DE102005002432B3 - Laminarströmungs-Plattenwärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist ein Gegenstrom-Plattenwärmetauscher aus einem Stapel Platten (1), dessen jeder zweite Plattenzwischenraum parallel von demselben Fluid laminar durchströmt wird und dessen wärmetauschende Plattenoberflächen überwiegend unprofiliert und besonders glatt sind und sehr kleine Plattenabstände (2a, 2b) aufweisen, so dass die Grenzschichtdicken der sich an der Oberfläche der Platten ausbildenden Fluid-Grenzschichtfilme ebenfalls sehr klein bleiben. Die Verteilung eines oder beider Wärmetauschermedien zwischen die Platten erfolgt über mehrere gleichförmige, an einem Plattenende gleichverteilt nebeneinander angeordnete Verteilkanäle (3), die Sammlung am anderen Plattenende über entsprechende Sammelkanäle (4). Die Verteil- und Sammelkanäle sind rund oder in Hauptfließrichtung länglich ausgeführt und nicht unbedingt gleich groß. Leit- und Umlenkvorrichtungen (5) sorgen dafür, dass das Fluid stets nur vom äußersten Plattenrand her aus den Verteilkanälen (3) in den Plattenzwischenraum gelangen und diesen auch nur ebenso in den Sammelkanal (4) wieder verlassen kann. Benachbarte Platten werden durch annähernd punktförmige, in Linien parallel zur Fließrichtung und symmetrisch zu den Verteil- und Sammelkanälen ausgerichtete Zug- und Druckanker (6a, 6b) auf alternierend gleichmäßigen Abstand gehalten. Die Verteil- und Sammelkanäle sind entweder für beide Wärmetauschermedien vorhanden (7), nur für eines von beiden (8) oder für ein Wärmetauschermedium gibt es nur einen ...

Description

• Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit überwiegend glatten, planparallelen Plattenoberflächen und so kleinen Plattenabständen, dass die Plattenzwischenräume stets laminar durchströmt werden.
• Bekannt sind aus der FR-1-2 323 119 A1 Plattenwärmetauscher, die aus einem Stapel gleichgroßer und gleichförmig profilierter Platten bestehen, in dem benachbarte Platten sich abwechselnd ihre Vorderseiten oder ihre Rückseiten zuwenden und in dem die Platten an den Stellen, an denen sie sich berühren und gegeneinander abstützen, verschweißt oder verlötet sind. Bekannt sind auch aus DE 198 58 652 A1 Plattenwärmetauscher mit mehreren gewellten, nebeneinander angeordneten und zueinander abgedichteten Flächen und zwei voneinander ge trennten Strömungswegen mit unterschiedlichen Strömungsquerschnitten.
• In DE 694 22 207 T2 ( EP 0611941 B1 ) wird durch Rippen in den Platten eine Labyrinthkammer zwischen benachbarten Platten gebildet.
• Anstelle von gleichförmigen Profilen, Rippen oder von Wellen, welche in die Platten geprägt sind, werden in DE 3339932 A1 zur Erhöhung der Quervermischung eines zwischen zwei benachbarten Platten fließenden Fluids Stege an den Flächen befestigt.
• Neben ihren erfindungsgemäßen Besonderheiten weisen die genannten Plattenwärmetauscher wie weitere andere auch ein wesentliches gemeinsames Merkmal auf: Immer werden die Strömungswege zwischen dicht und parallel nebeneinander liegenden Platten durch Rippen, Wellen, Stege und ähnliche Profile mit Schikanen versehen, um die Ausbildung laminarer Grenzschichten zu minimieren und dadurch das Wärmeübertragungsvermögen zu erhöhen. Die Fluid-Strömung zwischen den Platten soll dabei immer möglichst überall turbulent sein. Dementsprechend hoch ist auch der Druckverlust, der sich annähernd quadratisch mit dem Volumenstrom erhöht. Allgemein gilt: Je enger das Fließlabyrinth, durch welches ein Fluid turbulent fließt, ist, je kleiner also die Plattenabstände und je kürzer die unbehinderten Fließwegabschnitte sind, umso größer ist das Wärmeübertragungsvermögen, umso höher ist der Druckverlust und umso höher ist der Bedarf an Energie, um die Wärmetauschermedien zwischen den Platten hindurchzubefördern.
