WO2011023191A2 - Plattenwärmeübertrager - Google Patents

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WO2011023191A2
WO2011023191A2 PCT/DE2010/075081 DE2010075081W WO2011023191A2 WO 2011023191 A2 WO2011023191 A2 WO 2011023191A2 DE 2010075081 W DE2010075081 W DE 2010075081W WO 2011023191 A2 WO2011023191 A2 WO 2011023191A2
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heat exchanger
evaporator
condenser
chambers
frame profiles
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WO2011023191A4 (de
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Peter Albring
Bodo Burandt
Frank Schoepe
Marcus Honke
Gregor Trommler
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Institut Für Luft- Und Kältetechnik Gemeinnützige Gmbh
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    • F28F3/083—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning capable of being taken apart
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    • F28F2275/20—Fastening; Joining with threaded elements
    • F28F2275/205—Fastening; Joining with threaded elements with of tie-rods

Definitions

  • the invention relates to a plate heat exchanger for the transfer of heat between two phase-changing streams or between a phase-changing stream and a liquid stream, usually in conjunction with water or low-boiling liquids. It is particularly suitable for use in water stills, seawater desalination plants, water purification plants as well as in refrigeration systems or heat pumps where water is used as a refrigerant.
  • the heat exchanger is corrosion resistant, inexpensive to produce and easy to clean. Incidentally, it is characterized by low spray losses.
  • Plate heat exchangers are often used for process engineering applications in which both a condensation and an evaporation take place in an apparatus, wherein the heat energy of the condensing material flow is used for the evaporation of the liquid material flow.
  • heat energy of the condensing material flow is used for the evaporation of the liquid material flow.
  • plate heat exchangers are usually designed in multiple stages, i. they have several separate evaporator and condenser chambers, which are each thermally coupled by means of heat transfer surfaces and arranged alternately one behind the other.
  • heat exchangers are used for applications where the evaporation and condensation of water is utilized to either effect purification of water by distillation, such as e.g. in seawater desalination, or thickening of liquids, e.g. in sugar production.
  • Plate heat exchangers which must be suitable for operation with corrosive liquids, such.
  • Plate heat exchangers for desalination plants, soldering or welding joints can be used only partially due to increased risk of corrosion, so that increasingly screwed heat exchanger application.
  • the plates are screwed, support structures are usually formed in the heat transfer plates, are inserted into the elastic sealing elements.
  • DE 10 2007 028 130 discloses a heat exchanger for the distillation of liquids, which consists of a number of parallel, rectangular heat transfer plates made of seawater-resistant aluminum. Along each of two tangential end faces of the plates is arranged in each case a strip-shaped and folded at a defined angle folding surface, wherein the respective plates are spaced apart and sealed along their seaming surfaces by adhesive and rivets. As a result, the number of successively arranged, standing in thermal contact with each other evaporator and condenser chambers is formed. The supply and removal of the media takes place with distribution devices arranged above and to the side of the metal sheets.
  • a plate evaporator which consists of a stack of vertically arranged heat exchanger plates and flat (rectangular cross-sectional area) profile gaskets, which space the heat exchanger plates.
  • DE 31 48 375 A1 shows a plate evaporator with a plurality of heat exchanger plates, which are substantially vertically spaced and arranged opposite one another such that evaporation and Schuffenkanäle arise alternately between them.
  • bulges e.g. Ribs, formed, which cause the cross-sectional area of the evaporation channels grows in the flow direction and decreases its circumference.
  • the two aforementioned plate evaporators are also not suitable for a heat exchange between two streams, each having a phase transition gas- form / liquid (combined evaporation / condensation).
  • none of the solutions described is suggested to perform the heat exchanger / evaporator Stationflutig; It is also not possible to redesign the heat exchanger without much effort in Matflutige.
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art. It is a plate heat exchanger with good heat transfer coefficients are created, which is suitable for the transfer of heat between two phase-changing streams or between a phase-changing stream and a liquid stream; At the same time, it must be ensured that the evaporator and condenser cells are permanently sealed, simply constructed, inexpensive to produce and uncomplicated to clean; The plate heat exchanger should also be able to be executed Petroflutig without great design effort.
  • the heat exchanger according to the invention consists of a number of identical heat exchanger plates arranged one behind the other, between which condenser and evaporator gaskets are alternately inserted.
  • condenser and evaporator gaskets are alternately inserted.
  • the smallest functioning heat exchanger consists of three heat exchanger plates, wherein in each of the two interspaces a condenser and an evaporator seal are introduced. For optimum operational management, it is intended to construct the heat exchanger from ten or more heat exchanger plates.
  • the stack formed from heat exchanger plates and seals is compressed by two end plates, which are arranged on both sides of the stack and clamped with tie rods.
  • the heat exchanger plates have at least three openings in the edge region with a comparatively small cross-sectional area and at least two openings with a comparatively large cross-sectional area.
  • the apertures with a smaller cross-sectional area are provided for the passage of the liquid media and optionally the inert gases and those with a larger cross-sectional area for the passage of the gaseous media, such as water vapor.
