Plattenwärmetauscher, inbesondere Plattenreaktor

Abstract

 Plattenwärmetauscher (1), insbesondere Plattenreaktor, mit übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten (2), zwischen welchen primärseitige Strömungskanäle (I) für ein erstes Wärmetauschermedium und sekundärseitige Strömungskanäle (II) für ein zweites Wärmetauschermedium ausgebildet sind, wobei die primärseitigen Strömungskanäle (I) mit wenigstens einem durch die Wärmetauscherplatten (2) verlaufenden Einlaßkanal (3) zur Zufuhr des ersten Wärmetauschermediums und mit wenigstens zwei durch die Wärmetauscherplatten (2) verlaufenden Auslaßkanälen (5,6) zur Ausgabe des ersten Wärmetauschers kommunizieren, wobei ein Medienraum zur Aufnahme des ersten Wärmetauschermediums im wesentlichen zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauscherplatten (2) gebildet ist, und daß das zweite Wärmetauschermedium stirnseitig ohne Zwischenschaltung von Einlaß- bzw. Auslaßkanälen in die sekundärseitigen Strömungskanäle (II) einführbar bzw. aus diesen abführbar ist.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, insbesondere einen Plattenreaktor, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Herkömmliche Plattenwärmetauscher weisen eine Anzahl übereinander angeordneter Wärmetauscherplatten auf. Zur Zu- und Abfuhr der entsprechenden Wärmetauschermedien sind für jedes der Wärmetauschermedien Einlaß- und Auslaßkanäle vorgesehen, welche durch die übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten sich erstrecken, und mit primärseitigen bzw. sekundärseitigen Strömungskanälen zwischen den Wärmetauscherplatten kommunizieren. Die Wärmetauscherplatten und die Einlaß- bzw. Auslaßkanäle sind hierbei derart ausgebildet, daß die primärseitigen und die sekundärseitigen Strömungskanäle nicht miteinander kommunizieren. Herkömmliche Wärmetauscherplatten weisen eine rechteckige Form auf, wobei zur Bildung der Ein- und Auslaßkanäle entsprechende Bohrungen in den Platten vorgesehen sind, welche bei Übereinanderanordnung der Platten miteinander fluchten. Zur Trennung der primärseitigen und sekundärseitigen Strömungskanäle sind sämtliche Wärmetauscherplatten, insbesondere umfangsseitig, miteinander verbunden. Ferner ist die Grundfläche der für die Wärmetauschermedien zur Verfügung stehenden Räume durch die Plattenabmessungen vorgegeben.

[0002] Ein wie oben beschriebener Plattenwärmetauscher ist beispielsweise aus der WO 91/16589 bekannt.

[0003] Aus der WO 8911627 ist es bekannt, anstelle der Auslaßkanäle eines zu verdampfenden Mediums die Kantenbereiche der Strömungskanäle zwischen den Wärmetauscherplatten teilweise offen auszubilden. Durch diese Maßnahme kann ein verdampftes Medium, welches ein wesentlich größeres Volumen als die ursprünglich verdampfte Flüssigkeit einnimmt, in vorteilhafter Weise aus dem Plattenwärmetauscher abgeführt werden.

[0004] Als nachteilig bei herkömmlichen Plattenwärmetauschern erweist sich, daß aufgrund der räumlichen Nähe der Einlaßkanäle für die verschiedenen Wärmetauschermedien thermisch bedingte Spannungen in den Wärmetauscherplatten auftreten. Aufgrund der Thermospannungen entsteht ein Kräftegleichgewicht, welches durch Plattenbereiche mit unterschiedlichen Temperaturen verursacht wird, wobei die Stärke der Spannungen beispielsweise von der Größe der Blechbereiche konstanter Temperatur abhängig ist.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Plattenwärmetauschers, mit dem auftretende Thermospannungen in einfacher Weise vermindert bzw. kompensiert werden können.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Plattenwärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

