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Graphitwärmeaustauscher bestehend aus einzelnen dicht zusammengefügten
Platten mit die Kanäle für die Austauschmedien bildenden Rillen Die Erfindung bezieht
sich auf Graphitwärmeaustauscher. Graphit besitzt besonders vorteilhafte Eigenschaften
für den Austausch von Wärme zwischen Austauschmedien, insbesondere dort, wo eines
oder beide Medien eine aktive chemische Substanz mit stark korrodierender oder lösender
Wirkung sind.
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Für solche Wärmeaustauscher hat man lange Zeit Steinzeug verwendet,
da sich die Verwendung von Metallen durch die Eigenschaften der Austauschmedien
verbot. Später hat man erkannt, daß sich für den gleichen Zweck Graphit besonders
gut eignet, da er zwar die gleiche Wärmeleitfähigkeit wie die für die Zwecke in
Frage kommenden Metalle aufweist, gegenüber der Korrosion jedoch viel widerstandsfähiger
ist..
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Den Bau von Wärmeaustauschern aus Graphit setzen sich jedoch eine
Reihe von Schwierigkeiten entgegen, zu denen insbesondere diejenigen der schweren
Verarbeitbarkeit dieses Materials gehört. Während man aus Metall oder Steinzeug
beliebige Formen herstellen kann, muß man sich bei Graphit auf solche Formen beschränken,
die sich durch spanabhebende Bearbeitung erzeugen lassen.
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Die bekannten Graphitwärmeaustauscher zeigen, daß die Ausbildung der
Austauscher durch dieses Problem immer beeinflußt worden ist, indem man den Wärmeaustauscher
aus Platten aufgebaut hat, aus denen geradlinige Rillen herausgearbeitet sind, die
zusammen mit der darauf- bzw. daruntergesetzten Platte die Kanäle für die Austauschmedien
bilden. Bei dieser Konstruktion kann man die Kanäle entweder unter sich parallel
oder in aufeinanderfolgenden Lagen sich überkreuzend führen.
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Bei einer anderen Konstruktion, die ebenfalls aus aufeinandergesetzten
Graphitplatten besteht, trägt die eine Platte eine Reihe von konzentrierten Kanälen,
während die andere Platte eine im wesentlichen glatte Oberfläche aufweist. Die mit
den Kanälen versehene Platte wird auf die glatte Platte aufgesetzt, wobei man mehrere
dieser Platten übereinanderstapelt. Die einzelnen konzentrischen Kanäle in den Platten
sind mittels radial verlaufender Durchbrüche miteinander verbunden, so daß ein Medium
an einer Stelle dieses labyrinthartigen Kanalsystems eingeführt und an einer anderen
Stelle wieder abgeführt werden kann. Um diese Zu- und Abführung vornehmen zu können,
sind am Rand der glatten Platte eine Reihe von öffnungen vorgesehen, die jeweils
mit den äußeren Durchbrüchen in den Kanälen der anderen Platten in Flucht gebracht
werden müssen, um derart die gewünschte Zirkulation des Mediums in dem System aus
Platten durchführen zu können.
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Bei diesen derart zusammengestellten Graphitwärmeaustauschem sind
an den jeweiligen Abschlußflächen entsprechende Anschlußleitungssysteme erforderlich,
die der Zu- und Abführung der Wärmeaustauschermedien dienen. Bei den Konstruktionen
mit parallel bzw. mit konzentrisch verlaufenden Kanälen genügen dabei zwei an gegenüberliegenden
Flächen des Blocks liegende, in ihrem Aufbau allerdings recht umständliche Anschlußsysteme,
während bei dem System mit sich überkreuzenden Kanälen vier etwas einfachere Anschlußsysteme
vorgesehen werden müssen.
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Neben dem Nachteil der beschriebenen umfangreichen und damit komplizierten
Anschlußsysteme besitzen die bekannten Graphitwärmeaustauscher aber besonders den
Mangel, daß die einzelnen Kanäle nur sehr schlecht gegeneinander abzudichten sind
und es immer wieder zu Leckstellen kommt. Außerdem bleiben zwischen den Kanälen
vergleichsweise große Wandstärken, die den Wärmeübergang von einem zum anderen Medium
erschweren.
