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Plattenwärmeübertrager zur Brwarmung oder Kühlung
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von flüssigen Stofien Anwendungsgebiet der Erfindung Die Erfindung
betrifft Plattenwärmeübertrager zur Erwärmung oder Kühlung von fließfähigen Stoffen,
bestehend aus einer Anzahl im wesentlichen gleichartiger Wärmeübertragungsplatten
mit profilierter Wärmeübertragungsfläche, wobei die Wärmeübertragungsplatten so
bemessen und unter Wahrung eines Abstandes aneinander gefügt sind, daß zwischen
jeweils benachbarten Wärmeübertragungsplatten Strömungskanäle mit in Strömungsrichtung
sich verändertem und vorzugsweise rechteckigem Querschnitt derart entstehen, daß
die Höhe der Querschnittsfläche der Strö.mungskanäle einerseits klein gegen die
Länge derselben, andererseits aber wesentlich größer als die Stärke der Wärmeübertragungsplatten
ist, und die Verbindung der vom gleichen Stoff durch strömten Strömungskanäle mittels
entsprechender Durchtrittsöffnungen in den Wärmeübertragungsplatten realisiert wird,
wobei bei jeder Wärrneübertragungsplatte bis zu je zwei Durchtrittsöffnungen für
jeden Stoffstrom vorgesehen sind.
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Charakteristik des bekannten Standes der Technik Es sind Plattenwärmeübertrager
bekannt, die aus einer Anzahl mit Dichtungen versehener dünner profilierter Wärmeübertragungsplatten
so zusammengefügt sind, daß sie parallel zueinander liegende Kanäle mit den erforder-
lichen
Zu- und Abführungen bilden. Jede Wärmeübertragungsplatte ist dabei gegenüber ihren
benachbarten um 1800 um die senkrecht zur Plattenebene stehende Achse gedreht. Die
Geometrie aller vom gleichen Stoff durchströmten Strömungskanäle ist dabei gleich.
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Die Zu- und Abführung der Stoffströme zu bzw. von den einzelnen Strömungskanälen
erfolgt über die an zwei gegenüberliegenden Seiten, dies sind in der Regel die Schmalseiten
einer Wärmeübertragungsplatte angeordneten Durchtrittsoffnungen. Auf jeder dieser
zeiten sind zwei Durchtrittsöffnungen, je eine für jeden Stoffstrom, vorgesehen.
Die einem Stoffstrom zugeordneten Durchtrittsöffnungen liegen sich entweder direkt
oder diagonal gegenüber, sie bilden im Plattenwärmeübertrager Verteiler bzw. Sammelkanäle
für die beiden Stoffströme.
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Zur Verteilung des durch die Durchtrittsöffnungen in den von zwei
benachbarten Wärmeübertragungsplatten gebildeten Strömungskanal ein- bzw. austretenden
Stoffstroms auf die Kanalbreite, sind bekannte Wärmeübertragungsplatten so ausgeführt,
daß an den beiden Seiten, an denen die Durchtrittsöffnungen vorgesehen sind, die
Strömungskanale zu den Durchtrittsöffnungen hin rit Verteilungs- bzw. Sammelzonen
für die Stoffströme abschließen. Durch Schließen oder Öffnen der Durchtritt öffnungen
kann die Stoffstromlührung im Plattenwärmeübertrager so gestaltet werden, daß die
jeweils zur Lösung eines bestimmten Wärmeübertragungsproblems erforderliche Anzahl
von Strömungskanälen parallel und hintereinander durchströmt wird. Die Wärmeübertragung
bei den zwei benachbarte Kanäle durchströmenden Stoffen erfolgt dabei stets im wesentlichen
im Parallelstrom.
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Jedoch entsprechend der gewählten Anordnung der offenen Durchtrittsöffnungen
entweder im Gegenstrom oder im Gleichstrom. Unabhängig von der am Sin- und Austritt
des Plattenwärmeübertragers gewählten Stoffstromführung tritt, sobald zwei und mehr
Strömungskanäle hintereinander durchströmt werden, ein bestimmter Anteil an
Wärmeübertragungsfläche,
an der die Wärmeübertragung bei Gleichstrom erfolgt, auf. Dieser Anteil kann bei
Gegenstromführung an den Sin- und Austritten am Plattenwärmeübertrager theoretisch
zwischen 10 und 50 % liegen.
