DE69308090T2

DE69308090T2 - Vorrichtung zur thermischen regelung einer umlaufenden flüssigkeit

Info

Publication number: DE69308090T2
Application number: DE69308090T
Authority: DE
Inventors: Joel Bucaille
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-03-27
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: ES2097498T3; FR2689227B1; EP0586677B1; ATE148939T1; CA2108796A1; FR2689227A1; DE69308090D1; EP0586677A1; WO1993020389A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Regeln eines umlaufenden Fluids, wie sie insbesondere zum Regeln der Temperatur eines Geräts oder von Reaktoren verwendet wird.

TECHNISCHES GEBIET:

Es sind bereits derartige Vorrichtungen bekannt, mit denen die Temperatur eines Geräts zum Spritzgießen von Kunststoff geregelt werden kann, und zwar mittels eines wärmeübertragenden Fluids, das unter der Wirkung einer Pumpe zirkuliert. Bei diesen Vorrichtungen kann die Temperatur des Fluids mittels elektrischen Heizwiderständen erhöht oder mittels eines zweiten, kalten Fluids vermindert werden, das durch einen Wärmetauscher fließt, wobei die Gesamtheit mit Hilfe eines elektronischen Reglers gesteuert werden kann, der an ein oder mehrere Thermoelemente angeschlossen ist, die in zweckmäßiger Weise entlang der Strecke des wärmeübertragenden Fluids angeordnet sind, und darüber hinaus mittels diverser Sicherheitsvorrichtungen.

STAND DER TECHNIK:

Im allgemeinen umfassen derartige Vorrichtungen eine Wärme-/Kühlstation für das wärmeübertragende Fluid, die durch ein Reservoir gebildet ist, das innen einen elektrischen Heizwiderstand sowie einen Kreis für ein Wärmefluid enthält, der durch eine Schlange gebildet ist, wobei sich die elektrischen Widerstände selbstverständlich im Inneren eines verschlossenen Rohrs befinden, wie dies im Dokument FR-A-2658332 (VULCANIC SA) beschrieben ist.
Um eine Abkühlung des wärmeübertragenden Fluids zu erreichen, umfassen andere Regelvorrichtungen einen Plattenwärmetauscher. Bei diesen wohlbekannten Wärmetauschern, die aus einem Stapel von Platten gebildet sind, strömen das zu kühlende Fluid und das Kühlfluid durch zwei unterschiedliche Kreise, die sich ohne Berührung miteinander auf beiden Seiten jeder Platte befinden. Die Regelvorrichtungen mit derartigen Plattenwärmetauschern sind sperrig, weil die Heizwiderstände sich selbstverständlich außerhalb und von den Wärmetauschern beabstandet befinden müssen, was zu einem erheblichen Raumbedarf der Gesamtanordnung führt sowie zu der Notwendigkeit, eine große Menge an wärmeübertragender Flüssigkeit in Umlauf zu halten.
Es existieren jedoch Plattenwärmetauscher mit elektrischem Heizwiderstand, der zwischen die Platten eingeschoben ist, wie dies im Dokument DE-A-2226800 (NICHOLSSON) beschrieben ist. Derartige Ausführungsformen ermöglichen es nicht, eine Vorrichtung zur thermischen Regelung zu realisieren, die den Durchtritt mehrerer Fluide gestatten, die in vertikaler Richtung und alternativ zwischen den Platten hindurch zirkulieren müssen, um oben und unten an der Vorrichtung auszumünden, wobei insgesamt eine perfekte Dichtheit gegeben ist.
Darüber hinaus ist es mit den bekannten Vorrichtungen nicht möglich, eine präzise Temperatur einzuhalten, wobei die Reaktionszeit sehr kurz ist.
Die Patentschrift DD-A-135 559 beschreibt eine Anordnung, mit der eine Aufheizung und eine anschließende Abkühlung einer Flüssigkeit möglich ist. Diese Einrichtung ist jedoch speziell geeignet, um Milch zu pasteurisieren, wobei im Hinblick auf diese Behandlung die Milch auf eine sehr hohe Temperatur gebracht und anschließend wieder auf Umgebungstemperatur abgesenkt werden muß. Die Vorrichtung stellt sich in einer Art System eines Plattenwärmetauschers dar, bei dem das Fluid zunächst erwärmt und dann abgekühlt wird. Das System ist demzufolge aus drei unterschiedlichen Elementen zusammengesetzt, die auf einem einzigen Träger montiert sind, nämlich zwei Plattenwärmetauschern und einem Wärmetauscher, der durch Heizplatten gebildet wird. Das aufzuheizende Fluid zirkuliert zwischen zwei Heizplatten. Leider durchläuft bei dieser Einrichtung das Fluid nacheinander die Heizzone und dann die Kühlzone. Es ist daher nicht möglich, eine optimale Regelung der Temperatur des zirkulierenden Fluids zu erreichen.