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Durch die Erfindung sollen diese Schwierigkeiten der bekannten Wärmeaustauscher
beseitigt werden. Man geht dabei von Graphitwärmeaustauschern für gasförmige und/oder
flüssige Medien aus, die aus einzelnen gas- und/oder flüssigkeitsdichten zusammengefügten
Platten mit die Kanäle für die Austauschmedien bildenden Rillen bestehen, wobei
die Platten zwischen zwei die Elemente für die Zu- bzw. Ableitung der Austauschmedien
tragenden Abschlußplatten angeordnet sind. Die Erfindung besteht darin, daß die
in aufeinanderfrolgenden Platten angeordneten
Kanäle die Form von
Spiralen mit gegeneinander versetzten inneren und äußeren Spiralenden aufweisen
und die Platten jeweils mit den inneren und äußeren Spiralenden der Kanäle in den
benachbarten Platten fluchtende Durchbrüche aufweisen.
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Es wird also aus einer Platte in der bei Graphit möglichen spanabhebenden
Arbeitsweise eine Spirale herausgearbeitet, die an ihrem inneren, gegen die Plattenmitte
etwas versetzten Ausgangspunkt in eine die Platte durchdringende Bohrung übergeht.
In der nächsten daraufzusetzenden Platte wird eine ähnliche, gegebenenfalls gegenläufige
Spirale eingeschnitten. Die Plattenpaare werden nunmehr in der erforderlichen Anzahl
übereinandergesetzt, und der Plattenstapel wird durch Abschlußplatten abgedeckt.
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Das übereinandersetzen der Platten erfolgt dabei in der Weise, daß
sich die inneren Spiralenendpunkte der ersten, dritten usw. bzw. zweiten vierten
usw. Platte decken. Um 180° gegenüber den inneren bzw. äußeren Spiralenendpunkten
versetzt, befinden sich in den Platten Durchbrüche. Beim übereinandersetzen der
Platte werden sich also auch die Bohrungen gegenüber den inneren Spiralenendpunkten
und die Außenbohrungen decken. Um den Übergang des Austauschmediums von der ersten
zur dritten, fünften, siebenten usw. oder zweiten zur vierten, sechsten usw. Platte
zu ermöglichen, muß außerdem die jeweilige Platte am äußeren Spiralenendpunkt durchbohrt
werden, was auch bei Graphit als Werkstoff keine Schwierigkeiten bereitet. Es entsteht
also ein System, bei dem ein Medium beispielsweise vom äußeren Spiralenende der
ersten Platte längs der Spirale nach innen bis zum Durchbruch am inneren Spiralenende,
von diesem quer durch die darunterliegende Platte zur nächsten Platte und von dort
vom inneren Spiralenende zum äußeren Spiralenende strömt. Das gleiche gilt für ein
Medium, das in die Gänge in der zweiten Platte eingeführt wird. Die Medien stehen
also praktisch auf dem ganzen Weg von innen nach außen bzw. außen nach innen über
zwei Flächen miteinander im Wärmeabtausch. Die Anschlußorgane bestehen aus einfachen,
ebenfalls aus Graphit herzustellenden Anschlußstutzen, so daß das ganze System aus
einem Baustoff hergestellt werden kann. Die Verbindung der einzelnen Platten erfolgt
durch einfaches Aufeinandersetzen, wobei die Bearbeitung durch Abschleifen so sauber
vorgenommen werden kann, daß zusätzliche Dichtelemente oder Klebestellen nur in
den seltensten Fällen erforderlich sind. Davon abgesehen ist es nicht so sehr wichtig,
wenn die einzelnen Kanäle einer einzigen Spirale nicht vollständig gegeneinander
abgedichtet sind, da sich ja in dieser Spirale nur ein einziges Medium befindet
und ein Leckverlust von einem Spiralengang zum andern ohne größeren Einfluß auf
den Wärmehaushalt des Systems ist.