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Seine konkrete Höhe wird durch das Verhältnis der Anzahl der parallel
zu der Anzahl der hintereinander durchströmten Kanäle bestimmt. Je größer dieses
Verhältnis ist, um so geringer ist der Anteil und um so effektiver wird die im Plattenwärmeübertrager
installierte Viärmeübertragungsfläche genutzt.
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Einer Erhöhung der Anzahl der parallel durchströmten Kanäle über ein
bestimmtes Maß hinaus, stehen jedoch zwei Probleme entgegen.
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Erstens ergeben sich mit wachsender Anzahl der parallel durchströmten
Kanäle bei einem gegebenen Querschnitt der Durchtrittsöffnungen zunehmend Unterschiede
in den Volumenstrornen der einzelnen Strömungskanäle, was einerseits zu einer Reduzierung
der erreichbaren mittleren Wärmedurchgangszahl und andererseits zu unterschiedlichen
Verweilzeiten der Teilvolumenströme in Plattenwärmeübertrager führt.
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Zweitens zieht, dadurch, daß stets zwei Durchtrittsöffnungen nebeneinander
vorzusehen sind, unabhängig von der gewählten Querschnittsform der Durchtrittsöffnungen,
deren Vergrößerung immer eine Vergrößerung derjenigen Pläche der Wärmeübertragungsplatten,
die der Aufnahme der Durchtrittsöffnungen dient, nach sich. Damit verringert sich
aber bei gegebener Wärmeübertragungsfläche einer Wärmeübertragungsplatte der effektiv
für die Wärmeübertragung genutzte Flächenanteil eines Plattenwärmeübertragere. Dem
kann zwar durch eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den sich gegenüberliegenden
Durchtrittsöffnungen entgegengewirkt erden, was aber zur Folge hat, daß das Verhältnis
des Produktes aus Wärmedurchgangszahl und Wärmeübertragungsfläche einer Wärmeübertragungsplatte
zum Wärmekapazitätsstrom in den einzelnen Strömungskanälen vergrößert wird. In welchem
Maße
der Gleichstromanteil unter gegebenen Bedingungen die erreichbare
Wärmeübertragungsleistung eines insgesamt im Gegenstrom betriebenen Plattenwärmeübertragers
vermindert, wird jedoch entscheidend durch dieses VerhEltnis bestimmt. Es zeigt
sich, daß, wenn dieses Verhältnis größer als 0,8 wird, an der AIZärmeübertragungsplatteS
an der die Wärmeübertragung bei Gleichstrom erfolgt, bereits eine Wärmestromumkehr
erfolgt.
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Somit sind durch die Anordnung von jeweils zwei Durchtrittsöffnungen
an einer Wärmeübertragungsplattenseite in bezug auf die Ausnutzung der Gesamtfläche
einer Wärmeübertragungsplatte für die Wärmeübertragung und gleichzeitig durch die
Art und Weise des Aneinanderfügens der Wärmeübertragungsplatten im Plattenwärmeübertrager
entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen bei einer gegebenen Baugröße erhebliche
Grenzen gesetzt.
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Ein weiterer Mangel der bekannten Ausführung ist, daß der Strömungsquerschnitt
am Uebergang von der Durchtrittsöffnung zum Strömungskanal gegenüber dem Strömungsquerschnitt
des durch die eigentlichen Wärmeübertragungs flächen der VlarmeUbertragungsplatten
gebildeten Strömungskanals relativ klein ist und theoretisch günstigstenfalls halb
so groß wie dieser sein kann. Dadurch treten im Bereich der Durchtrittsöffnungen
sowie der Verteiler- und Sammelzonen Geschwindigkeitsüberhöhungen auf, die u. a.
das Verhältnis von Wärmeübertragungsleistung zu der für den Transport der Stoffe
durch den Plattenwärmeübertrager hindurch erforderlichen Börderleistung negativ
beeinflussen. Insbesondere bei niedrigen mittleren Geschwindigkeiten in den Strömungskanälen
bzw. bei hochviskosen Stoffen ist die Ausbildung von Vorzugsströmungen und damit
eine erhebliche Reduzierung der effektiv wirksamen Wärmeübertragungsflä.che die
Folge.
