[0001] Die Erfindung betrifft einen Hochdruckplattenwärmetauscher. Dieser verfügt über ein
Plattenpaket, das von Medien durchströmbare erste und zweite Kanäle aufweist, die
im Kreuzstrom, bzw. bei Mehrwegigkeit im Kreuz-Gegenstrom angeordnet sind. Dabei sind
der für das erste Medium vorgesehene erste Kanal rohrförmig zwischen zu einem Plattenpaar
miteinander verbundenen Einzelplatten und der für das zweite Medium vorgesehene zweite
Kanal wellenförmig zwischen zu einem Plattenstapel miteinander verbundenen Plattenpaaren
ausgebildet.
[0002] Ein Plattenpaket der vorbeschriebenen Art ist aus der
DE 43 43 399 A1 bekannt. Es wird hier ein Plattenwärmetauscher mit im Kreuzstrom durchströmten Kanälen
offenbart, die für das eine Medium wellenförmig zwischen jeweils zu einem Plattenpaar
verbundenen Einzelplatten und für das andere Medium rohrförmig zwischen den zu einem
Plattenstapel zusammengefügten Plattenpaaren gebildet sind. Dabei sind die Einzelplatten
zur Kanalausbildung mit mehreren parallelen Reihen von in Strömungsrichtung des einen
Mediums ausgerichteten Nocken bzw. geprägten Stützstrukturen ausgerüstet, die in Längsrichtung
von Reihe zu Reihe zueinander versetzt ausgebildet sind.
[0003] Ein Plattenwärmetauscher der aus der
DE 43 43 399 A1 vorbekannten Art hat sich im alltäglichen Praxiseinsatz bewährt. Für die Hochdruckanwendung,
das heißt für Mediendrücke von größer 25 bar sind die vorbekannten Konstruktionen
allerdings nicht geeignet. Dies insbesondere deshalb nicht, weil die vorbekannten
Plattenwärmetauscher für höhere Drücke keine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen
und sich bei höheren Drücken über das zulässige Maß hinaus verformen.
[0004] Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen für Hochdruckanwendungen geeigneten
Plattenwärmetauscher vorzuschlagen.
[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Hochdruckplattenwärmetaucher
mit einem Plattenpaket, das in einem von einem Gehäuse bereitgestellten Druckraum
angeordnet ist, wobei das Plattenpaket von Medien durchströmbare erste und zweite
Kanäle aufweist, die im Kreuzstrom angeordnet und für das erste Medium rohrförmig
zwischen zu einem Plattenpaar miteinander verbundenen Einzelplatten und für das zweite
Medium wellenförmig zwischen zu einem Plattenstapel miteinander verbundenen Plattenpaaren
ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Kanäle parallel zu den Längsrändern der Einzelplatten
ausgebildet und die Einzelplatten entlang ihrer Längsränder miteinander zu Plattenpaaren
und die Plattenpaare entlang ihrer quer zu den Längsrändern der Einzelplatten verlaufenden
Ränder miteinander zu einem Plattenstapel verbunden sind, wobei die Rohrseite für
das erste Medium und die Wellenseite als Druckseite für das zweite Medium dienen und
das Gehäuse sich rohrseitig des Plattenstapels anschließende Flanschdeckel aufweist,
die zumindest teilweise asphärisch ausgebildet sind.
[0006] Aus Gründen einer optimierten Effizienz, das heißt eines optimierten Wärmeübergangs
ist das unter Druck stehende zweites Medium wellenseitig des Plattenpakets zu führen.
Die Rohrseite des Plattenpakets führt das erste, unter geringerem Druck stehende Medium.
Bei dem aus der
DE 43 43 399 A1 vorbekannten Plattenwärmetauscher erstrecken sich die die Rohrseite bildenden rohrförmigen
Kanäle quer zur Längsrichtung der das Plattenpaket bildenden Einzelplatten. Dabei
ist herstellungsbedingt die Quererstreckung einer Einzelplatte durch die Breite des
Prägewerkzeuges begrenzt, wohingegen eine quasi endlose, das heißt beliebig wählbare
Erstreckung in Längsrichtung möglich ist.
[0007] Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Rohrseite vorbekannter Plattenwärmetauscher
bei Hochdruckanwendungen mit Blick auf einen wünschenswerter Weise zu erzielenden
Wärmeübergang zu kurz bemessen ist. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, eine Mehrzahl
von vorbekannten Plattenwärmetauschern rohrseitig hintereinander zu schalten, um so
rohrseitig die erforderliche Wegstrecke bereitstellen zu können. Eine solche strömungstechnische
Verschaltung einzelner Plattenwärmetauscher macht den Einsatz entsprechender Anschlüsse,
Verbindungsrohre, -schläuche, Umlenkungen und/oder dergleichen erforderlich, was in
nachteiliger Weise auf der Rohrseite zu einem zum Teil erheblichen Druckverlust führen
kann. In der Konsequenz sinkt in nachteiliger Weise die Wärmetauschereffizienz, was
aber bei vorbekannten Konstruktionen nicht zu vermeiden ist.
