DE102006028852A1

DE102006028852A1 - Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers und ein danach arbeitender Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102006028852A1
Application number: DE200610028852
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Böminghaus; Matthias Dr.-Ing. Reitz
Original assignee: Schnabel & Co KG Dr GmbH
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2006-06-23
Filing date: 2006-06-23
Publication date: 2007-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen danach arbeitenden Wärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, der aus einem aus einer Mehrzahl von einzelnen Platten gebildeten Plattenstapel besteht und gleichzeitig nach dem Gegen- und/oder dem Gleichstromprinzip arbeiten kann. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher weist einen Plattenstapel (2) mit Platten (3; 4) auf, wobei die Platte (3) mit einem größeren Strömungsbereich (9) und die Platte (4) mit mindestens zwei kleineren Strömungsbereichen (9) ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschers und ein danach arbeitender Wärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten, beispielsweise der Energietechnik, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel, vorzugsweise aus faserverstärkter oder monolithischer Keramik, wobei die gestapelten Platten mindestens zwei Kanalsysteme bilden, die übereinander durch mindestens eine Platte getrennt in beliebig vielen Schichten angeordnet sind und an gegenüberliegenden Seiten des Plattenstapels durch Deckplatten, die Zulauf- und Ablaufeinrichtungen aufnehmen, begrenzt sind.
Stand der Technik
Bekannt sind allgemein Plattenwärmetauscher, die entweder nach dem Gleichstrom- oder nach dem Gegenstromprinzip arbeiten. Die Medien können aus Gasen oder Flüssigkeiten bestehen, es kann aber auch das eine Medium ein Gas und das andere eine Flüssigkeit sein.
Bekannt ist aus der DE 10 2004 005 832 B4 ein Verbundwärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau, bestehend aus einem metallischen Rahmenkörper und einem Plattenstapel aus faserverstärkter Keramik, dessen Plattenstapel aus einer Vielzahl von ebenen Platten besteht, in deren Eckbereichen jeweils ein Einlaß und ein Auslaß und zwischen den einzelnen ebenen Platten umlaufende gleichzeitig als Abstandshalter ausgebildete Dichtelemente angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten derart ausgebildet sind, daß diese aus einer unprofilierten ebenen Grundplatte und einem auf dieser aufgesetzten ebenen Rahmenplatte bestehen und die ebene Grundplatte mit der Rahmenplatte mittels eines Keramikklebers aus artgleichem keramischen Material verbunden ist.
Aus der DE 10 2005 002 432 B3 ist ein Gegenstrom-Plattenwärmetauscher aus einem Stapel Platten, 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 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 Verteilerkanäle, die Sammlung am anderen Plattenende über entsprechende Sammelkanäle. Die Verteil- und Sammelkanäle sind rund oder in Hauptfließrichtung länglich ausgeführt und nicht unbedingt gleich groß. Leit- und Umlenkvorrichtungen sorgen dafür, daß das Fluid stets nur vom äußersten Plattenrand her aus den Verteilkanälen in den Plattenzwischenraum gelangen und diesen auch nur ebenso in den Sammelkanal 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 auf alternierend gleichmäßigen Abstand gehalten.
Aus der DE 10 2004 035 448 A1 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt, der mit einer Anzahl von Führungskanälen für ein Fluid, die durch Sammelkanäle zueinander parallel geschaltet sind, wobei die Führungskanäle ein Paar von Platten aufweisen, die an ihren Rändern dichtend miteinander verbunden sind, wobei im Bereich der Sammelkanäle zwischen den Platten innerhalb der Führungskanäle Distanzstücke und außerhalb der Führungskanäle Abstandshalter vorgesehen sind, wobei die Sammelkanäle an Fluidkanäle in einem Gehäuse dichtend anschließbar und am gegenüberliegenden Ende verschlossen sind und der Plattenwärmetauscher mittels Schrauben am Gehäuse befestigbar ist und wobei die Platten in Richtung zu den Sammelkanälen in ihren Abmessungen sich verjüngend ausgebildet sind und neben den Sammelkanälen außerhalb der Platten zumindest je eine Schraube vorgesehen ist.
