DE69837557T2

DE69837557T2 - Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE69837557T2
Application number: DE69837557T
Authority: DE
Inventors: Mauri Kontu; Timo PIRILÄ; Tapio HEINIÖ
Original assignee: Vahterus Oy
Current assignee: Vahterus Oy
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1998-12-07
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2018-12-08
Also published as: DK1038147T3; FI974476A0; EP1038147B1; FI974476L; DE69837557D1; ES2285790T3; AU1489599A; FI109148B; WO1999030099A1; EP1038147A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen vorteilhaft geschweißten Plattenwärmetauscher gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, zum Transferieren von Wärme von einem Wärme zuführenden Medium zu einem Wärme empfangenden Medium, insbesondere zwischen Stoffen in verschiedenen Phasen, wie zum Beispiel flüssig und gasförmig.
Herkömmlicherweise werden Wärmetauscher unterteilt in Wärmetauscher mit einer Plattenstruktur und solche mit einer Rohrstruktur. Der wesentliche Unterschied in Bezug auf sowohl die Konstruktion als auch den Wärmeaustausch ist, dass die Wärmetransferflächen in einer Struktur hauptsächlich Rohre sind, und Platten in der anderen. In dem Rohrwärmetauscher ist ein Rohrbündel mit Krümmer und sich verzweigenden Teilen gewöhnlich im Inneren eines kreisförmigen Mantels angeordnet. Dank der zylindrischen Form und den Rohren ist die Struktur gut geeignet als ein Druckgefäß, und somit wurden die Rohrwärmetauscher in extrem hohen Drücken verwendet. Von weitem betrachtet sind auch eine große Anzahl von Heizkesselkonstruktionen eine Art von Rohrwärmetauschern. Dies trifft sowohl auf Rauchrohrkessel/Wellrohrkessel als auch auf Wasserrohrkessel zu, wobei die Unterteilung darauf basiert, auf welcher Seite des Rohrs der Druck überwiegt.
Der wesentlichste Nachteil der Rohrwärmetauscher kann als das schwere Gewicht im Vergleich zu der Oberfläche der Wärmetransferfläche erachtet werden. Auf Grund dessen haben die Rohrwärmetauscher im Allgemeinen ein großes Ausmaß. Auch wenn man den Wärmeaustausch und Flusseigenschaften betrachtet, ist es schwierig, Rohrwärmetauscher zu gestalten und herzustellen, insbesondere wenn wirtschaftliche Gründe berücksichtigt werden müssen.
Ein typischer Plattenwärmetauscher besteht aus rechteckigen Platten, welche mittels Endplatten gegeneinander gepresst werden, welche wiederum an den Enden des Plattenstapels mittels Spannungsstäben oder Spannungsschrauben festgezogen werden. Die Spalten zwischen den Platten werden mit bandförmigen Dichtungen an ihrem äußeren Umfang geschlossen und abgedichtet, und Dichtungen werden auch an den Flusskanälen verwendet. Da die Tragfähigkeit von glatten Platten schlecht ist, werden sie mit Einschnitten verstärkt, welche gewöhnlich in benachbarten Platten kreuzweise angeordnet sind, wobei sie auch die Druckhaltbarkeit der Struktur verbessern, wenn sich die Grate der Einschnitte gegenseitig unterstützen. Allerdings ist ein wichtigerer Aspekt die Bedeutung der Einschnitte für den Wärmeaustausch: die Form der Einschnitte und ihr Winkel bezüglich der Ströme beeinflusst zum Beispiel den Wärmeaustausch und Druckverluste. In herkömmlichen Plattenwärmetauschern strömt ein wärmezuführendes Medium in jedem zweiten Spalt zwischen den Platten, und ein wärmeempfangendes Medium in den restlichen Spalten. Der Strom wird zwischen den Platten mittels Löcher geleitet, die sich in der Nähe der Ecken der Platten befinden. Jeder Spalt zwischen den Platten enthält immer zwei Löcher mit geschlossenen Rändern und zwei andere Löcher, die als Einlass- und Auslasskanäle für den Spalt zwischen den Platten fungieren. Die Plattenwärmetauscher bestehen gewöhnlich aus relativ dünnen Platten, wobei eine kleine und leichte Struktur erhalten wird. Weil die Platten in eine gewünschte Form profiliert werden können, ist es möglich, die Wärmeaustauscheigenschaften auf die bestmögliche Weise für das Ziel der Anwendung geeignet zu machen. Die größte Schwäche von herkömmlichen Plattenwärmetauschern sind die Dichtungen, welche die Druck- und Temperaturhaltbarkeit der Wärmetauscher begrenzen. In verschiedenen Fällen haben die Dichtungen die Verwendungsmöglichkeiten auch beeinträch tigt, wenn das wärmezuführende oder wärmeempfangende Medium korrosiv war.