  • the heat exchanger plates are provided in the outer region with four apertures with a small cross section, with three breakthroughs serve the implementation of the raw water, the distillate and the brine.
  • the fourth breakthrough is used for the removal of the inert gas.
  • Two apertures with a larger cross-section are provided for the guidance of the water vapor streams.
  • disc-like frame profiles made of an elastic material are used both as evaporator and condenser seals, which at the same time space the heat exchanger plates.
  • the executed as a frame profile seals thus do not serve, as usual, only the sealing of the evaporator and the condenser chambers, but are also structural elements at the same time.
  • the frame profiles have the same outer contour as the heat exchanger plates. In this way, a compact stack of heat exchanger plates and seals is formed, which makes an additional housing superfluous.
  • either frame profiles are used in which the cross section is trapezoidal, wherein, since the frame profiles must have approximately the shape of a disc, the height of the trapezoid is substantially greater than the two parallel sides of the trapezoid - in this way heat exchangers can be easily manufactured in which the evaporator chambers expand upward while the condenser chambers taper towards the top - or the frame profiles of the evaporator chambers and / or the frame profiles of the condenser chambers are provided with a plurality of elongated, parallel recesses, wherein in conjunction with the heat exchanger plates behind maral - Channels are formed, by means of which the medium is passed on a meandering path to the heat exchanger plates (multi-flow).
  • the frame profiles have a rectangular or trapezoidal cross-section, depending on the application.
  • the upwardly tapering shape of the condenser chambers ensures that the condensate can drip off quickly from the obliquely arranged heat exchanger plates. As a result, the formation of thick condensate layers on the surfaces of the heat exchanger plates is avoided and ensures a good heat transfer.
  • the frame profiles of the evaporator and condenser chambers are perforated over a large area in the middle; Together with the heat exchanger plates they form the evaporator and condenser chambers. At the edge of the frame profiles further breakthroughs are introduced, which form in connection with the capacitor plates channels for the supply and discharge and for the distribution of the liquid and gaseous media to the evaporator and condenser chambers.
  • multi-flow heat exchangers if they are constructed of frame profiles with trapezoidal cross section, the flow direction of the meandering channels arranged so that widened in the evaporator chambers, the cross section of each channel in the flow direction and correspondingly reduced in the condenser chambers of the cross section.
  • frame profiles with a trapezoidal cross-section with heat exchangers with multiple passages, can achieve the same advantages as with the single-flow design.
  • Multi-flow heat exchangers have the additional advantage that with them by an appropriate choice of the number and width of the channels for almost any media optimal heat transfer behavior can be achieved.
  • the frame profiles are of different thickness and have different sized, the size of the Verdamfper- or condenser chambers determining, central recesses.
  • These frame profiles are made of elastic materials that have different degrees of Shore hardness. So it is e.g. advantageous to make thicker frame profiles of a material with a larger and thinner frame profiles made of a material with a lower Shore hardness, so that all frame profiles receive similarly large spring constants.
  • the heat exchanger according to the invention can also be used as an evaporator, in which the liquid to be evaporated is trickled over the heat exchanger plates of the evaporator chambers and flows through the condenser chambers with heating water be used (water-heated evaporator), or as a condenser, in which the condenser chambers are traversed by the condensing vapor and evaporator chambers with cooling water (water-cooled condenser).
  • heating water water-heated evaporator
  • condenser in which the condenser chambers are traversed by the condensing vapor and evaporator chambers with cooling water (water-cooled condenser).
  • water-cooled condenser water-cooled condenser
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a single-flow plate heat exchanger with trapezoidal frame profiles in a side view.
  • the evaporator frame profiles 12 form with the two adjacent heat exchanger plates 4, the evaporator chambers 2, the condenser frame sections 13 with the heat exchanger plates 4 corresponding to the condenser chambers 3.
  • the acute angles (and thus also all obtuse angles of the isosceles trapeze) of all trapezoids are the same size.
  • the frame profiles 12, 13 are alternately rotated by 180 ° to each other, so that in the heat exchanger each have a long and a short parallel side of the trapezoids next to each other. In this way, a cuboid plate heat exchanger is formed, the evaporator chambers 2 expand toward the top and the condenser chambers 3 are tapered towards the top.
  • the frame profiles 12, 13 thus simultaneously fulfill the function of sealing and structural elements.
  • In the frame profiles 12, 13 are recesses through which, together with the heat exchanger plates 4, the channels for the supply and discharge of the liquid and gaseous media are formed in the evaporator 2 and condenser chambers.
  • the steam is introduced into the space below the condenser chambers 3 and is driven against the cool heat exchanger plates 4 due to a partial pressure drop occurring there, where it precipitates. In this case, drops form, which fall or flow under the influence of gravity in the direction of the bottom of the condenser chambers 3. Through the end holes 8, the condensate finally enters the manifold 9 and is transported through the nozzle 10 from the heat exchangers.
  • the liquid to be sprinkled is supplied via the pipe 14 and passed through the incorporated into the condenser frame profile 13.1 channel 15 to the liquid chamber 17.