• Ein weiterer Effekt wird in den vier eingangs genannten Plattenwärmetauschern gleichermaßen erreicht. Durch die Ausstattung der Platten mit Rippen, Wellen, Stegen und ähnlichen Profilen wird ein dichtes Muster von Berührungsstellen von benachbarten Platten geschaffen, was den Wärmetauschern eine gewisse Druckfestigkeit verleiht. Ohne vielfältige gegenseitige Abstützung sind Räume zwischen parallel nebeneinander liegenden Platten nur für niedrigste Drücke geeignet, bei denen die Platten noch nicht verformt werden.
• Ein weiteres gemeinsames Merkmal der vier eingangs genannten Plattenwärmetauscher besteht darin, dass zur Verteilung der Wärmetauschermedien zwischen die Platten und zur Sammlung der Wärmetauschermedien aus den Plattenzwischenräumen in jeder Ecke des Plattenstapels jeweils genau ein Kanal vorgesehen ist, der senkrecht durch den Plattenstapel führt und nur in die jeweils betroffenen Plattenzwischenräume hinein einen Spalt aufweist. Dadurch wird pro Platte ein relativ großer Anteil nicht als Wärmetauscherfläche genutzt, das sind die Flächen der senkrechten Verteil- und Sammelkanäle selbst sowie die Plattenflächenanteile, die nicht beidseitig von verschiedenen Wärmetauschermedien angeströmt werden. Diese Art der Verteilung in der einen Ecke bzw. der Sammlung in einer anderen Ecke der Platten macht es auch nicht leicht, die Ströme der Wärmetauschermedien über die Plattenzwischenräume völlig gleichmäßig zu verteilen. Dazu wird der relativ hohe Druckverlust als Folge der Ausstattung der Platten mit Rippen, Wellen, Stegen und ähnlichen Profilen in dem Bereich der Platten, wo die Wärmeübertragung stattfindet, ausgenutzt.
• Aus DE 19758567 C2 ist bekannt, dass bei Rippenwärmetauschern auch laminare Strömungen genutzt werden. Rippenwärmetauscher werden eingesetzt, wenn das Wärmetauschermedium des einen Kreises (das stets die gerippte Seite durchströmt) eine viel geringere Wärmeübergangszahl hat als das des anderen, unberippten Kreises. Die Berippung hat dabei immer den Zweck, die Wärmetauscheroberfläche wesentlich zu vergrößern. Es wird detailliert geschildert, dass so die Wärme eines Gases, das die Rippen laminar durchströmt, auf ein (mit Flüssigkeit durchströmtes) Rohr übertragen wird oder umgekehrt.
• Mit DE 69316990 T2 wird gezeigt, wie mit nicht spaltförmigen Kanälen bewusst laminare Strömungen in Gegenstrom-Wärmetauschern genutzt werden. Das ist z. B. von Rohrbündelwärmetauschern (oder Röhrenwärmetauschern) mit Mantel bekannt. In DE 69316990 T2 handelt es sich um benachbarte gleich große Kanäle mit gleichseitigem oder quadratischem Querschnitt. Hier, wie auch beim Rohrbündelwärmetauscher liegen die Vorteile in einer hohen Wärmetauscherfläche (leicht vorstellbar als „Porösität"), in einer hohen Eigenkapazität, in einer hohen Druckfestigkeit und in einem akzeptabel geringen Druckverlust, solange die Strömung im Hagen-Poiseuille-Bereich, also laminar erfolgt. Die Schwierigkeiten liegen, wie in DE 69316990 T2 genannt und dort erfindungsgemäß auf interessante Weise gelöst, vor allem in der aufwändigen Gleichverteilung der Strömungen, also in der Verteilung und Sammlung beider Wärmetauschermedien an den gegenüberliegenden Enden des Wärmetauschers.
