrandes der Einzelplatte. Dem gleichen Zweck dient die Turbulenzen erzeugende Profilierung, welche eine möglichst große Fläche der Einzelplatten bedeckt.
  • Obwohl sich diese Anordnung in der Praxis bewährt hat, ergeben sich dennoch Nachteile durch auf der Einzelplatte entstehende Strömungsbypässe, welche das Wärmemedium wechselwirkungsfrei an der Profilierung entlangströmen lassen. Dies betrifft insbesondere die Randbereiche der Einzelplatte. Als Folge davon sinkt die Wärmeleistung des Plattenwärmetauschers, so dass dieser für eine geforderte Leistung entsprechend längere Einzelplatten aufweisen muss.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung, einen Plattenwärmetauscher zu schaffen, bei welchem der wechselwirkungsfreie Durchfluss von Wärmemedium durch die Einzelplatte möglichst gering ist und somit die Wärmeleistung bei konstanter Plattendimension steigt.
  • Zur technischen Lösung wird ein Plattenwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs vorgeschlagen, bei welchem die Turbulenzen erzeugende Profilierung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung über den gesamten Boden der Einzelplatten bis zu den Anlageflächen ausgebildet ist, und die Einzelplatten im Bereich der Anlageflächen Randkanäle mit einem über ihre Längserstreckung größenvariablen Querschnitt aufweisen.
  • Durch diese über die ganze Breite der Einzelplatte bis hin zu ihren Seitenrändern reichende Profilierung wird ein kontrolliertes Strömungsbild unter gleichzeitiger Vermeidung von Bypässen geschaffen. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird somit vermieden, dass das über die Einzelplatte strömende Medium in profilfreie Bereiche wandert und nur noch in geringerem Maße zum Wärmeaustausch beiträgt. Insgesamt bewirkt die im Gegensatz zum Stand der Technik dichter an den Seitenrand geführte
  • Profilierung somit eine Verbesserung der Wärmeleistung des Wärmetauschers.
  • Die erfindungsgemäßen Randkanäle führen ebenfalls durch Verkleinerung der barrierefreien Bypässe zu einem verbesserten Strömungsbild, wodurch wiederum die Wärmeleistung des Wärmetauschers erhöht wird. Die Randkanäle sind labyrinthartig ausgebildet und werden im Bereich der Anlageflächen, d. h. im Randbereich der Einzelplatten, ausgebildet, wo sich ansonsten das Wärmemedium einen barrierfreien und somit wechselwirkungsfreien Strömungsweg suchen würde. Die Variation des Querschnittes über die Längserstreckung der Randkanäle sorgt dafür, dass das hindurch strömende Medium nicht barrierefrei geradeaus weiterfließen kann, sondern an den Verengungen des Querschnitts einen Staueffekt erleidet. Somit wird ein wechselwirkungsfreier Mediumdurchfluss durch die Randkanäle der Einzelplatte und folglich auch ein Leistungsverlust stark vermindert. Dies führt gegenüber dem Stand der Technik zu einer Leistungssteigerung von bis zu 5%. Diese Leistungssteigerung kann auch zur Reduzierung der notwendigen Plattenlänge des Wärmetauschers genutzt werden, so dass die gleiche Leistung mit kürzeren Einzelplatten erzielt werden kann.
  • Besonders vorteilhaft sind die Randkanäle im Wesentlichen s-förmig, d.h. mehrfach s-förmig ausgebildet. Dabei ergibt sich eine versetzte Sperrprägung auf beiden Seiten jedes Randkanals, welche aufgrund der entstehenden Verengungen und Erweiterungen zu einer erhöhten Wechselwirkung des Wärmemediums führt. Die Sperrprägung kann je Randkanal einseitig oder zweiseitig ausgebildet sein, d.h. es kann eine Seite eines Kanals oder es können beide Seiten eines Kanals mit entsprechenden Einprägungen ausgerüstet sein.
