DE69625531T2 - Platten - Stoff- und Wärmetauscher - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärme- und Stoffübertragungstauscher, der die turbulente Bewegung einer Fluidströmung einsetzt, um den Wirkungsgrad des Austauschs zu verbessern.
• Im Stand der Technik sind Wärmetauscher bekannt, die aus Platten bestehen und mit einem turbulenten Fluid arbeiten und die, wie weiter unten gezeigt wird, wenigstens zwei gerippte Platten aufweisen, oder zwei Platten, zwischen denen ein Spalt mit einer gitterförmigen Blende vorgesehen ist, um in dem in dem Spalt fließenden Fluid eine turbulente Strömung zu erzeugen. IT-A-1 192 543 offenbart einen Wärmetauscher, der zwei durch einen Spalt getrennte Platten aufweist, in denen ein Fluid fließt, wobei ein unterbrochenes Teil vorgesehen ist, durch das eine Turbulenz erzeugt wird. Wie oben erwähnt wurde, wird bei der praktischen Ausführung dieses Patents eine gewöhnliche gitterförmige Blende eingesetzt. Auch dann, wenn eine solche Lösung sinnvoll, einfach und wirtschaftlich ist, so besteht doch ein schwerwiegender Nachteil darin, dass Abstandshalter, Einlagen oder Dichtungen notwendig sind, um die Abdichtung der Zwischenräume zu verbessern, abgesehen von Platten, die den ganzen, den Wärmetauscher bildenden Plattenstapel halten. Die Platten sind notwendig, um die Platten zusammenzudrücken, sie gegeneinander abzudichten und dem Druck des Fluids zu widerstehen.
• Um ein Verschweißen von Platte-gitterförmiger Blende-Platte zu ermöglichen, ist beim Verschweißen oder Abdichten eine sehr geringe Toleranz und eine sehr hohe Genauigkeit bei der Bearbeitung erforderlich, so dass sich die Produktionskosten erheblich erhöhen.
• Ein flachplattiger Wärme- und Stoffübertragungstauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus DE-A-4238 192 und aus WO 90 12 784 bekannt.
• Aus DE-A 42 38 192 ist ein Wärmetauscher bekannt, der wenigstens zwei Kanalsysteme aufweist. Diese sind in Lagen übereinander angeordnet, die durch wenigstens eine Platte voneinander getrennt sind. Jedes dieser Systeme weist Kanäle mit Hindernissen auf, die abwechselnd in die Kanäle vorstehen. Die Kanäle öffnen sich in diagonal gegenüberliegende Verbindungs- und Verteilungskanäle, um eine gleichmäßige Zufuhr zu erreichen. Auch aus WO 90 13 784 ist ein Wärmetauscher bekannt, der eine Vielzahl von Leitungsbahnen für das Fluid einschließt, in welchen wenigstens einige zwischen Oberflächen von nicht perforierten ersten Platten verlaufen. Zwischen diesen ersten Platten befinden sich wenigstens zwei zweite perforierte Platten, die sich entlang der Leitungsbahnen für das Fluid mit Perforationen in benachbarten und zueinander versetzten Platten befinden. Benachbarte zweite und erste Platten sind derart miteinander in Kontakt, dass Leitungsbahnen gebildet werden, die sich zwischen den zwei ersten Flächen erstrecken, während Bereiche der zweiten Platten, die nicht mit anderen zweiten Platten in Kontakt stehen, zweite Flächen bilden.
• Ein Nachteil der in diesen Dokumenten offenbarten Wärmetauschern besteht darin, dass bei beiden ein komplizierte Montage erforderlich ist und sie einen Aufbau haben, der hohe Herstellungskosten verursacht.
• Gemäß der Erfindung werden derartige Probleme dadurch überwunden, dass man einen flachplattigen Wärme- und Stoffübertragungstauscher vorsieht, der eine einfache und schnelle Montage der verschiedenen Bauteile ermöglicht, wobei eine perfekte Abdichtung sichergestellt ist und dünnere Platten eingesetzt werden können.
• Der Wärme- und Stoffübertragungstauscher besteht im Wesentlichen aus Tauscherelementen, von denen jedes aus vier flachen Platten geformt ist, wobei innerhalb jedes Tauscherelements für die sich bei jeder Geschwindigkeit bewegenden Fluide eine Turbulenzen bewirkende Bahn festgelegt ist, wobei alle genannten Platten flach sind und parallel zueinander verlaufen und eine im Großen und Ganzen rechteckige Form aufweisen.
• Falls parallel miteinander verbundene Tauscherelemente vorhanden sind, werden die Teilungsplatten des Tauschers durch solche parallele Elemente geteilt, die an den Enden der Plattendiagonalen vier Löcher aufweisen derart, dass die Fluide zu den benachbarten Tauscherelementen fließen können. Deshalb hat nur das Tauscherelement am geschlossenen Ende des Tauschers äußere Platten, die voneinander verschieden sind: Eine Platte sieht wie die oben beschriebene aus, die andere Platte ist geschlossen.
• Falls die Tauscherelemente in Serie miteinander verbunden sind, haben die Teilungsplatten zwischen den Tauscherelementen nahe den Enden der Plattendiagonalen zwei Löcher an Stelle von vieren, um es dem Fluid zu ermöglichen zu dem nahegelegenen Tauscherelement zu fließen, wobei die zwei Löcher der kleineren Seite der Teilungsplatte benachbart sind.
• Die zwei inneren Platten jedes Tauscherelements sind gleich, aber gegeneinander gestürzt und weisen außer den oben erwähnten vier Löchern eine Gruppe von Löchern auf, die geometrisch so geformt sind, dass diese Gruppe von Löchern einer inneren Platte gegenüber der Gruppe von Löchern der benachbarten Platte versetzt sind, wenn die Platten um 180º gegeneinander gedreht werden. Auf diese Weise folgen die Fluide, die entlang dieser perforierten Platten fließen, einem sehr gewundenen Weg, der eine turbulente Bewegung verursacht und den Wärmeaustausch und das Mischen erleichtert. Die beiden ganz außen gelegenen Gruppen von Löchern, die parallel zu der kürzeren Seite verlaufen, weisen einige Löcher auf, die miteinander bzw. mit den zwei Löchern nahe dem Ende der Plattendiagonalen verbunden sind, wobei diese zwei Löcher von dem Fluid, das von einem Element zu dem anderen fließt, gekreuzt werden.
• Die Montage der verschiedenen Platten der Tauschers ist ohne die Verwendung einer Dichtung möglich und geschieht durch die automatische Zentrierung mittels einfacher Stifte. In der Tat weist jede entweder außen oder innen gelegene oder jede Endplatte zwei Löcher nahe den kürzeren Seiten auf, die entlang der Längsmittellinie der Platte angeordnet sind.
• Die Erfindung wird durch die folgende detaillierte Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verständlicher. In diesen zeigen:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf eine äußere Platte jedes Tauscherelements für den Fall, dass die Elemente parallel miteinander verbunden sind;