Versuche wurden unternommen, um die Plattenwärmetauscherkonstruktionen zu verbessern durch Weglassen von einigen oder allen Dichtungen und Ersetzen dieser mit gelöteten Verbindungen oder geschweißten Nähten. Durch Löten hergestellte Plattenwärmetauscher ähneln gewöhnlich denen, die mit Dichtungen ausgestattet sind. Der wichtigste äußere Unterschied ist das nicht Vorhandensein von Spannungsschrauben zwischen den Enden. Auf Grund der Struktur war es nicht möglich, solche Wärmetauscher auseinander zu nehmen.
Versuche wurden unternommen, die Vorteile des Rohrwärmetauschers und des Plattenwärmetauschers in Wärmetauschern zu verbinden, deren Konstruktion teilweise beiden dieser grundlegenden Typen ähnelt. Eine solche Lösung ist in der finnischen Patentveröffentlichung FI 79409 offenbart, in welcher kreisförmige oder vieleckige Platten aufeinander gestapelt werden, um einen Plattenstapel zu bilden, der mittels Endplatten gehalten wird. Der Plattenstapel ist von einem Mantel umgeben, dessen Seiten mit Zufluss- und Abflusskanälen für Ströme von wärmezuführenden und wärmeempfangenden Medien versehen sind. Abweichend von herkömmlichen Plattenwärmetauschern werden alle Ströme in die Spalten zwischen den Platten von außerhalb der Platten geleitet. In der Veröffentlichung wird das grundlegende Problem von Plattenwärmetauschern, d.h. ihre Dichtigkeit, als ein nebensächlicher Aspekt vernachlässigt, ohne eine Lösung zu diesem bestimmten Problem bereitzustellen. Wenn der Wärmetauscher gemäß der Veröffentlichung durch Schweißen geschlossen wird, ist es möglich, dieselben Druckklassen zu erreichen wie wenn ein Rohrwärmetauscher ver wendet wird, wobei die Wärmeaustauscheigenschaften den Eigenschaften des Plattenwärmetauschers entsprechen.
Die finnische Patentveröffentlichung FI 84659 legt eine Lösung dar, welche deutliche Merkmale zeigt, die sowohl für Plattenwärmetauscher als auch Rohrwärmetauscher typisch sind. Die kreisförmigen Platten sind miteinander in Paaren verbunden, indem sie an den Rändern von Löchern, welche Zufluss- und Abflusskanäle bilden, zusammengeschweißt sind. Durch Zusammenschweißen der Plattenpaare, die auf die obige Art hergestellt wurden, an den äußeren Rändern der Platten wird ein geschlossener Kreislauf für den Strom eines Wärmetransfermediums erreicht. Abweichend von den herkömmlichen Wärmeplattentauschern ist die Struktur geschweißt und es befinden sich nur zwei Löcher in den Platten. Der Strom eines anderen Wärmetransfermediums wird zu jedem zweiten Spalt zwischen den Platten mittels eines Mantels geleitet, der den Plattenstapel umgibt. Um zu verhindern, dass der Strom zwischen dem Plattenstapel und dem Mantel läuft, werden Dichtungen verwendet, welche vornehmlich als Steller für den Strom verwendet werden. Natürlich ist eine Druckhaltbarkeit der Stromsteller nicht notwendig. Auf Grund der Struktur des Plattenstapels ist es schwierig, die Dichtung zu implementieren. Zum Beispiel werden elastische Gummidichtungen zum Abdichten verwendet, wobei es möglich ist, die Wärmetauscher beispielsweise für Reinigungszwecke auseinander zu nehmen. Somit ist das Problem der Abdichtung nicht so wesentlich wie in der Lösung gemäß der Veröffentlichung FI 79409 .
Weitere Beispiele für Plattenwärmetauscher werden in US 3424240 , US 3831674 und US 4470454 gegeben.
Der Zweck dieser Erfindung ist es, einen Plattenwärmetauscher ohne Abdichtungsprobleme und mit einer Druckhaltbarkeit herzustellen, die den Eigenschaften von Rohrtauschern entspricht, und in welchem die Wärmeaustauscheigenschaften wie bei einem Plattenwärmetauscher gewählt werden können. Die Abdichtungsprobleme werden durch Schweißen der Verbindungen vermieden, und die Steller können vollständig zwischen dem Mantel und dem Plattenstapel entfernt werden. Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher hat einen extrem weiten Anwendungsbereich, und er kann für den Wärmeaustausch zwischen Medien in verschiedenen Phasen verwendet werden.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass sich Löcher in dem Zentrum der kreisförmigen Wärmeaustauschplatten befinden, welche einen Strömungskanal für ein Wärmetransfermedium bilden, mittels welchem Kanal der Strom in die Spalten zwischen den Platten und aus diesen heraus geleitet wird. Für den Fluss des anderen Wärmetransfermediums sind die Platten mit separaten Löchern für Zufluss- und Abflusskanäle versehen. Weil der Plattenstapel ein massives Stück ist, welches zusammengeschweißt ist, kann er in abnehmbarer Weise beispielsweise in einem Zylinder angeordnet werden, welcher geöffnet werden kann, von welchem Ort der Plattenstapel zum Reinigen oder Reparieren entfernt werden kann. Der zentrale Kanal kann auch als Halterung für die Endplatten fungieren, wenn er mit einem Stab, Rohr oder Ähnlichem ausgestattet ist. Mittels eines teilweise geöffneten Rohrs in dem zentralen Kanal und eines teilweise geöffneten Mantels ist es möglich, die Ströme des erfindungsgemäßen Wärmetauschers auf eine fast unbegrenzte Weise zu ändern. Genauer gesagt ist der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher gekennzeichnet durch das, was in den nachstehenden Ansprüchen dargelegt wird.