  • Vorteilhaft ist der Querschnitt der Randkanäle dabei um mehr als 50 % variabel. Dadurch reduziert sich der barrierefreie Querschnitt für das Medium an einer Verengung um die Hälfte oder mehr. In Kombination mit der s-förmigen Ausbildung wird zudem ein örtlich versetzter Strömungskanal geschaffen, welcher weiterhin die Wechselwirkung zwischen Medium und Wärmetauscher verstärkt.
  • Die erfindungsgemäße Randkanalsausgestaltung ergibt in Kombination mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der die Turbolenzen erzeugenden Profilierung bis in den jeweiligen Randbereich einer jeden Einzelplatte den synergetischen Effekt, dass freie Durchströmungswege für das Medium dem Grunde nach vermieden sind. Die in den Plattenwärmetauscher einströmenden Medien können somit nicht über einen beipassgleichen, wechselwirkungsfreien Strömungsweg ausweichen. Weder der randbereichnahe Boden einer jeden Einzelplatte noch der sich im Randbereich zwischen zwei Einzelplatten ausbildende Randkanal stellen gemäß der erfindungsgemäßen Ausgestaltung im Unterschied zum Stand der Technik eine solche Beipassführung dar, da die Randkanäle erfindungsgemäß labyrinthartig ausgebildet sind und die die Turbolenzen verursachende Profilierung bis in den Randbereich einer jeden Einzelplatte hineingezogen ist. Im Ergebnis kann so bei gleichbleibender Plattengröße eine Leistungssteigerung bzw. bei gleicher Leistung eine verkleinerte Plattengröße erreicht werden. Für eine solche Ausgestaltung gibt es im Stand der Technik keinerlei Vorbild.
  • Die Erfindung sieht vor, dass die Anströmschenkel und die Abströmschenkel einen Winkel zwischen 140° und 100°, vorzugsweise 135° und 112° zueinander aufweisen. Je kürzer die Leitschaufeln dabei sind, desto steiler können Anströmschenkel und Abströmschenkel zueinander angeordnet sein. Durch die Kombination mit einem im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Anströmschenkel sind somit auch Abwinklungen von bis zu 90° möglich, ohne dass die Gefahr von Verstopfungen der Zuströmquerschnitte durch Fremdstoffanlagerungen auf den Leitschaufeln besteht.
  • Es empfiehlt sich, dass die Einzelplatten innerhalb eines Eintrittsbereiches durch Ausprägungen gebildete, in den Strömungskanal hineinragende Leitschaufeln aufweisen, wobei die Leitschaufeln bogenförmig mit einem im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Anströmschenkel und einem unter einem Winkel zum Anströmschenkel ausgerichteten Abströmschenkel ausgebildet sind, wobei die Turbulenzen erzeugende Profilierung der Einzelplatten ausgeprägte Noppen aufweist. Die Noppen lassen sich durch Prägen der Einzelplatten sehr einfach und kostengünstig herstellen. Ein gleichmäßiges Noppenfeld ist zudem hervorragend geeignet, die Leistung des Wärmetauschers zu erhöhen. Durch die turbulente Strömung wird der Wärmeübergang vergrößert und damit der Wirkungsgrad verbessert.
  • Zudem können einige der Noppen als Abstandshalter für benachbarte Einzelplatten ausgebildet sein. Dadurch kann auch bei geringen Abständen zwischen benachbarten Einzelplatten der vorgegebene Plattenabstand über die volle Kanallänge und Kanalbreite gewährleistet werden. Derartige Abstandshalter können auch im Bereich der Leitschaufeln ausgebildet werden, um die Einzelplatten im Bereich der Zuström- und Abströmquerschnitte im vorgegebenen Abstand voneinander zu halten. Selbstverständlich können auch alle Noppen als Abstandshalter dienen.