[0007] Erfindungsgemäß ist nun ein Plattenwärmetauscher geschaffen, bei welchem im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen wesentlich geringere thermisch bedingte Spannungen auftreten. Dadurch, daß auf Einlaßkanäle für eines der Wärmetauschermedien, insbesondere das Wärmeträgermedium, verzichtet wird, und dieses Wärmetauschermedium stirnseitig in die sekundärseitigen Strömungskanäle eingeführt wird, ist eine räumliche Nähe von Einlaßkanälen, welche ein noch sehr kaltes bzw. ein noch sehr heißes Wärmetauschermedium zuführen, vermieden.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0009] Zweckmäßigerweise ist der Einlaßkanal der primärseitigen Strömungskanäle im Bereich der Mittelachse des Plattenwärmetauschers in Hauptströmungsrichtung des ersten Wärmetauschermediums an einem ersten Ende des Plattenwärmetauschers angeordnet, wobei die zwei Auslaßkanäle der primärseitigen Strömungskanäle an dem anderen Ende des Plattenwärmetauschers symmetrisch bezüglich der Mittelachse angeordnet sind. Mit dieser Maßnahme ist eine im wesentlichen symmetrische bzw. Y-förmige Durchströmung der primärseitigen Strömungskanäle des Plattenwärmetauschers realisierbar. Hierdurch kann die Thermobeanspruchung der einzelnen Wärmetauscherplatten des Plattenwärmetauschers weiter vermindert werden.

[0010] Zweckmäßigerweise sind die Wärmetauscherplatten im Bereich der Einlaß- bzw. Auslaßkanäle mit einer gegenüber herkömmlichen rechteckigen Wärmetauscherplatten verringerten Grundfläche ausgebildet. Das heißt, die Kanten der einzelnen Wärmetauscherplatten, welche herkömmlicherweise zur Bildung einer rechteckigen Platte senkrecht zueinander verlaufen, können im Bereich des Einlaßkanals aufeinander zulaufen. Zwischen den symmetrisch um die Mittelachse ausgebildeten Auslaßkanälen kann eine Einbuchtung der Wärmetauscherplatten vorgesehen sein. Diese Formgebungen sind möglich, da erfindungsgemäß auf die Ein- bzw. Auslaßkanäle für das zweite Wärmetauschermedium verzichtet wird.

[0011] Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt:

Fig. 1

eine schematische perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers, und

Fig. 2

einen bevorzugten Aufbau übereinanderliegender Wärmetauscherplatten, welche bei dem Plattenwärmetauscher gemäß der Fig. 1 verwendbar sind.

[0012] Der in Fig. 1 dargestellte Plattenwärmetauscher ist insgesamt mit 1 bezeichnet. Er weist eine Anzahl übereinander angeordneter Wärmetauscherplatten 2 auf. Aus Gründen der Einfachheit der Darstellung sind hierbei lediglich die obere und die untere Platte 2 mit einer fischgrätenmusterartigen Strukturierung dargestellt. Es ist möglich, auch einige oder alle der zwischen der oberen und der unteren Platte liegenden Wärmetauscherplatten mit einer derartigen Strukturierung auszubilden.

[0013] Die Zwischenräume zwischen den Platten 2 bilden primärseitige bzw. sekundärseitige Strömungskanäle für mittels des Plattenwärmetauschers zu beaufschlagende Wärmetauschermedien. Es ist beispielsweise denkbar, abwechselnd übereinander primärseitige und sekundärseitige Strömungskanäle vorzusehen. Die primärseitigen und sekundärseitigen Strömungskanäle kommunizieren nicht miteinander.

[0014] Zur Zuleitung eines ersten Wärmetauschermediums, beispielsweise in die primärseitigen Strömungskanäle, ist ein Eingangskanal 3 vorgesehen, welcher ausschließlich mit den primärseitigen Strömungskanälen kommuniziert. Zur Bildung des Eingangskanals 3 sind die übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten 2 mit fluchtenden Bohrungen ausgebildet, wobei zwischen den einzelnen Platten, die Bohrungen jeweils umgebend, Beabstandungselemente 4 ausgebildet sind. Die Beabstandungselemente 4 dienen sowohl zur Einstellung eines gewünschten Abstandes zwischen den übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten, als auch zur Gewährleistung der gewünschten Kommunikation des Einlaßkanals 3 ausschließlich mit den primärseitigen Strömungskanälen. Zu diesem Zwecke in den Beabstandungselementen 4 vorgesehene Öffnungen sind an sich bekannt und werden nicht im einzelnen beschrieben. Die primärseitigen Strömungskanäle kommunizieren ferner mit Auslaßkanälen 5,6, welche bezüglich des Einlaßkanals 3 am entgegengesetzten Ende des Plattenwärmetauschers ausgebildet sind. Die Auslaßkanäle sind, analog zum Einlaßkanal, durch fluchtende Bohrungen in den Wärmetauscherplatten und Beabstandungselemente mit entsprechenden Öffnungen gebildet. Man erkennt, daß die Auslaßkanäle 5, 6 bezüglich der Mittelachse M des Plattenwärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung symmetrisch angeordnet sind. Zusammen mit dem Einlaßkanal 3 bilden die Auslaßkanäle 5,6 eine Y-förmige Anordnung, wodurch eine gleichmäßige und bezüglich der Mittelachse M symmetrische Strömung des Wärmetauschermediums durch die primärseitigen Strömungskanäle gewährleistet ist.