• Fig. 2 eine Draufsicht auf eine der zwei inneren Platten des Tauscherelements;
• Fig. 3 eine Draufsicht auf eine geschlossene Endplatte;
• Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von zwei inneren Platten der Fig. 2, die Seite an Seite so angeordnet sind, dass die Löcher versetzt sind;
• Fig. 5 eine Explosionsansicht eines parallel verbundenen Tauschers mit zwei Elementen;
• Fig. 6 einen Teilausschnitt des Weges, dem ein Fluid innerhalb des Tauscher der Fig. 5 folgt; und
• Fig. 7 eine Draufsicht auf eine äußere Platte jedes Tauscherelements, die in Serie miteinander verbunden sind.
• In den Fig. 1 bis 4 und 7 wird der grundsätzliche die Erfindung charakterisierende Aufbau gezeigt, der sowohl die Herstellung als auch die Montage einfach und wirtschaftlich macht. In der Tat weisen die wesentlichen Teile zum Aufbau der Tauscherelemente, die in Serie und/oder parallel miteinander verbunden sind, drei Platten auf, die die gleiche oder verschiedene Dicke haben können; sie weisen aber den gleichen äußeren Umfang auf und werden durch einfaches Stanzen hergestellt.
• Diese Platten bestehen insbesondere aus einer äußeren Platte 1, die dazu dient, die Tauscherelemente sowohl als Teilungsplatte zwischen den einzelnen Tauscherelementen und als Endplatte des Tauschers selbst an der Einlass-/Auslassseite des Trägerfluids oder der Trägerfluide miteinander zu verbinden; eine innere Platte 2, die mit einer Gruppe von zweiten Löchern 5 versehen ist und die von dem Fluid, das seinem gewundenen Weg in einem einzigen Wärmetauscherelement folgt, durchströmt werden, ist außerdem am Ende der Plattendiagonalen mit ersten Löchern 4 versehen, die mit einigen zweiten Löchern 5 kommunizieren, z. B. mit drei Löchern der am nächsten gelegenen Gruppe, die umgekehrt auch miteinander kommunizieren; schließlich ist am dem freien Ende des letzten Tauscherelements eine äußere Endplatte 3 vorgesehen.
• Wie in den Fig. 1 und 7 gezeigt ist, sind die äußeren Platten an einem oder beiden Enden der Plattendiagonalen mit dritten Löchern 14 versehen.
• Um zwei oder mehrere der Tauscherelemente in Serie miteinander zu verbinden, genügt es die äußere Platte 7 an Stelle der äußeren Platte 1 einzusetzen. Deshalb können auch beide Elemente einschließende Tauscher vorgesehen werden, wobei parallel und in Serie miteinander verbundene Elemente vorgesehen sein können.
• Wie aus den oben erwähnten Figuren zu erkennen ist, weisen alle Platten zwei Zentrierbohrungen 6 auf, die in der Längsmittellinie nahe den kürzeren Seiten angeordnet sind.
• Besonders wichtig ist Fig. 4, die zeigt, wie die inneren Platten 2 verwendet werden. Diese sind Seite an Seite angeordnet und um 180º gegeneinander gedreht Eine derartige wechselseitige Anordnung bewirkt, dass die zweiten in Reihe angeordneten Löcher 5 in Platte 2 gegenüber denjenigen, die in der benachbarten inneren Platte mit 2bis bezeichnet sind, versetzt sind.
• Ein anderes wichtiges Merkmal ist, dass dann, wenn die Tauscherelemente parallel miteinander verbunden sind, das Schweißen der den Tauscher bildenden Platten an der nicht perforierten Fläche der inneren Platten 2 und 2bis und außerhalb des Bereichs der zweiten Löcher 5 ausgeführt wird, und ebenso an allen schmalen Bereichen zwischen den Löchern 5, die teilweise mit ähnlichen Bereichen der benachbarten Platte zusammenpassen.
• Wie schon erwähnt wurde, wird dann, wenn die Wärmetauscher parallel miteinander verbundene Tauscherelemente aufweisen, die Platte 1 durch die Platte 7 ersetzt, die nur zwei dritte Löcher 14 aufweist, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist.
• Aus den Fig. 5 und 6 ist klar zu erkennen, wie die Platten zur Formung der verschiedenen Tauscherelemente (die gemäß Fig. 5 parallel miteinander verbunden sind) angeordnet sind, als auch der Weg der mit A und B angegebenen Fluide, die gleich oder verschieden sein können.
• Fig. 5 zeigt außerdem, wie ein im Gegenstrom betriebener Tauscher erhalten werden kann, nämlich dadurch, dass man ein Paar von inneren Platten 2-2bis gegenüber dem Paar von benachbarten Tauscherelementen einfach um 180º um ihre Längsachse dreht.
• Daraus ergibt sich, dass ein Tauscher mit einer Strömung in der gleichen Richtung dadurch erhalten werden kann, dass man das Paar von inneren Platten nicht um 180º um ihre Längsachse dreht.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass bei einer Strömung zwischen den Platten 2 und 2bis, zwei vor ihrem Eintritt in den Tauscher miteinander in Kontakt gebrachte Fluide, z. B. ein Fluid A und ein Fluid C, gemischt und/oder absorbiert werden können und/oder miteinander reagieren können. Diese Fluide A und C können auch unterschiedliche Phasen aufweisen, z. B. ein Fluid eine flüssige und das andere Fluid eine gasförmige Phase.
• Es ist dann selbstverständlich, dass ein Wärmeaustausch auch mit einem Fluid B stattfinden kann, wenn die Fluide A und C bei ihre Mischung eine exotherme oder endotherme Reaktion durchlaufen.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit nicht nur einen Wärmeaustausch zwischen zwei unterschiedliche Temperaturen aufweisenden Fluiden A und B, sondern auch die Mischung von zwei Fluiden A und C und bei deren Mischung auch deren exotherme oder endotherme Reaktion. In dem letzten Fall schließt der Wärmeaustausch mit dem Fluid B auch die abgegebene/absorbierte Energie ein, die sich aus der Reaktion von A und C ergibt.
• Der Ausschnitt der Fig. 6 zeigt insbesondere die Anordnung der Platten in dem Tauscher der Fig. 5 und stellt den Weg der Fluide A und B (oder A + C und B) innerhalb der entsprechenden Paare von inneren Platten 2 und 2bis dar. Es sollte beachtet werden, dass die Dicke der inneren Platten 2, 2bis vorteilhaft unterschiedlich sein kann, um den Bereich der Fluidströmung zu variieren und somit den Strömungswiderstand entsprechend den unterschiedlichen Erfordernissen zu verändern. Außerdem kann eine solche Veränderung des Strömungswiderstandes auch dadurch erreicht werden, dass man die Anordnung, die Größe und Form der zweiten Löcher 5 ändert.