  • Zusätzlich wird vorgeschlagen, dass die Leitschaufeln der Zuströmquerschnitte nicht über die Längsmitte der Einzelplatten hinausragen, d.h. die Leitschaufeln ausschließlich in den den jeweiligen Zuströmquerschnitten zugeordneten Plattenhälften ausgebildet sind, wobei die Anströmschenkel und die Abströmschenkel der Leitschaufeln im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen, und wobei die Anströmschenkel der Leitschaufeln jeweils unmittelbar an den im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Querrändern der Einzelplatten angeordnet sind. Durch die kürzeren, steiler zur Hauptströmungsrichtung und näher am Rand angeordneten Leitschaufeln wird die Anhaftung der Schmutzpartikel minimiert. Dadurch wird zuverlässig eine Verstopfung der Zuströmquerschnitte verhindert, was andernfalls eine teure Reinigung zur Folge hätte.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Turbulenzen erzeugende Profilierung im Bereich der Zuströmquerschnitte bis an die Leitschaufeln ragt und im Bereich der Abströmquerschnitte ausgespart ist. Durch diese Profilaussparung in der neben den Zuströmquerschnitten liegenden Plattenhälfte entsteht ein Unterdruck gegenüber dem Gasdruck innerhalb des profilierten Zuströmquerschnittes, wodurch ein Ansaugen des einströmenden Rauchgases in den profilfreien Bereich bewirkt wird. Somit wird eine homogene Verteilung des einströmenden Mediums auf die gesamt Plattenbreite bewirkt, was wiederum die Leistung des Plattenwärmetauschers positiv beeinflusst.
  • Die erfindungsgemäße Leitschaufelnausgestaltung einerseits und die erfindungsgemäße Ausgestaltung der die Turbolenzen erzeugenden Profilierung andererseits erbringen in Kombination den synergetischen Effekt, dass eine Vergleichmäßigung der in den Plattenwärmetauscher einströmenden Medien auf die gesamte Plattenbreite erfolgt, und dies bei gleichzeitiger Minimierung der Gefahr von im schlimmsten Fall zu Verstopfungen führenden Verschmutzungen der Leitschaufeln. Dabei wird im Unterschied zum Stand der Technik nach der vorgenannten DE 41 42 177 C2 mit der Erfindung bewusst in Abkehr zur bisherigen Ausgestaltung vorgeschlagen, die Leitschaufeln zu verkleinern, insbesondere hinsichtlich des jeweiligen Abströmschenkels. Darüber hinaus ist in bewusster Abkehr zum vorbenannten Stand der Technik die Anzahl der Leitschaufeln deutlich reduziert worden. Die nach den Ausführungen in der DE 41 42 177 C2 infolge dieser Maßnahmen zu befürchtende Verschlechterung der Mediumsvergleichmäßigung ist in überraschender
  • Weise nicht eingetreten bzw. konnte in Kombination mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der die Turbolenzen erzeugenden Profilierung kompensiert werden. Im Ergebnis der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist bei einem gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Wirkungsgrad hinsichtlich der Mediumsverteilung eine Reduzierung der durch die Leitschaufeln bedingten Angriffsflächen für Schmutzpartikel, Fremdstoffe und/oder dergleichen erreicht. Im Ergebnis neigt der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher im Unterschied zu vorbekannten Plattenwärmetauschern weniger stark zu Verschmutzungen oder gar Verstopfungen, wodurch die Betriebssicherheit erhöht ist und/oder Wartungsintervalle größer bemessen werden können. In diesem Zusammenhang wirkt sich insbesondere positiv aus, dass die Abströmschenkel der erfindungsgemäßen Leitschaufeln im Unterschied zum Stand der Technik sehr viel steiler und sehr viel kürzer ausgebildet sind.