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Es sind aber auch Plattenwärmeübertrager bekannt, die im Kreuzstrom
arbeiten. Diese Ausführungsweise wird beim Einsatz von flüssigen Stoffen nicht angewendet,
da davon ausgegangen wird, daß die wirksamen mittleren Temperatur-
differenzen
bei gleichen Ein- und Austrittstemperaturen am Plattenwärmeübertrager und damit
bei sonst gleichen Bedingungen der übertragbaren Wärmemenge pro 1Wärmeübertragungsflächeneinheit
im allgemeinen niedriger beim Ereuzetrom als beim Gleichstrom sind. Beim Vergleich
von einem Gegenstrom- mit einem Kreuzstrombetrieb, ist dieser Unterschied um so
größer, je größer das Verhältnis des Produktes aus Wärmedurchgangszahl und Wärmeübertragungsfläche
zum Wärmekapazitätsstrom ist.
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Aus den vorstehenden Gründen wird der Einsatz von Plattenwärmeübertragern,
die im Kreuzstrom arbeiten, für flüssige Stoffe als uneffektiver betrachtet. Man
setzt in der Fachwelt Plattenwärmeübertrager, die im Kreuzstrom arbeiten, nur bei
viskosen Medien ein, da bei diesen iiedien in Plattenwärmeübertragern mit Gegenstrom
auf Grund der unabänderlichen Gestaltung der Eintrittsbereiche Vorzugsströmungen
entstehen, die nur ein ungleichmäßiges Behandeln der Medien zulassen, so daß man
es für besser hält, den nachteil der verringerten übertragbaren Wärmemenge pro Wärmeübertragungsflächeneinheit
in au zu nehmen, um damit die gleichmäßige Behandlung der Produkte zu sichern.
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Ziel der Erfindung Ziel der Erfindung ist, die Belastung der einzelnen
Wärmeübertragungsflächen zu vergleichmäßigen, dabei den als Wärmeübertragungsfläche
wirksamen Anteil an der Gesamtfläche der Wärmeübertragungsplatten zu erhöhen und
gleichzeitig das Verhältnis von WärmeübertraOungsleistung zu erforderlicher Förderleistung
zu verbessern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei an sich bekannten Plattenwärmeübertragern
die Gestaltung und Anordnung der Durchtrittsöffnungen an den Warmeübertragungsplatten
und damit die Zu- und Abführung der Stoffströme zu den einzelnen jeweils von zwei
benachbarton Wärmeübertragungsplatten gebildeten Strömungskanälen
eines
Plattenwärmeübertragers zu verändern.
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Darlegung des Wesens der Erfindung Erfindungsgemäß erhält bei den
mit Dichtungen versehenen dünner profilierten Wärmeübertragungsplatten die eigentliche
UYärmeübertragungsfläche eine vorzugsweise quadratische Porm. An jeder ihrer Seiten
wird je eine Austrittsöffnung vorgesehen, wobei die Längsausdehnung der Durchtrittsöffnungen
ein mehrfaches gegenüber der mittleren Höhe der Durchtrittsöffnungen ist und vorzugsweise
im wesentlichen der Strömungsbreite entspricht. Die sich gegenüberliegenden Durchtrittsbffnungen
sind dabei dem gleichen Stoffstrom zugeordnet. Die Wärmeübertragungsplatten werden
so zu einem Plattenwärmeübertrager zusammengefügt, daß jede Wärmeübertragungsplatte
gegenüber ihrer benachbarten um vorzugsweise 1800 um die senkrecht zur Plattenebene
stehende Achse gedrehet ist und mit diesen unter Wahrung definierter Abstände Strömungskanäle
bilden, di durch Öffnen oder Schließen der entsprechenden Durchtrittsöffnungen hintereinander
oder parallel vom jeweiligen Stoff durchströmt werden können, wobei sich die Strömungsrichtungen
in benachbarten Kanälen im Winkel von vorzugsweise 900 kreuzen.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung und Gestaltung der Durchtrittsöffnungen
ist der Strömungsquerschnitt am Übergang von der Durchtrittsöffnung zum Strömungskanal
im wesentlichen gleich dem Querschnitt des Strömungsanal. GeschwindigTieitsüberhöWungen
gegenüber der mittleren Geschwindigkeit im Strömungskanal werden beim Eintritt in
den Strömungskanal und die damit u. a. verbundenen Druckverluste vermieden. Durch
die entsprechende Gestaltung der Querschnittsform der Durchtrittsöffnungen läßt
sich eine ausreichende gute gleichmäßige Verteilung der Stoffströme über die Strömungskanalbreite
gewährleisten. Auf die Ausbildung besonderer Verteilungs- oder Sammelzonen kann
verzichtet werden.