Die vorbekannten Plattenwärmetauscher arbeiten prinzipiell entweder nach dem Gegenstrom- oder nach dem Gleichstromprinzip.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und einen danach arbeitenden Wärmetauscher für den Einsatz im chemischen Apparatebau sowie auf weiteren Gebieten zu schaffen, der aus einer Mehrzahl von Platten besteht, die in einem Rahmen verspannt sind, und der gleichzeitig nach dem Gegenstrom- und dem Gleichstromprinzip arbeiten kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß sich bei einem Plattenwärmetauscher Platten mit einem großen Strömungsbereich und Platten mit mindestens zwei kleineren Strömungsbereichen innerhalb des Plattenstapels abwechseln und die Medienströme innerhalb des Wärmetauschers derart geführt werden, daß einer der beiden Medienströme in Bezug auf den anderen in einem Abschnitt nach dem Gegenstromprinzip und im anderen Abschnitt nach dem Gleichstromprinzip oder dem Gegenstromprinzip die Strömungsbereiche des Plattenstapels durchläuft.
Die einzelnen Platten sind derart ausgebildet, daß eine Platte einen großen Strömungsbereich und die andere Platte mindestens zwei von einander getrennte kleinere Strömungsbereiche aufweist. Zur Abdichtung der Platten untereinander wird ein Dichtsystem bestehend aus einzelnen O-Ring-Dichtungen, die in einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisenden Nuten eingelegt sind, verwendet.
Der Querschnitt der Nuten ist derart ausgebildet, daß dieser im verspannten Zustand des Plattenstapels die O-Ring-Dichtung optimal aufnehmen kann, wobei die unteren unprofilierten Seiten der Wärmetauscherplatten sowohl auf den Stegen als auch auf den Randbereichen der profilierten Wärmetauscherplatten vollständig bzw. spaltfrei aufliegen.
Innerhalb der Strömungsbereiche sind Stegbereiche angeordnet, die sowohl der Umlenkung der Medienströme dienen als auch zur Abstützung des Bodenbereichs der darüberliegenden Platte.
Die einzelnen Platten des Wärmetauschers können aus keramischem Material oder aber auch aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Die Platten sind einseitig profiliert, wobei die Strömungsbereiche mit Stegen zur Umlenkung des Wärmetauschermediums versehen sein können. Die Stege können vom inneren Rand des Strömungsbereiches beabstandet angeordnet sein, wodurch sowohl ein Stau des Wärmetauschermediums als auch eine mögliche Anlagerung von Verunreinigungen in den Eckbereichen vermieden werden kann. Die Stege können aber auch mit dem Rand des Strömungsbereiches verbunden sein. Die freien Strömungsquerschnitte eines Strömungsbereiches korrespondieren mit den Ein- und Austrittsquerschnitten der jeweiligen Strömungsbereiche.
Es ist auch möglich, den Plattenstapel abwechselnd aus Platten mit im Strömungsbereich angeordneten Stegen und Platten ohne im Strömungsbereich angeordneten Stegen zu bilden, um in den Strömungsbereichen unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten zu realisieren.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt zum einen darin, daß zwischen den Wärmetauscherplatten ein einfaches Dichtungssystem aus O-Ring- Dichtelementen angeordnet ist, wobei die die Dichtringe aufnehmenden Nuten derart ausgebildet sind, daß beim Verspannen des Plattenstapels die Gefahr des Hohlliegens der einzelnen Wärmetauscherplatten und somit die Bruchgefahr vermieden wird. Beim Verspannen der Platten des Stapels können die O-Ring-Dichtelemente den Raum innerhalb der Nuten ausfüllen, wobei die Platten planparallel aufeinander liegen und untereinander abgedichtet sind.
Zum anderen liegt der Vorteil darin, daß mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung der Platten eine mehrgängige Betriebsweise erreicht wird, wobei die Medienströme mit unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Kontakthäufigkeiten durch den Plattenstapel geführt werden können.
Ausführungsbeispiel
Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher beschrieben werden. Es zeigen
1 – Seitenansicht des Verbundwärmetauschers
2 – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten
3 – Draufsicht auf die Platte mit Einzelheiten
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, als Plattenwärmetauscher im Gegenstromprinzip ausgeführt, ist in 1 dargestellt. Er besteht im wesentlichen aus einem Plattenstapel 2, der in einem metallischen Rahmenkörper 1 angeordnet ist.
Der Plattenstapel 2 besteht aus den Platten 3 und 4, wobei zwischen den einzelnen Platten 3 und 4 jeweils ein Dichtsystem angeordnet ist. Das Dichtsystem besteht aus einzelnen O-Ring-Dichtungen 8, die in den Nuten 10 angeordnet sind.