[0015] Zur Gewährleistung eines dichten Abschlusses der primärseitigen Strömungskanäle sind diese in den Randbereichen der Wärmetauscherplatten 2 durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Zusammenlöten übereinanderliegender Wärmetauscherplatten, fluiddicht abgeschlossen.

[0016] Die sekundärseitigen Strömungskanäle sind gemäß dem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher nicht mit den beschriebenen Einlaß- bzw. Auslaßkanälen ausgebildet. Vielmehr strömt ein zweites Wärmetauschermedium in der mittels der Pfeile p dargestellten Richtung auf den Plattenwärmetauscher zu und trifft stirnseitig auf der ersten Seite des Plattenwärmetauschers auf die sekundärseitigen Strömungskanäle. Die sekundärseitigen Strömungskanäle sind hierzu, im Gegensatz zu den primärseitigen Strömungskanälen, in den Kantenbereichen der sie bildenden Wärmetauscherplatten wenigstens teilweise offen ausgebildet.

[0017] Dadurch, daß das zweite Wärmetauschermedium, insbesondere das Wärmeträgermedium, nicht "lokalisiert" über Einlaßkanäle zugeführt wird, können die thermischen Spannungen innerhalb der Wärmetauscherplatten 2 gegenüber herkömmlichen Lösungen beträchtlich vermindert werden. Insbesondere kann vermieden werden, daß Einlaß- bzw. Auslaßkanäle der ersten und zweiten Wärmetauschermedien in unmittelbarer Nachbarschaft zueinander angeordnet werden müssen, so daß starke Temperaturgradienten in der Umgebung benachbarter Einlaß- bzw. Auslaßkanäle für verschiedene Wärmetauschermedien vermieden werden können. Durch die Verminderung der thermomechanischen Beanspruchung der Wärmetauscherplatten 2 kann die Lebensdauer des Plattenwärmetauschers 1 insgesamt verlängert werden.

[0018] Ferner können die Herstellungskosten, welche zur Befestigung bzw. Verbindung der Wärmetauscherplatten 2 aneinander anfallen, verringert werden, da herkömmlicherweise notwendige Fügestellen zum fluiddichten Abschluß der sekundärseitigen Strömungskanäle nicht notwendig sind.

[0019] Es sei angemerkt, daß der dargestellte Plattenwärmetauscher 1 innerhalb eines Kastens angeordnet ist, von dem nur die Grundfläche 10 dargestellt ist. Das zweite Wärmetauschermedium wird zur Beaufschlagung der stirnseitigen Enden der sekundärseitigen Strömungskanäle entsprechend in den nicht dargestellten Kasten eingeführt.

[0020] Da es gegenüber herkömmlichen Lösungen zu geringeren Temperaturgradienten kommt, und ferner eine geringere Anzahl von Einlaß- bzw.Auslaßkanälen vorzusehen ist, können die Flächen der Wärmetauscherplatten insbesondere im Einlaßbereich der Wärmetauschermedien verkleinert werden. Man erkennt in der Fig. 1, daß entsprechend dieser konstruktiven Möglichkeit die Seitenkanten 2a der Wärmetauscherplatten im Bereich des Einlaßkanals 3 aufeinander zulaufend ausgebildet sind, das heißt unter Bezugnahme auf eine herkömmliche rechteckige Form der Wärmetauscherplatten sind deren Ecken im Einlaßbereich weggeschnitten. Entsprechend sind im Bereich der Auslaßkanäle die einzelnen Wärmetauscherplatten 2 mit einer Einbuchtung 11 ausgebildet. Durch diese Formgebung kann das Gewicht des Plattenwärmetauschers gegenüber herkömmlichen Lösungen verringert werden. Die Formgebung wird dadurch ermöglicht, daß insgesamt lediglich drei Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 3, 5, 6 vorgesehen sind, so daß Bereiche, in denen herkömmlicherweise Einlaß- bzw. Auslaßkanäle für ein zweites Wärmetauschermedium vorgesehen waren, ausgespart werden können. Wie erläutert, ergeben sich aufgrund der gleichmäßigeren Wärmebeaufschlagung durch das zweite Wärmetauschermedium geringere Temperaturgradienten im Bereich der Einlaß- bzw. der Auslaßkanäle.