  • Vorteilhaft sind die Leitschaufeln vollständig durchgeprägt, so dass diese spaltfrei an der benachbarten Einzelplatte anliegen. Durch diese Ausgestaltung dienen die Leitschaufeln vollständig als Abstützung bzw. als Abstandshalter, so dass Schwingungen innerhalb der Plattenpaare und innerhalb des Plattenstapels reduziert werden und somit der Aufbau des Wärmetauschers insgesamt stabiler wird. Dabei können die vollständig durchgeprägten Leitschaufeln je nach Ausgestaltung an den Leitschaufeln benachbarter Einzelplatten oder an der gegenüberliegenden Wand der Strömungskanäle anliegen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht eines aus mehreren Einzelplatten gebildeten Plattenstapels, wobei jedoch wegen der besseren Übersicht die Leitschaufeln und die Profilierung nicht dargestellt sind,
    Fig. 2a
    eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Einzelplatte mit Leitschaufeln und angedeuteter Profilierung,
    Fig. 2b
    eine perspektivische Ansicht eines aus mehreren Einzelplatten nach Figur 2a gebildeten Plattenstapels,
    Fig. 3
    eine vergrößerte Detaildarstellung eines erfindungsgemäßen s-förmigen Randkanals,
    Fig. 4 a
    eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt "A" des s-förmigen Randkanals,
    Fig. 4 b
    eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt "B" des s-förmigen Randkanals
    Fig. 4 c
    eine Schnittdarstellung gemäß Schnitt "C" des s-förmigen Randkanals.
  • Das in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel eines Plattenwärmetauschers zeigt perspektivisch einen Plattenstapel S aus einer Mehrzahl formgeprägter Einzelplatten 1, die jeweils miteinander zu einem Plattenpaar P verbunden sind. Jede Einzelplatte 1 umfasst einen Boden 11, der in einer anderen Ebene liegt als die Längsränder 12. Im Anschluss und parallel zu diesen Längsrändern 12 ist jede Einzelplatte 1 jeweils mit einer Anlagefläche 13 ausgebildet, die gegenüber den Längsrändern 12 in der Höhe versetzt ist. Der Versatz zwischen der Anlagefläche 13 und dem zugehörigen Längsrand 12 ist doppelt so groß wie der Versatz zwischen den Längsrändern 12 und dem Boden 11. Der Boden 11 liegt demzufolge höhenmäßig in der Mitte zwischen der Ebene der Längsränder 12 und der Ebene der Anlageflächen 13. Die quer zu den Längsrändern 12 der Einzelplatte 1 verlaufenden Ränder liegen beim Ausführungsbeispiel etwas zur Hälfte in der Ebene der Längsränder 12 bzw. in der Ebene der Anlageflächen 13. Auf diese Weise ergeben sich Querränder 14a und 14b, die in der Höhe, d. h. senkrecht zur Fläche des Bodens 11 um denselben Betrag zueinander versetzt sind wie die Ebenen, in denen einerseits die Längsränder 12 und andererseits die Anlageflächen 13 liegen. Die Figur 1 lässt deutlich erkennen, dass hierbei die Querränder 14a bzw. 14b einander diagonal gegenüberliegen.
  • Jeweils zwei der in Figur 1 als oberstes Teil dargestellten Einzelplatten 1 werden gemäß der unteren Darstellung in Figur 1 zu Plattenpaaren P verbunden. In Figur 1 sind fünf komplette Plattenpaare P dargestellt, wobei auf dem obersten Plattenpaar noch eine Einzelplatte 1 angeordnet ist, die mit der im Abstand dargestellten obersten Einzelplatte 1 ebenfalls zu einem Plattenpaar P verbunden wird.
  • Wenn die Plattenpaare P im Bereich der Anlageflächen 13 zum Plattenstapel S verbunden werden, ergeben sich übereinander liegende Kanäle für die beiden am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien. Während das eine Medium in den Strömungskanälen strömt, die jeweils durch die Plattenpaare P gebildet werden, strömt das andere Medium in den Strömungskanälen, die sich durch das Zusammenfügen der Plattenpaare P zum Plattenstapel S ergeben. Die in der Ebene der Längsränder 12 liegenden Querränder 14a der Einzelplatten 1 bilden hierbei den Zuströmquerschnitt Z1 bzw. den Abströmquerschnitt A1 der Strömungskanäle für das zwischen den Plattenpaaren P strömende Medium. Die in der Ebene der Anlageflächen 13 verlaufenden Querränder 14b der Einzelplatten 1 bilden die Zuströmquerschnitte Z2 bzw. die Abströmquerschnitte A2 für das andere Medium, das zwischen den Einzelplatten 1 jedes Plattenpaares P entweder in derselben oder in Gegenrichtung zum ersten Medium strömt. Die Figur 1, die einen Gegenstrom-Wärmetauscher zeigt, lässt erkennen, dass aufgrund der diagonalen Anordnung der Eintritts- und Austrittsöffnungen die Zuströmquerschnitte Z1 bzw. Z2 für das eine Medium neben den Abströmquerschnitten A2 bzw. A1 für das andere Medium liegen, und zwar jeweils um eine halbe Höhe eines Plattenpaares P versetzt.