[0008] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung schafft hier Abhilfe. Im Unterschied zur vorbekannten
Konstruktion wird eine um 90 Grad verdrehte Plattenprägung vorgeschlagen, sodass die
Rohrseite, d.h. die Rohre in Plattenlängsrichtung verlaufen. So sind die für das erste
Medium rohrförmig zwischen zu einem Plattepaar miteinander verbundenen Einzelplatten
ausgebildeten Kanäle parallel zu den Längsrändern der Einzelplatten ausgebildet. Dies
führt im Ergebnis dazu, dass auf die strömungstechnische Hintereinanderschaltung mehrerer
Plattenwärmetauscher verzichtet werden kann, da eine Ausgestaltung der Einzelplatten
in gewünschter Länge mit dem Ergebnis einer für den Hochdruckanwendungsfall angepassten
Dimensionierung der rohrseitigen Strömungskanäle stattfinden kann. Damit eignet sich
die erfindungsgemäße Ausgestaltung insbesondere für Hochdruckanwendungen, und zwar
ohne die Gefahr von auf der Rohrseite druckabfallbedingten Leistungseinbußen. Es können
zudem die Druckhalteplatten bzw. die Paketseitenwände bestehen bleiben, da eine Auslegung
lediglich auf den niedrigeren Druck der Rohrseite zu erfolgen hat.
[0009] Plattenwärmetauscher sind anders als beispielsweise Rohrbündelwärmetauscher vergleichsweise
druckinstabil. Insbesondere bei einer nur randseitigen Verbindung der Einzelplatten
kann es bei einer zu hohen Druckbeaufschlagung zu einem Ausbeulen der Einzelplatten
und/oder Aufreißen von zwischen den Einzelplatten bestehenden Verbindungsstellen kommen.
Um dies zu vermeiden, wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgeschlagen,
das aus Einzelplatten gebildete Plattenpaket innerhalb eines Druckraumes anzuordnen,
der von einem Gehäuse bereitgestellt ist. Dabei ist das Plattenpaket im bestimmungsgemäßen
Anwendungsfall von einem im Druckraum herrschenden Stützdruck umgeben, der als Gegendruck
auf das Plattenpaket einwirkt. Die erfindungsgemäße Konstruktion erweist sich diesbezüglich
insofern von Vorteil, als dass Druckhalteplatten bzw. Paketseitenwände lediglich mit
Bezug auf den vergleichsweise geringen Druck der Rohrseite, d.h. des ersten Mediums
auszulegen sind, was bedeutet, dass sie in ihrer Auslegung im Vergleich zum Stand
der Technik unverändert eingesetzt werden können, und dies bei gleichzeitiger Tauglichkeit
für eine Hochdruckanwendung im erfindungsgemäßen Sinne. Dies führt in vorteilhafter
Weise dazu, dass selbst bei vergleichsweise hohen Drücken von bis zu 100 bar und mehr
vergleichsweise dünnwandige Einzelplatten zum Einsatz kommen können, die beispielsweise
eine Plattendicke von 1,2 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise von 1,3 mm bis 1,8 mm, noch
mehr bevorzugt von 1,5 mm aufweisen.
[0010] Das den Druckraum bereitstellende Gehäuse ist zur Aufnahme der im Betriebsfall herrschenden
Drücke bevorzugter Weise abweichend von der Rechteckform des Plattenpakets kugelförmig
und/oder mit Bezug auf zumindest einen Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Um einerseits
ein im Betriebsfall den herrschenden Drücken standhaltendes Gehäuse bereitzustellen,
das andererseits die Mediumszufuhr an ein quaderförmig ausgebildetes Plattenpaket
gestattet, ist mit der Erfindung konstruktiv ferner vorgesehen, dass das Gehäuse sich
rohrseitig des Plattenpakets anschließende Flanschdeckel aufweist, die zumindest teilweise
sphärisch ausgebildet sind. Damit ist konstruktiv sichergestellt, dass im Übergangs-,
das heißt Einbündungsbereich in den Plattenstapel gehäuseseitige Spannungsspitzen
vermieden sind, so dass bei hinreichender Sicherheitstoleranz vergleichsweise hohe
Drücke aufgenommen werden können, und dies bei gleichzeitiger Minimierung der erforderlichen
Gehäusewandstärken und Plattendicken. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion wird
demnach ein einen Druckraum bereitstellendes Gehäuse vorgeschlagen, das die Wellenseite
nach außen, d.h. zur umgebenden Atmosphäre durch einen zylindrischen Mantel und zur
Rohrseite durch einen sphärischen Mantel trennt, womit im Ergebnis gehäuseseitige
Spannungsspitzen im Übergangsbereich von der Wellenseite zur Rohrseite vermieden sind.