[0021] Dadurch, daß erfindungsgemäß nur drei Einlaß- bzw. Auslaßkanäle 3, 5, 6 vorgesehen sind, ist es in einfacher Weise möglich, den Plattenwärmetauscher 1 derart an der Grundplatte 10 zu befestigen, daß keine Zwängung der einzelnen Wärmetauscherplatten 2 bei auftretenden Temperaturgradienten auftritt. Es ist beispielsweise möglich, sämtliche der drei Kanäle 3, 5, 6, oder auch beispielsweise nur die zwei Auslaßkanäle 5, 6 flexibel, das heißt nicht-statisch zu lagern, so daß sie innerhalb ihrer jeweiligen Lagerungen entsprechend einer thermisch bedingten Ausdehnung der einzelnen Wärmetauscherplatten verschiebbar sind. Zur Kompensation von thermisch bedingten Spannungen ist es beispielsweise auch möglich, Entlastungsdurchbrüche in den Wärmetauscherplatten 2 auszubilden. Plattenbereiche, in welchen hohe thermisch bedingte Spannungen auftreten, können dicker ausgebildet sein als Bereiche, in denen nur geringere Spannungen auftreten bzw. zu erwarten sind.

[0022] Es ist ferner möglich, die Wärmetauscherplatten 2 wenigstens zum Teil in Form gelochter Bleche vorzusehen, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert wird.

[0023] In Fig. 2 ist schematisch ein bevorzugter Aufbau der Wärmetauscherplatten 2 eines Plattenwärmetauschers dargestellt. Die oberste Platte ist in der dargestellten Ausführungsform als Lochblech mit einer fischgrätenmusterartigen Strukturierung ausgebildet (Platte 2a). Unter dieser Platte ist ein Flachblech 2b vorgesehen, unterhalb welchem eine Platte 2c angeordnet ist, welche wenigstens einseitig eine Oberflächenstrukturierung 10 aufweist. Die Oberflächenstrukturierung kann beispielsweise eine Ätzstruktur sein, und ist in der Fig. 2 rein schematisch dargestellt (Platte 2c). Unterhalb dieser Platte 2c ist wiederum ein Lochblech mit einer fischgrätenmusterartigen Strukturierung ausgebildet (Platte 2a). Die Zwischenräume zwischen den dargestellten Wärmetauscherplatten bilden Strömungskanäle. Ein primärseitiger Strömungskanal, welcher zwischen den Platten 2b, 2c gebildet ist, ist mit I bezeichnet. Durch den primärseitigen Strömungskanal I strömt vorzugsweise, im Falle eines Verdampfers, das zu verdampfende Medium.

[0024] Zwischen der unstrukturierten Seite des Bleches 2c und einem weiteren Blech 2b ist ein sekundärseitiger Strömungskanal ausgebildet, welcher mit II bezeichnet ist. Man erkennt, daß sich innerhalb dieses Strömungskanals II das fischgrätenmusterartig strukturierte Lochblech 2a erstreckt.

[0025] Aufgrund der Strukturierung des Bleches 2c bzw. der Wärmetauscherplatten 2a kommt es innerhalb der jeweiligen Strömungskanäle zu Verwirbelungen der durchströmenden Medien, wodurch die Wärmeübertragung vorteilhaft beeinflußt ist.

[0026] Es sei betont, daß es sich bei der dargestellten Anordnung der Wärmetauscherplatten 2a, 2b, 2c lediglich um eine bevorzugte Ausführungsform handelt. Es ist beispielsweise ebenfalls möglich, die mit fischgrätenmusterartiger Strukturierung ausgebildeten Platten bzw. Bleche (Wellbleche) ungelocht auszubilden, wobei sich in diesem Fall Strömungskanäle zwischen einer derartigen Wärmetauscherplatte und entsprechend darüber bzw. darunter angeordneten weiteren Wärmetauscherplatten ergeben.