Claims (8)

1. Flachplattiger Wärme- und Stoffübertragungstauscher, der beim Tauscherbetrieb eine turbulente Bewegung von inneren Fluids vorsieht, mit Austauscherelementen, die jeweils aus zwei äußeren Platten (1 oder 7, 3) bestehen, zwischen denen zwei innere Platten (2, 2bis) angeordnet sind, wobei die inneren Platten (2, 2bis) derart perforiert sind, dass sie zusammen mit den äußeren Platten (1 oder 7, 3) einen gewundenen Weg für die Fluids (A oder A + C, B) bilden, der die Austauschelemente kreuzt, wobei die inneren und äußeren Platten (1 oder 7, 2, 2bis und 3) dieselbe Außenform aufweisen und flach und im allgemeinen in rechtwinkliger Gestaltung vorgesehen sind; wobei die inneren Platten (2, 2bis) neben den ersten Löchern (4) eine Gruppe von zweiten Löchern (5) besitzen, die gemäß einer Geometrie derart gebildet sind, dass die zweiten Löcher (5) von einer inneren Platte (2) nicht auf die zweiten Löcher (5) der anderen inneren Platte (2bis) ausgerichtet sind, wodurch ein sehr gewundener Weg für die Fluids vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Platten (2, 2bis) in ihrer Gestaltung gleich und nebeneinander und um 180º zueinander gedreht in ihrer Ebene angeordnet sind.

2. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Platten (1 oder 7) dritte Löcher (14) nahe der Enden von Diagonalen der äußeren Platte aufweisen, wobei die Löcher (14) die Funktion haben, dass die Fluids von einem Austauschelement zum anderen treten können.

3. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass alle inneren und äußeren Platten mit Zentrierlöchern (6) versehen sind, damit der Zusammenbau der inneren und äußeren Platten des Tauschers durch automatisches Zentrieren vorgenommen werden kann, das die Zentrierlöcher (6) verwendet, und dass der Tauscher ohne Verwendung irgendeiner Dichtung zusammengebaut ist.

4. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschelemente parallel geschaltet sind.

5. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austauschelemente in Reihe geschaltet sind.

6. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung des Strömungswiderstandes des Tauschers die inneren Platten (2, 2bis) eine unterschiedliche Dicke und/oder eine unterschiedliche Geometrie und Größe der zweiten Löcher (5) aufweisen.

7. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten des Tauschers an der unperforierten Fläche der inneren Platten (2, 2bis) außerhalb des Bereichs der zweiten Löcher (5) und auch an allen kleinen Bereichen um die zweiten Löcher (5) verschweißt sind, welche teilweise zu ähnlichen Bereichen der angrenzenden inneren Platte passen.

8. Wärme- und Stoffübertragungstauscher nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschnitt der Austauschelemente in Reihe und ein anderer Abschnitt der Austauschelemente parallel geschaltet sind.