[0011] Die erfindungsgemäße Ausgestaltung macht es erstmals möglich, Plattenwärmetauscher
im Hochdruckbereich einzusetzen, und zwar bei Arbeitsdrücken hinsichtlich des zweiten
Mediums von über 50 bar, vorzugsweise von über 60 bar, noch mehr bevorzugt von über
100 bar, bis hin zu 120 bar. Vorbekannte Konstruktionen ermöglichen solche Druckanwendungen
nicht. Der Arbeitsbereich vorbekannter Konstruktionen endet vielmehr bei einem Druck
von ca. 20 bar, gegebenenfalls von ca. 30 bar. Drücke von über 30 bar, geschweige
denn 60 bar und mehr sind mit den vorbekannten Ausgestaltungsformen nicht möglich.
Dabei überrascht der mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mögliche Druckbereich
von über 120 bar, und zwar ohne Einschränkung durch Differenzdrücke, da die Dicke
der eingesetzten Tauscherplatten einerseits sowie die Gehäusewandstärke andererseits
vergleichsweise dünn ausfallen. Insofern ergibt sich der weite Druckanwendungsbereich
des erfindungsgemäßen Hochdruckplattenwärmetauschers als Synergieeffekt aus den vorerläuterten
Einzelmerkmalen.
[0012] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in den Eckbereichen des Plattenstapels
zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren Anschlusskeile angeordnet. Diese Anschlusskeile
sind mit den benachbarten Plattenpaaren vorzugsweise formschlüssig durch Verschweißen
miteinander verbunden. Dabei dienen die Anschlusskeile zweierlei Zwecken. Zum einen
wird eine Stabilisierung der gesamten Plattenpaketkonstruktion erreicht. Zum anderen
dienen die Anschlusskeile der strömungstechnischen Trennung von Wellen- und Rohrseite.
[0013] Zur Ausbildung der einzelnen Strömungskanäle stellen die Einzelplatten wie aus dem
Stand der Technik an sich bekannt Prägungsabschnitte bereit. Dabei sind die Einzelplatten
mit mehreren parallelen Reihen von in Längsrichtung verlaufenden Prägungsabschnitten
versehen, und Prägungsabschnitte benachbarter Reihen sind in Längsrichtung zueinander
versetzt ausgerichtet. Erfindungsgemäß ist im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen,
ein enger gepresstes Prägungsbild auszugestalten. Dieses im Unterschied zum Stand
der Technik engere Prägungsbild führt zu einer verbesserten Abstützung der Einzelplatten
untereinander und damit zu einer Verstärkung des gesamten Plattenpakets, was sich
insbesondere im Falle einer Hochdruckanwendung als günstig erweist.
[0014] Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
anhand der Figuren. Dabei zeigen
- Figur 1
- in einer Seitenansicht einen Hochdruckplattenwärmetauscher nach der Erfindung;
- Figur 2
- in einer Schnittdarstellung den Hochdruckplattenwärmetauscher nach Figur 1 gemäß Schnittlinie
II-II;
- Figur 3
- in schematisch perspektivischer Darstellung ein Plattenpaket;
- Figur 4
- in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung den Ausschnitt IV nach Figur 3;
- Figur 5
- in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung den Ausschnitt V nach Figur 3 und
- Figur 6
- in einer Seitenansicht das Plattenpaket nach Figur 3.
[0015] Figur 1 lässt in einer Seitenansicht einen Hochdruckplattenwärmetauscher 1 nach der
Erfindung erkennen. Dieser verfügt über ein Gehäuse 2, das - wie die Schnittdarstellung
nach Figur 2 erkennen lässt - einen Druckraum 3 bereitstellt. Innerhalb des Druckraums
3 ist ein Plattenpaket 4 angeordnet, welches der besseren Übersicht wegen in Figur
2 nur schematisch dargestellt ist.
[0016] Die Figuren 3 bis 6 lassen das Plattenpaket 4 ausschnittsweise erkennen. Wie sich
aus diesen Darstellungen ergibt, ist das Plattenpaket 4 aus Einzelplatten 14 gebildet.