  • Figur 2a zeigt eine Einzelplatte 1 nach der Erfindung, deren Zuströmquerschnitt Z1 sich über die halbe Breite der Einzelplatte 1, von der Längsmitte bis zum Längsrand 12 erstreckt. Die Einzelplatte weist einen Eintrittsbereich E auf, dessen Länge in Hauptströmungsrichtung die Strecke kennzeichnet, welche das einströmende Medium benötigt, um sich auf die volle Breite der Einzelplatte 1 zu verteilen. In der Bildebene sind rechts neben der Längsmitte der Einzelplatte 1 vier Leitschaufeln 2 angeordnet, welche jeweils einen Anströmschenkel 21 und einen Abströmschenkel 22 aufweisen. Die Anströmschenkel 21 und Abströmschenkel 22 sind ungefähr gleich lang und schließen einen Winkel von ca. 140° bis 100° zwischen sich ein. Dabei ragt keiner der Abströmschenkel 22 über die Längsmitte der Einzelplatte 1 hinaus. Die Anströmschenkel 21 sind jeweils in unmittelbarer Nähe des Querrandes 14a angebracht. Die Einzelplatte 1 weist über ihre gesamte Breite bis zu den Anlageflächen 13 eine Turbulenzen erzeugende Profilierung 31, 32 auf. Diese Profilierung 31, 32 besteht aus einer großen Vielzahl in die Einzelplatte 1 eingeprägter Noppen 31, 32, welche sich im Bereich des Zuströmquerschnittes Z1 bis an die Leitschaufeln 2 erstrecken und im Bereich links der Längsmitte ausgespart sind.
  • Im Bereich der Anlageflächen 13 sind mit Bezug auf die Bildebene nach Figur 2 s-förmige Randkanäle 15 mit einem über ihre Längserstreckung größenvariablen Querschnitt ausgebildet.
  • Figur 2b lässt in einer perspektivischen Ansicht einen aus einer Mehrzahl von Einzelplatten 1 gebildeten Plattenstapel S erkennen. Das Zusammenwirken der Einzelplatten 1 kann dieser Darstellung gut entnommen werden.
  • Die Figur 3 zeigt einen solchen vergrößert dargestellten Randkanal 15 in der Draufsicht. Die Figuren 4 a, 4 b und 4 c zeigen Schnittdarstellungen dieses Randkanals 15 an unterschiedlichen Schnittstellen A, B und C gemäß Figur 3. Zu erkennen ist, dass der vom Medium durchströmbare Querschnitt an der Stelle A maximal groß ist, während der Querschnitt an den Stellen B und C jeweils nur ca. 50 % oder weniger des maximalen Querschnitts beträgt, wobei der Querschnitt an den Stellen B und C jeweils zu unterschiedlichen Seiten des Randkanals 15 verengt ist. Dabei ergeben sich die Verengungen aufgrund von Einprägungen 33, die mit Bezug auf die Bildebene nach Figur 3 teilkreisförmig ausgebildet sind, wodurch sich der in Längsrichtung insgesamt s-förmig ausgebildete Kanalverlauf ergibt.
