DE2948123A1

DE2948123A1 - Waermetauscher

Info

Publication number: DE2948123A1
Application number: DE19792948123
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing.e.h. Rudolf 8000 München Becker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1979-11-29
Filing date: 1979-11-29
Publication date: 1981-06-04

Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT

29A8123

(H 1147) H 79/94

Fa/fl 28.11.79

Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus einem von einem Druckmantel umgebenen Stapel von mit Abstand zueinander angeordneten Platten, die zwischen sich Strömungswege für am Wärmetausch beteiligte Fluide bilden.

Ein Wärmetauscher dieser Art ist bereits in der DE-OS 15 489 beschrieben worden. Zwischen den parallel zueinander angeordneten Blechplatten dieses Wärmetauschers entstehen Strömungswege, durch die zwei Fluide strömen. In benachbarten Strömungswegen strömen die Fluide abwechselnd nebeneinander, wobei in jedem zweiten Strömungsweg das eine und dazwischen das andere Fluid strömen. Die Blechplatten sind durch Abstandshalter miteinander verbunden. Die Abstandshalter sind jeweils zwischen benachbarten Blechplatten angeordnet und mit diesen verschweißt.

Das Einschweißen der Abstandshalter erfordert jedoch hohe Fertigungskosten. Außerdem kann es passieren, daß beim Schweißen geschmolzenes Metall um die Schweißstelle herumspritzt. Das geschmolzene Metall haftet an den Blechen des Wärmetauschers und kann Korrosion verursachen. Ein weiterer Nachteil des vor-

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bekannten Wärmetauschers ergibt sich, wenn die beiden am Wärmetausch beteiligten Fluide große Druckdifferenzen aufweisen. Dann müssen die Blechplatten zusätzlich verstärkt werden, sei es durch größere Wandstärke, durch Einprägungen oder durch zusätzliche eingeschweißte Abstandshalter. Alle diese Maßnahmen erhöhen jedoch die Herstellungskosten des Wärmetauschers.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauuscher der eingangs genannten Art zu entwickeln, der sich bei niedrigen Herstellungskosten durch gute Wärmetauscheigenschaften, hohe Lebensdauer und Verwendbarkeit auch bei großen auftretenden Drücken auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest einige der Zwischenräume zwischen den Platten und/ oder zwischen Stapel und Druckmantel mit einer Druck aufnehmenden und Druck übertragenden Schüttung gefüllt sind. Anstelle der bisher üblichen eingeschweißten Abstandshalter ist erfindungsgemäß eine lose eingefüllte Schüttung vorgesehen. Die Schüttung, die den Strömungsweg zwischen den Platten ausfüllt» hält aber nicht nur die Platten auf Abstand, sondern hat zugleich noch Druck aufnehmende und Druck übertragende Eigenschaf ten. Da das Schuttmaterial auf der gesamten Fläche an den Platten anliegt, brauchen die Platten nicht mehr die Druckdifferenz zwischen den auf beiden Seiten der Platten strömenden Fluide auszuhalten. Die resultierende Druckkraft wird durch die zwischen Plattenstapel und Druckmantel vorgesehene Schüttung aufgenommen und von dieser auf den Druckmantel übertragen. Bei geeigneten Formgebung der Zwischenräume wird das Schüttmaterial eher zerdrückt als daß es sich seitlich zu verschie ben.

Mit dem Erfindungsgegenstand wird der Vorteil erreicht, daß zwischen den Platten keine inneren Löt- oder Schweißverbindüngen erforderlich sind und trotzdem eine wesentlich Stahl ton*.'·«· /.If

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lere Konstruktion geschaffen wird, die es gestattet, die Wandstärke der Platten dünner zu wählen, als dies bei bisher bekannten Wärmetauschern möglich war. Hierdurch lassen sich erhebliche Montage- und Materialkosten einsparen. Außerdem wird die unerwünschte Wärmeleitung vom warmen zum kalten Ende des Wärmetauschers verringert.

Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sind jeweils zwei benachbarte Platten an ihren seitlichen Kanten zu einem Plattenpaar verbunden und der Zwischenraum zwischen den Plattenpaaren ist mit einer Schüttung gefüllt.