Auf dem Deckelement 5, das mit Einrichtungen für den Einlaß und den Auslaß versehen ist, werden im Wechsel die Platten 3 und 4 angeordnet. Ist die gewünschte Anzahl der Kammern erreicht, wird das Spannelement 6 aufgesetzt und mittels Stegbolzen 7 verspannt.
Der zwischen Deckelement 5 und Spannelement 6 verspannte Plattenstapel 2 wird in den Rahmenkörper 1 eingebracht. Dieser dient zur Montage des Verbundwärmetauschers in der entsprechenden Anlage.
Die 2 zeigt die Draufsicht einer Wärmetauscherplatte 3 mit im Strömungsbereich 9 angeordneten Stegen 11. In einer besonderen Ausführung – hier nicht näher dargestellt – sind die Stege 11 nicht mit dem inneren Rand des Strömungsbereiches 9 verbunden, sondern ca. 2 mm von diesem beabstandet. Dadurch wird zum einen ein Stau des Wärmetauschermediums und zum anderen werden mögliche Ablagerungen in den Eckbereichen vermieden.
Die Platte 3 weist insgesamt sechs Bohrungen 12, 13, 14, 15, 16 und 17 auf, wobei die Bohrungen 12 und 13 die Einlaß- und die Auslaßöffnung für das erste Medium in den Strömungsbereich 9 bilden. Die Bohrungen 14, 15, 16 und 17 bilden die Durchgangsöffnungen für das zweite Medium in die Strömungsbereiche 9 der Wärmetauscherplatte 4.
In den den Strömungsbereich 9 und die Durchgangsöffnungen 14, 15, 16 und 17 umgebenden Bereichen sind rechteckförmige Nuten 10 vorgesehen, welche die O-Ring-Dichtungen 8 des Dichtsystems aufnehmen.
Die 3 zeigt die Draufsicht einer Wärmetauscherplatte 4, die in zwei Strömungsbereiche 9 (Kammervolumina) aufgeteilt ist.
Die Wärmetauscherplatte 4 weist insgesamt sechs Bohrungen 18, 19, 20, 21, 22 und 23 auf, wobei die Bohrungen 20, 21 die Einlaß- und Auslaßöffnung für den ersten Strömungsbereich 9 und die Bohrungen 22, 23 die Einlaß- und Auslaßöffnungen für den zweiten Strömungsbereich 9 bilden. Die Bohrungen 18 und 19 bilden die Durchgangsöffnungen für das erste Medium in den Strömungsbereich 9 der Wärmetauscherplatte 3.
In den die beiden Strömungsbereiche 9 und die Durchgangsöffnungen 18 und 19 umgebenden Bereiche sind rechteckförmige Nuten vorgesehen, die die O-Ring-Dichtungen 8 des Dichtsystems aufnehmen.
Die Platten 3 und 4 sind im Plattenstapel 2 derart angeordnet, daß sich die Platte 3 mit einem Strömungsbereich 9 und die Platte 4 mit zwei voneinander getrennten Strömungsbereichen 9 abwechseln. In den Nuten 10 der jeweiligen Platten 3 und 4 sind als Dichtsystem O-Ring-Dichtungen eingesetzt. Beim Verspannen des Plattenstapels 2 werden die O-Ring-Dichtungen zusammengedrückt und füllen die Nuten 10 aus, wobei die Platten 3 und 4 planparallel aufeinander zu liegen kommen und untereinander abgedichtet werden. Die Gefahr des Hohlliegens der einzelnen Platten 3 und 4 und somit die Bruchgefahr werden vermieden.
Das erste Wärmetauschermedium wird über die Einlaßöffnung 12 und den Strömungsbereich 9 der Platte 3 eingeleitet und verläßt diesen über die Auslaßöffnung 13. Das erste Wärmetauschermedium wird dann über die Durchgangsöffnung 19 der darüberliegenden Platte 4 in den Strömungsbereich 9 der Platte 3 geführt. Dieser Vorgang wiederholt sich entsprechend der Anzahl der im Plattenstapel 2 vorgesehenen Platten 3.
Das zweite Wärmetauschermedium wird über die Einlaßöffnung 22 in die eine der beiden Strömungsbereiche 9 der Platte 4 eingeleitet und verläßt diese über die Auslaßöffnung 23. Das zweite Wärmetauschermedium wird dann über die Durchgangsöffnung 14 der Platte 3 in den darüberliegenden Strömungsbereich 9 geleitet. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Ende des Plattenstapels 2 erreicht ist. Hier wird der zweite Medienstrom umgelenkt und durchströmt dann über die Einlaßöffnung 20 den anderen Strömungsbereich 9 der Platte 4. Dies führt dazu, daß der zweite Medienstrom in Bezug auf den ersten Medienstrom einmal nach dem Gleichstromprinzip und zum anderen Mal nach Gegenstromprinzip geführt wird.