  • Die Erfindung funktioniert so, dass das durch den Zuströmquerschnitt Z1 in die Einzelplatte 1 einströmende Wärmemedium, hier Rauchgas, auf die sich unmittelbar an den Querrand 14a anschließenden Anströmschenkel 21 der Leitschaufeln 2 trifft. Von dort aus wird das Rauchgas auf die Abströmschenkel 22 geleitet, welche in einem Winkel von ca. 140° bis 100° zu den Anströmschenkeln 21 stehen. Dadurch, dass der Eintrittsbereich E im Bereich des Zuströmquerschnittes Z1 eine sich unmittelbar an die Leitschaufeln 2 anschließende Profilierung 31, 32 aufweist, während sich in dem spiegelsymmetrisch links neben der Längsmitte liegenden Bereich der Eintrittsplatte 1 keine Profilierung befindet, bildet sich oberhalb der Profilierung 31, 32 innerhalb des Eintrittsbereiches E eine Druckverteilung aus, welche das zuströmende Rauchgas von den Leitschaufeln 2 in den profilfreien Bereich saugt. Dadurch wird das Rauchgas gleichmäßig über die Plattenbreite verteilt und sorgt für eine homogene Wärmeleistung über die gesamte Eintrittsplatte 1 des Wärmetauschers. Durch die besonders kurze und steile Ausgestaltung der Leitschaufeln 2 reduziert sich die Anhaftung von Schmutzpartikeln an die Leitschaufeln 2, so dass einer Verstopfung des Zuströmquerschnittes Z1 vorgebeugt wird. Insgesamt entsteht somit ein wartungsarmer Plattenwärmetauscher, welcher keine Leistungseinbuße erfordert.
  • Gemäß einer Ausführungsvariante kann die Einzelplatte 1 zusätzlich zu den zuvor dargestellten Maßnahmen Randkanäle 15 aufweisen, welche zum Zwecke einer Labyrinthausbildung über Einprägungen 33 verfügt. Dabei strömt das in den Randbereich der Einzelplatte 1 gelangende Medium durch die Randkanäle 15 hindurch und trifft dabei auf die Verengungen und Erweiterungen der jeweiligen Kanalquerschnitte, welche einen Staueffekt bewirken und zu einer höheren Wechselwirkung des Mediums mit der Einzelplatte 1 führen. Wie in Figur 3 gezeigt gelangt das Rauchgas in die s-förmig geschnittenen Randkanäle 15, wo es im Schnittbereich A (Ansicht Figur 4 a) den gesamten Kanalquerschnitt zur Verfügung hat. Im Bereich des Schnittes B (Ansicht Figur 4 b) muss das Rauchgas die erste Krümmung durchströmen, in welcher sich der Querschnitt um die Hälfte reduziert. Dabei entsteht der vorgenannte Staueffekt. Hinter der Krümmung erweitert sich der Querschnitt dann wieder kurzzeitig, um sich im Bereich des Schnittes C (Figur 4 c) erneut auf die Hälfte zu reduzieren, jedoch diesmal der s-Form des Randkanals 15 folgend im Bereich der gegenüberliegenden Kanalseitenwand. Insgesamt werden somit durch die höhere Wechselwirkung des Wärmemediums mit den Einzelplatten 1 Leistungsverluste, welche gemäß dem Stand der Technik durch Bypässe im Randbereich der Einzelplatte 1 auftreten, erheblich vermindert, was wiederum zu einer Leistungssteigerung des Wärmetauschers führt. Verstärkt werden kann dieser Effekt weiterhin dadurch, dass die Turbulenzen erzeugende Profilierung 31, 32 über die gesamte Breite der Einzelplatten 1 bis hin zu den Anlageflächen 13 ausgebildet ist. Dies unterstützt die Vermeidung von Bypässen und führt somit zu einer Leistungsverbesserung des Wärmetauschers.