Darlegung der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile dadurch zu vermeiden, daß sie eine Vorrichtung zum thermischen Regeln eines Fluids zur Verfügung stellt, die aus einer Mehrzahl elementarer Baugruppen besteht, von denen eine jede aus einem Stapel gerippter oder gefalteter Platten gebildet ist, der mit Hilfe von Dichtungen Kreise für die Zirkulation des Fluids bildet, wobei die Platten elektrischen Heizwiderständen zugeordnet sind.
Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet:
- daß jeder der Stapel gegenläufige Kreise für ein Kühlfluid bzw. ein wärmeübertragendes Fluid definiert, und zwar unter Zwischenschaltung eines Heizelementes, das den elektrischen Heizwiderstand enthält;
- daß der Kreis für das wärmeübertragene Fluid in zwei parallele Unterkreise unterteilt ist;
- daß das Heizelement, das den elektrischen Heizwiderstand enthält, zwischen den beiden Unterkreisen für das wärmeübertragende Fluid eingeschlossen ist; und
- daß der Kreis für das Kühlfluid in zwei parallele Unterkreise unterteilt ist, die die aus den Unterkreisen sowie dem den elektrischen Heizwiderstand enthaltenden Heizelement gebildete Gesamtheit umschließen.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Wände des elektrischen Heizelementes in ihrer Form an die gewellte Form der Platten angepaßt sind. Anders ausgedrückt ist der elektrische Widerstand in einen geeigneten Werkstoff eingegossen, bspw. eine Keramik oder einen hitzebeständigen Zement, der in identischer Formgebung an die Form der gerippten Platten angepaßt ist, so daß er ohne Schwierigkeiten zwischen den Platten eingeschlossen werden kann.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß das die elektrischen Heizwiderstände enthaltende Heizelement mit einem leitfähigen Werkstoff, bspw. Aluminium, ausgefüllt ist, in den der elektrische Widerstand eingegossen ist.
Eine weitere Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß das Heizelement mittels einer metallischen Muffe verschlossen ist, die an die Platten geschweißt ist, um die Dichtheit um die Öffnung für den Durchtritt des Fluids herum zu gewährleisten.
In vorteilhafter Weise sind die gerippten Platten um die Öffnung für den Durchtritt des Fluids herum sowie an ihrem Umfang geschweißt.
Die erfindungsgemäße Struktur der Wärmetauscher gestattet es in vorteilhafter Weise, Vorrichtungen zur Regelung der Temperatur einer Gießform oder eines Reaktors zu realisieren, die durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher gebildet sind, der wiederum Platten mit darin integriertem elektrischem Heizwiderstand umfaßt, wobei die Platten von einem Kreis für ein wärmeübertragendes Fluid durchsetzt sind, das durch eine Pumpe zwangsweise umgewälzt wird und von dem Wärmetauscher in einem geschlossenen Kreislauf ohne Reservoir zu einem Gerät sowie durch einen Kühlkreis umläuft.
Die erfindungsgemäße Regelvorrichtung ist kompakt, obwohl sie eine große Wärmetauschfläche aufweist. Sie benötigt nur eine geringe Menge an wärmeübertragendem Fluid, im allgemeinen Wasser oder Öl. Sie gestattet es darüber hinaus, eine sehr kurze Reaktionszeit zu erreichen, wobei das Fluid schnell auf die gewünschte Temperatur gebracht wird.
Das auf diese Weise geregelte Fluid kann insbesondere ein Kreislauf einer wärmeübertragenden Flüssigkeit sein, die mittels einer Pumpe umgewälzt wird und dazu dient, um die Temperatur von Geräten und Reaktoren zu regeln, bspw. zwischen 5º und 52ºC.
Je nach der in Aussicht genommenen Regelung und den Leistungsdaten realisiert man einen Wärmetauscher mit einem Stapel von mehr oder weniger großen Platten, zwischen denen eine Anzahl mehr oder weniger großer Heizplatten eingeschlossen ist.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:

Zum besseren Verständnis der Erfindung folgt eine Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie beigefügte Zeichnungen:
- Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der Regelvorrichtung gemäß der Erfindung.
- Fig. 2 ist eine schematische Teilansicht, in der die Integration einer Heizplatte zwischen den Platten eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dargestellt ist.
- Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Platte des Wärmetauschers mit einer Heizplatte entlang der Linie III-III von Fig. 2.
Die Fig. 4 und 5 sind Ansichten im Teilschnitt, und zwar eines Stapels von Platten mit einer Öffnung für die Zirkulation des Fluids.
Fig. 6 ist eine Ansicht im Teilschnitt, und zwar eines Heizwiderstandes, der dieselbe Formgebung wie die gerippten Platten aufweist.
- Fig. 7 ist ein Schaltschema einer Temperatur-Regelvorrichtung gemäß der Erfindung.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG

Fig. 1 stellt ein prinzipielles Schema eines grundlegenden Elementes dar, das die erfindungsgemäße Temperatur-Regelvorrichtung darstellen soll. Man erkennt, daß das Element die Gestalt eines Stapels 1 von gewellten oder gerippten Platten 2 aufweist, wie diese an sich für den vorliegenden Anwendungsfall bekannt sind. Die Platten 2 bestehen bspw. aus rostfreiem Stahl. Die Platten definieren mit Hilfe von herkömmlichen, aber nicht dargestellten Dichtungen gegenläufige Kreise 11-13 für wärmeübertragende Fluide (FC) und Kühlmittel (FR).
Das grundlegende Element umfaßt gerippte Platten 2a, zwischen denen in folgender Reihenfolge durchlaufen:
- ein Kreis für ein Kühlfluid (FR1)
- zwei Kreise für ein wärmeübertragendes Fluid (FC2 und FC2)
- ein zweiter Kreis für ein Kühlfluid (FR2).
Zwischen den beiden Kreisen für das wärmeübertragende Fluid (FC1 und FC2) ist zwischen den Platten 2b ein Heizmittel 7 angeordnet, das aus einem elektrischen Widerstand 3 gebildet wird, das wiederum zwischen den Platten 4 aus hitzebeständigem Material (Keramik) angeordnet ist.
Bei einer vereinfachten Variante kann der isolierte elektrische Widerstand 3 in einem leitfähigen Füllmaterial eingegossen sein, bspw. in Aluminium, dessen Wände an die gewählte Formgebung der genannten Platten angepaßt ist. Dies gestattet es in vorteilhafter Weise, diese Platten wegzulassen und führt zu einer wirtschaftlichen Herstellbarkeit.
In einem Stapel von Platten 2 kann man z.B. drei elektrische Widerstände an eine Drehstromquelle anschließen oder diese parallel verschalten. Wenn man dann auf den Durchsatz des Kühlfluids oder auf den Heizwiderstand einwirkt, erhält man die gewünschte Temperatur des wärmeübertragenden Fluids (FC).
In Fig. 2 ist schematisch ein Teil des Stapels von Platten 2 dargestellt, der den Wärmetauscher der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet.
Diese Wärmetauscher wird durch einen Stapel einer bestimmten Anzahl von Platten 2 gebildet, die in an sich bekannter Weise Spiralen oder Wellen 10 bilden, damit in dem in Umlauf befindlichen Fluid Wirbel erzeugt werden. Die Platten 2 sind an beiden Enden mit Öffnungen 5 versehen, um auf diese Weise einen Zufluß bzw. einen Abfluß in den betreffenden Hohlraum für das wärmeübertragende Fluid (FC) bzw. das Kühlfluid (FR) zu ermöglichen. Zwischen den Platten 2 und entlang ihres Umfanges sind Dichtungen bekannter Bauart angeordnet, die zwischen den Platten 2 sowie um die Öffnungen 5 für den Zufluß und den Abfluß der Fluide zu den gestapelten Platten gewährleisten sollen. Damit die Fluide zwischen zwei Platten 2 zirkulieren können, ist die Dichtung 6 um die Öffnung 5 abwechselnd unterteilt, wie man dies in Fig. 2 erkennt.
Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung ist zwischen den Platten 2 ein Heizmittel 7 angeordnet, das durch einen oder mehrere elektrische Widerstände 3 dargestellt werden kann. Diese sind in einem hitzebeständigen Werkstoff angeordnet, der die Gestalt einer Platte 4 hat, wobei die Gesamtheit der Widerstände an eine nicht-dargestellte Stromquelle angeschlossen ist.
Um eine perfekte Dichtheit zu gewährleisten, ist eine Dichtung 8 mit kreisförmigem Querschnitt um die Öffnung 5 herum angeordnet, wo das Fluid zirkuliert. Diese Dichtung 8 kann eine beliebige Querschnittsform haben, ihre Dicke muß jedoch größer sein als die Dicke der Heizplatte 4 zuzüglich des Abstandes zwischen den Platten 2, damit sie bei der Montage zusammengedrückt wird und auf diese Weise eine perfekte Dichtheit gewährleistet. Sie muß darüber hinaus aus einem Werkstoff bestehen, der bei der maximalen Betriebstemperatur beständig ist.
