Plattenwärmeaustauscher

Abstract

 Es wird ein Plattenwärmeaustauscher aus gegeneinander um 180° gedreht zu einem Stapel gespannten Platten (1) angegeben, bei dem die Plattenzwischenräume über Zu- und Abströmöffnungen (5,6,7,8) der Plattenecken mit den Medien beschickt werden und sich über ihre Profilierung (10) gegeneinander abstützen, wobei die Profilierung (10) einen mittleren, rechteckigen und zwei daran anschließende dreieckförmige Wärmeaustauschbereiche bildet. Dabei ist die Profilierung (10) des mittleren Wärmeaustauschbereiches wenigstens einer Platte (1) gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen mit einem Winkel versehen und durch wenigstens einen in Richtung der direkten Strömungsverbindung kurzen, sich quer dazu über die gesamte Plattenbreite erstreckenden Abschnitt unterbrochen, dessen Profilierung (10) gegenüber der direkten Strömungsverbindung einen gegenüber der übrigen Plattenprofilierung größeren Winkel aufweist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher mit einer Mehrzahl im wesentlichen rechteckiger, miteinander fluchtender und durch Prägen mit einer Profilierung in Form von Wellenbergen und -tälern versehener Platten, die abwechselnd um 180° gegeneinander gedreht unter gegenseitiger Abdichtung und unter Anlage der aufeinander zu gerichteten Profilierung benachbarter Platten gegebenenfalls lösbar zu einem Stapel gespannt sind, wobei die Platten zwischen sich abwechselnd für ein erstes und ein dazu im wesentlichen parallel geführtes zweites Medium durch die Umfangsdichtung umfangene Strömungsräume bilden, die über miteinander fluchtende, von in den Eckbereichen der Platten angeordneten Durchbrechungen gebildete Zu- und Abströmöffnungen mit dem jeweiligen Medium beschickbar sind, wobei ferner die Platten einen mittleren, im wesentlichen rechteckigen und zwei auf gegenüberliegenden Seiten daran anschließende, die Zu- und Abströmöffnungen enthaltende, im wesentlichen dreieckförmige Wärmeaustauschbereiche aufweisen, und wobei bei wenigstens einer der Platten die Profilierung des mittleren Wäremaustauschbereiches gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen einen Winkel aufweist.

[0002] Bei solchen Plattenwärmeaustauschern sind benachbarte Platten über entlang ihrem Umfang angeordnete Dichtungen in Form von elastischen Dichtungen, gegenseitiger Verschweißung oder gegenseitiger Verlötung gegeneinander verspannt, so daß die Dichtungen die zwischen den Platten gebildeten Räume abgrenzen. Nachfolgend wird im wesentlichen von elastischen Umfangsdichtungen ausgegangen, ohne daß dadurch bezüglich der Umfangsdichtungen eine Einschränkung gegeben sein soll.

[0003] Die Profilierung besteht bei den Platten derartiger Wärmeaustauscher in der Regel aus einer wellenförmigen, vielfach sinusförmig gewellten Prägung mit im Querschnitt gleichgroßen Wellenbergen und Wellentälern. Jedoch sind hierbei auch von der gleichen Querschnittsform abweichende Prägungen gebräuchlich und nachfolgend eingeschlossen.

[0004] Der Verlauf der Wellenberge und Wellentäler der Profilierung weist gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen, was in der Regel die Vertikale der Platten ist, je nach Anwendungsbereich des Plattenwärmeaustauschers unterschiedliche Winkel auf, wobei Winkel unter 45° zu sogenannten weichen Platten führen, während Winkel oberhalb 45° sogenannte harte Platten ergeben. Die harten, eine hohe Turbulenz bewirkenden Platten werden in der Regel für kleinere Durchsatzmengen der Medien verwendet und ergeben einen hohen Wärmeaustauschkoeffizienten. Demgegenüber finden die weichen Platten mit geringerem Wärmeaustauschkoeffizienten für die Durchsätze großer Mengen Anwendung.

