EP3746728B1 - Isolierende oberflächenbeschichtung an wärmeübertragern zur verminderung von thermischen spannungen - Google Patents

Isolierende oberflächenbeschichtung an wärmeübertragern zur verminderung von thermischen spannungen Download PDF

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EP3746728B1
EP3746728B1 EP19701151.3A EP19701151A EP3746728B1 EP 3746728 B1 EP3746728 B1 EP 3746728B1 EP 19701151 A EP19701151 A EP 19701151A EP 3746728 B1 EP3746728 B1 EP 3746728B1
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EP
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heat exchange
heat exchanger
coating
heat
fluid
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Axel Lehmacher
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a plate heat exchanger and a method for producing such a plate heat exchanger.
  • Plate heat exchangers are known from the prior art, which are set up to indirectly transfer the heat from a first fluid to another, second fluid.
  • the fluids in the plate heat exchanger are conducted in separate heat exchange passages of the plate heat exchanger block. These are delimited by two parallel partition walls of the plate heat exchanger block, between which a heating surface element is arranged, which is also referred to as a fin or lamella.
  • Such plate heat exchangers are, for example, in " The standards of the brazed aluminum plate-fin heat exchanger manufacturers association" ALPEMA, Third Edition, 2010 shown and described forming the preamble of claim 1.
  • partition walls or plates and fins form the heating surface on the one hand and must absorb the forces from the internal overpressure on the other hand.
  • Various partitions and fin types are available in this regard, although the design options are limited by the pressure-bearing function. Any reduction of the specific heating surface is therefore not possible. It is also usually not aimed at, since a high heating surface density and thus a design that is as compact as possible is normally desired.
  • the high thermal stresses are caused as follows: When the plant is at a standstill, all process flows usually come to a standstill. Starting from a temperature profile with a warm and a cold end, the material temperature differences slowly equalize through heat conduction within the heat exchanger and the apparatus assumes a homogeneous (mean) temperature that lies between the maximum and minimum temperature of the initial state. The insulation losses are usually small, so this state only changes slowly.
  • the process streams are restarted, they hit the heat exchanger with a very large temperature difference.
  • the consequence of this is that the wall temperature changes rapidly over time, particularly in the area of the flow inlets, and that locally very steep wall temperature gradients develop along the main flow direction.
  • the temporal and local temperature gradients cause the thermal stresses mentioned.
  • the thermal stresses can be considerable, particularly in the case of large, modular heat exchangers that have several plate heat exchanger blocks connected to one another.
  • WO2014/044522A1 and WO2014/048073A1 disclose plate heat exchangers with a thermal break between heat exchanger sections to increase the performance of the heat exchanger.
  • the present invention is based on the object of creating a plate heat exchanger which is improved with regard to the aforementioned problem.
  • a plate heat exchanger is provided with a plate heat exchanger block, which has a plurality of partitions arranged parallel to one another (e.g. in the form of partition plates), which form a large number of heat exchange passages for fluids to be brought into indirect heat transfer with one another, the heat exchange passages passing through, in particular flush with the edge of the partitions intended side strips (e.g.
  • heat exchange passages in the form of sheet metal strips
  • sidebars which are also referred to as sidebars
  • the heat exchange passages, in particular each heat exchange passage has an inlet for letting in a fluid and an outlet for letting out the fluid.
  • One or more side rails preferably each have a coating made of a heat-insulating material, which is applied to the respective side rail.
  • the two outermost dividing walls of the plate heat exchanger block which limit the plate heat exchanger block to the outside, are also referred to as cover walls and are formed in particular by cover plates.
  • the respective heat exchange passage is thus delimited by two adjacent partitions and has at least one heat-conducting element (Fin) arranged between these partitions.
  • the respective heat-conducting element forms, as explained above, with the two adjacent partitions a large number of flow channels of the respective heat exchange passage, with the coating being applied to the respective heat-conducting element and the two adjacent partition plates in such a way that the respective flow channel has a circumferential inside which is coated with the heat-insulating coating.
  • the coating is preferably applied in such a way that the respective flow channel has an uninterrupted coating, that is to say a continuous coating, on its inner wall in a first section.
  • the respective heat-conducting element has peaks (or head sections) and valleys (or bottom sections) arranged alternately and preferably parallel to one another, with the peaks and valleys being connected to one another via webs running in particular vertically.
  • each heat exchange passage When the peaks are connected to one of the two adjacent partitions and the valleys are connected to the other of the two adjacent partitions, a plurality of flow channels are formed in each heat exchange passage.
  • the respective flow channels are thus limited by the partitions, the peaks or valleys and the webs of the respective heat-conducting element.
  • Such plate heat exchangers or the uncoated components of the plate heat exchanger are preferably formed from an aluminum alloy, with the components preferably being connected to one another by brazing.
  • heating surface elements, separating plates, cover plates and sidebars, some of which are provided with solder are preferably stacked on top of one another in a cuboid block and then soldered in a vacuum soldering furnace to form a heat exchanger block.
  • other manufacturing processes are also conceivable.
  • the thermally conductive elements which may be coated as described above, can in particular also be what are known as distributor fins, which distribute the fluid flow over the entire width of the respective heat exchange passage, i.e. from sidebar to sidebar.
  • Such distributor fins can also be formed in one piece with a heat-conducting element/fin arranged downstream.
  • the respective partition wall having the coating and/or that the respective heat-conducting element having the coating each have a first section arranged at the respective inlet (which e.g. adjoins the inlet or located adjacent thereto) and a second section connected to the first section and further from the inlet than the first section, only the first section having the coating and the second section not having the coating , i.e. in other words it has no heat-insulating coating.
  • the first section is arranged in such a way that the fluid flows through it before the fluid flows through the second section.
  • the flow channels formed by the partitions and heat-conducting elements have a first section (closer to the inlet) and a second section (closer to the outlet), with only one inner side or inner wall of the first section of the respective flow channel having the heat-insulating coating having.
  • the plate heat exchanger block has at least first heat exchange passages for receiving a first fluid and second heat exchange passages for receiving a second fluid, the surfaces of the partition walls and/or side strips assigned to the first heat exchange passages and/or the surfaces of the first heat exchange passages associated heat-conducting elements each have a coating of the heat-insulating material, at least in sections, in particular only the first sections of these partitions and/or heat-conducting elements and/or side strips and the surfaces of the partitions and/or side strips assigned to the second heat exchange passages and/or or the thermally conductive elements associated with the second heat exchange passages do not have a coating of the thermally insulating material.
  • only the flow channels of the first heat exchange passages have a heat-insulating coating, in particular only the insides or inner surfaces of the first sections of the flow channels, whereas the flow channels of the second heat-exchange passages in particular do not have the heat-insulating coating.
  • the heat-insulating material is one of the following materials or has one of the following materials: a plastic, a polymer, a ceramic.
  • partition walls and/or the heat-conducting elements and/or the side rails are formed from one of the following materials or have one of the following materials: aluminum, an aluminum alloy. Alloys such as SB-209 (ASME), SB-221(ASME) or EN-AW-3003 (EN) can be used.
  • the thermally insulating material has a thermal conductivity or a thermal conductivity coefficient that is less than 5 W/mK, in particular less than 1 W/mK.
  • the base material of the respective partition or of the respective heat-conducting element or the respective uncoated partition or the respective uncoated heat-conducting element typically has a thermal conductivity coefficient (at e.g. 70K) in the range of approx. 130 W/mk (at 70K) up to approx. 150 W/mk (at 300K).
  • the respective coating has a thickness (in particular normal to the extension plane or surface of the respective partition wall or the respective heat-conducting element) that is less than or equal to 0.2 mm.
