WO2023006132A1 - Plattenwärmeübertrager - Google Patents

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WO2023006132A1
WO2023006132A1 PCT/CZ2022/000021 CZ2022000021W WO2023006132A1 WO 2023006132 A1 WO2023006132 A1 WO 2023006132A1 CZ 2022000021 W CZ2022000021 W CZ 2022000021W WO 2023006132 A1 WO2023006132 A1 WO 2023006132A1
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WO
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heat exchanger
medium
channels
plate heat
walls
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PCT/CZ2022/000021
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bohumír Čech
Zbyszek Szeliga
Pavel DVOŘÁK
Original Assignee
Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava
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    • F28F2009/222—Particular guide plates, baffles or deflectors, e.g. having particular orientation relative to an elongated casing or conduit
    • F28F2009/226—Transversal partitions

Definitions

  • the invention relates to the design of a plate heat exchanger for gaseous media, in particular for the flue gases produced when biomass or natural gas is burned.
  • the heat exchanger is designed for power engineering, e.g. for heat exchange between two fumes of different temperature or between a fume and the air.
  • the invention is intended to contribute to increasing the efficiency of the combustion devices and reducing CC>2 emissions.
  • the recuperators - heat exchangers for indirect heat transfer can be divided into three classes in terms of construction: plate heat exchangers, tube heat exchangers and jacketed tube heat exchangers.
  • the heat exchange surface is formed by parallel continuous channels-tubes for guiding a first medium, with gaps under the tubes being intended for the passage of a second medium in the transverse direction.
  • the space between the tubes is gas-sealed at both ends of the tubes by partition walls.
  • the heat exchange surface formed by the tubes is surrounded by a jacket in which an entry of the first medium into the tubes and an exit from the tubes, and an entry into the space between the tubes and an exit from this space are formed.
  • Tubes can be smooth, corrugated, or otherwise shaped to increase heat exchange surface and improve heat transfer.
  • Plate heat exchangers are known whose heat exchange surface is formed by trapezoidal sheets.
  • GB 1238491 A describes a plate heat exchanger which comprises a bundle of adjacent plates, the central area of which is corrugated in a trapezoidal shape and the edge areas of which are smooth.
  • the corrugations in the trapezoidal zone of two adjacent plates are offset from each other and, when the plates are assembled, alternately form channels for the passage of one and the other medium.
  • One medium is fed in and out of the heat exchanger in the direction of the ducts, the other medium is fed in laterally into one edge zone or discharged from the other edge zone.
  • the plate heat exchanger according to CZ 308367 B6 comprises a plurality of spaced pairs of parallel heat-permeable walls formed in each pair by inversely oriented trapezoidal sheets with alternating grooves and webs, the webs in each pair abutting and their grooves channels for flow of the form the second medium, while gaps between the individual pairs of sheets allow the first medium to flow through, and the sheets of each pair are connected in a gas-tight manner at the lateral edges.
  • the gaps are covered over the entire circumference, with an opening for the supply and discharge of the first medium being formed at both ends of the web of each trapezoidal sheet, and the sheets being connected in a gas-tight manner on the circumference of the openings, and the lining of the gaps being gas-sealed .
  • the efficiency of a heat exchanger is determined by the surface area of the heat-permeable wall and its design, which particularly affects the heat transfer coefficient.
  • the size of a heat exchanger and consequently its efficiency cannot be increased indefinitely in view of the increasing mass and material costs. Heat exchangers of this type always represent a compromise between price and desired performance.
  • heat exchangers are used, which work at low temperatures below 130°C. These are mostly condensing boilers. At temperatures below 100°C - in the case of boilers heated with natural gas at temperatures below 50/45°C - the steam becomes condensate.
  • the heat exchangers, the heat-permeable wall of which is formed by steel sheets, are therefore exposed to corrosion.
  • the invention is based on the object of designing a heat exchanger for gaseous media at temperatures of up to 130° C., intended for use in power engineering, whose construction allows the use of affordable plastic elements. According to the invention, this object is achieved by the plate heat exchanger having the features of claim 1 .