Der geschweißte erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher ist mit kreisförmigen eingeschnittenen Platten versehen, welche derart miteinander verbunden sind, dass Strömungskanäle für das wärmezuführende Medium und wärmeempfangene Medium zwischen den Platten gebildet werden. Um die Ströme in die Spalten zwischen den Platten und aus diesen heraus zu leiten, ist der Plattenwärmetauscher mit Kanälen ausgestattet, die mit Zufluss- und Abflussanschlüssen verbunden sind. Damit der Plattenstapel, der aus relativ dünnen Platten besteht, Druck aushält, werden seine Enden mit Endplatten gehalten, welche mit Halterungen, Stäben, einem Mantel, oder Ähnlichem miteinander verbunden sind. In der Mitte der kreisförmigen Platten des Plattenwärmetauschers, welche den Plattenstapel und die Wärmetransferflächen bilden, befindet sich mindestens ein Loch, das einen zentralen Kanal bildet. Die Platten des Plattenwärmetauschers sind in Paaren zusammengefügt an den äußeren Rändern der Löcher, die sich in der Mitte der Platten befinden, und an den äußeren Rändern der Platten des besagten Plattenpaares, auf eine Weise, dass ein geschlossener Strömungskanal für ein Wärmetransfermedium im Inneren der Plattenpaare gebildet wird. Zusätzlich zu dem Loch in der Mitte sind die Platten des Plattenpaares mit mindestens einem Loch versehen, mit dem die Platte an einem entsprechenden Loch in dem benachbarten Plattenpaar befestigt ist. Die Platten sind mit zwei Löchern zusätzlich zu dem Loch in der Mitte versehen, wobei die Löcher Zufluss- und Abflusskanäle für die Strömungskanäle im Inneren der Plattenpaare bilden. Die äußeren Ränder der Strömungskanäle, die zwischen den Plattenpaaren gebildet werden, sind offen und der Fluss in sie hinein und aus ihnen heraus findet mittels des zentralen Kanals statt.
Der Plattenstapel bestehend aus den Platten des Plattenwärmetauschers wird zwischen den Endplatten gehalten. Die Endplat ten können aneinander mit Stäben oder ähnlichem befestigt werden, wobei der äußere Rand des Plattenwärmetauschers hauptsächlich offen gelassen wird, oder die Endplatten können mit einer Mantelstruktur verbunden werden, wodurch der gesamte äußere Rand geschlossen werden kann. Der zentrale Kanal kann auch mit einem Rohr oder ähnlichem versehen werden, um die Endplatten zu halten. Der Strom des Wärmetransfermediums tritt ein in oder verlässt den offenen zentralen Kanal in der radialen Richtung der Platte. Somit überkreuzt der Strom des zweiten Wärmetransfermediums den Strom des ersten, wobei der Plattenwärmetauscher ein Querstrom-Wärmetauscher ist. Der Mantel des Plattenwärmetauschers kann an dem gewünschten Ort geöffnet sein, um den Strom des Wärmetransfermediums dem Plattenwärmetauscher zuzuführen oder ihn von ihm abzuführen. Die Ströme werden von dem Mantel gesteuert, der sich an dem Plattenstapel anliegend befindet, von einem Rohr, das sich im Inneren des zentralen Kanals an dessen Wänden anliegend befindet, und von Öffnungen an dem Mantel und in dem Rohr. Durch Auswahl der Orte der Öffnungen und Löcher an den Platten funktioniert der Plattenwärmetauscher sowohl als ein Vorwärtsstromtauscher als auch ein Gegenstromtauscher. Die Querschnittsfläche des Stroms zwischen den Platten wird durch den parallelen Strom auf beiden Seiten des zentralen Kanals vergrößert. Die Strömungsbedingungen zwischen den Platten können durch Ändern des Winkels β zwischen den Graten der Einschnitte auf den Platten, die gegeneinander platziert sind, gesteuert werden, wobei durch Verwenden kleinerer Winkel größere Strömungsmengen für Ströme von gasförmigen Medien durch den Wärmetauscher erreicht werden. Dementsprechend können die Ströme von flüssigen Medien kleiner sein und der Winkel β kann größer sein. Indem man die Querschnittsflächen der Einschnitte in den Platten variabel in der Größe A₁ > A₂ macht, ist es möglich, größere Volumenströme auf der Gasseite als auf der flüssigen Seite zu fördern. Die Einschnitte auf den Platten des Plattenwärmetauschers können auch symmetrisch bezüglich der Mitte der Platte gemacht werden. Somit bleiben die Strömungsbedingungen fast gleich in den verschiedenen Teilen der Platte und in allen Strömungsarten.
Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher hat eine einfache Struktur. Aufgrund der kreisförmigen Form ist es möglich, die Herstellungstechniken, beispielsweise das Schweißen, mit relativ geringen Kosten zu automatisieren. Die kreisförmige Form verbessert auch die Druckhaltbarkeit. Wenn eine zylindrische äußere Hülle verwendet wird, kann ein Ende angeordnet sein, um geöffnet zu werden, wobei es möglich ist, die Wärmetransferflächen auf mindestens einer Seite zu reinigen. Es ist möglich, eine große Wärmetransferfläche in die kleine Größe und das leichte Gewicht aufzunehmen. Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher kann aus einem korrisionsbeständigen Material hergestellt werden, z.B. Titan, mit moderaten Kosten, weil die Materialdicken der Platten auf Grund der Struktur gering sind.
Der geschweißte erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher kann auf eine breite Vielfalt von Arten und in zahlreichen Situationen verwendet werden. Der Plattenwärmetauscher kann als Querstrom-, Vorwärtsstrom- und Gegenstromwärmetauscher verwendet werden. Wärmeaustausch zwischen Medien in verschiedenen Phasen und in derselben Phase ist möglich. In verschiedenen Technologiefeldern kann der Wärmetauscher, außer als herkömmlicher Wärmetauscher verwendet zu werden, auch beispielsweise als ein Kühler, ein Verdampfer, ein Kondensator, ein Erhitzer, und ein Abhitzekessel verwendet werden.
Im Folgenden wird die Erfindung mittels Beispielen und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in welchen
1 einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher in einer quergeschnittenen schematischen Seitenansicht zeigt, in einer Ausführungsform, in der der Plattenwärmetauscher einen offen äußeren Rand aufweist,
2 schematisch die Position der übereinandergelagerten Platten des Plattenwärmetauschers als auch die Position der Einschnitte der Platten in dem Plattenstapel zeigt,
3 einen Teil des Plattenstapels zeigt, der von den Platten gemäß 2 gebildet wird,
4 die Profile der Platten von 2 und 3 in einem Querschnitt zeigt,
5 einen Teil des Plattenstapels, in welchem die Einschnitte der Platten an ihrem Boden abgeflacht sind, zeigt,
6 die Profile der Platten gemäß 5 in einem Querschnitt zeigt,
7 eine schematische Seitenansicht des Querschnitts eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers zeigt, in einer Ausführungsform, die einen Mantel und ein Rohr umfasst, das in dem zentralen Kanal angeordnet ist,
8 schematisch einen quergeschnittenen Plattenwärmetauscher zeigt, der mit einem offenen Mantel und einem zentralen Rohr versehen ist, und nach einem Gegenstromprinzip funktioniert,
9 schematisch den Plattenstapel des Plattenwärmetauschers zeigt, und die Werte, die in Berechnungen verwendet werden sollen, und
10 eine schematische Draufsicht des Plattenstapels des Plattenwärmetauschers in einer Ausführungsform zeigt, bei der die Platten symmetrisch im Bezug auf ihre Mittel eingeschnitten sind.
In 1 wird ein geschweißter Plattenwärmetauscher 1 als ein Kühler oder ein Heizgerät verwendet. Um die schematische 1 zu vereinfachen, sind die Einschnitte auf den Platten des Plattenwärmetauschers in der Figur nicht gezeigt. In 1-10 bilden die Platten 2 und 3 ein Plattenpaar 4, welches beispielsweise durch Schweißen an den äußeren Rändern 5 zusammengefügt ist. Gleichermaßen ist das Plattenpaar 4 an dem zentralen Loch 6 der Platten 2 und 3 entlang seines Randes 7 zusammengefügt. Die Plattenpaare 4 werden durch Schweißen an den Löchern 8 und 9 entlang deren äußerer Ränder 10 und 11 aneinander befestigt. Die miteinander verbundenen Plattenpaare 4 bilden einen Plattenstapel 12, im Inneren dessen ein zentraler Kanal 13 von den zentralen Löchern 6 der Platten 2, 3 gebildet wird. Dementsprechend bilden die Löcher 8 und 9 die Zufluss- und Abflusskanäle 14 und 15 für ein Wärmetransfermedium in den inneren Strömungskanälen 16 des Plattenstapels. Der zentrale Kanal 13 ist mit den Strömungskanälen 17 zwischen den Plattenpaaren 4 verbunden. Die Zufluss- und Abflusskanäle 14 und 15 für den inneren Strom des Plattenstapels 12 sind an mindestens einem Ende mit einem Zuflussanschluss 18 und einem Abflussanschluss 19 verbunden.