  • the respective, uncoated partition wall (in particular perpendicular to the extension plane of the surface of the respective partition wall) has a thickness in the range of 1 mm to 2 mm.
  • the respective uncoated heat-conducting element (in particular perpendicular to the plane of extension of the surface of the respective base body) has a thickness in the range of 0.2 mm to 0.6 mm.
  • a collector with a socket is attached above the inlet of the at least one, first heat exchange passage and above the inlet of the at least one, second heat exchange passage, the sockets being used to connect supply pipelines.
  • Such collectors can be designed, for example, as half cylinders that are closed at the two opposite end faces.
  • Such a collector also preferably has a peripheral edge via which the collector is welded to the plate heat exchanger block.
  • the partitions and fins are running preferably perpendicular to a longitudinal axis of the collector when this is intended to be welded to the plate heat exchanger block. In this way, inlets or outlets of the respective heat exchange passage, which are each delimited by two adjacent partitions, can open into the respective collector.
  • the connecting piece belonging to the collector is preferably of cylindrical design and is welded to the collector via an end face of the connecting piece, so that the connecting piece is in flow connection with a through-opening of the collector or the collector.
  • the plate heat exchanger has at least two headers with connectors for each fluid that is fed into the plate heat exchanger, with the fluid being able to be introduced into the associated heat exchange passages via the one, first, connector and header and via the other, second, header or The nozzle can be discharged again.
  • the collectors/connectors it can also be provided with regard to the collectors/connectors that the collector and/or the connector of the first heat exchange passages have a coating of the heat-insulating material on their respective inner sides (or inner walls or inner surfaces).
  • the headers and/or sockets of said second heat exchange passages do not have a coating of the heat-insulating material.
  • the respective heat-conducting element has a wavy structure with alternating foot sections and head sections, the respective foot section being connected to an adjacent head section via a web, resulting in said wavy structure.
  • the wavy structure can be rounded in the transition from the foot sections or head sections to the respective webs. However, it can also have a rectangular or stepped shape. Due to the wavy structure--together with the partitions on both sides--flow channels for guiding the relevant fluid in the respective heat exchange passage are formed.
  • the respective heat-conducting element is not coated with the heat-insulating coating on the contact surfaces via which the respective heat-conducting element is connected to an adjacent partition wall (in particular is soldered).
  • the webs of the respective heat-conducting element (in particular in the first section of the respective heat-conducting element) have the heat-insulating coating or are coated with the heat-insulating coating.
  • the respective heat-conducting element has the heat-insulating coating or is coated with the heat-insulating coating only in the region of the webs.
  • the respective heat-conducting element (in particular in the first section) has the heat-insulating coating or is coated with the heat-insulating coating only in the area of the surface facing the respective flow channel.
  • a further aspect of the present invention relates to a method for producing a plate heat exchanger according to the invention, wherein a flowable material, which forms a heat-insulating material in the hardened state, is introduced into heat exchange passages of the plate heat exchanger block, the partitions and/or heat-conducting elements and/or side strips of which have said coating are to be obtained, the material being cured to form said coatings.
  • the flowable material is introduced into the said flow channels of the heat exchange passages, which are formed by the respective heat-conducting element, the two adjacent partitions and, if applicable, the side strips.
  • the plate heat exchanger block is immersed in the flowable material at least in sections, in particular with a first section, in order to introduce the flowable material into the corresponding heat exchange passages or flow channels.
  • the size of the area to be coated can advantageously be precisely controlled.
  • heat exchange passages or flow channels that are not to be coated are appropriately sealed beforehand, so that the material cannot penetrate there.
  • Another aspect of the present invention relates to a method for operating a plate heat exchanger according to the invention, wherein at least a first and a second fluid are introduced into at least one heat exchange passage of the plate heat exchanger, so that said fluids can exchange heat indirectly.
  • said (at least two) fluids or fluid streams can be of the same material or differ in their material composition.
  • all heat exchange passages can have a coating of the heat-insulating material (in particular a coating of the partition walls and/or heat-conducting elements and/or the side strips of the respective heat exchange passage).
  • only those heat exchange passages or flow channels which are assigned to a specific fluid can have a coating of the heat-insulating material (in particular a coating of the partition walls and/or heat-conducting elements and/or or the side ledges of the respective heat exchange passage), while others Heat exchange passages (in particular their partitions and/or heat-conducting elements) or flow channels have no coating of the heat-insulating material.
  • the individual coatings can be formed or arranged in one of the ways already described above.
  • the first fluid is introduced into the at least one first heat exchange passage and the second fluid is introduced into the at least one second heat exchange passage.
  • the first fluid is introduced into the at least one first heat exchange passage before the second fluid is introduced into the at least one second heat exchange passage.
  • the start-up refers in particular to a process in which, e.g. after all fluids that were previously passed through the plate heat exchanger or through heat exchange passages of the plate heat exchanger have stopped or after the heat exchanger not previously used for heat transfer has been made available for the first time, the fluids involved in the heat exchange start again be introduced into the plate heat exchanger, in which case the first fluid is introduced into the plate heat exchanger before the second fluid.
  • the first fluid is introduced into the plate heat exchanger first (i.e. before all other fluids or at least at the same time as any other fluids).
  • the first fluid is at least among those fluids that are introduced into the plate heat exchanger before the second fluid.
  • the first fluid is introduced into the at least one first heat exchange passage via the socket and collector which is arranged above the inlet of the at least one first heat exchange passage.
  • the at least one first fluid which is introduced during start-up in particular before all other fluids, have an inlet temperature in the plate heat exchanger in the range from 3K to 360K, with the Plate heat exchanger before starting a temperature, in particular a homogeneous temperature, can have in this range from 3K to 360K.
  • the first fluid can have a temperature when starting up, which is a differential temperature z. B. in the range of 10K to 100K, in particular 20K to 50K, is different from a temperature of the plate heat exchanger before start-up.
  • the technical teaching according to the invention advantageously makes it possible to reduce temporal and local temperature gradients by possibly partially reducing the heat transfer. As a result, the thermal stresses are reduced, in particular during the above-mentioned starting processes, in particular restarting processes.
  • the apparatus can withstand a correspondingly higher number of such operations, thereby prolonging the service life.
  • FIG. 1 shows a plate heat exchanger 10 according to the invention, which has a plurality of partitions arranged parallel to one another in the form of partition plates 4, which form a large number of heat exchange passages, e.g. 1a, 1b, for the fluids A, B, C, D, E to be brought into indirect heat transfer with one another .
  • the heat exchange between the fluids participating in the heat exchange takes place between adjacent heat exchange passages 1a, 1b, the heat exchange passages 1a, 1b and thus the fluids being separated from one another by the separating plates 4.
  • the heat exchange takes place by means of heat transfer via the separating plates 4 and via the heat-conducting elements 2, 3 arranged between the separating plates 4, which are also referred to as fins 2, 3.
  • the one in the figure 1 The fins 2 shown also serve to evenly distribute the fluids over the respective heat exchange passages 1a, 1b.
  • the heat exchange passages 1a, 1b are delimited by side strips 8 in the form of sheet metal strips 8, also referred to below as sidebars 8, which are in particular arranged flush on the edge of the separating plates 4.
  • the heat exchange passages 1a, 1b are closed off from the outside by the sidebars 8, that is to say from the area surrounding the heat exchanger 10.
  • the preferably corrugated fins 2, 3 are arranged within the heat exchange passages 1a, 1b, ie between each two partition walls 4, a cross section of a fin 3 being shown in detail in FIG figure 2 is shown.
  • the fins 3 each have a wavy structure with alternating foot sections 12, also referred to below as valleys 12, and head sections 14, also referred to below as peaks 14, with the valleys 12 and peaks 14 being arranged parallel to one another.