  • the plate heat exchanger is intended for heat transfer between two gaseous media. Its heat exchange surface is formed by walls of parallel continuous channels for conducting a first medium in a first direction, distributed with gaps for the passage of a second medium in a direction perpendicular to the direction of the first medium. The gaps between the channels are closed gas-proof by partition walls at both ends and the heat exchange surface is surrounded by a jacket with inlets and outlets for the media.
  • the walls of the channels are formed by pairs of mirror-symmetrically arranged trapezoidal plates, which are gas-tightly connected at the longitudinal edges.
  • the trapezoidal plates of the pair can lie tightly against one another.
  • the adjacent pairs of trapezoidal plates are offset in relation to one another in the direction of passage of the second medium.
  • the space between the channels is distributed by means of transverse walls perpendicular to the channels, which alternately extend into the space from the opposite walls of the shell.
  • the transverse walls are supported by vertical rods.
  • the trapezoidal walls can be made of plastic material, which is advantageous at temperatures below 130°C.
  • a preferred embodiment of the invention is shown in the drawings and is described in more detail below. Show it
  • FIG. 2 shows a schematic vertical section through the heat exchanger according to FIG. 1, and
  • FIG 3 shows a schematic horizontal section through the heat exchanger at the level of the inlet of the second medium.
  • the plate heat exchanger according to Fig. 1 and 2 consists of an assembly of trapezoidal plates made of plastic material, which form a heat exchange surface 1, and a shell 2, which is provided with an inlet 3 and an outlet 4 of a first medium - to be cooled - and with an inlet 5 and an outlet 6 of a second medium to be heated.
  • the first medium flows along the heat exchange surface in a direction S1 and the second medium in a direction S2, perpendicular to the direction S1.
  • the heat exchange surface 1 is formed by parallel pairs of mirror-symmetrically ordered trapezoidal plates 7, on which grooves 8 and webs 9 alternate.
  • the webs 9 of the trapezoidal panels 7 of each pair of panels lie close together and are connected, e.g. by gluing.
  • the grooves 8 of the pair of plates form channels for the passage of the first medium in direction S1.
  • the pair of plates and the entire heat exchange surface 1 have sufficient rigidity and resistance to vibrations during the passage of the media.
  • the trapezoidal plates 7 in the pair can be arranged separately from each other and the gap between them then forms a compact channel with an elongated cross-section for the passage of the first medium.
  • the trapezoidal plates 7 of each pair are connected to the longitudinal edges 10 in a gastight manner.
  • the gaps between the parallel pairs of the trapezoidal plates 7 are intended for the passage of the second medium in the direction S2.
  • the adjacent pairs of plates are offset from one another in the direction S2, uz by a distance denoted as x. Changing this offset can affect the mode of flow and the efficiency of heat transfer.
  • the gaps between the pairs of plates are closed gas-proof at both ends by partitions 11, which allow the first medium free passage only into the channels in the pairs of plates. Plates of plastic material can be used as partitions 11, which plates are provided with corresponding longitudinal slots for the insertion of the pairs of plates.
  • the heat exchanger according to FIG. 2 is provided for a multiple passage of the second medium along the heat exchange surface 1 .
  • the gaps between the pairs of trapezoidal plates 7, or the space outside the channels for the passage of the first medium are longitudinally divided by transverse walls 12 of plastic material perpendicular to the channels and extending alternately from the opposite walls into the space.
  • Each transverse wall 12 reverses the direction of the second medium by 180°.
  • the construction of the transverse walls 12 is analogous to that of the partitions 11.
  • the media are thus guided along the heat exchange surface 1 in countercurrent.
  • the partitions 11, 12 are supported by vertical bars 14 positioned in the corners of the heat exchanger.
  • the spaces between the individual partitions 11, 12 can be provided with lockable cleaning openings.
  • the construction of the heat exchanger is formed by common press-formed thin-walled trapezoidal plastic profiles, which are placed in pairs and connected in a suitable way, eg by gluing, in order to achieve the desired compaction.