Jeweils zwei Platten sind paarweise an ihren seitlichen Kanten dicht miteinander verbunden und an Sammel- bzw. Verteilstücke angeschlossen. Die Plattenpaare sind zu einem Stapel zusammengesetzt und von einem Druckmantel umgeben. Bei dieser Ausführungsform stellt das Innere der Plattenpaare den einen (falls nötig für mehrere Fluide unterteilbaren)und der Zwischenraum zwischen den Plattenpaaren den zweiten Strömungsweg dar. Die Zwischenräume zwischen den Plattenpaaren sowie zwischen dem Plattenstapel und dem Druckmantel sind mit Schüttmaterial gefüllt, so daß der zwischen den Platten der Plattenpaare herrschende Druck auf den Druckmantel übertragen wird. Es ist darüber hinaus auch möglich, daß der Raum zwisehen den Platten eines jeden Plattenpaares mit Schüttgut gefüllt ist, um den Abstand der Platten zu fixieren.

Der Abstand zwischen den Platten wird nur wenig größer als die Korngröße der Schüttung gewählt. Wild der erfindungsgemäße Wärmetauscher als Regenerator betrieben, so sind wegen der sich ergebenden geringen Abmessungen die Schaltverluste des Regenerators klein.

Es erweist sich als zweckmäßig, wenn gemäß einer Modifikation des Erfindungsgegenstandes die Platten mit Einprägungen

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versehen sind. Beispielsweise können die Platten wellblechartig verformt oder mit beulenartigen Einprägungen versehen sein. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Einprägungen in den Platten eines Plattenpaares gegeneinander gerichtet sind. Die Platten stützen sich dann an den Einprägungen gegeneinander ab. Außerdem tragen die Einprägungen zur Stabilisierung der Platten bei.

Die Schüttung im erfindungsgemäßen Wärmetauscher enthält vorzugsweise Stahlsand und/oder Quarzriesel und/oder Aluminiumpellets. Das Schüttmaterial hat zweckmäBigerweise eine Körnung von 5.mm oder weniger. Für einen Regenerator hat sich Stahlsand als besonders vorteilhaft Füllung erwiesen.

Bei großen auftretenden Druckdifferenzen ist es günstig, wie erfindungsgemäß weiter vorgeschlagen wird, das Schüttmaterial durch eine erhöhte Materialaufschüttung oberhalb der Gaszufuhr bzw. Gasabführung oder durch eine Preßvorrichtung unter Druck zu setzen. Mit Hilfe dieser Maßnahmen läßt sich ein späteres Nachgeben oder Zusammensacken der Schüttung ausgleichen.

Als alternative oder zusätzliche Maßnahme zur Festigung der Schüttung und damit zur Erhöhung der Druckbelastbarkeit des Wärmetauschers wird weiters vorgeschlagen, daß das Schüttmaterial durch ein Bindemittel oder durch Zusammensintern in eine feste poröse Masse verwandelt ist. Nachdem die Schüttung eingefüllt und verdichtet ist und die Platten dadurch in der gewünschten Lage gehaltert sind, wird die Schüttung mit einem

Bindemittel fixiertoder durch Erhitzen zusammengesintert.

Es hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn in Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes zwischen Plattenstapel und Druckmantel druckfeste Verdrängungskörper eingebracht sind. Die Verdrängungskörper sind aus beliebigem Ma-

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terial mit möglichst schlechter Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Sie dienen dazu, ein Vorbeiströmen des auf der Außenseite der Plattenpaare strömenden Fluids zu verhindern.

Zur Erhöhung der Standsicherheit der Schüttung sind bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in die Schüttung Wellbleche, Gitter oder Drahtgeflechte eingelagert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.

Hierbei zeigen:

Die Figuren 1 bis 3 verschiedene Schnittdarstellungen eines

erfindungsgemäßen Wärmetauschers,

Figur 4 einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher

als Regenerator.