  • a valley 12 is connected to an adjacent peak 14 via a web 13 of the fin 3 in question, which extends in particular vertically, so that the aforesaid wavy structure results.
  • the wavy structure can be rounded in the transition from valleys 12 or peaks 14 to the respective webs 13 . However, it can also have a rectangular or stepped shape.
  • the corrugated structure--together with the partition walls 4 on both sides--flow channels 40 are formed for guiding the relevant fluid in the respective heat exchange passage 1a, 1b.
  • the peaks 14 and valleys 12 of the respective fin 3 are connected to the respective adjacent separating plates 4 in a cohesive manner, preferably by soldered connections.
  • the fluids participating in the heat exchange are thus in direct thermal contact with the wavy structures 3, so that the heat transfer is ensured by the thermal contact between the peaks 14 or valleys 12 and the separating plates 4, and thus by thermal conduction.
  • the orientation of the corrugated structure 3 within the heat exchange passages 1a, 1b are selected depending on the application in such a way that a co-, cross-, counter- or cross-counterflow between adjacent passages 1a, 1b is made possible.
  • the plate heat exchanger 10 also has inlets 9 to the heat exchange passages 1a, 1b (wherein in Fig figure 1 for the sake of clarity, only one inlet 9 to a second heat exchange passage 1b is shown), which is provided here as an example at the ends of the plate heat exchanger 10 (inlets at a middle section are also possible), with the fluids A, B, C , D, E can be introduced into or withdrawn from the heat exchange passages 1a, 1b.
  • the individual heat exchange passages 1a, 1b can have fins in the form of distributor fins 2, which distribute the respective fluid to the channels of a fin 3 of the relevant heat exchange passage 1a, 1b.
  • distributor fins 2 are not absolutely necessary.
  • a fluid A, B, C, D, E can thus be introduced via an inlet 9 of the plate heat exchanger block 11 into the associated heat exchange passage 1a, 1b and drawn off again through a further opening 19, an outlet 19, from the relevant heat exchange passage 1a, 1b .
  • the separating plates 4, fins 3 and sidebars 8 and, if necessary, other components are connected to one another, e.g. by brazing.
  • the components, some of which are provided with solder, such as heating surface elements (fins) 3, separating plates 4, distributor fins 2, cover plates 5 and sidebars 8 are stacked on top of one another in a block and then hard-soldered in a furnace to form a heat exchanger block 11.
  • preferably semi-cylindrical collectors 7 are welded on above the inlets 9 and outlets 19, respectively. Furthermore, a cylindrical socket 6 is preferably welded to each collector 7 . The sockets 6 are used to connect a supply or discharge pipeline to the respective collector 7.
  • FIG. 1 there is a plate heat exchanger in the figure 1 shown type basically the problem that when starting or restarting the streams that are introduced into the plate heat exchanger, a significant Have temperature difference to the standstill temperature of the block 11.
  • the expansion caused by this and the stresses induced by it can damage the plate heat exchanger.
  • a standstill-related temperature of the block 11 results when the temperatures of the hot and the cold end of the block 11 approach each other due to the standstill of the process streams or fluids through heat transfer and this results in a homogeneous temperature of the fluids and components in the plate heat exchanger.
  • one or more partitions 4, 5 and/or one or more heat-conducting elements 2, 3 and/or one or more side strips 8 each have a coating 41 made of a heat-insulating material, which is applied to the respective partition 4, 5 or the respective heat-conducting element 2, 3 is applied.
  • the base material is in particular an aluminum alloy (e.g. of type 3003).
  • Aluminum alloys/materials are also conceivable.
  • the heat-insulating coating 41 is preferably applied to the partitions 4 and heat-conducting elements (fins) 2, 3 and, if necessary, the sidebars 8 in such a way that the flow channels 40 are continuously coated with the heat-insulating coating 41, preferably in at least a first section A1 of the heat exchange passages 1a are (cf. detail of figure 1 ).
  • first section A1 of the partition walls 4, 5 and the heat-conducting elements 2, 3 and/or side strips 8 or the flow channels 40 or the heat exchange passages 1a, 1b have a heat-insulating coating 41 has.
  • This first section A1 can also, for. B. along the transition plane U, which is in the figure 1 is indicated by a dashed line, in a second section A2 of the partitions 4, 5 or heat-conducting elements 2, 3 or side rails 8 merge, the z. B. is not provided with a coating 41 according to the invention. In this second section A2, therefore, the insides of the flow channels 40 cannot have a heat-insulating coating.
  • the first section A1 preferably borders on inlets 9 for first heat exchange passages 1a, via which a first fluid B is introduced into the block 11 before other fluids (for example before a second fluid A) when starting up, in particular restarting.
  • a coating 41 can also be provided on the collector 7 and/or connector 6 via which the first fluid B is introduced into the inlets 9 .

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Plattenwärmeübertragers.
  • Aus dem Stand der Technik sind Plattenwärmeübertrager bekannt, welche dazu eingerichtet sind, die Wärme von einem ersten Fluid indirekt auf ein anderes, zweites Fluid zu übertragen. Dabei werden die Fluide im Plattenwärmeübertrager in separaten Wärmeaustauschpassagen des Plattenwärmeübertragerblocks geführt. Diese werden durch je zwei parallele Trennwände des Plattenwärmeübertragerblocks begrenzt, zwischen denen jeweils ein Heizflächenelement angeordnet ist, das auch als Fin oder Lamelle bezeichnet wird.
  • Derartige Plattenwärmeübertrager sind z.B. in "The standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufacturers association" ALPEMA, Third Edition, 2010 gezeigt und beschrieben, das den Oberbegriff des Anspruchs 1 bildet.
  • Weiterhin werden solche Aluminiumplattenwärmeübertrager insbesondere bei kryogenen Prozessen eingesetzt, z.B. in Luftzerlegungsanlagen. Die besagten Trennwände bzw. -bleche und Fins bilden hierbei einerseits die Heizfläche und müssen andererseits die Kräfte aus dem inneren Überdruck abfangen. Diesbezüglich stehen verschiedene Trennwände und Fintypen zur Verfügung, wobei jedoch die Gestaltungsmöglichkeiten durch die drucktragende Funktion eingeschränkt sind. Eine beliebige Verringerung der spezifischen Heizfläche ist daher nicht möglich. Sie wird auch üblicherweise nicht angestrebt, da normalerweise eine hohe Heizflächendichte und damit eine möglichst kompakte Bauform erwünscht ist.
  • Das Anfahren, insbesondere Wiederanfahren, von Wärmeübertragern, insbesondere von Aluminiumplattenwärmeübertragern, nach einem kurz- oder mittelfristigen Anlagenstillstand kann zu sehr hohen thermischen Spannungen führen. Das gilt insbesondere dann, wenn die Gesamttemperaturänderung im Apparat groß ist, wie das etwa bei Hauptwärmetauschern von Luftzerlegungsanlagen der Fall ist. Dadurch besteht für solche Wärmetauscher das Risiko, schon durch eine relativ geringe Anzahl von Wiederanfahrvorgängen aufgrund von Materialermüdung beschädigt zu werden.
  • Diesbezüglich werden jedoch Anlagen gewünscht, die flexibel betreibbar sind, was insbesondere die oben genannten Betriebsunterbrechungen beinhaltet.
  • Die hohen thermischen Spannungen werden folgendermaßen verursacht: Bei einem Anlagenstillstand kommen in der Regel alle Prozessströme zum Erliegen. Ausgehend von einem Temperaturprofil mit einem warmen und einem kalten Ende gleichen sich die Materialtemperaturunterschiede durch Wärmeleitung innerhalb des Wärmetauschers langsam aus und der Apparat nimmt eine homogene (mittlere) Temperatur an, die zwischen der maximalen und minimalen Temperatur des Ausgangszustands liegt. Die Isolationsverluste sind in der Regel klein, so dass dieser Zustand sich nur langsam verändert.