[0027] In Fig. 2 ist ferner zu erkennen, daß ein Einlaßkanal 3 lediglich mit den primärseitigen Strömungskanälen I kommuniziert. Sekundärseitige Strömungskanäle II werden, wie bereits erläutert, stirnseitig durch ein Wärmetauschermedium beaufschlagt, wie wiederum mittels der Pfeile p angedeutet ist. Auf eine Darstellung der Beabstandungselemente 4 ist in der Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

[0028] Zur Vervollständigung der Darstellung werden im folgenden weitere Maßnahmen erläutert, mittels derer in Plattenwärmetauschern auftretende Thermospannungen vermindert werden können. Thermospannungen lassen sich (der Einfachheit halber hier in eindimensionaler Form) gemäß der Gleichung

beschreiben. Hierbei beschreibt σ die auftretende Spannung, E ist das Elastizitätsmodul des jeweiligen Werkstoffs bzw. Bauteils, ε die Dehnung des Bauteils, α_T der Wärmeausdehnungskoeffizient des Bauteils und ΔT eine auftretende Temperaturdifferenz.

[0029] Zur Erhöhung zulässiger Spannungen eines Plattenwärmetauschers bzw. der Wärmetauscherplatten können geeignete Werkstoffe verwendet werden, beispielsweise Superaustenite oder Nickelbasiswerkstoffe. Zur Verminderung des Wärmeausdehnungskoeffizienten α_T eignen sich ebenfalls Nickelbasiswerkstoffe, beispielsweise Alloy 625.

[0030] Der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher läßt sich in besonders vorteilhafter Weise aus einzelnen Modulen zusammensetzen, die beispielsweise aus zwei oder drei. Wärmetauscherplatten bestehen, welche jeweils die Medienräume bzw. Strömungskanäle bilden. Derartige Module lassen sich beispielsweise in dem Kasten, in welchem der Wärmetauscher eingebracht ist, in einfacher Weise aufeinanderstapeln, wobei die einzelnen Platten bzw. Module als End- bzw. Zugplatten ausbildbar sind. Hierbei kann eine äußere Zwängung der einzelnen Module bzw. Wärmetauscherplatten durch eine geeignete Lagerung vermieden werden. Gegenüber herkömmlichen Systemen erweist es sich als vorteilhaft, daß nur drei Verbindungen der einzelnen Platten bzw. Module ausgebildet sind, nämlich die Einlaß- bzw. Auslaßkanäle, so daß eine statische Lagerung vermieden werden kann. Es ist ferner möglich, thermische Spannung mittels variabler Blechdicken oder Entlastungsdurchbrüche zu verringern.

[0031] Eine Übertragung der auftretenden Druckkräfte kann mittels gewellter oder gelochter Beabstandungselemente bzw. Spacer,. sowie einer zweckmäßigen Anordnung von End- bzw. Zugplatten erreicht werden.

Ansprüche

1. Plattenwärmetauscher, insbesondere Plattenreaktor, mit übereinander angeordneten Wärmetauscherplatten (2), (2a), (2b), (2c), zwischen welchen primärseitige Strömungskanäle (I) für ein erstes Wärmetauschermedium und sekundärseitige Strömungskanäle (II) für ein zweites Wärmetauschermedium ausgebildet sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die primärseitigen Strömungskanäle (I) mit wenigstens einem durch die Wärmetauscherplatten (2), (2a), (2b), (2c) verlaufenden Einlaßkanal (3) zur Zufuhr des ersten Wärmetauschermediums und mit wenigstens zwei durch die Wärmetauscherplatten verlaufenden Auslaßkanälen (5), (6) zur Ausgabe des ersten Wärmetauschers kommunizieren, wobei ein Medienraum zur Aufnahme des ersten Wärmetauschermediums im wesentlichen zwischen den übereinanderliegenden Wärmetauscherplatten gebildet ist, und daß das zweite Wärmetauschermedium stirnseitig ohne Zwischenschaltung von Einlaß- bzw. Auslaßkanälen in die sekundärseitigen Strömungskanäle (II) einführbar bzw. aus diesen abführbar ist.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaßkanal (3) im Bereich der Mittelachse M des Plattenwärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung des ersten Wärmetauschermediums an einem ersten Ende des Plattenwärmetauschers angeordnet ist, und zwei Auslaßkanäle (5), (6) an einem zweiten Ende des Plattenwärmetauschers symmetrisch bezüglich der Mittelachse M angeordnet sind.

3. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten (2), (2a), (2b), (2c) im Bereich der Einlaß- bzw. Auslaßkanäle (3), (5), (6) mit einer gegenüber herkömmlichen rechteckigen Wärmetauscherplatten verringerten Grundfläche ausgebildet sind.

Zeichnung