Dabei bilden zwei Einzelplatten 14 zusammen ein Plattenpaar 15 und mehrere miteinander
gekoppelte Plattenpaare 15 stellen einen Plattenstapel 16 dar.
[0017] Wie die beispielhafte Darstellung nach Figur 4 erkennen lässt, besteht das hier dargestellte
Plattenpaket 4 aus einem Plattenstapel 16, der über vier Plattenpaare 15 verfügt,
die zwischen zwei als Deckplatten dienenden Einzelplatten 14 angeordnet sind. Dabei
sind die Einzelplatten 14 jeweils identisch ausgebildet und spiegelbildlich zueinander
zu einem Plattenpaar 15 verbunden. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig
durch Schweißen, und zwar entlang der Längsränder 17. Dabei bilden sich zwischen den
jeweils ein Plattenpaar 15 bildenden Einzelplatten 14 rohrförmig ausgebildete erste
Kanäle K1 aus, und zwar für das ein im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall am Wärmetausch
teilnehmende Medium M1. Durch Zusammenfügen der Plattenpaare 15 zu einem Plattenstapel
16 entlang der Querränder 18 ergeben sich zwischen den einander liegenden Einzelplatten
14 benachbarter Plattenpaare 15 wellenförmige Kanäle K2 für das andere am Wärmeaustausch
teilnehmende Medium M2, das im Kreuzstrom zum Medium M1 geführt ist. Bei dem zweiten
Medium M2 handelt es sich um das unter Druck stehende Hochdruckmedium.
[0018] Wie sich im Weiteren aus Figur 3 ergibt, ist jede Einzelplatte 14 mit mehreren parallelen
Reihen von in Richtung der Längsränder 17 verlaufenden Prägungsabschnitten 21 versehen.
Diese Prägungsabschnitte 21 benachbarter Reihen sind in Längsrichtung zueinander versetzt
ausgebildet, wodurch sich zwischen aneinander anliegenden Einzelplatten 14 flächige
Abstützungen zwischen in einer Reihe aufeinander folgenden Prägungsabschnitten 21
ergeben.
[0019] In den Eckbereichen 19 eines Plattenpakets 4 sind zwischen den Einzelplatten 14 benachbarter
Plattenpaare 15 Anschlusskeile 20 angeordnet. Diese Anschlusskeile 20 trennen zum
einen die Wellenseite von der Rohrseite im Eintritts- und Austrittsbereich der Medien
M1 und M2 und dienen zum anderen der stabilisierten Ausgestaltung des Plattenpakets
4 insgesamt.
[0020] Wie Figur 2 entnommen werden kann, ist das Gehäuse 2 aus einem Ringabschnitt 7 und
zwei Flanschdeckeln 8 und 9 gebildet. Dabei stellen die Flanschdeckel 8 und 9 jeweils
eine Öffnung 10 für die Rohrseite bereit, die in Entsprechung der geometrischen Ausgestaltung
des Plattenpakets 4 ausgebildet sind und der Aufnahme des Plattenpakets 4 dienen.
Dabei sind die Flanschdeckel zumindest teilweise sphärisch ausgebildet, vorzugsweise
nach Art eines Klöpperbodens, womit sich das Gehäuse 2 an den Plattenstapel 4 wellenseitig
in sphärischer Ausgestaltung anschließt.
[0021] Die jeweiligen Flanschdeckel 8 und 9 sind mit einem Flansch 11 ausgerüstet, der seinerseits
eine jeweilige damit mittels Schrauben 13 verbundene Flanschplatte 12 trägt. Die Flanschplatten
12 sind mit Anschlussstutzen 5 für das erste Medium, das heißt das Niedrigdruckmedium
ausgerüstet. Wellenseitig ist das Plattenpaket 4 über Anschlussstutzen 6 in strömungstechnischer
Verbindung mit dem zweiten Medium, das heißt dem Hochdruckmedium.
[0022] Im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall wird das unter Druck stehende zweite Medium
M2 in Entsprechung der in Figur 2 eingezeichneten Pfeile wellenseitig in das Plattenpaket
4 eingeleitet und verlässt nach einem Durchströmen des Plattenpakets 4 den Hochdruckplattenwärmetauscher
1 wieder über den dafür vorgesehenen Anschlussstutzen 6. Dabei strömt im Zuge der
bestimmungsgemäßen Verwendung das eingebrachte Fluid in den vom Gehäuse 2 bereitgestellten
Druckraum 3 ein, so dass auf das Plattenpaket 4 ein zum Innendruck identischer Außendruck
wirkt, womit das Plattenpaket 4 bzw. die Einzelplatten 14 des Plattenpakets 4 insgesamt
drucklos gestellt sind, bzw. bei einseitiger Belastung mit dem ersten Medium M1 der
Niederdruckseite nur mit dem niedrigeren Druck des ersten Mediums M1 belastet werden.