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Damit wird bei der erfinderischen Ausführung der Anteil der wirksamen
Wärmeübertragungsfläche an der Gesamtfläche der einzelnen Wärmeübertragungsfläche
erhöht, wodurch der Materialeinsatz, bezogen auf die wirksame Wärmeübertragungsfläche,
reduziert wird, und gleichzeitig eine Reduzierung der Strömungswiderstände im Plattenwärmeübertrager,
was gleichbedeutend mit einer Reduzierung des Aufwandes für die Förderung, der Stoffströme
durch den Plattenwarmeübertrager hindurch ist, erreicht.
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Bei Plattenwärmeübertragern der erfindungsgemäßen Ausführung erfolgt
die Wärmeübertragung grundsätzlich bei jedem gewählten Verhältnis von parallel zu
hintereinander von gleichem Stoff durchströmten Kanälen im Kreuzstrom. Während bei
der Parallelstromführung der bekannten Plattenwärmeübertrager die jeweils über eine
Wärmeübertragungsplattenlänge gemittelten Temperaturdifferenzen erhebliche Unterschiede
zwischen den Wärmeübertragungsplatten, an denen die Wärmeübertragung im Gleichstrom
zu den Wärmeübertragungsplatten, an denen die Wärmeübertragung im Gegenstrom erfolgt,
auftreten, tritt bei Kreuzstromführung wegen der einheitlichen Strömungsart eine
Reduzierung der Unterschiede zwischen den über die einzelnen !ärmeübertragungsplatten
gewählten Temperaturdifferenzen auf.
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Bei dem Plattenwärmeübertrager wird durch die Stoffstromführung, die
Wärmeübertragung erfolgt stets gleichzeitz über mehrere Strömungskanäle, ein zusätzlicher
Temperaturausgleich realisiert, wodurch sich mit zunehmender Anzahl der vom gleichen
Stoff durchströmten Kanäle das Gesamtverhalten des Plattenwärmeübertragers bei kreuzstrom
zunehmend dem bei reinem Gegenstrom annähert, wenn an den Sin- und Ausgängen des
Plattenwärmeübertragers die Stoffe im Gegenstrom geführt werden.
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Diese Annäherung erfolgt um so schneller, je kleiner o. g.
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Verhältnis, bezogen auf die Wärmeübertragungsfläche einer Wärmeübertragungsplatte,
ist.
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Durch geeignete Wahl der Geometrie der Strömungskanäle, insbesondere
des Verhältnisses von Strömungskanallänge zu Strömungskanalhöhe, können die Unterschiede
zwischen dem Verhalten des Plattenwärmeaustauschers bei Kreuzstrom und reinem Gegenstrom
praktisch vernachlässigbar klein gestaltet werden.
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Die bekannten Plattenwärmeübertrager werden zwar im Gegenstrom, aber
im allgemeinen mit einem bestimmten Gleichstromanteil, d. h. im Gleichgegenstrom,
betrieben, so daß die bei diesem tatsächlich wirksame mittlere Temperaturdifferenz
im allgemeinen kleiner als bei reinem Gegenstrom ist.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Warmeübertragungsplatten
und mit ihr, durch die Anordnung der Durchtrittsoffnungen realisierte Form der Kreuzstromrührung,
wird die übertragbare wärmemenge gegenüber bekannten Plattenwärmeübertragern mit
Parallelstromführung unter sonst gleichen Bedingungen erhöht.