Der Strom des Wärmetransfermediums in diesem Kreislauf wird von undurchbrochenen Pfeilen 20 gezeigt.
Das Bezugszeichen 21 bezieht sich auf die Einschnitte auf den Platten 2 und 3, wobei der Boden der Einschnitte einen Grat 22 oder eine ebene Fläche 23 bildet. 2 zeigt den Winkel β zwischen den Graten der übereinandergelagerten Platten 2 und 3. 3-6 veranschaulichen, wie die Querschnittsflächen A₁ und A₂, die von den Einschnitten 21 gebildet werden, in der Größe variieren. Mit der Form und Anordnung der Einschnitte 21 wird eine erwünschte Proportion für die Querschnittsflächen erreicht. Zum Beispiel können die Strömungsvolumen eines gasförmigen Mediums vergrößert werden durch Vergrößern der Querschnittsfläche des Strömungskanals 16 oder 17. Die Platten 2 und 3 halten einander mittels Unterstützungspunkten 24, an welchen die Grate 22 und/oder die ebenen Flächen 23 der Einschnitte 21 gegeneinander platziert sind. Die benötigte strukturelle Stärke, die Materialien der Platten 2 und 3, und die Form der Einschnitte 21 bestimmen die Grenzen der Proportion zwischen den Querschnittsflächen A₁ und A₂.
Um den Plattenstapel 12 zu halten, werden steife Endplatten 31 und 32 verwendet. Die Endplatten 31 und/oder 32 sind mit den nötigen Löchern 33, 34 und 35 für die Kanäle 13, 14 und 15 oder ihre Anschlüsse 18, 19 versehen. In der Lösung gemäß 1 sind die Endplatten 31 und 32 mittels Schrauben 36 und Muttern 37 zusammengeschnürt. Um die Funktion zu veranschaulichen zeigt 1 Gebläse 38, welche an den Endplatten 31 und 32 befestigt sind und welche Gasströme erzeugen, die von Pfeilen 39 mit durchbrochenen Linien veranschaulicht werden.
7 und 8 zeigen eine Ausführungsform des Plattenwärmetauschers, in welcher die Strömungskanäle 16 und 17 von sowohl dem wärmezuführenden als auch dem wärmeempfangenden Medium geschlossen sind, und sie können mit Druck beaufschlagt werden. Die Endplatten 31 und 32 sind mittels eines Mantels 41 miteinander verbunden, der den Plattenstapel 12 umgibt. Für Wartungszwecke ist eine der Endplatten 31, 32 an dem Mantel 41 auf eine Weise befestigt, dass sie einfach abgenommen werden kann. Ein Rohr 42 oder Ähnliches ist an einer Öffnung 43 in dem Mantel 41 befestigt, und durch diese Öffnung wird der Strom 39 eines Wärmetransfermediums zu dem Plattenwärmetauscher 1 oder aus diesem hinaus geleitet. Der zentrale Kanal 13 des Plattenstapels 12 ist mit einem Rohr 44 versehen, welches eine Öffnung 45 für den Strom aufweist, entweder in das Rohr 44 oder aus diesem hinaus. 8 zeigt deutlich, dass es durch Wechseln der Richtung der Ströme 20 möglich ist, einen Gegenstromwärmetauscher in einen Vorwärtsstromwärmetauscher umzuwandeln. Durch Verschieben des Orts der Kanäle 14 und 15 um 90 Grad kann der Plattenwärmetauscher 1 gemäß 8 dazu gebracht werden, nach dem Querstromprinzip zu funktionieren. In herkömmlichen Plattenwärmetauschern, welche vier Löcher umfassen, waren die oben dargelegten Veränderungen nicht immer möglich.
Die folgenden Formeln sind anwendbar auf die Berechnungen, die in Verbindung mit einem Plattenwärmetauscher mit kreisförmigen Platten verwendet werden: Δp ≈ dh -1.2Lekvw1.8 (pa) Druckverlust a ≈ dh -0.36w0.64 (W/m2K) Wärmeübergangskoeffizient

dh: = hydraulischer Durchmesser in dem Einschnitt (m)
w: = Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Platten (m/s)
Lekv: = äquivalente Strömungslänge zwischen den Platten

L_ekv=f(α,L) 9 zeigt, dass α= der Anstiegswinkel des Einschnitts bezüglich der Strömungsrichtung und L= Strömungslänge Lekv ≈ (sinα)-1(cosα)0.7L
Wenn man den Einfluss des Winkels α auf die äquivalente Strömungslänge betrachtet, kann man feststellen, dass, wenn sich der Winkel beispielsweise in der Größenordnung von 45 Grad bis 15 Grad ändert, sich die äquivalente Strömungslänge um das dreifache und darüber hinaus vergrößert. In Versuchsläufen haben die erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher Wärmeübergangskoeffizienten erreicht, welche 300 W/m²K überschreiten. Die Wärmetransfereigenschaften des Plattenwärmetauschers 1 können nicht nur von der Form der Einschnitte 21 auf den Platten 2, 3 und dem Winkel β zwischen den Graten 22 der Einschnitte beeinflusst werden, sondern auch von der Größe des zentralen Lochs 6. Dementsprechend ist es möglich, durch Verkürzen der Strömungslänge beispielsweise in Fällen von radialer Strömung, den Wert des Winkels β zu vergrößern und den Druckverlust konstant zu halten, und somit die optimalen Werte für jede Verwendung zu finden. Die Möglichkeiten der Variation sind fast unbegrenzt.