• Ziel der Erfindung war es, einen Plattenwärmetauscher zu bauen, der trotz sehr geringer Druckverluste eine sehr hohe Wärmeübertragungsdichte erreicht und von der Plattenfläche einen möglichst großen Anteil zur Wärmeübertragung nutzt.
• Dazu wurde folgender Sachverhalt genutzt. Es ist bekannt, dass laminare Strömungen extrem druckverlustarm fließen. Allerdings tauschen laminar fließende Strömungen in weiten Plattenabständen auch schlecht ihre Wärme mit den Oberflächen, an denen sie entlangfließen, weil sich ruhende Grenzschichten ausbilden. Wenn beim Plattenwärmetauscher der Plattenabstand ständig verkleinert wird, werden im selben Maß auch die ruhenden Fluid-Grenzschichten dünner. Die Strömung bleibt selbst bei sehr hohen Fließgeschwindigkeiten noch absolut laminar und der Druckverlust relativ klein.
• Wenn die Strömung des Wärmetauschermediens, wie z. B. in DE 198 58 652 A1 beschrieben, zwischen zwei Platten aufgrund des dreidimensionalen Wellenrasters völlig turbulent von einer Ecke des Plattenzwischenraums zur anderen fließt, geschieht dies mit einem bis zu 1000-fachen Druckabfall, als wenn derselbe Volumenstrom zwischen zwei völlig ebenen und glatten Platten derselben Größe mit demselben Plattenabstand völlig laminar erfolgen würde. Die Wärmeübertragung vom laminar fließenden Wärmetauschermedium auf die ebene Platte ist bei gleichem Plattenabstand schlechter als vom turbulent fließenden auf die gewellte Platte.
• Der Druckverlust der turbulenten Strömung zwischen den gewellten Platten ändert sich umgekehrt proportional etwa mit der fünften Potenz des Plattenabstandes, der Druckverlust der laminaren Strömung zwischen den ebenen und glatten Platten nur mit der dritten Potenz. Verringert man den Abstand zwischen den völlig ebenen und glatten Platten so sehr, dass sich bei gleichem Volumenstrom ein gleiches Wärmeübertragungsvermögen einstellt, dann beträgt der dabei auftretende Druckverlust immer noch nur einen Bruchteil des Druckverlustes der turbulenten Strömung zwischen den gewellten Platten.
• Verringert man den Abstand zwischen den völlig ebenen und glatten Platten so sehr, dass sich bei gleichem Volumenstrom ein gleicher Druckverlust wie bei der turbulenten Strömung zwischen den gewellten Platten einstellt, dann beträgt das Wärmeübertragungsvermögen der laminaren Strömung hier ein Vielfaches der turbulenten.
• In Anwendung dieser Sachverhalte sind bei Verwendung von völlig ebenen und glatten Platten Plattenwärmetauscher möglich, die trotz sehr geringer Druckverluste eine viel höhere Wärmeübertragungsdichte aufweisen, als mit den bekannten, auf turbulente Strömungen abzielenden Wärmetauschern möglich ist. Allerdings sind dazu so kleine Plattenabstände notwendig, dass Verunreinigungen, Schwebstoffe oder die Oberflächen adhäsiv verändernde Chemikalien in den Wärmetauschermedien den Wärmetauscher zusetzen können. Deshalb ist die Anwendung auf klare, reine oder zumindest gefilterte Wärmetauschermedien begrenzt.
• Überall dort jedoch, wo diese Tauscher anwendbar sind, kann mit Laminarströmungs-Plattenwärmetauschern gegenüber üblichen Plattenwärmetauschern viel Material, Platz und Förderenergie gespart werden.