  • Werden die Prozessströme nun wieder in Gang gesetzt, so treffen diese mit sehr großer Temperaturdifferenz auf den Wärmeübertrager. Das hat zur Folge, dass die Wandtemperatur insbesondere im Bereich der Stromeintritte sich zeitlich schnell ändert, und dass sich örtlich sehr steile Wandtemperaturgradienten entlang der Hauptströmungsrichtung entwickeln. Die zeitlichen und örtlichen Temperaturgradienten verursachen die genannten thermischen Spannungen. Insbesondere bei großen, in Modulbauweise gefertigten Wärmetauschern, die mehrere miteinander verbundene Plattenwärmeübertragerblöcke aufweisen, können die thermischen Spannungen erheblich sein.
  • WO2014/044522A1 und WO2014/048073A1 offenbaren Plattenwärmetauscher mit einer thermischen Trennung zwischen Wärmetauscherbereichen, um die Leistung des Wärmetauschers zu erhöhen.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmeübertrager zu schaffen, der im Hinblick auf die vorgenannte Problematik verbessert ist.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Plattenwärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Danach ist ein Plattenwärmeübertrager mit einem Plattenwärmeübertragerblock vorgesehen, der mehrere parallel zueinander angeordnete Trennwände (z.B. in Form von Trennblechen) aufweist, die eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen für miteinander in indirekte Wärmeübertragung zu bringenden Fluide bilden, wobei die Wärmeaustauschpassagen durch, insbesondere bündig am Rand der Trennwände vorgesehene, Seitenleisten (z.B. in Form von Blechstreifen), die auch als Sidebars bezeichnet werden, begrenzt sind, insbesondere nach außen hin abgeschlossen sind, und wobei zwischen, insbesondere je zwei, benachbarten Trennwänden zumindest ein wärmeleitendes Element (das auch als Fin bezeichnet wird) angeordnet ist, und wobei die Wärmeaustauschpassagen, insbesondere jede Wärmeaustauschpassage, einen Einlass zum Einlassen eines Fluides sowie einen Auslass zum Auslassen des Fluides aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass dass mehrere Trennwände und/oder mehrere wärmeleitende Elemente jeweils eine Beschichtung aus einem wärmeisolierenden Material aufweisen, und dass
    1. (a) das jeweilige wärmeleitende Element dabei mit den beiden benachbarten Trennwänden eine Vielzahl an Strömungskanälen der jeweiligen Wärmeaustauschpassage ausbildet, wobei die Beschichtung so auf das jeweilige wärmeleitende Element und die beiden benachbarten Trennwände aufgebracht ist, dass der jeweilige Strömungskanal eine umlaufende Innenseite aufweist, die mit der wärmeisolierenden Beschichtung beschichtet ist,
      und/oder
    2. (b) die die Beschichtung aufweisende Trennwand und/oder dass das die Beschichtung aufweisende wärmeleitende Element einen am Einlass angeordneten ersten Abschnitt sowie einen mit dem ersten Abschnitt verbundenen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der zweite Abschnitt weiter vom Einlass entfernt ist als der erste Abschnitt, und wobei der erste Abschnitt die Beschichtung aufweist, und wobei der zweite Abschnitt keine wärmeisolierende Beschichtung aufweist.
  • Vorzugsweise weisen eine oder mehrere Seitenleisten jeweils eine Beschichtung aus einem wärmeisolierenden Material auf, die auf die jeweilige Seitenleiste aufgebracht ist.
  • Die beiden äußersten Trennwände des Plattenwärmeübertragerblocks, die den Plattenwärmeübertragerblock nach außen hin begrenzen, werden auch als Deckwände bezeichnet und sind insbesondere durch Deckbleche gebildet.
  • Die jeweilige Wärmeaustauschpassage wird also durch zwei benachbarte Trennwände begrenzt und weist zumindest ein zwischen diesen Trennwänden angeordnetes wärmeleitendes Element (Fin) auf.
  • Gemäß der erfindungsgemäßen Alternative (a) bildet das jeweilige wärmeleitende Element dabei, wie vorstehend ausgeführt, mit den beiden benachbarten Trennwänden eine Vielzahl an Strömungskanälen der jeweiligen Wärmeaustauschpassage aus, wobei die Beschichtung so auf das jeweilige wärmeleitende Element und die beiden benachbarten Trennplatten aufgebracht ist, dass der jeweilige Strömungskanal eine umlaufende Innenseite aufweist, die mit der wärmeisolierenden Beschichtung beschichtet ist. Vorzugsweise ist die Beschichtung derart aufgebracht, dass der jeweilige Strömungskanal in einem ersten Abschnitt eine lückenlose Beschichtung, also durchgehende Beschichtung, auf seiner Innenwand aufweist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das jeweilige wärmeleitende Element alternierend und vorzugsweise parallel zueinander angeordnete Berge (oder Kopfabschnitte) und Täler (oder Fußabschnitte) aufweist, wobei die Berge und Täler jeweils über insbesondere vertikal verlaufende Stege miteinander verbunden sind. Die alternierend angeordneten Berge und Täler bilden zusammen mit den Stegen eine gewellte Struktur des jeweiligen wärmeleitenden Elementes.
  • Sind die Berge mit der einen Trennwand der beiden benachbarten Trennwände verbunden und die Täler mit der anderen Trennwand der beiden benachbarten Trennwände verbunden, so werden eine Vielzahl von Strömungskanälen in einer jeweiligen Wärmeaustauschpassage gebildet. Die jeweiligen Strömungskanäle sind somit durch die Trennwände, die Berge bzw. die Täler und die Stege des jeweiligen wärmeleitenden Elements begrenzt.
  • Derartige Plattenwärmeübertrager bzw. die unbeschichteten Komponenten des Plattenwärmeübertragers sind vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet, wobei die Bauteile vorzugsweise durch Hartlöten miteinander verbunden sind. Bei der Herstellung eines Plattenwärmeübertragers werden Heizflächenelemente, Trennbleche, Deckbleche und Sidebars, die zum Teil mit Lot versehen sind, vorzugsweise in einem quaderförmigen Block aufeinander gestapelt und anschließend in einem Vakuum-Lötofen zu einem Wärmeübertragerblock verlötet. Andere Herstellverfahren sind jedoch auch denkbar.
  • Bei den wärmeleitenden Elementen, die ggf. wie oben beschrieben beschichtet sind, kann es sich insbesondere auch um so genannte Verteilerfins handeln, die den Fluidstrom auf die gesamte Breite der jeweiligen Wärmeaustauschpassage, d.h., von Sidebar zu Sidebar, verteilen. Derartige Verteilerfins können auch einstückig mit einem stromabwärts angeordneten wärmeleitenden Element/Fin ausgebildet sein.
  • Gemäß der erfindungsgemäßen Alternative (b) der Erfindung ist, wie vorstehend ausgeführt, vorgesehen, dass die jeweilige die Beschichtung aufweisende Trennwand und/oder dass das jeweilige die Beschichtung aufweisende wärmeleitende Element jeweils einen am jeweiligen Einlass angeordneten ersten Abschnitt (der z.B. an den Einlass angrenzt oder benachbart zu diesem angeordnet ist) sowie einen mit dem ersten Abschnitt verbundenen zweiten Abschnitt aufweist, der weiter vom Einlass entfernt ist, als der erste Abschnitt, wobei jeweils lediglich der erste Abschnitt die Beschichtung aufweist, und wobei jeweils der zweite Abschnitt die Beschichtung nicht aufweist, d.h. in anderen Worten also keine wärmeisolierende Beschichtung aufweist. Hierbei ist also der erste Abschnitt in anderen Worten so angeordnet, dass er vom Fluid durchströmt wird, bevor der zweite Abschnitt von dem Fluid durchströmt wird.