In der Lösung gemäß 10 sind die Einschnitte 21 und ihre Grate in einer symmetrischen Position bezüglich der Mitte.
Somit ist der Wert des Winkels α überall der gleiche, sowohl in kreisförmigen Strömen als auch in radialen Strömen.
Wie in dem vorangegangen offenbart, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher 1 zu verwenden. Strukturell kann der Plattenwärmetauscher 1 entweder geöffnet oder geschlossen sein, wobei er in dem ersten Fall einen hauptsächlich offenen äußeren Rand aufweist, und er in dem letzteren Fall hauptsächlich mit einem Mantel oder ähnlichem geschlossen ist. Wenn man den offenen Plattenwärmetauscher 1 beispielsweise als einen Kühler oder ein Heizgerät verwendet, wird das vorteilhafteste Ergebnis erreicht, indem der Gasstrom 39 zu dem zentralen Kanal 13 oder aus diesem heraus in einer erzwungenen Strömung mittels Gebläsen 38 oder Ähnlichem geleitet wird. In dem zentralen Kanal 13 kann der Strom auch einseitig gerichtet sein, wobei nur eine Endplatte 31, 32 mit einem Loch 33 versehen ist. Wenn sich der zentrale Kanal 13 in einer vertikalen Position befindet, kann ein freies Strömen des Gases auch möglich sein. Die Strömung 20 im Inneren des Plattenstapels 12 kann erzwungen oder frei sein. Der Plattenwärmetauscher gemäß 1 funktioniert als ein Kühler in freier Zirkulation. Der warme Mediumstrom 20, der von oben zugeführt wird, wird von unten durch Gravitationswirkung abgeführt. Auch wird auf der Basis von Phasenübergängen eine ausreichende Zirkulation beispielsweise in Kondensatoren und Verdampfern erreicht.
Allerdings wird in dem geschlossenen Plattenwärmetauscher 1 das beste Leistungsvermögen typischerweise erreicht, wenn beide Ströme erzwungen sind. Wenn er sowohl gemäß dem Vorwärtsstromprinzip als auch gemäß dem Gegenstromprinzip funktioniert, werden die Ströme der Wärmetransfermedien in die Richtung der Ränder der Platten 2 und 3 sowohl in den inneren als auch den äußeren Strömungskanälen 16, 17 des Plattenstapels 12 geführt. Die innere Oberfläche des Mantels 41 liegt an den äußeren Rändern der Platten 2 und 3 an, wobei die Ränder zusammengeschweißt sind, und die äußere Oberfläche des Rohrs 44, das sich in dem zentralen Kanal 13 befindet, liegt an den geschweißten Rändern 7 der Löcher 6 an. An den oben genannten Stellen in den äußeren Strömungskanälen 17 des Plattenstapels 12 werden breitere Strömungskanäle gebildet, weil die Einschnitte 21 in diesen nicht vorhanden sind. Die Entfernung von der Öffnung 43 entlang der inneren Oberfläche des Mantels 41 zu der Öffnung 45 des Rohrs 44, das sich in dem zentralen Kanal 13 befindet, ist allerdings beträchtlich länger als die Entfernung über die Mitte der Platten 2, 3. Die Ströme an der inneren Oberfläche des Mantels 41 und der äußeren Oberfläche des Rohrs 44 sind gering, so dass es nicht notwendig ist, sie zu berücksichtigen, und somit sind getrennte Strömungssteller oder Dichtungen nicht nötig. Die freie Strömung, die auf Gravitation basiert, kann optional in einem geschlossenen Plattenwärmetauscher 1 werden, wenn die Konstruktion beispielsweise als ein Erhitzer verwendet wird, wobei der zentrale Kanal 13 als eine Verbrennungskammer funktioniert, und der Plattenstapel 12 einen Konvektionsteil bildet. Das erhitzte Wasser steigt von dem Kanal 15 mittels der Strömungskanäle 16 zu dem Kanal 14. Dementsprechend kann der geschlossene erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher 1 auch als ein Abhitzekessel für verschiedene Verwendungszwecke verwendet werden. Die Zirkulation der Flüssigkeit kann somit entweder in einer freien oder erzwungenen Zirkulation angeordnet werden. Auf Grund seiner Druckhaltbarkeit und kompakten Größe kann der geschlossene erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher besonders gut beispielsweise als ein Verdampfer oder ein Kondensator in Geräten verwendet werden, die die Kühltechnik anwenden.