• Um platzsparend das Wärmetauschermedium gleichmäßig zwischen die Platten zu verteilen, ist es vorteilhaft, dafür mehrere parallele Kanäle (3) vorzusehen, die senkrecht durch den Plattenstapel führen und nur in die jeweils betroffenen Plattenzwischenräume hinein einen Spalt aufweisen. Analoges gilt für die Sammlung des Wärmetauschermediums nach dem Wärmetausch. Diese Kanäle sind umso kleiner, je mehr es sind, und natürlich auch kleiner, als nur ein einziger Kanal in einer Ecke des Plattenstapels sein müsste.
• Es ist manchmal vorteilhaft, diese Kanäle (3, 4) länglich auszuführen, um die Verringerung des Strömungsquerschnitts im benachbarten Plattenzwischenraum zu minimieren.
• Es ist manchmal vorteilhaft, wenn die Form der Sammelkanäle (4) nicht die gleiche ist wie die der Verteilkanäle (3) und dass diese einen größeren hydraulischen Durchmesser haben als die Verteilkanäle, um eine möglichst gleichmäßige Fließgeschwindigkeitsverteilung in den Spalten und minimale Druckverluste bei der Verteilung und Sammlung zu erzielen.
• Es ist vorteilhaft, durch Leit- und Umlenkvorrichtungen (5) unmittelbar an den Kanälen dafür zu sorgen, dass das Wärmetauschermedium im Plattenzwischenraum stets die gesamte Plattenlänge von einem Plattenrand zum anderen hin fließen muss und nicht von Kanalaustritt zu Kanaleintritt auch einen kürzeren Weg findet.
• Es ist manchmal vorteilhaft, den Abstand zwischen den ebenen und glatten Platten für beide Wärmetauschermedien verschieden zu wählen (2a, 2b), um verschiedenen physikalischen Eigenschaften beider Wärmetauschermedien bzw. um ganz allgemein den unterschiedlichen Anforderungen an den Druckverlust gerecht werden zu können.
• Um auch dem statischen Druck beider Wärmetauschermedien standhalten zu können, ist es meistens notwendig, die Platten gegeneinander abzustützen. Damit diese Abstützungen die laminare Strömung des Wärmetauschermediums möglichst wenig stören, werden sie in der Zahl minimiert, punktförmig ausgeführt und in Linien entlang der Fließrichtung angeordnet (6a, 6b). Die Punktform ist statisch vorteilhafter als eine Linienform.
• Eine andere vorteilhafte Möglichkeit, das Wärmeträgermedium gleichmäßig zwischen die Platten zu verteilen, besteht darin, auf maximal zwei senkrechte Kanäle innerhalb des Plattenstapels zu verzichten und es von außerhalb der Plattenzwischenräume in diese hinein- oder aus diesen herausfließen zu lassen (8, 9, 10). Die Vorteile bestehen in einer besseren Flächennutzung der Platten und in der Vermeidung der mit der Verteilung bzw. Sammlung verbundenen zusätzlichen Druckverluste. Eine besonders vorteilhafte Variante liegt dann vor, wenn beide Enden des Wärmetauschers in ein und dasselbe Wärmetauschermedium getaucht sind, für dieses Wärmetauschermedium keine Kanäle aufweisen, außerhalb des Wärmetauschers hydraulisch nochmals miteinander verbunden sind und einen Höhenunterschied aufweisen (8). Dann kann dieses Wärmetauschermedium aufgrund des besonders geringen Druckverlustes allein durch die Schwerkraft zirkulieren, sobald über das andere Wärmetauschermedium Wärme zugeführt oder entzogen wird.