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Damit ist auf Grund der erfinderischen Auslegung der Plattenwärmeübertrager
die bisher ablehnende Haltung, Plattenwärmeaustauscher für flüssige Stoffe im Kreuzstrom
zu betreiben, widerlegt, da bei Anwendung der erfinderischen Lehre der Nachweis
erbracht wird, daß mit Plattenwärmeübertragern, die entsprechend der beschriebenen
Ausbildung im Kreuzstrom betrieben werden, auch bei flüssigen Stoffen eine höhere
Virtschaftlichkeit gegenüber dem Gegenstrombetrieb erreicht werden kann.
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Gleichzeitig wird bei der Bearbeitung von h.ochviskosen Stoffen eine
verbesserte Wirksamkeit erzielt, da nicht nur der Vorteil der gleichmäßigen Strömungsverteilung
im Plattenwärmeübertrager und damit eine gleichmäßige Behandlung dieser Stoffe erfolgt,
sondern auch die tatsächliche energetische Wirksamkeit des Plattenwärmeübertragers
gegenüber der Plattenwärmeübertrager überhaupt.
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Ausführungebeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht
auf eine schematisch dargestellte \iärmeübertragungsplatte mit quadratischem Querschnitt
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine schematische dargestellte Wärmeübertragungsplatte
mit rechteckigem Querschnitt Fig. 3 eine Querschnittsform für Durchtrittsöffnungen
Fig. 4 eine Querschnittsform für Durchtrittsöffnungen Fig. 5 eine Querschnittsform
für Durchtrittsöffnungen Fig. 6 Schema der Plattenanordnung und der Stoffströmung
Der als Wärmeübertragungsfläche 1 wirksame Flächenanteil der aus dünnwandigem Material
hergestellten und mit Dichtungen 3 versehenen Wärmeübertragungsplatte 4 ist profiliert
und besitzt eine rechteckige Form. Die beiden Seitenlangen a und b können dabei
gemäß Fig. 1 gleich oder gemäß Fig. 2 unterschiedlich lang ausgeführt werden.
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An jeder Seite der Vlärmeübertragungsfläche 1 ist für die Zu- und
Abführung der Stoffströme je eine Durchtrittsöffnung 2 angeordnet. Die sich gegenüberliegenden
Durchtrittsöffnungen 2a; 2c bzw. 2 b; 2d sind dabei jeweils dem gleichen Stoffstrom
zugeordnet.
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Die Längsausdehnungen La, Lb der Durchtrittsöffnungen entsprechen
den Seitenlängen a; b der Wärmeübertragungsfläche 1 und sind um ein Mehrfaches größer
als die Höhe hm.
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In Fig. 3, Pig. 4, Fig. 5 werden verschiedene verwendbare geometrische
Formen der Querschnittsfläche der Durchtrittsöffnungen 2 gezeigt.
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Diese dargestellten Formen sind die Naheliegensten und können auch
in anderen geometrischen Pormen ausgelegt werden, wenn sie so ausbildet sind, daß
die Längsausdehnung L ein Ifehrfaches größer als die zwischen der größten Höhe H
und der kleinsten Höhe h liegende gemittelte Höhe hm ist. Entsprechend Fig. 6 werden
die Wärmeübertragungsplatten 4 zu einem Apparat in einem Gestell mittels Spannschraube
zusammengefügt. Die Führung der Flüssigkeitsströme A; B erfolgt so, daß die Strömung
richtungen in den benachbarten Strömungskanälen 5a, 5b; 5b, 5c; 5c, 5d sich kreuzen,
wobei von einem oder von beiden Flüssigkeitsströmen mindestens zwei Strörnungskanäle
hintereinander durchkreuzt werden.
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Aufstellung der Bezugszeichen 1 Wärmeaustauschfläche 2 Durchtrittsöffnung
2a Durchtrittsöffnung 2b Durchtrittsöffnung 2c Durchtrittsöffnung 2d Durchtrittsöffnung
3 Dichtungen 4 Wärmeübertragungsplatte 5a Strömungskanal 5b Strömungskanal 5c Strömungskanal
5d Strömungskanal a Seitenlänge b Seitenlänge h kleinste Höhe H größte Höhe hm gemittelte
Höhe La Längsausdehnung Lb Längsausdehnung L Längsausdehnung
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