  • the liquid passes through finely distributed, introduced into the heat exchanger plates 4 holes 16 in the two adjacent evaporator chambers 2, whereby the heat transfer plates 4 in the Verdamfperhuntn 2 are uniformly sprinkled.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager für die Übertragung von Wärme zwischen zwei die Phase wechselnden Stoffströmen oder zwischen einem die Phase wechselnden Stoffstrom und einem flüssigen Stoffstrom, üblicherweise in Verbindung mit Wasser oder niedrig siedenden Flüssigkeiten, z.B. Meerwasser. Der Wärmeübertrager besteht aus mehreren identischen, hintereinander angeordneten Wärmeübertragerplatten (4), zwischen denen im Wechsel Verdampferdichtungen und Kondensatordichtungen eingebracht sind, die durch mit Zugankern verspannten Abschlussplatten (1, 11) zusammengepresst werden. Die Verdampfer- und die Kondensatordichtungen sind als Rahmenprofile (12, 13) mit einem trapezförmigen Querschnitt ausgeführt und/oder die Rahmenprofile (12, 13) sind mit mehreren länglichen, parallel verlaufenden Aussparungen versehen, durch die, zusammen mit den Wärmeübertragerplatten (4), hintereinander geschaltete Kanäle gebildet sind, die zur mehrflutigen Durchströmung der Verdampfer- (2) und/oder Kondensatorkammern (3) dienen. Mit dem Wärmeübertrager können hohe Wärmedurchgangszahlen erreicht werden; er ist korrosionsfest, kostengünstig herstellbar und kann ohne großen Aufwand demontiert und gereinigt werden.

Description

Plattenwärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager für die Übertragung von Wärme zwischen zwei die Phase wechselnden Stoffströmen oder zwischen einem die Phase wechselnden Stoffstrom und einem flüssigen Stoffstrom, üblicherweise in Verbindung mit Wasser oder niedrig siedenden Flüssigkeiten. Er ist besonders geeignet zur Verwendung in Wasserdestillationsapparaten, Meerwasserentsalzungsanlagen, Wasserreinigungsanlagen sowie in Kälteanlagen oder Wärmepumpen, in denen Wasser als Kältemittel verwendet wird. Der Wärmeübertrager ist korrosionsfest, kostengünstig herstellbar und leicht zu reinigen. Im Übrigen zeichnet er sich durch geringe Sprühverluste aus.
Plattenwärmeübertrager werden häufig für verfahrenstechnische Anwendungen eingesetzt, bei denen sowohl eine Kondensation als auch eine Verdampfung in einem Apparat stattfinden, wobei die Wärmeenergie des kondensierenden Stoffstroms zur Verdampfung des flüssigen Stoffstroms genutzt wird. Zur besseren Ausnutzung der Kondensationswärme sind solche Plattenwärmeübertrager meist mehrstufig ausgeführt, d.h. sie weisen mehrere separate Verdampfer- und Kondensatorkammern auf, die jeweils mittels Wärmeübertragungsflächen thermisch gekoppelt und alternierend hintereinander angeordnet sind.
Hauptsächlich werden derartige Wärmeübertrager für Anwendungen eingesetzt, bei denen die Verdampfung und die Kondensation von Wasser genutzt wird, um entweder eine Reinigung von Wasser durch Destillation, wie z.B. bei der Meerwasserentsalzung, oder ein Eindicken von Flüssigkeiten, wie z.B. bei der Zuckerherstellung, zu erreichen.
Die Herstellung von Plattenwärmeübertragern, die mehrere Verdampfer- und Kondensatorkammern umfassen, ist bislang materialintensiv und technologisch aufwendig. Bei Wärmeübertragern für niedrig siedende Arbeitsstoffe wie Wasser (hohes spezifisches Volumen im Bereich der Umgebungstemperatur) ist ein relativ großer Plattenabstand notwendig, um die Druckverluste der Dampfzuströmung gering zu halten; außerdem muss in jeder Verdampferkammer die zu verdampfende Flüssigkeit gleichmäßig in einer dünnen Schicht über die gesamte Wärmeübertragerfläche vertei It werden. Hinzu kommt, dass beim notwendigen Versprühen oder Verrieseln der Flüssigkeit, Flüssigkeitstropfen direkt in den Dampfsammelkanal gelangen, wodurch eine Tropfenabscheidung erforderlich wird, die zusätzliche Kosten verursacht.
Es ist bekannt, dass die einzelnen Wärmeübertragungsplatten entweder miteinander verschweißt, verlötet oder verschraubt werden.
Bei Plattenwärmeübertragern, die für einen Betrieb mit korrosiven Flüssigkeiten geeignet sein müssen, wie z.B. Plattenwärmeübertragern für Meerwasserentsalzungsanlagen, können Löt- bzw. Schweißverbindungen infolge erhöhter Korrosionsgefahr nur bedingt eingesetzt werden, sodass zunehmend verschraubte Wärmeübertrager Anwendung finden.