1-10 zeigen nicht die Struktur des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers 1, in welcher der Plattenstapel im Inneren eines geräumigen Mantels 41 angeordnet ist, und es ist kein Rohr 44 vorhanden, das den Strom im Inneren des zentralen Kanals 13 steuert. Solch eine Struktur ist geschlossen und sie ist beispielsweise für korrosive Bedingungen in Salzwasserwärmetauschern gut geeignet. Die Teile des Mantels 41 und die Endplatten 31 und 32, die die Belastung, die von dem Druck verursacht wird, aufnehmen, können aus Baustahl hergestellt werden, und die inneren Oberflächen, welche korrosionsgefährdet sind, werden mit korrosionsbeständigen Materialien beschichtet. Der Plattenstapel 12, der die geschweißten Wärmetransferflächen enthält, kann aus Titan hergestellt werden, welches hoch resistent gegen Korrosion ist. Solch eine Struktur kann auch in der Verarbeitungsindustrie und chemischen Industrie verwendet werden, in verschiedenen Arten von Reaktoren oder Ähnlichem.
In Plattenwärmetauschern 1, in denen der innere Durchmesser des Mantels 41 größer ist als der äußere Durchmesser des Plattenstapels 12, wird ein ringförmiger Kanal zwischen dem Mantel 41 und dem Plattenstapel 12 gebildet, zu welchem eine Strömung von dem zentralen Kanal 13 entlang den Strömungskanälen 17 geleitet wird, oder von welchem eine Strömung zu dem zentralen Kanal 13 geleitet wird.
Für jeden Fachmann ist es offensichtlich, dass nur wenige Ausführungsformen und Verwendungen des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers 1 in dem Vorangegangenen offenbart sind. Durch Kombinieren der oben dargelegten Ausführungsformen ist es möglich, vollkommen neue Lösungen innerhalb des Rahmens der erfinderischen Idee zu erhalten. Durch die Form und Verteilung der Einschnitte 21 ist es möglich, die Druckverluste zu beeinflussen und den Plattenwärmetauscher 1 derart zu konstruieren, dass er auch beispielsweise mit einheitlichen viskosen Medien funktioniert. Naturgemäß können die Platten 2 und 3 des Plattenwärmetauschers 1 auch verschieden sein, oder einige der Platten in dem Plattenstapel 12 können verschieden sein. Es ist möglich, die Kanäle 13, 14, 15 des Plattenwärmetauschers 1 zu teilen, für den Zweck, den Wärmeaustausch abzustufen. Die Platten 2 und 3 des Plattenstapels 12 können natürlich mit anderen Verfahren und in verschiedener Reihenfolge miteinander verbunden werden, im Gegensatz zu dem, was oben innerhalb des Rahmens der erfinderischen Idee dargelegt wurde. Neben Schweißen kann das Verbinden auch mittels Klebstoffen, durch Löten, oder mit entsprechenden Techniken durchgeführt werden.

Claims

Geschweißter Plattenwärmetauscher (1), bestimmt für den Wärmeaustausch zwischen Strömen von Medien in unterschiedlichen Phasenzuständen, z.B. flüssig und gasförmig, der aufweist: – im Wesentlichen kreisförmige Platten (2, 3), die miteinander verbunden sind, und die die Oberflächen für den Wärmeaustausch im Plattenwärmetauscher (1) bilden, wobei zwei zusammengefügte Platten (2, 3) ein Plattenpaar (4) bilden, und benachbarte Plattenpaare (4), die zusammengefügt sind, einen Plattenstapel bilden (12), – erste Strömungskanäle (16, 17) für ein wärmezuführendes Medium und zweite Strömungskanäle (16, 17) für ein wärmeempfangendes Medium, die zwischen den miteinander verbundenen Platten (2, 3) gebildet werden, – Kanäle (13, 14, 15), die die wärmezuführenden Ströme und die wärmeempfangenden Ströme den Strömungskanälen (16, 17) zuleiten und sie von diesen ableiten, und die Anschlüsse für Zu- und Abfluss (18, 19) der Kanäle, und – Endplatten (31, 32), die den Plattenstapel (12) halten und dazwischenliegende Halterungen (36, 37, 41), wobei – die im Wesentlichen kreisförmigen Platten (2, 3) des Plattenwärmetauschers (1), die die Oberflächen für den Wärmeaustausch und einen zentralen Kanal (13) bilden, mit mindestens einem Loch (6) versehen sind, das sich im Wesentlichen in der Mitte der Platte (2, 3) befindet, – die Platten (2, 3) des Plattenwärmetauschers (1) als Plattenpaare (4) zusammengefügt sind, indem die Platten an den Rändern (7) der Löcher (6) in der Mitte der Platten (2, 3) und an den äußeren Rändern (5) der Platten (2, 3) desselben Plattenpaars (4) verschweißt sind, wodurch Strömungskanäle (16) im Inneren des Plattenpaars