Die oberhalb und unterhalb des Heizelementes gebildeten Hohlräume 10 können mit einem hitzebeständigen Zement oder einem gleichwertigen Werkstoff ausgefüllt werden, der gut wärmeleitfähig ist. Oberhalb und unterhalb des Stapels der Platten des Wärmetauschers befinden sich zwei isolierende Platten, die in herkömmlicher Weise durch Zuganker gehalten werden.
In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf die Platten 2 entlang der Linie III-III von Fig. 2 dargestellt. Man erkennt Durchgangsöffnungen 5a für das wärmeübertragende Fluid (FC) sowie zwei Öffnungen 5b für das Kühlfluid (FR). Weiterhin ist die Anordnung der Dichtungen 8 und 6 erkennbar. Der zentrale gestrichelte Bereich stellt die Anordnung des Heizwiderstandes 3 dar. Wie man erkennt, befindet sich der aktive Teil der Heizelemente unterhalb der Dichtung 6.
In den Fig. 4 und 5 sind zwei Varianten von Ausführungsbeispielen dargestellt, die den Stapel von Platten 2 zur Bildung des Wärmetauschers für die erfindungsgemäße Vorrichtung darstellen. Dabei ist die Dichtung 8 gemäß der Ausführungsform von Fig. 2 fortgelassen und wurde durch eine metallische Muffe 20 ersetzt, die mit den Platten 2b verschweißt ist, um eine perfekte Dichtheit zu gewährleisten (Fig. 4).
Bei einer zweiten Variante, die in Fig. 5 dargestellt ist, sind die Platten 2b derart ausgebildet, daß sie bei 61 um die Öffnung 5 für den Durchgang des Fluids 3 sowie an ihrem Umfang 60 verschweißt werden können.
In Fig. 6 ist eine weitere Variante dargestellt, bei der der elektrische Widerstand 3 in einem keramischen Werkstoff 4 vergossen ist, der bspw. elektrisch isolierend aber gut wärmeleitfähig ist. Er ist ferner in seiner Formgebung identisch an die Form der gerippten Platten 2b angepaßt, damit er ohne Schwierigkeiten zwischen diesen Platten eingefügt werden kann. Ferner ist eine Öffnung 5 für den Durchtritt des Fluids vorgesehen. Diese Ausführungsform gestattet es, die Dichtung 8 wegzulassen.
Fig. 7 ist ein schematischer Schaltplan einer erfindungsgemäßen Temperatur-Regelvorrichtung. Wie man in dieser Figur erkennt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr einfach. Sie umfaßt einen Plattenwärmetauscher 1 mit elektrischem Heizwiderstand 3 bzw. Heizwiderständen, die einerseits von einem Kreis 11 für ein wärmeübertragendes Fluid (FC) durchsetzt ist, wobei das Fluid (FC) mittels einer Pumpe 12 zwangsweise umgewälzt wird, und zwar bis zu einer Gießform oder einer Einspritzvorrichtung oder einem Reaktor der Anordnung (nicht dargestellt). Andererseits wird sie von einem Kreis für kaltes Wasser 13 durchsetzt. Das wärmeübertragende Fluid zirkuliert im Plattenwärmetauscher 1 bis zu dem Gerät in einem geschlossenen Kreislauf und ohne Reservoir oder Zwischenlagerung.
Drei Magnetventile 14, 15 und 16 sind vorgesehen, um das wärmeübertragende Fluid (FC) abzusperren und die Verluste im geschlossenen Kreislauf 11 zu begrenzen, der zu der Gießform oder dem Reaktor führt.
Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner einen Temperatursensor umfaßt, der sich ständig im Wärmetauscher befindet und an ein Regelsystem bekannter Bauart angeschlossen ist. Dieses gestattet eine kontinuierliche Überwachung der Temperatur des wärmeübertragenden Fluids im Inneren des Wärmetauschers und dessen Begrenzung auf eine maximale Temperatur. Die Vorrichtung kann ggf. die Regelung der Temperatur gewährleisten, wenn die Gießform oder der Reaktor keine Temperatursonde aufweist.
Es versteht sich ferner, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur zum Regeln der Temperatur von Gießformen oder von Spritzgießanlagen verwendet werden kann, sondern ebenso für Zylinder mit Extrudier-Schrauben, für Reaktoren, wie sie in der chemischen Industrie verwendet werden und als Zusatz für Wärmepumpen in Solarheizungen oder geothermischen Heizanlagen.
Die erfindungsgemäße Temperatur-Regelvorrichtung kann zu einem günstigen Preis hergestellt werden. Darüber hinaus kann sie in einfacher Weise demontiert werden, weil die verschiedenen Bauteile, aus denen sie besteht, schnell ersetzt oder verändert werden können. Hinzu kommt eine einfache Wartung, da man Zugang zu den Oberflächen hat, so daß eine Reinigung ermöglicht wird. Darüber hinaus ist sie kompakt und weist eine kurze Reaktionszeit auf.