Bei Wärmeübertragern, deren Platten verschraubt werden, sind in den Wärmeübertragungsplatten üblicherweise Stützstrukturen ausgeformt, in die elastische Dichtungselemente eingelegt werden.
In DE 10 2007 028 130 wird ein Wärmeübertrager zur Destillation von Flüssigkeiten offenbart, der aus einer Anzahl von parallel angeordneten, rechteckförmigen Wärmeübertragerplatten aus seewasserfestem Aluminium besteht. Entlang von zwei sich tangierenden Stirnseiten der Platten ist jeweils eine streifenförmig und in einem definierten Winkel abgekantete Falzfläche angeordnet, wobei die jeweiligen Platten abstandsweise und entlang ihrer Falzflächen durch Klebstoff und Nieten dicht verbunden sind. Hierdurch wird die Anzahl von hintereinander angeordneten, im thermischen Kontakt miteinander stehenden Verdampfer- und Kondensatorkammern gebildet. Die Zu- und Abführung der Medien erfolgt mit oberhalb und seitlich der Bleche angeordneten Verteilungsvorrichtungen.
Durch den Einsatz der Falz- und Klebetechnik in Verbindung mit Platten aus seewasserfesten Aluminium wird eine Korrosion des Wärmeübertragers sicher vermieden. Auch ist die Herstellung des Stapels der Verdampfer- und Kondensatorkammern vergleichsweise kostengünstig. Aufgrund der Verklebung ist jedoch eine wün- schenswerte Demontage zu Reinigungs- und Servicezwecken nicht ohne Weiteres möglich.
In US 3,735,793 A wird ein Plattenverdampfer gezeigt, der aus einem Stapel vertikal angeordneter Wärmetauscherplatten und ebenen (rechteckförmige Querschnittsfläche) Profildichtungen besteht, welche die Wärmetauscherplatten beabstanden.
Durch die mit Durchbrüchen versehenden Platten und Profildichtungen werden im Stapel wechselweise Verteilungs- und Verdampfungskammern gebildet. Die zu verdampfende Flüssigkeit (Wasser) wird über Düsen, die sich entweder in den Platten oder in den Dichtungen befinden, in die Verdampfungskammern gesprüht.
Bei dem Plattenverdampfer werden zur Beabstandung der Verteilungs- und Verdampfungskammern ebene und bevorzugt gleich dicke Profildichtungen eingesetzt. Der Zunahme des Volumens beim Verdampfen der Flüssigkeit ist demnach keine Rechnung getragen, wodurch ungünstigen Strömungsverhältnisse in den Verdampfungskammern auftreten, die zu einer Verringerung der Wärmedurchgangszahlen des Plattenverdampfers führen.
Des Weiteren zeigt DE 31 48 375 A1 einen Plattenverdampfer mit mehreren Wärmetauscherplatten, die im Wesentlichen vertikal beabstandet und gegenüberliegend so angeordnet sind, dass zwischen ihnen abwechselnd Verdampfungs- und Heizmittelkanäle entstehen. An den aufeinanderfolgenden Plattenpaaren, die die Verdampfungskanäle bilden, sind Ausbuchtungen, wie z.B. Rippen, ausgeformt, die dazu führen, dass die Querschnittsfläche der Verdampfungskanäle in Strömungsrichtung wächst und ihr Umfang abnimmt.
Durch die sich in den Verdampfungskammern in Strömungsrichtung erweiternde Querschnittsfläche werden zwar die Strömungsverhältnisse im Plattenverdampfer verbessert und somit dessen Wärmedurchgangszahlen erhöht, das Anbringen oder Ausformen der Rippen an den Wärmetauscherplatten ist jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer.
Die beiden vorgenannten Plattenverdampfer sind außerdem nicht für einen Wärmetausch zwischen zwei Stoffströmen geeignet, die jeweils einen Phasenübergang gas- förmig/flüssig vollziehen (kombinierte Verdampfung/Kondensation). In keiner der beschriebenen Lösungen wird angeregt, die Wärmetauscher/Verdampfer mehrflutig auszuführen; es ist auch nicht möglich, die Wärmetauscher ohne großen Aufwand in mehrflutige umzukonstruieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Es soll ein Plattenwärmeübertrager mit guten Wärmedurchgangszahlen geschaffen werden, der für die Übertragung von Wärme zwischen zwei die Phase wechselnden Stoffströmen oder zwischen einem die Phase wechselnden Stoffstrom und einem flüssigen Stoffstrom geeignet ist; gleichzeitig ist zu gewährleisten, dass die Verdampfer- und Kondensatorzellen dauerhaft dicht, einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und unkompliziert zu reinigen sind; der Plattenwärmeübertrager soll zudem ohne großen konstruktiven Aufwand mehrflutig ausgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; vorteilhafte Ausführungen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 12.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager besteht aus einer Anzahl von hintereinander angeordneten identischen Wärmeübertragerplatten, zwischen die jeweils im Wechsel Kondensator- und Verdampferdichtungen eingebracht sind. Durch je zwei Wärmeübertragerplatten und die darin eingeschlossene Verdampferdichtung wird eine Verdampferkammer bzw. durch zwei benachbarte Wärmeübertragerplatten und die Kondensatordichtung eine Kondensatorkammer gebildet.