  • the construction is characterized by adequate rigidity and allows for easy assembly and handling. Any leaks can be eliminated by covering the gaps that have occurred.
  • the plastic elements are resistant to acids and aggressive condensates. All trapezoidal plates used in the heat exchanger have the same shape, which greatly simplifies series production and assembly. The more complicated partitions are now produced with sufficient accuracy to ensure their reliable functioning. Repetitive manufacturing of the same parts reduces production costs.
  • the heat exchanger is manufactured as a whole in a production facility and can then be transported to the construction site as a whole.
  • This type of heat exchanger is particularly suitable for using heat from flue gases at low temperatures, where condensation of gases occurs.
  • An example is the preheating of the combustion air fed to the gas boiler, which contributes to increasing its efficiency. The process can then take place below the condensation point on both sides of the heat-permeable wall.

Abstract

Der Plattenwärmeübertrager ist zur Wärmeübertragung zwischen zwei gasförmigen Medien bestimmt. Seine Wärmeaustauschfläche (1) ist durch Wände paralleler durchgehender Kanäle zur Leitung eines ersten Mediums in einer ersten Richtung (S1) gebildet, die mit Lücken für den Durchgang eines zweiten Mediums in einer zu der Richtung (S1) des ersten Mediums senkrechten zweiten Richtung (S2) verteilt sind. Dabei sind die Lücken zwischen den Kanälen an beiden Enden durch Trennwände (11) gassicher geschlossen und die Wärmeaustauschfläche (1) ist von einem Mantel (2) mit Eintritten (3, 5) und Austritten (4, 6) für die Medien umgeben. In diesem Wärmeübertrager sind die Wände der Kanäle durch Paare von spiegelsymmetrisch geordneten Trapezplatten (7) gebildet, die an den Iänglichen Rändern (10) gassicher verbunden sind.

Description

Plattenwärmeübertrager
Die Erfindung betrifft die Bauart eines Plattenwärmeübertragers für gasförmige Medien, insbesondere für die beim Verbrennen von Biomasse oder Erdgas entstehenden Rauchgase. Der Wärmeübertrager ist für die Energietechnik bestimmt, u. z. zum Wärmeaustausch zwischen zwei Rauchgasen von verschiedener Temperatur oder zwischen einem Rauchgas und der Luft. Die Erfindung soll zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Verbrennungseinrichtungen und zur Senkung des CC>2-Ausstoßes beitragen.
Die Rekuperatoren - Wärmeübertrager für indirekte Wärmeübertragung lassen sich hinsichtlich der Bauweise in drei Klassen einteilen: Plattenwärmeübertrager, Rohrwärmetauscher und Mantelrohrwärmeübertrager. Die Wärmeaustauschfläche ist bei bekannten Ausführungen der Rohrwärmetauscher durch parallele durchlaufende Kanäle - Rohre zur Führung eines ersten Mediums gebildet, wobei Spalten unter den Rohren zum Durchgang eines zweiten Mediums in der Querrichtung bestimmt sind. Der Raum zwischen den Rohren ist an beiden Enden der Rohre durch Trennwände gasabgedichet. Die durch die Rohre gebildete Wärmeaustauschfläche ist mit einem Mantel umgeben, in dem ein Eintritt des ersten Mediums in die Rohre und ein Austritt aus den Rohren, sowie ein Eintritt in den Raum zwischen den Rohren und ein Austritt aus diesem Raum gebildet ist. Die Rohre können glatt oder gerippt sein, oder wegen der Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche und Verbesserung der Wärmeübertragung anderswie geformt werden.