[0005] Werden Platten der vorstehend beschriebenen Art im Stapel gegeneinander gepreßt, bewirkt der Preßdruck an den Platten über die Abstüzung der aufeinanderliegenden Profilierungen eine Tendenz der Platten dahingehend, daß sie sich quer zur direkten Strömungsverbindung bzw. der Vertikalachse strecken. Diese Tendenz, die im Bereich der Umfangsdichtungen zu Relativverschiebungen und damit zu Problemen führt, ist bei den sogenannten harten Platten relativ gering, da dort die Profilierung mehr quer zur Vertikalen ausgerichtet ist, also in dieser Richtung eine gewisse Stützwirkung ausübt. Demgegenüber führt jedoch die Profilierung der weichen Platten unter dem genannten Preßdruck zu einer größeren seitlichen Auswanderung. Um dem zu begegnen, wird bei den weichen Platten die Profilierung über die quer zur direkten Strömungsrichtung gesehene Breite der Platten mehrfach zick-zack-förmig bzw. fischgrätförmig abgeknickt, um der Platte in der genannten Querrichtung die erforderliche Stabilität zu geben.

[0006] Diese mehrfache Abknickung der Profilierung weicher Platten führt jedoch an den dadurch für den Strömungsverlauf gegebenen Umkehrpunkten zu unvollständigen Randkanälen im Bereich der Umkehrpunkte und zu Druckverlust erzeugenden Reflektionen insbesondere in den Randbereichen der Platten neben der Umfangsdichtung. Diese Druckverluste und die damit einhergehenden Turbulenzen sind zwar auf der einen Seite erwünscht, um die bei den weichen Platten sich ausbildenden laminaren Strömungsbilder zu stören. Andererseits können jedoch die Druckverluste nicht vollständig in eine Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung umgesetzt werden, so daß sie im Ergebnis eine Leistungsherabsetzung darstellen, die wie vorstehend ausgeführt, insbesondere aus Gründen der Festigkeit der weichen Platten in Kauf genommen werden muß.

[0007] Um bei weichen Platten diesem Problem zu begegnen, ist es bereits bekannt, die sich bei weichen Platten ergebende laminare Strömung durch Einprägen von Noppen bzw. "Stolperstellen", also die Erzeugung örtlicher Turbulenzen zu stören. Dies bedingt jedoch erhöhte Werkzeugkosten und führt nur bei dünnflüssigen Medien zu einer wirksamen Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten, da mit zunehmender Viskosität die Störstellen von der laminaren Strömungsschicht überdeckt werden, ohne daß größere Turbulenzen entstehen. Damit ist zwar auf Strömungsverhalten der durch weiche Platten gebildeten Strömungsräume ein gewisser Einfluß genommen, das Festigkeitsproblem dieser weichen Platten quer zur oben genannten direkten Strömungsverbindung kann jedoch dadurch keine Verbesserung erfahren, so daß es auch hier bei der Ausbildung unvollständiger Randkanäle und damit Druckverlust erzeugende Reflektionen infolge mehrfacher Abknickung der Profilierung bleibt.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, für die weichen Platten eines Plattenwärmeaustauschers der eingangs genannten Art eine Gestaltung anzugeben, die die Herabsetzung der Umkehrpunkte innerhalb der Profilierung erlaubt, andererseits den Platten eine mit harten Platten vergleichbare Stabilität quer zur genannten direkten Strömungsverbindung verleiht und schließlich an gewünschten Stellen ein "Aufbrechen" der sich ausbildenden laminaren Strömungsverhältnisse bewirkt. Die Lösung dieser Aufgabe soll mit Hilfe einfacher, für die Herstellung der in Rede stehenden Platten üblicher Werkzeuge möglich sein.