Der kleinste funktionsfähige Wärmeübertrager besteht aus drei Wärmeübertragerplatten, wobei in die beiden Zwischenräume je eine Kondensator- und eine Verdampferdichtung eingebracht sind. Für eine optimale Betriebsführung ist vorgesehen, den Wärmeübertrager aus zehn oder mehr Wärmeübertragerplatten aufzubauen.
Der aus Wärmeübertragerplatten und Dichtungen gebildete Stapel wird durch zwei Abschlussplatten zusammengepresst, die zu beiden Seiten des Stapels angeordnet und mit Zugankern verspannt sind. Die Wärmeübertragerplatten weisen im Randbereich mindestens drei Durchbrüche mit vergleichsweise kleiner Querschnittsfläche und mindestens zwei Durchbrüche mit vergleichsweise großer Querschnittsfläche auf. Die Durchbrüche mit kleinerer Querschnittsfläche sind für die Durchführung der flüssigen Medien sowie ggf. der Inertgase und diejenigen mit größerer Querschnittsfläche für die Durchführung der gasförmigen Medien, wie z.B. Wasserdampf, vorgesehen.
Bei Wärmeübertragern, die zur Destillation von Meerwasser eingesetzt werden, sind die Wärmeübertragerplatten im außen liegenden Bereich mit vier Durchbrüchen mit kleinem Querschnitt versehen, wobei drei Durchbrüche der Durchführung des Rohwassers, des Destillats und der Sole dienen. Der vierte Durchbruch wird für die Abführung des Inertgases verwendet. Zwei Durchbrüche mit größerem Querschnitt sind für die Führung der Wasserdampfströme vorgesehen.
Dem Wesen der Erfindung folgend werden sowohl als Verdampfer- als auch als Kondensatordichtungen scheibenartige Rahmenprofile aus einem elastischen Material verwendet, die gleichzeitig die Wärmeübertragerplatten beabstanden.
Die als Rahmenprofil ausgeführten Dichtungen dienen somit nicht, wie bisher üblich, lediglich der Abdichtung der Verdampfer- und der Kondensatorkammern, sondern sind auch gleichzeitig Strukturelemente. Die Rahmenprofile haben dieselbe Außenkontur wie die Wärmeübertragerplatten. Auf diese Weise wird ein kompakter Stapel aus Wärmeübertragerplatten und Dichtungen gebildet, der ein zusätzliches Gehäuse überflüssig macht.
Erfindungsgemäß werden entweder Rahmenprofile eingesetzt, bei denen der Querschnitt trapezförmig ist, wobei, da die Rahmenprofile in etwa die Form einer Scheibe aufweisen müssen, die Höhe des Trapezes wesentlich größer ist als die beiden parallelen Seiten des Trapezes - auf diese Weise können unkompliziert Wärmeübertrager hergestellt werden, bei denen sich die Verdampferkammern nach oben hin aufweiten, während sich die Kondensatorkammern nach oben hin verjüngen - oder die Rahmenprofile der Verdampferkammern und/oder die Rahmenprofile der Kondensatorkammern sind mit mehreren länglichen, parallel verlaufenden Aussparungen versehen, wobei in Verbindung mit den Wärmeübertragerplatten hintereinander geschal- tete Kanäle gebildet werden, mittels derer das Medium auf einer mäanderförmigen Bahn an den Wärmeübertragerplatten vorbeigeführt wird (mehrflutige Durchströmung). Bei der mehrflutigen Ausführung haben die Rahmenprofile, abhängig von der Anwendung, einen rechteck- oder trapezförmigen Querschnitt.
Der Einsatz von Rahmenprofilen mit trapezförmigem Querschnitt bringt mehrere Vorteile mit sich.
Erstens werden durch die sich nach oben aufweitenden Verdampferkammern im oberen Bereich der Verdampfungskammern hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Dampfes, die sonst aufgrund der Volumenzunahme bei der Verdampfung des eingesetzten Mediums auftreten, weitgehend vermieden. Damit wird einerseits der Wärmeaustausch verbessert, andererseits wird verhindert, dass Flüssigkeitstropfen vom Dampf mitgerissen werden. Der Einsatz solcher Verdampferkammern ist bei einem Betrieb mit Wasser besonders vorteilhaft, da sich das Volumen von Wasser beim Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand auf das ca. 1000-fache vergrößert. Bei den sonst verwendeten Kältemitteln beträgt das Volumenverhältnis von Flüssigkeit zu Dampf lediglich 1 :10 bis 1 :100.
Zweitens wird durch die sich nach oben verjüngende Form der Kondensatorkammern erreicht, dass das Kondensat von den schräg angeordneten Wärmeübertragerplatten rasch abtropfen kann. Infolgedessen wird die Bildung von dicken Kondensatschichten auf den Flächen der Wärmeübertragerplatten vermieden und ein guter Wärmeübergang sichergestellt.