Der Wärmetauscher weist eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Platten 1 auf. Die Platten 1 sind beispielsweise wellblechartig verformt, wobei die Wellen in der Draufsicht ein Fischgrätenmuster bilden (Figur 1). Die Platten 1 sind, wie aus den Figuren 2 und 3 hervorgeht, paarweise zusammengefügt und an ihrenseitlichen Rändern dicht miteinander verbunden, Die Verbindung kann durch Schweißen oder Löten, z.B. als Bördelnaht, ausgeführt sein. Werden Bleche aus Aluminium oder Aluminiumlegierung verwendet, kanndie Lötung unter Vakuum, Schutzgas oder im Salzbad erfolgen. Selbstverständlich ist auch eine Schweißverbindung möglich. Zweckmäßigerweise sind die Fischgrätenmuster der Platten 1 eines jeden Plattenpaares so gegeneinander versetzt, daß sich deren Wellen kreuzen. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß sich die Platten gegen einander abstützen. Die Platten 1 können aus jedem beliebigen löt- oder schweißbaren Material, z.B. Stahlblech, Weißblech,

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VA-Material, Aluminium, Kupfer, Messing oder Kunststoff gefertigt sein. Typische Wandstärken liegen bei 0,25 bis Die Plattenpaare sind von einem Druckmantel 4 umgeben, der beispielsweise aus Stahl gefertigt ist. Der Zwischenraum S zwischen den Plattenpaaren sowie zwischen den zu einem Stapel zusammengefügten Plattenpaaren und dem Druckmantel 4 ist erfindungsgemäß mit einer Schüttung 2 gefüllt, die einerseits den Abstand zwischen den Plattenpaaren fixiert und andererseits Druckkräfte, die im Innern der Plattenpaare auftreten, auf den Druckmantel 4 überträgt. Die Schüttung besteht vorzugsweise aus Stahlsand und/oder Quarzriesel und/oder Aluminiumpellets. Bevorzugtes Schuttmaterial hat eine Körnung von kleiner als 5 mm.

Die beiden am Wä*rmetausch beteiligten Fluide werden über Stutzen 7, 9 den Wärmetauscher zu- bzw. abgeführt, wobei der Stutzen 7, der beispielsweise als Wellrohr zum Ausgleich von thermischen Spannungen ausgebildet ist, über ein Sammelstück 5 und Distanz-Wellbleche 3 mit dem Inneren der Platten- paare verbunden ist, während der Stutzen 9 in den mit der Schüttung 2 gefüllten Raum um die Plattenpaare mündet. Um ein Austreten der Schüttung 2 zu verhindern, ist auf der Innenseite des Stutzens 9 ein Sieb 8 vorgesehen. Zur Erhöhung ihrer Druckaufnahmefähigkeit kann die Schüttung nach oben erhöht und/oder eine Anpreßvorrichtung (6) vorgesehen werden, durch die z.B. mit Druckschraube und Feder die Schüttung unter Druck gesetzt und verdichtet wird. Anschließend werden die beiden am Wärmetausch beteiligten Fluide den hierfür vorgesehenen Strömungswegen innerhalb und außerhalb der Plattenpaare zugeführt. Das unter einem höheren Druck stehende Fluid strömt dabei im Inneren der Plattenpaare. Die auf die Platten wirkenden Druckkräfte werden auf die zwischen den Plattenpaaren befindliche Schüttung 2 übertragen, wobei sich die entgegengesetzt gerichteten Kräfte benachbarter Plattenpaare gegenseitig aufheben. Die nach

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außen gerichteten Druckkräfte der äußersten Plattenpaare werden von der Schüttung zwischen diesem und dem Druckmantel 4 auf den Druckmantel 4 übertragen.

- Durch den Gegenstand der Erfindung ist es daher möglich, die Wandstärke der Platten 1 sehr dünn auszuführen und nur den äußeren Mantel 4 des Wärmetauschers druckstabil auszulegen.

Selbstverständlich ist auch eine Konstruktion möglich, bei der nur oder zusätzlich das Innere der Plattenpaare mit einer Schüttung gefüllt ist.

Zur Stabilisierung der Schüttung 2 ist es außerdem möglich, das Schüttmaterial durch ein Bindemittel, wie z.B. Kitte oder Kleber auf Wasserglas- oder Kunststoffbasis zu einer festen porösen Masse zu verkleben und/oder in die Schüttung Wellbleche, Gitter oder Drahtgeflechte einzulagern. Ferner kann das Granulat durch Erhitzen zusammengesintert werden, 2Q besonders, wenn die Oberfläche der Körner mit einem leicht schmelzbarem Überzug z.B. einer Glasur oder aus Lötmasse versehen wurde.

Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird mit Vorteil als 2J Regenerator bei der Tieftemperatur-Gaszerlegung verwendet (Figur 4). Im Inneren der Plattenpaare strömt das Reingas 10, in dem von der Schüttung 2 gefüllten Zwischenraum abwechselnd nacheinander zu zerlegendes Gas 11 und Spülgas 12. Der Abstand zwischen den Plattenpaaren wird nur wenig -- größer als die Körnung der Schüttung 2 gewählt. Wegen der sich ergebenden geringen Abmessungen sind die Schaltverluste insbesondere bei Verwendung von Stahlsand sehr klein. Die kleinen Abmessungen bringen erhebliche Ersparnisse im Platzbedarf, beispielsweise von Luftzerlegungsanlagen, bzw. .- vermindern die Zahl der erforderlichen Regeneratoren mit

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ihren teuren Schaltorganen. Verglichen mit einem herkömmlichen Quarzitregenerator ohne Rohrschlangen ist bei einem erfindungsgemäßen Platten-Stahlsand-Wärmetauscher als Regenerator der Querschnitt halb und die Länge nur sogar ein Viertel oder

Fünftel so groß.

Durch die guten Wärmetauscheigenschaften des erfindungsgemäßen Wärmetauschers sind die Sublimationsbedingungen sehr günstig, insbesondere, wenn das Reingas während des Spül- Vorgangs abgeschaltet wird, so daß die Sublimation im Mittel bei höherer Temperatur erfolgt als die Kondensation. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers wird daher sehr wenig Spülgas gebraucht, ein ganz entscheidender Vorteil bei Gaszerlegungsanlagen, die prozentual große Reingasmengen abgeben sollen, wie z.B. bei Luftzerlegern mit maximalen Produktmengen an hochreinem Stickstoff und Sauerstoff oder bei Anlagen zur Erzeugung von reinem Wasserstoff oder Wasserstoff gemischen für Synthesen jeglicher Art aus wasserstoffhaltigen Rohgasen, wobei meistens wenig Restgas für Spül- zwecke anfällt.

Bei Luftzerlegungsanlagen die z.B. nur reinen Sauerstoff erzeugen, können die etwas teuereren Regeneratoren mit Reingasquerschnitten klein gehalten werden, während für den Wärmeaustausch der unreinen Zerlegungsprodukte einfache und daher billigere Horden- oder Schüttregeneratoren herangezogen werden können.

em r.»

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L e e r s e i t e

Claims

29 A3 1

(H 1147) H 79/94

Fa/fl 28.11.79

Patentansprüche

Wärmetauscher aus einem von einem Druckmantel umgebenen Stapel von mit Abstand zueinander angeordneten Platten, die zwischen sich Strömungswege für am Wärmetausch beteiligte Fluide bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einige der Zwischenräume zwischen den Platten (1) und/oder zwischen Stapel und Druckmantel (4) mit einer Druck aufnehmenden und Druck übertragenden Schüttung (2) gefüllt sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei benachbarte Platten J1) an ihren seitlichen Kanten zu einem Plattenpaar verbunden sind und der Zwischen» raum zwischen den Plattenpaaren mit einer Schüttung (2) gefüllt ist.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) mit Einprägungen versehen sind.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schüttung (2) Stahlsand und/oder Quarzriesel und/oder Aluminiumpellets enthält.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schüttmaterial durch erhöhte Ma terialaüfechüttung oberhalb der Gaszu- bzw. Gasabführung (9)

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1 oder durch eine Preßvorrichtung (6) unter Druck gesetzt ist.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch 5 gekennzeichnet, daß das Schuttmaterial durchVerkleben, Verkitten oder Zusammensintern in eine feste, poröse Masse verwandelt ist.
7. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch 10 gekennzeichnet, daß in die Schüttung (2) Wellbleche, Gitter oder Drahtgeflechte eingelagert sind.

8. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch IS gekennzeichnet, daß zwischen Stapel und Druckmantel (4) druckfeste Verdrängungskörper eingebracht sind.

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