Claims (9)

1. Plattenwärmetauscher, der aus einem Stapel gleichgroßer, rechteckiger Platten (1) besteht, wobei jeder zweite Plattenzwischenraum parallel von demselben Wärmetauschermedium und benachbarte Plattenzwischenräume antiparallel im Gegenstrom von einem anderen Wärmetauschermedium durchströmt werden und in dem die Platten an den Stellen, an denen sie sich berühren und gegeneinander abstützen, verschweißt oder verlötet sind, dessen Plattenoberflächen überwiegend unprofiliert und besonders glatt sind, wobei sich im gesamten Volumenstrombereich der Wärmetauschermedien innerhalb des Plattenwärmetauschers in den durchflossenen Spalten zwischen den unprofilierten und glatten Plattenoberflächen (2a, 2b) eine laminare Strömung ausbildet und mindestens eines der Fluide über mehrere gleichförmige, an einem Plattenende gleichverteilt nebeneinander angeordnete, die Platten an einem Ende senkrecht durchdringende Verteilkanäle (3) in die Plattenzwischenräume verteilt und am anderen Plattenende über gleichermaßen angeordnete Sammelkanäle (4) gesammelt wird, und die Verteilerkanäle (3) nur in die jeweils betroffenen Plattenzwischenräume hinein einen Spalt aufweisen.
2. Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteil- und Sammelkanäle (3, 4) als kreisrunde oder als in Hauptfließrichtung ausgerichtete Langlöcher ausgeführt sind.
3. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Form der Sammelkanäle (4) entweder die gleiche ist wie die der Verteilkanäle (3) oder dass die Sammelkanäle (4) einen größeren hydraulischen Durchmesser haben als die Verteilkanäle (3).
4. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung des Fluids in die Plattenzwischenräume und dessen Sammlung aus den Plattenzwischenräumen nicht auf kürzestem Weg aus den Verteil- bzw. in die Sammelkanäle erfolgt, sondern über eine erzwungene, den Fließquerschnitt verengende Umlenkung bis an den äußersten Plattenrand, an dem erst der Ein- bzw. Austritt in die bzw. aus den freien Plattenzwischenräumen erfolgt (5).
5. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur druckfesten, statischen Fixierung paarweise benachbarter Platten Berührungspunkte als Zug- und Druckanker in die Platten einprofiliert sind (6a, 6b), deren gleichmäßige Abstände und deren Oberfläche minimiert und den Druckverhältnissen beider Fluide angepasst sind, de ren Anordnung in Linien parallel zur Fließrichtung und symmetrisch zu den Verteil- und Sammelkanälen erfolgt.
6. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenabstände (2a, 2b) entweder gleich oder für beide Wärmetauschermedien verschieden sind.
7. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Verteilung als auch die Sammlung aller beider Fluide in benachbarten Plattenzwischenräumen über wie in den Ansprüchen 1 bis 4 beschriebene Verteil- und Sammelkanäle erfolgt, und dass deshalb alle Plattenränder geschlossen sind (7).
8. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden zweiten Plattenzwischenraum die beiden Plattenenden, die von den Verteil- bzw. Sammelkanälen der Nachbar-Plattenzwischenräume durchdrungen werden, offen bleiben und dass das in diesen Plattenzwischenräumen fließende Fluid über diese Öffnungen direkt in den Plattenwärmetauscher ein- und austritt, weshalb diese Plattenzwischenräume keine eigenen Verteil- und Sammelkanäle besitzen (8).
9. Plattenwärmetauscher gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden zweiten Plattenzwischenraum jenes Plattenende, welches von den Sammel- bzw. Verteilkanälen der Nachbar-Plattenzwischenräume durchdrungen wird, offen bleibt und dass das in diesen Plattenzwischenräumen fließende Fluid über diese Öffnungen aus den Plattenwärmetauscher ein- bzw. austritt, weshalb diese Plattenzwischenräume an diesem Plattenende keine Verteil- bzw. Sammelkanäle aufweisen, während sie am anderen Plattenende geschlossen sind und die Sammlung bzw. Verteilung gemäß den in den Ansprüchen 1 bis 4 genannten Merkmalen stattfindet, wohingegen am anderen Plattenende die Nachbarplattenzwischenräume offen und ohne Verteil- bzw. Sammelkanäle ausgeführt sind (9 bzw. 10).