Es sind Plattenwärmeübertrager bekannt, deren Wärmeaustauschfläche durch Trapezbleche gebildet ist. In der GB 1238491 A wird ein Plattenwärmeübertrager beschrieben, der ein Bündel von anliegenden Platten umfasst, deren mittleres Bereich trapezförmig gewellt ist und deren Randbereiche glatt sind. Die Wellen in der trapezförmigen Zone zweier benachbarter Platten sind gegeneinander versetzt und bilden, wenn die Platten zusammengesetzt sind, abwechselnd Kanäle für den Durchgang des einen und des anderen Mediums. Ein Medium wird in Richtung der Kanäle in den Wärmetauscher ein- und ausgeleitet, das andere Medium wird seitlich in die eine Randzone eingeleitet oder aus der anderen Randzone abgeführt. Der Plattenwärmeübertrager nach der CZ 308367 B6 umfasst eine Mehrzahl von mit Abstand angeordneten Paaren paralleler wärmedurchlässiger Wände, die in jedem Paar durch umgekehrt orientierte Trapezbleche mit wechselnden Rinnen und Stegen gebildet sind, wobei die Stege in jedem Paar aneinander anliegen und ihre Rinnen Kanäle für Durchfluss des zweiten Mediums bilden, während zwischen den einzelnen Blechpaaren befindliche Spalten zum Durchfluss des ersten Mediums dienen, und wobei die Bleche eines jeden Paares an den lateralen Kanten gassicher verbunden sind. In diesem Wärmeübertrager sind die Spalten am ganzen Umfang verblendet, wobei an beiden Enden des Stegs eines jeden Trapezblechs eine Öffnung für Zufuhr bzw. Abfuhr des ersten Mediums gebildet ist und die Bleche am Umfang der Öffnungen gassicher verbunden sind, sowie die Verblendung der Spalten gasabgedichtet ist.
Der Wirkungsgrad eines Wärmeaustauschers ist durch die Flächengröße der wärmedurchlässigen Wand und durch dessen Bauart bestimmt, die insbesondere die Wärmeübergangszahl beeinflusst. Die Baugröße eines Wärmeaustauschers und folglich dessen Wirkungsgrad kann hinsichtlich der steigenden Masse und der Materialkosten nicht unbegrenzt erhöht werden. Die Wärmetauscher dieser Art stellen immer einen Kompromiss zwischen dem Preis und der erwünschten Leistung dar.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads der Gaskessel werden Wärmeaustauscher benutzt, die bei niedrigen Temperaturen unter 130°C arbeiten. Es handelt sich meist um Kondensationskessel. Bei Temperaturen unter 100°C - im Falle der mit Erdgas beheizten Kessel bei Temperaturen unter 50/45°C - wird der Dampf zum Kondensat. Die Wärmeaustauscher, deren wärmedurchlässige Wand durch Stahlbleche gebildet ist, sind also der Korrosion ausgesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen für die Energietechnik bestimmten Wärmeübertrager für gasförmige Medien von Temperaturen bis zu 130°C zu entwerfen, dessen Bauweise die Benutzung von erschwinglichen Plastikelementen ermöglicht. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Plattenwärmeübertrager mit Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Der Plattenwärmeübertrager ist zur Wärmeübertragung zwischen zwei gasförmigen Medien bestimmt. Seine Wärmeaustauschfläche ist durch Wände paralleler durchgehender Kanäle zur Leitung eines ersten Mediums in einer ersten Richtung gebildet, die mit Lücken für den Durchfluss eines zweiten Mediums in einer zu der Richtung des ersten Mediums senkrechten Richtung verteilt sind. Die Lücken zwischen den Kanälen sind dabei durch Trennwände an beiden Enden gassicher geschlossen und die Wärmeaustauschfläche ist von einem Mantel mit Eintritten und Austritten für die Medien umgeben. Die Wände der Kanäle sind durch Paare von spiegelsymmetrisch geordneten Trapezplatten gebildet, die an den länglichen Rändern gassicher verbunden sind.
Zur Versteifung der Wärmeaustauschfläche können die Trapezplatten des Paares eng aneinander anliegen.
Um den gleichmäßigen Durchlauf des zweiten Mediums zu sichern, sind die benachbarten Trapezplattenpaare in Richtung des Durchlaufs des zweiten Mediums gegeneinander versetzt angebracht.
Zur Bildung eines mehrmaligen Durchlaufs des zweiten Mediums die Wärmeaustauschfläche entlang ist der Raum zwischen den Kanälen mittels an die Kanäle senkrechter Querwände verteilt, die sich von den gegenüberliegenden Wänden des Mantels abwechselnd in den Raum erstrecken.
Zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Wärmeübertragers beiträgt, wenn die Medien darin im Gegenstrom geleitet sind.
Zur Versteifung der Bauweise des Wärmeübertragers sind die Querwände von senkrechten Stangen getragen.
Die Trapezwände können aus Plastikmaterial hergestellt werden, was bei Temperaturen unter 130°C vorteilhaft ist. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen isometrischnen Vertikalschnitt durch einen Plattenwärmeübertrager ,
Fig. 2 einen schematischen Vertikalschnitt durch den Wärmeübertrager nach Fig. 1, und
Fig. 3 einen schematischen Horizontalschnitt durch den Wärmeübetrager auf dem Niveau des Eintritts des zweiten Mediums.
Der Plattenwärmeübertrager nach Fig. 1 und 2 besteht aus einer Baugruppe von aus Plastikmaterial hergestellten Trapezplatten, die eine Wärmeaustauschfläche 1 bilden, und aus einem Mantel 2, der mit einem Eintritt 3 und einem Austritt 4 eines ersten - äbzukühlenden - Mediums und mit einem Eintritt 5 und einem Austritt 6 eines zweiten - zu erwärmenden - Mediums versehen ist. Dabei strömt das erste Medium entlang der Wärmeaustauschfläche in einer Richtung S1 und das zweite Medium in einer Richtung S2, senkrecht zu der Richtung S1.
Die Wärmeaustauschfläche 1 ist durch parallele Paare von spiegelsymmetrisch geordneten Trapezplatten 7 gebildet, an denen Rinnen 8 und Stege 9 alternieren. In der Ausführung nach Fig. 3 liegen die Stege 9 der Trapezplatten 7 jedes Plattenpaars eng aneinander, und sind, z.B. durch Verklebung, verbunden. Die Rinnen 8 des Plattenpaars bilden Kanäle für den Durchgang des ersten Mediums in Richtung S1. In dieser Ausführung weist das Plattenpaar und die ganze Wärmeaustauschfläche 1 genügende Steifheit und Resistenz gegen Vibrationen beim Durchgang der Medien auf. In einer anderen Ausführung können die Trapezplatten 7 in dem Paar jedoch voneinander getrennt angeordnet sein und die Lücke zwischen ihnen bildet dann einen kompakten Kanal mit einem länglichen Querschnitt für den Durchlauf des ersten Mediums. Die Trapezplatten 7 jedes Paars sind an den länglichen Rändern 10 gassicher verbunden.
Die Lücken zwischen den parallelen Paaren der Trapezplatten 7 sind zum Durchgang des zweiten Mediums in Richtung S2 bestimmt. In der Ausführung nach j Fig. 3 sind die benachbarten Plattenpaare in Richtung S2 gegeneinander versetzt angeordnet, u. z. um eine als x bezeichnete Distanz. Eine Änderung dieser Versetzung kann den Modus der Strömung und die Wirksamkeit der Wärmeübertragung beeinflussen. Die Lücken zwischen den Plattenpaaren sind an beiden Enden durch Trennwände 11 gassicher geschlossen, die dem ersten Medium nur in die Kanäle in den Plattenpaaren einen freien Durchgang ermöglichen. Als Trennwände 11 können Platten aus Plastikmaterial benutzt werden, die mit entsprechenden Längsschlitzen zum Einsetzen der Plattenpaare versehen sind.
Der Wärmeübertrager nach Fig. 2 ist für einen mehrmaligen Durchgang des zweiten Mediums entlang der Wärmeaustauschfläche 1 vorgesehen. Dazu sind die Lücken zwischen den Paaren der Trapezplatten 7, bzw. der Raum außerhalb der Kanäle für den Durchgang des ersten Mediums, durch zu den Kanälen senkrechte Querwände 12 aus Plastikmaterial längsgeteilt, die sich abwechselnd von den gegenüberliegenden Wänden in den Raum erstrecken. Jede Querwand 12 kehrt die Richtung des zweiten Mediums um 180° um. Die Bauweise der Querwände 12 ist analogisch zu der der Trennwände 11. Das zweite - zu erwärmende - Medium tritt in den Wärmeübertrager an einem Ende, das dem Eintrit des ersten - abzukühlenden Mediums gegenüberliegt. Die Medien sind also entlang der Wärmeaustauschfläche 1 im Gegenstrom geführt. Die Trennwände 11, 12 sind von senkrechten Stangen 14 getragen, die in den Ecken des Wärmeübertragers positioniert sind.