Es ist aber auch möglich, den zweiten Medienstrom gleichzeitig durch beide Strömungsbereiche 9 der Platte 4 zu führen, wobei entweder das Gleichstrom- oder das Gegenstromprinzip in Bezug auf den ersten Medienstrom zur Anwendung kommen kann.
Ein entscheidendes Merkmal der Erfindung ist, daß jede zweite Platte 4 des Plattenstapels 2 mit zwei voneinander getrennten Strömungsbereichen 9 ausgebildet ist. Dadurch wird zwischen den Strömungsbereichen 9 ein Stegbereich 24 gebildet. Die darüberliegende Platte 3 liegt nach dem Verspannen des Plattenstapels 2 nicht nur planparallel auf dem Randbereich 9 der darunterliegenden Platte 4, sondern auch auf dem Stegbereich 24 auf.
Dadurch wird die Bruchgefahr der Platten 3 und 4 innerhalb des Plattenstapels beim Verspannen auf ein Minimum reduziert.

1: Rahmenkörper
2: Plattenstapel
3: Platte
4: Platte
5: Deckelement
6: Spannelement
7: Stegbolzen
8: O-Ring-Dichtung
9: Strömungsbereich
10: Nut
11: Steg
12: Einlaßöffnung
13: Auslaßöffnung
14: Durchgangsöffnung
15: Durchgangsöffnung
16: Durchgangsöffnung
17: Durchgangsöffnung
18: Durchgangsöffnung
19: Durchgangsöffnung
20: Einlaßöffnung
21: Auslaßöffnung
22: Einlaßöffnung
23: Auslaßöffnung
24: Stegbereich

Claims

Verfahren zum Wärmeaustausch in Plattenwärmetauschern mit Medienströmen unterschiedlicher Größe zur Erzeugung einer mehrgängigen Betriebsweise, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Medienströme in Bezug auf den anderen Medienstrom innerhalb des Plattenwärmetauschers zwei unterschiedliche Strömungsbereiche (9) aufweist, wobei die beiden Strömungsbereiche (9) zum einen nach dem Gleichstromprinzip und/oder zum anderen nach dem Gegenstromprinzip durchlaufen werden.
Plattenwärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, der mehrere übereinandergestapelte Wärmetauscherplatten, die jeweils in ihren Eckbereichen Durchgangsöffnungen besitzen und zwischen den Dichtungen angeordnet sind, umfaßt, zwischen welchen Strömungsbereiche für ein erstes Medium und Strömungsbereiche für ein zweites Medium ausgebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenstapel (2) aus Platten mit unterschiedlichen Strömungsbereichen (9) besteht, wobei eine Platte (3) mit einem großem Strömungsbereich (9) und eine Platte (4) mit mindestens zwei kleineren Strömungsbereichen (9) abwechselnd angeordnet sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem äußeren Randbereich der Platten (3; 4) und dem die Strömungsbereiche (9) begrenzenden Bereiche rechteckförmige Nuten (10) zur Aufnahme eines von O-Ring-Dichtungen (8) angeordnet sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchgangsöffnungen (14; 15; 16; 17; 18; 19) zur Einleitung der Medienströme in die jeweils anderen Strömungsbereiche (9) mit einer kreisförmigen im Querschnitt rechteckigen Nut (10) zur Aufnahme von O-Ring-Dichtungen (8) versehen sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtsystem aus mehreren O-Ring-Dichtungen (8) besteht.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Strömungsbereiche (9) Stege (11) sowohl zur Umlenkung der Medienströme als auch zur Abstützung des Bodenbereiches der darüberliegenden Platte (3 oder 4) angeordnet sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (11) zu den die Strömungsbereiche (9) begrenzenden Bereichen beabstandet angeordnet sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (11) mit den die Strömungsbereiche (9) begrenzenden Bereichen verbunden sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Strömungsbereichen (9) der Platte (4) ein Stegbereich (24) zur planparallelen Auflage der unprofilierten Seite der Platte (3) vorgesehen ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 und mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3; 4) aus keramischem Material bestehen und einseitig profiliert sind.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 2 und mindestens einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3; 4) aus Metall bestehen und einseitig profiliert sind.