[0009] Ausgehend von einem Plattenwärmeaustauscher der eingangs genannten Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei den weichen Platten die Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches durch wenigstens einen in Richtung der direkten Strömungsverbindung kurzen, sich quer dazu über die gesamte Plattenbreite erstreckenden Abschnitt unterbrochen ist, dessen Profilierung gegenüber der direkten Strömungsverbindung einen gegenüber der übrigen Profilierung größeren Winkel aufweist.

[0010] Dabei kann die Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches einen Winkel unterhalb 45⁰ gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen aufweisen und der Abschnitt einen Winkel oberhalb 45°. Ebensogut ist es jedoch auch möglich, daß die Profilierung des Abschnittes im Abstand ihrer Wellen enger aneinander gerückt ist als die übrige Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches.

[0011] Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen bedeuten also, daß in die weichen Platten kurze Gürtel nach Art harter Platten eingezogen bzw. eingesetzt werden. Dies hat die Wirkung, daß weichen Platten innerhalb des Strömungsverlaufes zwischen den dreieckförmigen Bereichen quer zu diesem Strömungsverlauf eine genügende Stabilität gegen Ausdehnung unter dem den Plattenstapel bildenden Preßdruck gegeben wird, so daß die Profilierung der weichen Platten eine Reduzierung der Zahl ihrer Umkehrpunkte erfahren kann. Dies bedingt wiederum eine Herabsetzung von unvollständigen Randkanälen und Reflektionen.

[0012] Andererseits ergeben die kurzen Gürtel nach Art einer harten Platte eine wirksame Störung sich ausbildender laminarer Strömungsbilder der weichen Platten, wobei durch entsprechende Zahl und Anordnung der genannten Gürtel diese Störungen so positioniert werden können, daß sie immer dann auftreten, wenn sich an den weichen Platten eine annähernd laminare Strömung ausgebildet hat.

[0013] Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung besteht darin, daß der durch die Gürtel nach Art einer härteren Plattenprägung entstehende Druckverlust voll in Wärmeübergangsleistung umgesetzt wird.

[0014] Andererseits nimmt die insgesamte Härte des so gebildeten Strömungsraumes bzw. die bei gleicher Strömungsgeschwindigkeit übertragbare Wärmeleitung zwischen benachbarten Platten etwas zu, womit sich aus dem damit einhergehenden besseren Wärmeübergang eine kleinere Gesamtfläche des Wärmeaustauschbereiches ermöglicht.

[0015] Schließlich ist die Herstellung der erfindungsgemäßen "weichen" Platten äußerst kostengünstig, da die genannten Gürtel harter Prägung sich innerhalb des Prägewerkzeuges als Abschnitte eines Werkzeugs zur Herstellung von Platten harter Prägung ohne weiteres einsetzen lassen. Diese Gürtel können als Werkzeugteil in der üblichen Art hergestellt werden, wie dies für sogenannte harte Platten der Fall ist.

[0016] Insgesamt gilt für den vorstehenden Erfindungsgegenstand, daß die Abschnitte harter Prägung bzw. harter Plattenprofilierung so kurz wie möglich sein sollen, also keineswegs einen namhaften Teil des mittleren Wärmeaustauschbereiches einnehmen sollen, obwohl sie auf der anderen Seite in größerer Zahl vorgesehen werden können je nachdem, wie oft nach der Größe der Wärmeaustauschplatte deren Querstabilisierung einerseits und die Unterbrechung einer sich ausbildenden laminaren Strömung andererseits erforderlich ist.

[0017] Zweckmäßig ist es, daß bei benachbarten Platten die kurzen Abschnitte derart angeordnet sind, daß sie keine gegenseitige Überdeckung aufweisen. Auf diese Weise läßt sich die Entstehung eines Abschnittes zu großen Strömungswiderstandes vermeiden.