[0023] Im Kreuzstrom zum zweiten Medium strömt das Medium mit niedrigerem Druck, das heißt
das erste Medium, und zwar in Entsprechung der Pfeile nach Figur 2 über die Rohrseite
des Plattenpakets 4. Sowohl Rohr- als auch Wellenseite können mehrwegig betrieben
werden. Dabei werden auf der Rohrseite Umlenkungen zwischen Plattenpaket 4 und Gehäuse
vorgesehen bzw. auf der Wellenseite Umlenkungen im Plattenpaket 4 sowie zwischen Plattenpaket
4 und Gehäuse vorgesehen. Durch die mehrwegige Schaltung ist ein Betrieb im Kreuz-Gegenstrom
möglich.
[0024] Wie desweiteren der Darstellung nach Figur 6 entnommen werden kann, sind die rohrseitigen
Kanäle K1 in ihren geometrischen Abmessungen unter anderem durch den Abstand der in
benachbarten Reihen versetzt zueinander ausgebildeten Prägungsabschnitte 21 bestimmt.
Dieser Abstand A ist in Figur 6 beispielhaft eingezeichnet.
Bezugszeichen
[0025]
- 1
- Hochdruckplattenwärmetauscher
- 2
- Gehäuse
- 3
- Druckraum
- 4
- Plattenpaket
- 5
- Anschlussstutzen
- 6
- Anschlussstutzen
- 7
- Ringabschnitt
- 8
- Flanschdeckel
- 9
- Flanschdeckel
- 10
- Öffnung
- 11
- Flansch
- 12
- Flanschplatte
- 13
- Schraubverbindung
- 14
- Einzelplatte
- 15
- Plattenpaar
- 16
- Plattenstapel
- 17
- Längsrand
- 18
- Querrand
- 19
- Eckbereich
- 20
- Anschlusskeil
- 21
- Prägungsabschnitt
- A
- Abstand
- M1
- erstes Medium
- M2
- zweites Medium
- K1
- erster Kanal
- K2
- zweiter Kanal
1. Hochdruckplattenwärmetauscher mit einem Plattenpaket (4), das in einem von einem Gehäuse
(2) bereitgestellten Druckraum (3) angeordnet ist, wobei das Plattenpaket (4) von
Medien (M1, M2) durchströmbare erste und zweite Kanäle (K1, K2) aufweist, die im Kreuzstrom
angeordnet und für das erste Medium (M1) rohrförmig zwischen zu einem Plattenpaar
(15) miteinander verbundenen Einzelplatten (14) und für das zweite Medium (M2) wellenförmig
zwischen zu einem Plattenstapel (16) miteinander verbundenen Plaftenpaaren (15) ausgebildet
sind, wobei die rohrförmigen Kanäle (K1) parallel zu den Längsrändern (17) der Einzelplatten
(14) ausgebildet und die Einzelplatten (14) entlang ihrer Längsränder (17) miteinander
zu Plattenpaaren (15) und die Plattenpaare (15) entlang ihrer quer zu den Längsrändern
(17) der Einzelplatten (14) verlaufenden Ränder (18) miteinander zu einem Plattenstapel
verbunden sind, wobei die Rohrseite für das erste Medium (M1) und die Wellenseite
als Druckseite für das zweite Medium (M2) dienen und das Gehäuse (2) sich rohrseitig
des Plattenstapels (16) anschließende Flanschdeckel (8, 9) aufweist, die zumindest
teilweise sphärisch ausgebildet sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschdeckel (8, 9) jeweils als Klöpperboden ausgebildet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Eckbereichen (19) des Plattenstapels (16) zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren
(15) Anschlusskeile (20) angeordnet sind.
4. Wärmetaucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (14) eine Plattendicke von 1,2 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise von
1,3 mm bis 1,8 mm, noch mehr bevorzugt von 1,5 mm aufweisen.
5. Wärmetaucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (14) mit mehreren parallelen Reihen von in Längsrichtung verlaufenden
Prägungsabschnitten (21) versehen sind, wobei die Prägungsabschnitte (21) benachbarter
Reihen in Längsrichtung zueinander versetzt sind.
6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Plattenpaket (4) von einem Stützdruck
umgeben ist.
7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenpaket (4) wellenseitig zum vom Gehäuse (2) bereitgestellten Druckraum
(3) hin offen ausgebildet ist.