  • Entsprechend weisen die durch die Trennwände und wärmeleitenden Elemente gebildeten Strömungskanäle also einen ersten (näher am Einlass gelegenen) Abschnitt sowie einen zweiten (näher am Auslass gelegenen) Abschnitt auf, wobei jeweils lediglich eine Innenseite bzw. Innenwand des ersten Abschnitts des jeweiligen Strömungskanals die wärmeisolierende Beschichtung aufweist.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Plattenwärmeübertragerblock zumindest erste Wärmeaustauschpassagen zur Aufnahme eines ersten Fluids und zweite Wärmeaustauschpassagen zur Aufnahme eines zweiten Fluides aufweist, wobei die den ersten Wärmeaustauschpassagen zugeordneten Oberflächen der Trennwände und/oder Seitenleisten und/oder die den ersten Wärmeaustauschpassagen zugeordneten wärmeleitenden Elemente zumindest abschnittsweise jeweils eine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen, und zwar insbesondere lediglich die ersten Abschnitte dieser Trennwände und/oder wärmeleitenden Elemente, und/oder Seitenleisten und wobei die den zweiten Wärmeaustauschpassagen zugeordneten Oberflächen der Trennwände und/oder der Seitenleisten und/oder die den zweiten Wärmeaustauschpassagen zugeordneten wärmeleitenden Elemente keine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen.
  • Hier weisen also insbesondere lediglich die Strömungskanäle der ersten Wärmeaustauschpassagen eine wärmeisolierende Beschichtung auf, und zwar insbesondere nur die Innenseiten bzw. Innenflächen der ersten Abschnitte der Strömungskanäle, wohingegen die Strömungskanäle der zweiten Wärmeaustauschpassagen insbesondere die wärmeisolierende Beschichtung nicht aufweisen.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das wärmeisolierende Material eines der folgenden Materialien ist oder eines der folgenden Materialien aufweist: ein Kunststoff, ein Polymer, eine Keramik.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Trennwände und/oder die wärmeleitenden Elemente und/oder die Seitenleisten (abgesehen von der Beschichtung) aus einem der folgenden Materialien gebildet sind oder eines der folgenden Materialien aufweisen: Aluminium, eine Aluminiumlegierung. Als Legierungen können z.B. SB-209 (ASME), SB-221(ASME) oder EN-AW-3003 (EN) verwendet werden.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das wärmeisolierende Material eine Wärmeleitfähigkeit bzw. einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der kleiner ist als 5 W/mK, insbesondere kleiner als 1 W/mK.
  • Demgegenüber weist das Grundmaterial der jeweiligen Trennwand oder des jeweiligen wärmeleitenden Elementes bzw. die jeweilige unbeschichtete Trennwand oder das jeweilige unbeschichtete wärmeleitende Element gemäß einer Ausführungsform der Erfindung typischerweise einen Wärmeleitkoeffizienten (bei z.B. 70K) im Bereich von ca. 130 W/mk (bei 70K) bis ca. 150 W/mk (bei 300K) auf.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die jeweilige Beschichtung eine Dicke (insbesondere normal zur Erstreckungsebene oder Oberfläche der jeweiligen Trennwand bzw. des jeweiligen wärmeleitenden Elementes) aufweist, die kleiner oder gleich 0,2 mm ist.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die jeweilige, unbeschichtete Trennwand (insbesondere normal zur Erstreckungsebene der Oberfläche der jeweiligen Trennwand) eine Dicke im Bereich von 1 mm bis 2 mm aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin vorgesehen, dass das jeweilige, unbeschichtete wärmeleitende Element (insbesondere normal zur Erstreckungsebene der Oberfläche des jeweiligen Grundkörpers) eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 0,6 mm aufweist.
  • Zum Einleiten von Fluiden ist über dem Einlass der mindestens einen, ersten Wärmeaustauschpassage sowie über dem Einlass der mindestens einen, zweiten Wärmeaustauschpassage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung je ein Sammler mit einem Stutzen angebracht, wobei die Stutzen zum Anschließen von zuführenden Rohrleitungen dienen.
  • Derartige Sammler können z.B. als Halbzylinder ausgebildet sein, die an den beiden einander gegenüberliegenden Stirnseiten verschlossen sind. Ein solcher Sammler weist weiterhin vorzugsweise einen umlaufenden Rand auf, über den der Sammler mit dem Plattenwärmeübertragerblock verschweißt wird. Die Trennwände und Fins laufen vorzugsweise senkrecht zu einer Längsachse des Sammlers, wenn dieser bestimmungsgemäß an den Plattenwärmeübertragerblock angeschweißt ist. Auf diese Weise können Einlässe bzw. Auslässe der jeweiligen Wärmeaustauschpassage, die jeweils durch zwei benachbarte Trennwände begrenzt werden, in den jeweiligen Sammler münden. Weiterhin ist bevorzugt der zum Sammler gehörige Stutzen zylinderförmig ausgebildet und wird über eine Stirnseite des Stutzens mit dem Sammler verschweißt, so dass der Stutzen mit einer Durchgangsöffnung des Sammlers bzw. dem Sammler in Strömungsverbindung steht.
  • Der Plattenwärmeübertrager weist gemäß einer Ausführungsform pro Fluid, das in den Plattenwärmeübertrager geführt wird, zumindest zwei Sammler mit Stutzen auf, wobei das Fluid über den einen, ersten, Stutzen und Sammler in die zugehörigen Wärmeaustauschpassagen einleitbar ist und über den anderen, zweiten, Sammler bzw. Stutzen wieder ausleitbar ist.
  • Auch hinsichtlich der Sammler/Stutzen kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass der Sammler und/oder der Stutzen der ersten Wärmeaustauschpassagen auf ihren jeweiligen Innenseiten (bzw. Innenwänden bzw. Innenflächen) eine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweist. Demgegenüber weisen die Sammler und/oder Stutzen der besagten zweiten Wärmeaustauschpassagen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung keine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material auf.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das jeweilige wärmeleitende Element eine wellenförmige Struktur mit alternierenden Fußabschnitten und Kopfabschnitten aufweist, wobei der jeweilige Fußabschnitt über einen Steg mit einem benachbarten Kopfabschnitt verbunden ist, so dass sich die besagte wellenförmige Struktur ergibt. Die wellenförmige Struktur kann im Übergang von den Fußabschnitten bzw. Kopfabschnitten zu den jeweiligen Stegen verrundet ausgebildet sein. Sie kann jedoch auch eine rechteckförmige bzw. stufenförmige Gestalt aufweisen. Durch die wellenförmige Struktur werden - zusammen mit den beidseitigen Trennwänden - Strömungskanäle zur Führung des betreffenden Fluides in der jeweiligen Wärmeaustauschpassage gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das jeweilige wärmeleitende Element an den Kontaktflächen, über die das jeweilige wärmeleitende Element mit einer angrenzenden Trennwand verbunden ist (insbesondere verlötet ist), nicht mit der wärmeisolierenden Beschichtung beschichtet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Stege des jeweiligen wärmeleitenden Elements (insbesondere im ersten Abschnitt des jeweiligen wärmeleitenden Elements) die wärmeisolierende Beschichtung aufweisen bzw. mit der wärmeisolierenden Beschichtung beschichtet sind.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das jeweilige wärmeleitende Element lediglich im Bereich der Stege die wärmeisolierende Beschichtung aufweist bzw. mit der wärmeisolierenden Beschichtung beschichtet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das jeweilige wärmeleitende Element (insbesondere im ersten Abschnitt) lediglich im Bereich der dem jeweiligen Strömungskanal zugewandten Oberfläche die wärmeisolierende Beschichtung aufweist bzw. mit der wärmeisolierenden Beschichtung beschichtet ist.