[0018] Ferner ist es vorteilhaft, daß die mittleren Wärmeaustauschbereiche und die kurzen Abschnitte eine V-förmige Profilierung mit einer Umkehrstelle auf der quer zur direkten Strömungsverbindung gelegenen Plattenmitte aufweisen. Dies ergibt sich einmal aus Symmetriegründen. Zum anderen ist aber gerade eben durch die erfindungsgemäße Gestaltung die Reduzierung der Umkehrpunkte bzw. Umlenkstellen der Profilierung auf eine solche Stelle möglich.

[0019] Schließlich ist es zweckmäßig, daß die Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches einen Winkel gegenüber der direkten Strömungsverbindung im Bereich von 60° und die Profilierung der kurzen Abschnitte im Bereich von 30° aufweist.

[0020] Weitere Merkmale und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform, die auf der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Plattengestaltung in Draufsicht;

Fig. 2 die Platte gemäß Fig. 1 als Gegenplatte in um 180° gedrehter Form und

Fig. 3 eine Mehrzahl der Platten gemäß Fig. 1 und 2 als Anordnung innerhalb eines Plattenstapels in Explosionsdarstellung in vereinfachter Wiedergabe.

[0021] Fig. 1 zeigt eine Platte 1 eines Plattenwärmeaustauschers mit im wesentlichen rechteckiger Konfiguration. Die Platte weist einen mittleren Wärmeaustauschbereich 2 und daran an beiden Enden anschließende, im wesentlichen dreieckförmige Wärmeaustauschbereiches 3, 4 auf, innerhalb derer in den Eckbereichen der Platte 1 Zu- und Abströmöffnungen 5, 6, 7, 8 angeordnet sind.

[0022] Der mittlere Wärmeaustauschbereich hat gegenüber der direkten oder Hauptströmungsrichtung 9, die gleichzeitig im wesentlichen mit der vertikalen Mittellängsachse der Platte 1 übereinstimmt, eine symmetrische Profilierung 10, die gegenüber der Achse 9 ersichtlich einen Winkel unterhalb 45⁰ aufweist.

[0023] Die entsprechend den eingangs gemachten Ausführungen weiche Profilierung 10 ist im Verlauf der Vertikalen der Platte 1 zweimal bei 11 unterbrochen durch eine Strömungsrichtung zwischen den Öffnungen 5, 6 kurzen Abschnitt einer solchen Plattenprofilierung, deren Winkel gegeüber der Vertikalen 9 oberhalb 45 liegt. Auch diese Profilierung ist bezüglich der Vertikalmittellängsachse symmetrisch so angeordnet, daß die Knickstelle der Profilierung auf dieser Vertikalachse 9 liegt.

[0024] Außerhalb der die Wärmeaustauschbereiche 3, 4, 10, 11 umgebenden Kontur 12, aber innerhalb der Außenkontur 13 der Platte 1 ist eine Umfangsdichtung 20 angeordnet derart, daß im Falle der Fig. 1 das dort auf der dem Betrachter zugewandten Seite der Platte strömende Medium sich zwischen Öffnungen 5, 6 bewegt und gegenüber den Öffnungen 7, 8 abgesperrt ist, während bei der Gegenplatte gemäß Fig. 2 die entsprechende Dichtung 20 so angeordnet ist, daß auf dem nächsten Strömungsspalt das andere Medium zwischen den Öffnungen 7, 8 in gegenüber den Öffnungen 5, 6 abgesperrter Form fließt.

[0025] Im übrigen sind die Platten gemäß Fig. 1 und 2 gleichermaßen ausgebildet, nur ist die Platte gemäß Fig. 2 eine Platte gemäß Fig. 1 in um 180° in der Plattenebene gedrehter Form. Daraus ist auch ersichtlich, daß sich dann die Bereiche 11 bei aufeinanderliegenden Platten gemäß Fig. 1 und 2 nicht gegenseitig überdecken.