Zum Zweck der Reinigung können die Räume zwischen den einzelnen Trennwänden 11, 12 mit abschließbaren Reinigungsöffnungen versehen sein.
Die Konstruktion des Wärmeübertragers ist durch gängige pressgeformte dünnwandige trapezförmige Plastikprofile gebildet, die paarweise angelegt und auf eine geeignete Art, z.B. durch Kleben, verbunden sind, um die gewünschte Verdichtung zu erzielen. Die Bauweise zeichnet sich durch eine angemessene Steifheit aus und ermöglicht eine einfache Montage und Handhabung. Etwaige undichte Stellen können durch Verblendung der aufgetretenen Lücken beseitigt Werden. Die Plastikelemente sind gegen Säuren und aggressive Kondensate beständig. Alle in dem Wärmeübertrager benutzten Trapezplatten haben dieselbe Form, was die Serienproduktion und Montage wesentlich vereinfacht. Die komplizierteren Trennwände werden jetzt mit einer genügenden Genauigkeit produziert, die deren verlässliche Funktion gewährleistet. Wiederholfertigung der gleichförmigen Teile senkt die Produktionskosten. Der Wärmeübertrager wird als Ganzes in einem Produktionsbetrieb hergestellt und kann dann als Ganzes zur Baustelle transportiert Werden.
Diese Wärmetauscherart ist besonders zur Ausnutzung der Wärme aus Abgasen von niedrigeren Temperaturen geeignet, bei denen es zur Kondensation der Gase kommt. Als Beispiel ist das Vorwärmen der Verbrennungsluft zu nennen, die dem Gaskessel zugeführt wird, was zur Erhöhung dessen Wirkungsgrads beiträgt. An beiden Seiten der wärmedurchlässigen Wand kann dann der Prozess unter dem Kondensationspunkt ablaufen.

Claims

Patentansprüche
1. Plattenwärmeübertrager, der zur Wärmeübertragung zwischen zwei gasförmigen Medien bestimmt ist, dessen Wärmeaustauschfläche (1) durch Wände paralleler durchgehender Kanäle zur Leitung eines ersten Mediums in einer ersten Richtung (S1) gebildet ist, die mit Lücken für den Durchgang eines zweiten Mediums in einer zu der Richtung (S1) senkrechten zweiten Richtung (S2) verteilt sind, wobei die Lücken zwischen den Kanälen an beiden Enden durch Trennwände (11) gassicher geschlossen sind und die Wärmeaustauschfläche (1) von einem Mantel (2) mit Eintritten (3, 5) und Austritten (4, 6) für die Medien umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Kanäle durch Paare von spiegelsymmetrisch geordneten Trapezplatten (7) gebildet sind, die an den länglichen Rändern (10) gassicher verbunden sind.
2. Der Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trapezplatten (7) des Paares aneinander anliegen.
3. Der Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Trapezplattenpaare in Richtung (S2) des Durchgangs des zweiten Mediums gegeneinander versetzt angebracht sind.
4. Der Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den Kanälen mittels an die Kanäle senkrechter Querwände (12) verteilt ist, die sich in den Raum von den gegenüberliegenden Wänden des Mantels (2) abwechselnd erstrecken.
5. Der Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Medien darin im Gegenstrom geleitet sind.
6. Der Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querwände (11, 12) von senkrechten Stangen (14) getragen sind.
7. Der Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Trapezplatten (7) aus Plastikmaterial hergestellt sind.
PCT/CZ2022/000021 2021-07-28 2022-04-13 Plattenwärmeübertrager WO2023006132A1 (de)

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