  • Aufgrund der vorzugsweise gewellten Struktur der wärmeleitenden Elemente erweist sich bereits eine Beschichtung der Stege aufgrund der vergleichsweise großen Gesamtoberfläche der Stege (im Vergleich zur Oberfläche der jeweiligen Trennwand) als sehr wirkungsvoll.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers, wobei ein fließfähiges Material, das im ausgehärteten Zustand ein wärmeisolierendes Material bildet, in Wärmeaustauschpassagen des Plattenwärmeübertragerblocks eingeleitet wird, deren Trennwände und/oder wärmeleitenden Elemente und/oder Seitenleisten die besagte Beschichtung erhalten sollen, wobei das Material unter Ausbildung der besagten Beschichtungen ausgehärtet wird. Das fließfähige Material wird dabei insbesondere in die besagten Strömungskanäle der Wärmeaustauschpassagen eingeleitet, die durch das jeweilige wärmeleitende Element, die beiden benachbarten Trennwände und ggf. die Seitenleisten gebildet werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Plattenwärmeübertragerblock zumindest abschnittsweise, insbesondere mit einem ersten Abschnitt, in das fließfähige Material getaucht wird, um das fließfähige Material in die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen oder Strömungskanäle einzuleiten. Mit einem solchen Tauchverfahren kann die Größe des zu beschichtenden Bereichs mit Vorteil exakt kontrolliert werden.
  • Diesbezüglich ist gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens vorgesehen, dass Wärmeaustauschpassagen oder Strömungskanäle, die nicht beschichtet werden sollen, zuvor entsprechend abgedichtet werden, so dass das Material dort nicht eindringen kann.
  • Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers, wobei zumindest ein erstes und ein zweites Fluid in je zumindest eine Wärmeaustauschpassage des Plattenwärmeübertragers eingeleitet werden, so dass die besagten Fluide indirekt Wärme austauschen können.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die besagten (mindestens zwei) Fluide bzw. Fluidströme stofflich gleich sein oder sich in ihrer stofflichen Zusammensetzung unterscheiden.
  • Weiterhin können gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens - ebenso wie bei dem erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager - alle Wärmeaustauschpassagen (bzw. deren Strömungskanäle) eine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen (insbesondere eine Beschichtung der Trennwände und/oder wärmeleitenden Elemente, und/oder der Seitenleisten der jeweiligen Wärmeaustauschpassage).
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens / Plattenwärmeübertragers können nur diejenigen Wärmeaustauschpassagen bzw. Strömungskanäle, die einem bestimmten Fluid zugeordnet sind (z.B. dem ersten Fluid), eine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen (insbesondere eine Beschichtung der Trennwände und/oder wärmeleitenden Elemente und/oder der Seitenleisten der jeweiligen Wärmeaustauschpassage), während andere Wärmeaustauschpassagen (insbesondere deren Trennwände und/oder wärmeleitenden Elemente) bzw. Strömungskanäle keine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen. Die einzelnen Beschichtungen können dabei auf eine der oben bereits beschriebenen Weisen ausgebildet bzw. angeordnet sein.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das erste Fluid in die mindestens eine erste Wärmeaustauschpassage und das zweite Fluid in die mindestens eine zweite Wärmeaustauschpassage einleitet wird.
  • Hierbei ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterhin vorgesehen, dass beim Anfahren des Plattenwärmeübertragers das erste Fluid in die mindestens eine erste Wärmeaustauschpassage eingeleitet wird, bevor das zweite Fluid in die mindestens eine zweite Wärmeaustauschpassage eingeleitet wird.
  • Das Anfahren bezeichnet insbesondere einen Vorgang, bei dem, z.B. nach einem Anhalten aller Fluide, die zuvor durch den Plattenwärmeübertrager bzw. durch Wärmeaustauschpassagen des Plattenwärmeübertragers geleitet wurden oder nach einem erstmaligen Bereitstellen des vorher noch nicht zur Wärmeübertragung verwendeten Wärmeübertragers, die am Wärmetausch beteiligten Fluide wieder in den Plattenwärmeübertrager eingeleitet werden, wobei hierbei das erste Fluid vor dem zweiten Fluid in den Plattenwärmeübertrager eingeleitet wird. Insbesondere wird das erste Fluid als erstes in den Plattenwärmeübertrager eingeleitet (d.h. vor allen anderen Fluiden oder zumindest zeitgleich mit ggf. weiteren Fluiden). Alternativ ist das erste Fluid zumindest unter denjenigen Fluiden, die vor dem zweiten Fluid in den Plattenwärmeübertrager eingeleitet werden.
  • Weiterhin ist gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das erste Fluid über den Stutzen und Sammler, der über dem Einlass der mindestens einen ersten Wärmeaustauschpassage angeordnet ist, in die mindestens eine erste Wärmeaustauschpassage eingeleitet wird.
  • Weiterhin kann beispielsweise das mindestens eine erste Fluid, das beim Anfahren insbesondere vor allen anderen Fluiden eingeleitet wird, im Plattenwärmeübertrager eine Eintrittstemperatur im Bereich von 3K bis 360K aufweisen, wobei der Plattenwärmeübertrager vor dem Anfahren eine Temperatur, insbesondere eine homogene Temperatur, in diesem Bereich von 3K bis 360K aufweisen kann.
  • Weiterhin kann das erste Fluid beim Anfahren eine Temperatur aufweisen, die sich um eine Differenztemperatur, die z. B. im Bereich von 10 K bis 100K, insbesondere 20K bis 50K, liegt, von einer Temperatur des Plattenwärmeübertragers vor dem Anfahren unterscheidet.
  • Die Erfindungsgemäße technische Lehre erlaubt mit Vorteil durch eine ggf. partielle Verringerung des Wärmeübergangs zeitliche und örtliche Temperaturgradienten zu reduzieren. Dadurch verringern sich die thermischen Spannungen insbesondere bei den oben genannten Anfahrvorgängen, insbesondere Wiederanfahrvorgängen. Der Apparat kann entsprechend einer höheren Anzahl von derartigen Vorgängen standhalten, wodurch die Lebensdauer verlängert wird.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sollen bei den nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren beschrieben werden. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers
    Fig. 2
    ein Detail aus einem Querschnitt durch den Plattenwärmetauscher von Fig. 1 entlang der in Fig. 1 gezeigten Schnittebene S-S
  • Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager 10, der mehrere parallel zueinander angeordnete Trennwände in Form von Trennblechen 4, aufweist, die eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen, z.B. 1a, 1b, für die miteinander in indirekte Wärmeübertragung zu bringenden Fluide A, B, C, D, E bilden. Der Wärmeaustausch zwischen den am Wärmeaustausch teilnehmenden Fluiden findet dabei zwischen benachbarten Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b statt, wobei die Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b und somit die Fluide durch die Trennbleche 4 voneinander getrennt sind.
  • Der Wärmeaustausch erfolgt mittels Wärmeübertragung über die Trennbleche 4 sowie über die zwischen den Trennblechen 4 angeordneten wärmeleitenden Elemente 2, 3, die auch als Fins 2, 3 bezeichnet werden. Die in der Figur 1 gezeigten Fins 2 dienen auch der gleichmäßigen Verteilung der Fluide über die jeweilige Wärmeaustauschpassage 1a, 1b.