    • Bezugszeichenliste
    • A
    Austrittsbereich
    A1
    Abströmquerschnitt
    A2
    Abströmquerschnitt
    E
    Eintrittsbereich
    P
    Plattenpaar
    S
    Plattenstapel
    Z1
    Zuströmquerschnitt
    Z2
    Zuströmquerschnitt
    1
    Einzelplatte
    11
    Boden
    12
    Längsrand
    13
    Anlagefläche
    14a
    Querrand
    14b
    Querrand
    15
    Randkanal
    2
    Erhebung
    21
    Abströmschenkel
    22
    Anströmschenkel
    31
    Einzelnoppe
    32
    Einzelnoppe
    33
    Einprägung

Claims (10)

  1. Plattenwärmetauscher mit im Gleichstrom oder Gegenstrom von einem ersten und einem zweiten Medium durchströmten Strömungskanälen, die für das erste Medium zwischen jeweils zu einem Plattenpaar (P) verbundenen Einzelplatten (1) und für das zweite Medium zwischen zu einem Plattenstapel (S) zusammengefügten Plattenpaaren (P) gebildet sind, wobei die Einzelplatten (1) und die Plattenpaare (P) an parallel zur Hauptströmungsrichtung verlaufenden Längsrändern (12) und Anlageflächen (13) miteinander verbunden sind, wobei jede Einzelplatte (1) in Längsrichtung korrespondierende, diagonal angeordnete Zuström- und Abströmquerschnitte (Z1, Z2, A1, A2) für das erste Medium und in Querrichtung neben diesen liegende Zuström- bzw. Abströmquerschnitte (Z1, Z2, A1, A2) für das zweite Medium aufweist, wobei die Zuström- bzw. Abströmquerschnitte (Z1, Z2, A1, A2) für das erste Medium jeweils um die halbe Höhe der Zuström- bzw. Abströmquerschnitte (Z1, Z2, A1, A2) für das zweite Medium versetzt sind, wobei die Einzelplatte (1) mit einer Turbulenzen erzeugenden Profilierung (31, 32) versehen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Profilierung (31, 32) senkrecht zur Hauptströmungsrichtung über den gesamten Boden (11) bis zu den Anlageflächen (13) ausgebildet ist, und
    - dass die Einzelplatten (1) im Bereich der Anlageflächen (13) Randkanäle (15) mit einem über ihre Längserstreckung größenvariablen Querschnitt aufweisen.
  2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Randkanäle (15) im Wesentlichen s-förmig bzw. mehrfach s-förmig ausgebildet sind.
  3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Randkanäle (15) um bis zu 50 % oder mehr variabel ist.
  4. Plattenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (1) innerhalb eines Eintrittsbereiches (E) durch Ausprägungen gebildete, in den Strömungskanal hineinragende Leitschaufeln (2) aufweisen, wobei die Leitschaufeln (2) bogenförmig mit einem im Wesentlichen parallel zur Hauptströmungsrichtung ausgerichteten Anströmschenkel (21) und einem unter einem Winkel zum Anströmschenkel (21) ausgerichteten Abströmschenkel (22) ausgebildet sind, wobei die Anströmschenkel (21) und die Abströmschenkel (22) einen Winkel zwischen 140° und 100°, vorzugsweise 135° und 112° zueinander aufweisen.
  5. Plattenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzen erzeugende Profilierung (31, 32) ausgeprägte Noppen (31, 32) aufweist.
  6. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Noppen (31, 32) als Abstandshalter für benachbarte Einzelplatten (1) ausgebildet sind.
  7. Plattenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (2) der Zuströmquerschnitte (Z1, Z2) nicht über die Längsmitte der Einzelplatten (1) hinausragen, wobei die Anströmschenkel (21) und die Abströmschenkel (22) im Wesentlichen gleiche Längen aufweisen, und wobei die Leitschaufeln (2) mit im Wesentlichen gleichem Abstand zu dem zugehörigen Querrand (14a, 14b) der jeweiligen Einzelplatte (1) angeordnet sind.
  8. Plattenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbulenzen erzeugende Profilierung (31, 32) im Eintrittsbereich (E) der Zuströmquerschnitte (Z1, Z2) bis an die Leitschaufeln (2) ragt und im spiegelsymmetrisch zur Längsmitte der Einzelplatten (1) angrenzenden Bereich der Abströmquerschnitte (A1, A2) ausgespart ist.
  9. Plattenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (2) vollständig durchgeprägt sind, so dass diese spaltfrei an der benachbarten Einzelplatte (1) anliegen.
  10. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (2) als Abstandshalter der Abstützung dienen.
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