Bei den einflutig ausgeführten Wärmeübertragern sind die Rahmenprofile der Verdampfer- und der Kondensatorkammern mittig großflächig durchbrochen; zusammen mit den Wärmeübertragerplatten bilden sie die Verdampfer- und Kondensatorkammern. Am Rand der Rahmenprofile sind weitere Durchbrüche eingebracht, die in Verbindung mit den Kondensatorplatten Kanäle für die Zu- und Abführung sowie für die Verteilung der flüssigen und gasförmigen Medien auf die Verdampfer- und Kondensatorkammern bilden. Bei mehrflutig ausgeführten Wärmeübertragern wird, sofern sie aus Rahmenprofilen mit trapezförmigem Querschnitt aufgebaut sind, die Durchströmungsrichtung der mäanderförmig angeordneten Kanäle so gewählt, dass sich in den Verdampferkammern der Querschnitt jedes Kanals in Strömungsrichtung erweitert und sich in den Kondensatorkammern der Querschnitt entsprechend verringert. So können durch den Einsatz von Rahmenprofilen mit trapezförmigem Querschnitt, mit mehrflutig ausgeführten Wärmeübertragern dieselben Vorteile erzielt werden, wie bei den einflutig aufgebauten. Mehrflutig aufgebaute Wärmeübertrager haben den zusätzlichen Vorteil, dass mit ihnen durch eine geeignete Wahl der Anzahl und der Breite der Kanäle für nahezu beliebige Medien ein optimales Wärmeübertragungsverhalten erreicht werden kann.
Stehbolzen zwischen den Wärmeübertragerplatten sorgen zusätzlich zu den Rahmenprofilen zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zur Begrenzung des auf die Rahmenprofile wirkenden Drucks.
Es ist vorgesehen, dass alle Rahmenprofile der Verdampferkammern dieselbe Kontur haben und gleich dick sind. Analog verhält es sich mit den Rahmenprofilen der Kondensatorkammern.
Wenn der Wärmeübertrager für Verfahren eingesetzt wird, bei denen verändernde Strömungsquerschnitte innerhalb des Wärmeübertragers erforderlich sind, sind die Rahmenprofile unterschiedlich dick und weisen unterschiedlich große, die Größe der Verdamfper- bzw. Kondensatorkammern bestimmende, mittige Aussparungen auf. Diese Rahmenprofile bestehen aus elastischen Materialien, die verschieden große Shore-Härten haben. So ist es z.B. vorteilhaft, dickere Rahmenprofile aus einem Material mit einer größeren und dünnere Rahmenprofile aus einem Material mit einer kleineren Shore-Härte anzufertigen, sodass alle Rahmenprofile ähnlich große Federkonstanten erhalten.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann auch als Verdampfer, bei dem die zu verdampfende Flüssigkeit über den Wärmeübertragerplatten der Verdampferkammern verrieselt wird und die Kondensatorkammern mit Heizwasser durchströmt werden (wasserbeheizter Verdampfer), oder als Kondensator, bei dem die Kondensatorkammern mit dem zu kondensierenden Dampf und Verdampferkammern mit Kühlwasser durchströmt werden (wassergekühlter Kondensator), verwendet werden. In denjenigen Zellen, die mit Heiz- bzw. Kühlwasser durchströmt werden, befinden sich Einbauelemente oder die Zellen sind mehrflutig ausgeführt, sodass hohe Strömungsgeschwindigkeiten und Wärmeübergangszahlen gewährleistet sind. Die Rahmenprofile der Verdampfer-/ Kondensatorkammern sind dann ca. zwei bis dreimal dicker, als die Rahmenprofile der mit Heiz-/Kühlwasser durchflossenen Zellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert; hierzu zeigt die Figur eine schematische Darstellung eines einflutigen Plattenwärmeübertragers mit trapezförmigen Rahmenprofilen in seitlicher Ansicht.
Wie aus der Figur ersichtlich, befinden sich zwischen jeweils der vorderen und der hinteren Deckplatte 1 , 1 1 fünf Wärmeübertragerplatten 4, die von Rahmenprofilen 12, 13 beabstandet sind. Die Verdampfer-Rahmenprofile 12 bilden mit den beiden angrenzenden Wärmeübertragerplatten 4 die Verdampferkammern 2, die Kondensator-Rahmenprofile 13 mit den Wärmeübertragerplatten 4 entsprechend die Kondensatorkammern 3. Die Querschnitte des Kondensator-Rahmenprofils 12.1 , das sich am Anfang des Wärmeübertragers befindet, und des Verdampfer-Rahmenprofils 13.1 , das am Ende des Wärmeübertragers angeordnet ist, haben jeweils die Form eines rechtwinkligen Trapezes, wohingegen die Querschnitte der übrigen Kondensator- 13.2 und Verdampfer-Rahmenprofile 12.2 jeweils die Form von gleichschenkligen Trapezen aufweisen.