  • Die Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b sind durch insbesondere bündig am Rand der Trennbleche 4 angeordnete Seitenleisten 8 in Form von Blechstreifen 8, im Weiteren auch als Sidebars 8 bezeichnet, begrenzt. Insbesondere sind die Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b durch die Sidebars 8 nach außen, also zur Umgebung des Wärmeübertragers 10, abgeschlossen.
  • Innerhalb der Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b, also zwischen je zwei Trennwänden 4 sind die vorzugsweise gewellten Fins 2, 3 angeordnet, wobei ein Querschnitt eines Fins 3 in einem Detail in der Figur 2 gezeigt ist.
  • Danach weisen die Fins 3 jeweils eine wellenförmige Struktur mit alternierenden Fußabschnitten 12, im Folgenden auch als Täler 12 bezeichnet, und Kopfabschnitten 14, im Folgenden auch als Berge 14 bezeichnet, wobei die Täler 12 und Berge 14 parallel zueinander angeordnet sind, auf. Ein Tal 12 ist mit einem benachbarten Berg 14 über einen insbesondere vertikal verlaufenden Steg 13 des betreffenden Fins 3 verbunden, so dass sich die besagte wellenförmige Struktur ergibt. Die wellenförmige Struktur kann im Übergang von Tälern 12 bzw. Bergen 14 zu den jeweiligen Stegen 13 verrundet ausgebildet sein. Sie kann jedoch auch eine rechteckförmige bzw. stufenförmige Gestalt aufweisen. Durch die wellenförmige Struktur werden - zusammen mit den beidseitigen Trennwänden 4 - Strömungskanäle 40 zur Führung des betreffenden Fluides in der jeweiligen Wärmeaustauschpassage 1a, 1b gebildet.
  • Die Berge 14 und Täler 12 des jeweiligen Fins 3 sind mit den jeweils benachbarten Trennblechen 4 stoffschlüssig verbunden, vorzugsweise durch Lötverbindungen. Die am Wärmeaustausch teilnehmenden Fluide sind somit im direkten Wärmekontakt mit den wellenförmigen Strukturen 3, so dass der Wärmeübergang durch den thermischen Kontakt zwischen den Bergen 14 bzw. Tälern 12 und Trennblechen 4, und damit durch Wärmeleitung, gewährleistet ist. Zur Optimierung der Wärmeübertragung wird die Ausrichtung der wellenförmigen Struktur 3 innerhalb der Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b in Abhängigkeit vom Anwendungsfall so gewählt, dass eine Gleich-, Kreuz-, Gegen- oder Kreuz-Gegenströmung zwischen benachbarten Passagen 1a, 1b ermöglicht wird.
  • Der Plattenwärmeübertrager 10 weist ferner Einlässe 9 zu den Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b auf (wobei in der Figur 1 der Übersichtlichkeit halber lediglich ein Einlass 9 zu einer zweiten Wärmeaustauschpassage 1b gezeigt ist), die hier exemplarisch an den Enden des Plattenwärmeübertragers 10 vorgesehen sind (Einlässe an einem mittleren Abschnitt sind auch möglich), wobei über die Einlässe 9 die Fluide A, B, C, D, E in die Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b eingeleitet bzw. aus diesen abgezogen werden können. Im Bereich dieser Einlässe 9 können die einzelnen Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b Fins in Form der Verteilerfins 2 aufweisen, die das jeweilige Fluid auf die Kanäle eines Fins 3 der betreffenden Wärmeaustauschpassage 1a, 1b verteilen. Verteilerfins 2 sind jedoch nicht zwingend notwendig. Ein Fluid A, B, C, D, E kann also über einen Einlass 9 des Plattenwärmeübertragerblocks 11 in die zugeordnete Wärmeaustauschpassage 1a, 1b eingeleitet werden und durch eine weitere Öffnung 19, einem Auslass 19, aus der betreffenden Wärmeaustauschpassage 1a, 1b wieder abgezogen werden.
  • Die Trennbleche 4, Fins 3 und Sidebars 8 sowie ggf. weitere Komponenten (z.B. die gezeigten Verteilerfins 2) werden z.B. durch Hartlöten miteinander verbunden. Hierzu werden die teilweise mit Lot versehenen Komponenten wie Heizflächenelemente (Fins) 3, Trennbleche 4, Verteilerfins 2, Deckbleche 5 und Sidebars 8 aufeinander in einem Block aufeinander gestapelt und anschließend in einem Ofen zu einem Wärmeübertragerblock 11 hartgelötet.
  • Zur Zu- bzw. Abführung der wärmeaustauschenden Fluide A, B, C, D, E werden über den Einlässen 9 bzw. Auslässen 19 vorzugsweise halbzylinderförmige Sammler 7 (oder Header) angeschweißt. Weiterhin ist an jeden Sammler 7 vorzugsweise ein zylindrischer Stutzen 6 angeschweißt. Die Stutzen 6 dienen zum Anschluss einer zu- bzw. abführenden Rohrleitung an den jeweiligen Sammler 7.
  • Wie oben bereits dargelegt, besteht bei Plattenwärmeübertragern der in der Figur 1 gezeigten Art grundsätzlich das Problem, dass beim Anfahren bzw. Wiederanfahren die Ströme, die in den Plattenwärmeübertrager eingeleitet werden, eine deutliche Temperaturdifferenz zur stillstandbedingten Temperatur des Blocks 11 aufweisen. Die hierdurch hervorgerufenen Dehnungen und die damit induzierten Spannungen können dem Plattenwärmeübertrager schaden. Eine stillstandsbedingte Temperatur des Blocks 11 ergibt sich, wenn die Temperaturen des heißen und des kalten Endes des Blocks 11 aufgrund des Stillstands der Verfahrensströme bzw. Fluide aneinander durch Wärmeübertragung annähern und sich dadurch eine homogene Temperatur der Fluide und Komponenten im Plattenwärmeübertrager ergibt.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass eine oder mehrere Trennwände 4, 5 und/oder ein oder mehrere wärmeleitende Elemente 2, 3 und/oder eine oder mehrere Seitenleisten 8 jeweils eine Beschichtung 41 aus einem wärmeisolierenden Material aufweisen, die auf die jeweilige Trennwand 4, 5 bzw. das jeweilige wärmeleitende Element 2, 3 aufgebracht ist.
  • Beispiele für geeignete wärmeisolierende Materialien sind hierin offenbart. Bei dem Grundmaterial handelt es sich insbesondere um eine Aluminiumlegierung (z.B. vom Typ 3003). Andere geeignete Aluminiumlegierungen/Materialien sind ebenfalls denkbar.
  • Die wärmeisolierende Beschichtung 41 ist dabei vorzugsweise auf die Trennwände 4 und wärmeleitenden Elemente (Fins) 2, 3 und ggf. die Sidebars 8 derart aufgebracht, dass die Strömungskanäle 40 mit der wärmeisolierenden Beschichtung 41 vorzugsweise in mindestens einem ersten Abschnitt A1 der Wärmeaustauschpassagen 1a lückenlos beschichtet sind (vgl. Detail der Figur 1).