[0026] Fig. 3 zeigt die Explosionsdarstellung mehrerer aneianderliegender Platten gemäß Fig. 1 und 2, also Platten mit einem "weichen" Prägemuster für große Massendurchsätze bei geringem Wärmeaustausch zwischen den zusammengeführten Medien, die im skizzierten Strömungsbild einerseits gemäß der Strömungslinie 14, 15 und andererseits gemäß der Strömungslinie 16, 17 zu- bzw. abströmen.

[0027] Auch hier ist noch einmal ersichtlich, daß die als quer zur Vertikalen 9 angeordneten Gürtel 11 harter Prägung bei benachbarten Platten nicht aufeinander zu liegen kommen, anderseits aber in so ausreichender Zahl über die Höhe der Platten angeordnet sind, daß sie an geeigneten Stellen die sich an den weichen Profilierungen 10 der mittleren Plattenbereiche ausbildenden laminaren Strömungen gestört werden, andererseits die Platten quer zur Vertikalen 9 eine genügende Stabilität gegenüber dem durch die Pfeile 18, 19 angedeuteten Preßdruck aufweisen, durch den die Platten in an sich bekannter Weise zu einem Paket miteinander verspannt sind und unter dem sie sich quer zur Vertikallinie 9 zu verbreitern suchen.

Ansprüche

1. Plattenwärmeaustauscher mit einer Mehrzahl im wesentlichen rechteckiger, miteinander fluchtender und durch Prägen mit einer Profilierung in Form von Wellenbergen und -tälern versehener Platten, die abwechselnd um 180° gegeneinander gedreht unter gegenseitiger Abdichtung und unter Anlage der aufeinander zu gerichteten Profilierung benachbarter Platten gegebenenfalls lösbar zu einem Stapel gespannt sind, wobei die Platten zwischen sich abwechselnd für ein erstes und ein dazu im wesentlichen parallel geführtes zweites Medium durch die Umfangsdichtung umfangene Strömungsräume bilden, die über miteinander fluchtende, von in den Eckbereichen der Platten angeordneten Durchbrechungen gebildete Zu- und Abströmöffnungen mit dem jeweiligen Medium beschickbar sind, wobei ferner die Platten einen mittleren, im wesentlichen rechteckigen und zwei auf gegenüberliegenden Seiten daran anschließende, die Zu- und Abströmöffnungen enthaltende, im wesentlichen dreieckförmige Wärmeaustauschbereiche aufweisen, und wobei wenigstens einer der Plattenprofilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen einen Winkel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei dieser Platte (1) die Profilierung (10) des mittleren Wärmeaustauschbereiches durch wenigstens einen in Richtung der direkten Strömungsverbindung (9) kurzen, sich quer dazu über die gesamte Plattenbreite erstrekkenden Abschnitt (11) unterborchen ist, dessen Profilierung gegenüber der direkten Strömungsverbindung einen gegenüber der übrigen Profilierung größeren Winkel aufweist.

2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenprofilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches einen Winkel unterhalb 45 gegenüber der direkten Strömungsverbindung zwischen den dreieckförmigen Wärmeaustauschbereichen aufweist und der Abschnitt (11) einen Winkel oberhalb 45.

3. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung des Abschnittes (11) im Abstand ihrer Wellen enger aneinandergerückt ist als die übrige Profilierung des mittleren Wärmeaustauschbereiches.

4. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei benachbarten Platten (1) die kurzen Abschnitte (11) derart angeordnet sind, daß sie keine gegenseitige Überdeckung aufweisen.

5. Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Wärmeaustauschbereiche (2) und die kurzen Abschnitte (11) eine V-förmige Profilierung mit einer Umlenkstelle auf der quer direkten Strömungsverbindung gelegenen Plattenmitte (9) aufweisen.

6. Plattemwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierung (10) des mittlerem Wärmeaustauschbereiches (2) einen Winkel gegenüber der direkten Strömungsverbindung (9) im Bereich von 60° und die Profilierung der kurzen Abschnitte (11) im Bereich von 30° aufweist.

Zeichnung