Die spitzen Winkel (und damit auch alle stumpfen Winkel der gleichschenkligen Trapeze) aller Trapeze sind gleichgroß. Die Rahmenprofile 12, 13 sind wechselweise um 180° zueinander verdreht, sodass im Wärmeübertrager jeweils eine lange und eine kurze parallele Seite der Trapeze nebeneinander liegt. Auf diese Weise wird ein quaderförmiger Plattenwärmeübertrager gebildet, dessen Verdampferkammern 2 sich nach oben hin aufweiten und dessen Kondensatorkammern 3 sich nach oben hin verjüngen. Neben der Beabstandung bewirken die Rahmenprofile 12,13 auch eine hermetische Abdichtung (von den Zu- und Ableitungen abgesehen) der Kammern 2, 3 gegenüber der Umgebung und den angrenzenden Kammern 2, 3. Die Rahmenprofile 12, 13 erfüllen somit gleichzeitig die Funktion von Dicht- und Strukturelementen. In den Rahmenprofilen 12, 13 befinden sich Aussparungen, durch die, zusammen mit den Wärmeübertragerplatten 4, die Kanäle für die Zu- und Abführung der flüssigen und gasförmigen Medien in die Verdampfer- 2 und Kondensatorkammern gebildet werden.
Beim Einleiten von Dampf in die Kondensatorkammern 3 kondensiert dieser und gibt die dabei entstehende Kondensationswärme an die beiden Wärmeübertragerplatten 4 ab. Die abgegebene Wärme fließt auf die verdampferseitigen, mit Flüssigkeit berieselten Seiten der Wärmeübertragerplatten 4, wodurch ein Teil dieser Flüssigkeit verdampft. Der entstehende Dampf steigt auf, wird im Dampfkanal 5 gesammelt und über den Dampfstutzen 6 aus dem Wärmeübertrager abgeführt.
Die Einleitung des zu kondensierenden Dampfes in die einzelnen Kondensatorkammern 3 erfolgt über den Stutzen 7. Der Dampf tritt in den Raum unterhalb der Kondensatorkammern 3 ein und wird aufgrund eines dort auftretenden Partialdruck- gefälles gegen die kühlen Wärmeübertragerplatten 4 getrieben, wo er sich niederschlägt. Dabei bilden sich Tropfen, die unter dem Einfluss der Schwerkraft in Richtung des Bodens der Kondensatorkammern 3 fallen oder fließen. Durch die Abschlussbohrungen 8 gelangt das Kondensat schließlich in die Sammelleitung 9 und wird durch den Stutzen 10 aus den Wärmeübertragern abtransportiert.
Die zu verrieselnde Flüssigkeit wird über den Stutzen 14 zugeführt und durch den in das Kondensator-Rahmenprofil 13.1 eingearbeiteten Kanal 15 zur Flüssigkeitskammer 17 geleitet. Die Flüssigkeit gelangt durch fein verteilte, in die Wärmeübertragerplatten 4 eingebrachte Bohrungen 16 in die beiden angrenzenden Verdampferkammern 2, wodurch die Wärmeübertragungsplatten 4 in den Verdamfperkammern 2 gleichmäßig berieselt werden. Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 vordere Deckplatte
2 Verdampferkammer
3 Kondensatorkammer
4 Wärmeübertragerplatte
5 Dampfkanal
6 Dampfstutzen (Austritt)
7 Dampfstutzen (Eintritt)
8 Abflussbohrung
9 Sammelleitung
10 Stutzen (Kondensat)
1 1 hintere Deckplatte
12 Verdampfer-Rahmenprofil
12.1 Verdampfer-Rahmenprofil mit rechtwinklig trapezförmigem Querschnitt
12.2 Verdampfer-Rahmenprofil mit gleichschenklig trapezförmigem Querschnitt
13 Kondensator-Rahmenprofil
13.1 Kondensator-Rahmenprofil mit rechtwinklig trapezförmigem Querschnitt
13.2 Kondensator-Rahmenprofil mit gleichschenklig trapezförmigem Querschnitt
14 Stutzen (für die zu verrieselnde Flüssigkeit)
15 Kanal
16 Bohrung
17 Flüssigkeitskammer

Claims

Patentansprüche
1. Plattenwärmeübertrager, bestehend aus drei oder mehreren identischen, hintereinander angeordneten Wärmeübertragerplatten (4), zwischen denen im Wechsel Verdampferdichtungen und Kondensatordichtungen eingebracht sind, wobei durch jeweils zwei Wärmeübertragerplatten (4) die Verdampferkammern (2) und die Kondensatorkammern (3) des Wärmeübertragers gebildet sind, der hierdurch geformte Stapel von mit Zugankern oder vergleichbaren Mitteln verspannten Abschlussplatten (1 , 1 1 ) zusammengepresst wird, und die Wärmeübertragerplatten (4) im außen liegenden Bereich mindestens drei Durchbrüche mit einer vergleichsweise kleineren Querschnittsfläche für die flüssigen Medien und mindestens zwei Durchbrüche mit einer vergleichsweise größeren Querschnittsfläche für die gasförmigen Medien aufweisen, wobei die Verdampfer- und die Kondensatordichtungen die Wärmeübertragerplatten (4) beabstandende Rahmenprofile (12, 13) sind, und Rahmenprofile (12,
13) aus einem elastischen Material bestehen, dieselbe Außenkontur wie die Wärmeübertragerplatten (4) haben und einen trapezförmigem Querschnitt aufweisen, wobei die Höhe des Trapezes größer als die Länge der beiden parallelen Seiten des Trapezes ist, und/oder die Rahmenprofile (12, 13) mit mehreren länglichen, parallel verlaufenden Aussparungen versehen sind, durch die, zusammen mit den Wärmeübertragernplatten (4), hintereinander geschaltete Kanäle gebildet sind, die zur mehrflutigen Durchströmung der Verdampfer- und/oder Kondensatorkammern dienen, und die Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und der Kondensatorkammern (13) große, mittige Durchbrüche, die in Kombination mit den Wärmeübertragerplatten (4) die Verdampfer- (2) und die Kondensatorkammern (3) bilden, und kleinere am Rand angeordnete Durchbrüche aufweisen, durch die in Verbindung mit den Wärmeübertragerplatten (4) Kanäle für die Zu- und Abführung sowie für die Verteilung der flüssigen und gasförmigen Medien auf die Verdampfer- (2) und die Kondensatorkammern (3) gebildet sind.
2. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Wärmeübertragerplatten (4) Stehbolzen eingebracht sind, die der definierten Beabstandung der Wärmeübertragerplatten (4) dienen.
3. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Rahmenprofile (12, 13) aus elastischen Materialien mit voneinander verschiedener Shore-Härte bestehen.
4. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und der Kondensatorkammern (13) jeweils unterschiedliche Dicken aufweisen.
5. Plattenwärmeübertrager Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicken der Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und der Kondensatorkammern (13) in Abhängigkeit von ihrer Lage im Wärmeübertrager zu- oder abnehmen.
6. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und Kondensatorkammern (13) dieselbe Dicke aufweisen.
7. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils alle Rahmenprofile der Verdampfer- (12) und jeweils alle Rahmenprofile der Kondensatorkammern (13) dieselbe Geometrie haben.
8. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte der Rahmenprofile (12.1 ,13.1 ) am Anfang und am Ende des Plattenwärmeübertragers die Form von rechtwinkligen und die Querschnitte der Grundformen der übrigen Rahmenprofile (12.2,13.2) die Form von gleichschenkligen Trapezen aufweisen, und sich jeweils die spitzen Winkel der rechtwinkligen und der gleichschenkligen Trapeze entsprechen, wobei die Rahmenprofile (12, 13) derart angeordnet sind, dass jeweils die langen und die kurzen parallelen Seiten der Trapeze im Wechsel nebeneinander liegen, wodurch ein quaderförmiger Plattenwärmeübertrager gebildet ist, dessen Verdampferkammern (2) sich nach oben hin aufweiten und dessen Kondensatorkammern (3) sich nach oben hin verjüngen.
9. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenprofil der Verdampferkammer (12) einen der Zuleitung der zu verdampfenden Flüssigkeit dienenden Durchbruch aufweist, der mit einem horizontal angeordneten, schmalen rechteckförmigem Durchbruch verbunden ist, der sich o- berhalb des die Verdampferkammer (2) begrenzenden großen Durchbruchs befindet und von diesem durch einen stegförmigen Abschnitt getrennt ist, wobei der stegför- mige Abschnitt auf seiner Vorder- und seiner Rückseite dicht nebeneinander verlaufende, den rechteckförmigen Durchbruch mit der Verdampferkammer (2) verbindende, nutenförmige Aussparungen aufweist, die der gleichmäßigen Berieselung beider angrenzenden Wärmeübertragerplatten (4) dienen.
10. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Rahmenprofil der Kondensatorkammer (12) einen der Zuleitung der zu verdampfenden Flüssigkeit dienenden Durchbruch aufweist, der mit einem horizontal angeordneten, schmalen rechteckförmigem Durchbruch verbunden ist, der sich oberhalb des die Kondensatorkammer (3) begrenzenden großen Durchbruchs befindet und von diesem durch einen stegförmigen Abschnitt getrennt ist, wobei in die beiden angrenzenden Wärmeübertragerplatten (4) auf Höhe des rechteckförmigen Durchbruchs und sich über dessen Länge erstreckende, dicht nebeneinander liegende, kleine Bohrungen (16) eingebracht sind, die dem Durchtritt der zu verdampfenden Flüssigkeit durch die Wärmeübertragerplatten (4) und einer feinen Berieselung der sich in Verdampferkammern (2) befindenden Rückseiten der Wärmeübertragerplatten (4) dienen.
1 1. Verwendung des Plattenwärmeübertragers nach Anspruch 1 als wassergekühlter Kondensator.
12. Verwendung des Plattenwärmeübertragers nach Anspruch 1 als wasserbeheizter Verdampfer.
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