  • Insbesondere kann gemäß einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass lediglich ein gewisser Bereich oder ein erster Abschnitt A1 der Trennwände 4, 5 und der wärmeleitenden Elemente 2, 3 und/oder Seitenleisten 8 bzw. der Strömungskanäle 40 bzw. der Wärmeaustauschpassagen 1a, 1b eine wärmeisolierende Beschichtung 41 aufweist. Dieser erste Abschnitt A1 kann des Weiteren, z. B. entlang der Übergangsebene U, die in der Figur 1 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, in einen zweiten Abschnitt A2 der Trennwände 4, 5 bzw. wärmeleitenden Elemente 2, 3 bzw. Seitenleisten 8 übergehen, der z. B. nicht mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung 41 versehen ist. In diesem zweiten Abschnitt A2 können also die Innenseiten der Strömungskanäle 40 keine wärmeisolierende Beschichtung aufweisen. Hierbei grenzt der erste Abschnitt A1 vorzugsweise an Einlässe 9 für erste Wärmeaustauschpassagen 1a an, über die ein erstes Fluid B bei einem Anfahren, insbesondere Wiederanfahren, vor anderen Fluiden (z.B. vor einem zweiten Fluid A) in den Block 11 eingeleitet wird. Des Weiteren kann eine derartige Beschichtung 41 auch an dem Sammler 7 und/oder Stutzen 6 vorgesehen sein, über den das erste Fluid B in die Einlässe 9 eingeleitet wird. Bezugszeichenliste
    1a Erste Wärmeaustauschpassagen
    1b Zweite Wärmeaustauschpassagen
    2, 3 Wärmeleitendes Element
    4 Trennwände
    5 Deckwände
    6 Stutzen
    7 Sammler
    7a Innenseite
    7b Rand
    8 Sidebars, Seitenleisten
    9 Einlässe zu den Passagen
    10 Plattenwärmeübertrager
    11 Plattenwärmeübertragerblock
    12 Tal bzw. Fußabschnitt
    13 Steg
    14 Berg bzw. Kopfabschnitt
    19 Auslässe aus den Passagen
    40 Strömungskanal
    41 Beschichtung
    A1 Erster Abschnitt
    A2 Zweiter Abschnitt
    U Übergang
    D1 Dicke Beschichtung
    D2 Dicke Trennwand ohne Beschichtung 41
    A, B, C, D, E Fluid
    I Innenraum

Claims (15)

  1. Plattenwärmeübertrager (10) mit einem Plattenwärmeübertragerblock (11), der mehrere parallel zueinander angeordnete Trennwände (4, 5) aufweist, die eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen (1a, 1b) für miteinander in indirekte Wärmeübertragung zu bringenden Fluide bilden, wobei die Wärmeaustauschpassagen (1a, 1b) durch Seitenleisten (8) begrenzt sind, und wobei zwischen benachbarten Trennwänden (4, 5) ein wärmeleitendes Element (2, 3) angeordnet ist, und wobei die Wärmeaustauschpassagen (1a, 1b) jeweils einen Einlass (9) zum Einlassen eines Fluides sowie einen Auslass (19) zum Auslassen des Fluides aufweisen,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mehrere Trennwände (4, 5) und/oder mehrere wärmeleitende Elemente (2, 3) jeweils eine Beschichtung (41) aus einem wärmeisolierenden Material aufweisen, und dass
    (a) das jeweilige wärmeleitende Element (2, 3) dabei mit den beiden benachbarten Trennwänden (4, 5) eine Vielzahl an Strömungskanälen (40) der jeweiligen Wärmeaustauschpassage (1a, 1b) ausbildet, wobei die Beschichtung (41) so auf das jeweilige wärmeleitende Element (2, 3) und die beiden benachbarten Trennwänden (4, 5) aufgebracht ist, dass der jeweilige Strömungskanal (40) eine umlaufende Innenseite aufweist, die mit der wärmeisolierenden Beschichtung (41) beschichtet ist,
    und/oder
    (b) die die Beschichtung (41) aufweisende Trennwand (4, 5) und/oder dass das die Beschichtung (41) aufweisende wärmeleitende Element (2, 3) einen am Einlass (9) angeordneten ersten Abschnitt (A1) sowie einen mit dem ersten Abschnitt (A1) verbundenen zweiten Abschnitt (A2) aufweist, wobei der zweite Abschnitt (A2) weiter vom Einlass (9) entfernt ist als der erste Abschnitt (A1), und wobei der erste Abschnitt (A1) die Beschichtung (41) aufweist, und wobei der zweite Abschnitt (A2) keine wärmeisolierende Beschichtung aufweist.
  2. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmeübertragerblock (11) zumindest erste Wärmeaustauschpassagen (1a) zur Aufnahme eines ersten Fluids (B) und zweite Wärmeaustauschpassagen (1b) zur Aufnahme eines zweiten Fluides (A) aufweist, wobei die ersten Wärmeaustauschpassagen (1a) jeweils eine Beschichtung (41) aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen, und wobei die zweiten Wärmeaustauschpassagen (1b) keine Beschichtung aus dem wärmeisolierenden Material aufweisen.
  3. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Material eines der folgenden Materialien ist oder eines der folgenden Materialien aufweist: ein Kunststoff, ein Polymer, eine Keramik.
  4. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeisolierende Material einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der kleiner ist als 5 W/mK, insbesondere kleiner als 1 W/mK.
  5. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Beschichtung (41) eine Dicke (D1) aufweist, die kleiner oder gleich 0,2 mm ist.
  6. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einleiten von Fluiden (B) über die Einlässe (9) der ersten Wärmeaustauschpassagen (1a) sowie über die Einlässe (9) der zweiten Wärmeaustauschpassagen (1b) je ein Sammler (7) mit einem Stutzen (6) angebracht ist.
  7. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sammler (7) und/oder der Stutzen (6) der ersten Wärmeaustauschpassagen (1a) eine Beschichtung (41) aus dem wärmeisolierenden Material aufweist.
  8. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige wärmeleitende Element (2, 3) eine wellenförmige Struktur mit alternierenden Fußabschnitten (12) und Kopfabschnitten (14) aufweist, wobei der jeweilige Fußabschnitt (12) über einen Steg (13) mit einem benachbarten Kopfabschnitt (14) verbunden ist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmeübertragers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein fließfähiges Material, das im ausgehärteten Zustand ein wärmeisolierendes Material bildet, in Wärmeaustauschpassagen (1a) des Plattenwärmeübertragerblocks (11) eingeleitet wird, deren Trennwände und/oder wärmeleitenden Elemente (2, 3) und/oder Seitenleisten (8) die Beschichtung (41) erhalten sollen, wobei das Material unter Ausbildung der Beschichtungen (41) ausgehärtet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Plattenwärmeübertragerblock (11) zumindest abschnittsweise in das fließfähige Material getaucht wird, um das fließfähige Material in die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen (1) einzuleiten.
  11. Verfahren zum Betreiben eines Plattenwärmeübertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei zumindest ein erstes Fluid (B) und ein zweites Fluid (A) in je zumindest eine Wärmeaustauschpassage (1a, 1b) des Plattenwärmeübertragers eingeleitet werden, so dass die Fluide (B, A) Wärme austauschen können.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das erste Fluid (B) in die mindestens eine erste Wärmeaustauschpassage (1a) und das zweite Fluid (A) in die mindestens eine zweite Wärmeaustauschpassage (1b) einleitet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei beim Anfahren des Plattenwärmeübertragers das erste Fluid (B) in die mindestens eine erste Wärmeaustauschpassage (1a) eingeleitet wird, bevor das zweite Fluid (A) in die mindestens eine zweite Wärmeaustauschpassage (1b) eingeleitet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das erste Fluid (B) über den Stutzen (7) und Sammler (6), der über dem Einlass (9) der mindestens einen, ersten Wärmeaustauschpassage (1a) angeordnet ist, in die mindestens eine erste Wärmeaustauschpassage (1a) eingeleitet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei das mindestens eine erste Fluid (B), das beim Anfahren des Plattenwärmeübertragers vor allen anderen Fluiden in den Plattenwärmeübertrager eingeleitet wird, eine Temperatur aufweist, die sich um eine Differenztemperatur von einer Temperatur des Plattenwärmeübertragers vor dem Anfahren unterscheidet.
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