Claims

1. Vorrichtung zum thermischen Regeln eines Fluids, bestehend aus einer Mehrzahl elementarer Baugruppen (1), von denen eine jede aus einem Stapel gerippter oder gefalteter Platten (2) gebildet ist, der mit Hilfe von Dichtungen Kreise für die Zirkulation des Fluids bildet, wobei die Platten elektrischen Heizwiderständen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,

- daß jeder der Stapel gegenläufige Kreise (11,13) für ein Kühlfluid (FR) bzw. ein wärmeübertragendes Fluid (FC) definiert, und zwar unter Zwischenschaltung eines Heizelementes (7), das den elektrischen Heizwiderstand (3) enthält;

- daß der Kreis für das wärmeübertragende Fluid (FC) in zwei parallele Unterkreise (FC1, FC2) unterteilt ist;

- daß das Heizelement, das den elektrischen Heizwiderstand enthält, zwischen den beiden Unterkreisen (FC1, FC2) für das wärmeübertragende Fluid eingeschlossen ist; und

- daß der Kreis für das Kühlfluid (FR) in zwei parallele Unterkreise (FR1, FR2) unterteilt ist, die die aus den Unterkreisen (FC1 und FC2) sowie dem den elektrischen Heizwiderstand enthaltenden Heizelement (7) gebildete Gesamtheit umschließen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände des elektrischen Heizelementes (7) in ihrer Form an die gewellte Form der Platten (2) angepaßt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrischen Heizwiderstände enthaltende Heizelement (7) mit einem hitzebeständigen Zement von guter Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt ist, in den der elektrische Widerstand eingegossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrischen Heizwiderstände enthaltende Heizelement (7) mit einer keramischen Masse ausgefüllt ist, in die der elektrische Widerstand eingegossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die elektrischen Heizwiderstände enthaltende Heizelement (7) mit einem leitfähigen Werkstoff, beispielsweise Aluminium, ausgefüllt ist, , in den der elektrische Widerstand eingegossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (7) mittels einer metallischen Muffe (20) verschlossen ist, die an die Platten (2b) geschweißt ist, um die Dichtheit um die Öffnung (5) für den Durchtritt des Fluids herum zu gewährleisten.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die gerippten Platten (2b) um die Öffnung (5) für den Durchtritt des Fluids herum sowie an ihrem Umfang (60) geschweißt (61) sind.

8. Vorrichtung zum Regeln der Temperatur einer Gießform oder eines Reaktors, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Wärmetauscher nach einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt, wobei der Wärmetauscher mit Platten (2) und darin integrierten elektrischen Heizwiderständen (3) versehen ist, und die Platten (2) von einem Kreis für ein wärmeübertragendes Fluid (FC) durchsetzt sind, das durch eine Pumpe (12) zwangsweise umgewälzt wird und von dem Wärmetauscher in einem geschlossenen Kreislauf ohne Reservoir zu einem Gerät sowie durch einen Kühlkreis (13) umläuft.