gebildet werden, und – die Plattenpaare (4), die an den Rändern (7) der Löcher (6) und durch die äußeren Ränder (5) geschlossen sind, an mindestens einer Stelle entlang der Ränder (10, 11) der Löcher (8, 9) zusammengeschweißt sind, die sich außerhalb der Mitte der Platten (2, 3) des Plattenpaars (4) befinden, wodurch Strömungskanäle (17) zwischen den Plattenpaaren und dem zentralen Kanal (13) durch die Löcher (6), die sich im Wesentlichen in der Mitte der Platten befinden, gebildet werden, – zwischen den Plattenpaaren (4) des Plattenwärmetauschers (1) gebildete Strömungskanäle (17) an ihrem äußeren Rand geöffnet sind, und der zentrale Kanal (13), der durch die Löcher (6) in der Mitte der Platten (2, 3) gebildet wird, der Zu- oder Abflusskanal für die Strömungskanäle (17) ist, – der Plattenstapel (12) zwischen den genannten Endplatten (31, 32) und der Halterung (36, 37, 41), die die Endplatten miteinander verbindet, so angeordnet ist, dass die äußere Begrenzung des Plattenwärmetauschers (1) mindestens teilweise geöffnet ist – die Platten (2, 3) des Plattenwärmetauschers (1) so eingeschnitten sind, dass die Querschnittsfläche (A₁) der Einschnitte (21) in den Strömungskanälen (17), die zwischen den Plattenpaaren gebildet werden, größer ist als die Querschnittsfläche (A₂) der Einschnitte (21) in den Strömungskanälen (16), die im Inneren der Plattenpaare gebildet werden dadurch gekennzeichnet, dass – die Platten mit zwei Löchern (8, 9) versehen sind, zusätzlich zu dem Loch (6) in der Mitte der Platte, und die genannten beiden Löcher (8, 9) die Zu- und Abflusskanäle (14, 15) für die Strömungskanäle (16) im Inneren der Plattenpaare bilden, und dass – jede Platte (2, 3) des Plattenwärmetauschers (1) mit zueinander parallelen Einschnitten (21) ausgestattet ist, und dass der Winkel β zwischen den Graden (22) der Einschnitte (21) aneinander gesetzter Platten (2, 3) wesentlich kleiner in den Strömungskanälen (17) ist, die zwischen den Plattenpaaren gebildet werden, als in den Strömungskanälen (16), die im Inneren der Plattenpaare gebildet werden.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung, die den Plattenstapel (12) zwischen den Endplatten (31, 32) hält, ein Mantel (41) ist, wobei die Endplatten (31, 32) und der Mantel (41) einen Raum bilden, in dem der Plattenstapel (12) angeordnet wird, wobei der Mantel (41) teilweise geöffnet ist, um das Wärmetransfermedium dem Plattenwärmetauscher (1) zuzuführen oder es von ihm abzuführen.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluss des Wärmetransfermediums, das in den zentralen Kanal (13) des Plattenwärmetauschers (1) ein- oder aus diesem austritt, im Wesentlichen parallel zu den Radien der Platten (2, 3) ist, und der Fluss des anderen Transfermediums im Wesentlichen senkrecht zu den Radien der Platten (2, 3) ist, wobei der Plattenwärmetauscher (1) nach einem Querstromprinzip funktioniert.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Kanal (13) des Plattenwärmetauschers (1) mit einem Rohr (44) oder Ähnlichem versehen ist, das teilweise geöffnet ist, und das den Fluss des in den zentralen Kanal (13) eintretenden oder aus dem zentralen Kanal austretenden Wärmetransfermediums kontrolliert.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatten (31, 32) des Plattenwärmetauschers (1) an sowohl dem Mantel (41) als auch dem Rohr (44), oder Ähnlichem, das in dem zentralen Kanal (13) untergebracht ist befestigt sind und von diesem gehalten werden.
Plattenwärmetauscher nach jedem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Öffnungen (43, 45), die sich in dem Mantel (41) des Plattenwärmetauschers (1) und in dem im zentralen Kanal (13) platzierten Rohr (44) befinden, als auch die Löcher (8, 9), die die Plattenpaare (4) miteinander verbinden, zueinander in einer Weise angeordnet sind, dass die Flüsse der Wärmetransfermedien in dieselbe Richtung laufen, wobei der Plattenwärmetauscher nach einem Parallelstromprinzip funktioniert.
Verwendung eines Plattenwärmetauschers nach Anspruch 1 als einen Kühler.
Verwendung eines Plattenwärmetauschers nach Anspruch 1 als einen Verdampfer.
Verwendung eines Plattenwärmetauschers nach Anspruch 1 als einen Kondensator.
Verwendung eines Plattenwärmetauschers nach Anspruch 1 als ein Heizgerät.