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Der Zusammenbau der Platten erfolgt mit Hilfe von auf die Deckplatten
aufzulegenden, vorzugsweise federnden Abschlußplatten, die durch Schraubbolzen miteinander
verbunden sind. Verwendet man in Richtung der Graphitabschlußplatten mittig etwas
ausgebogene Metallplatten, so erhält man in vorteilhafter Weise einen federnden
Andruck der ganzen Anordnung.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
und zwar in Fig. 1 eine Draufsicht auf eire Platte und in Fig. 2 einen Axialschnitt
durch einen aus Platten nach Fig. 1 aufgebauten Wärmetauscher. Wie man insbesondere
aus Fig.2 erkennt, setzt sich der erfindungsgemäße Wärmetauscher aus einer Abschlußplattel
mit in entsprechende Bohrungen2, 3 eingesetzten Anschlußstutzen 4, 5 für die Zu-
bzw. Abführung der Wärmetauschmedien und mehreren mit spiralförmigen Gängen versehenen
Platten 6, 7, 8, 9 sowie einer der Platte l entsprechende Abschlußplatte
10 mit Anschlußstutzen 11 und 12 in Bohrungen 13, ? 4 zusammen.
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Wie man aus Fig. 1 erkennt, weist beispielsweise die Platte
9 einen bei 15 beginnenden Spiralengang 16 auf, der etwas ausmittig
bei 17 endet.
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Bei 18 ist die nachfolgende Platte 8 mit einem Durchbruch versehen.
Ein ähnlicher Durchbruch ist bei 19 vorgesehen. Die Platte weist ähnlichen
Aufbau der Spirale 16 auf. Auf diese Platte folgt wieder eine der Platte 9 ähnliche
Platte 7 und darauf die Platte 6.
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Das eine Wärmeaustauschmedium tritt beispielsweise durch den Stutzen
12 in das äußere Spiralenende der Platte 9 ein und strömt von dort durch die Spirale
16 bis zum inneren Spiralenende 17. Dieses Ende geht in einen die Platte
durchsetzenden Durchbruch über, der vom Medium passiert wird, das über einen Durchbruch
in der Platte 8 zum inneren Spiralenende 17 der Platte 7 und von dort
nach außen zum äußeren Spiralenende 15 dieser Platte fließt. Das äußere Spiralenende
dieser Platte geht in einen die Platte 7 durchsetzenden Durchbruch und dieser in
den Durchbruch 19 der Platte 6 über, so daß das Medium durch die Bohrung
2 in der Abschlußplatte 1 über den Stutzen 4 austreten kann.
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Das andere Wärmetauschmedium tritt z. B. durch den Stutzen 5 über
einen Durchbruch am Spiralenende in die Spirale der Platte 6 ein, überspringt durch
einen Durchbruch bei 18 die Platte 7 und gelangt in die Spirale der
Platte 8, wo es wieder über den Durchbruch 19 in die Platte 9 nach
außen zum Auslaßstutzen 11 gelangt. Die sich in den Bohrungen 19 der Platten
7, 8 bzw. den Bohrungen 18 der Platten 6, 9
bildenden toten
Taschen lassen sich, falls überhaupt erforderlich, ohne Schwierigkeiten durch einen
entsprechenden Graphitstopfen schließen.
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Selbstverständlich ist es ohne weiteres möglich, auch mehrere Medien
miteinander in Wärmeaustausch zu bringen, wenn man nur für entsprechende Kanäle
und Kanalverbindungen sowie Anschlüsse und eine entsprechende Vielzahl von Platten
sorgt.
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Man erkennt, daß zwischen den einzelnen Austauschmedien immer nur
eine einzige Wandstärke vorhanden ist, so daß der Wärmeübergang von der einen Platte
zur anderen optimal ist. Die Abdichtung braucht lediglich an den Stellen besonders
gut zu sein, wo das eine Medium beim Übergang von der einen zur anderen Platte den
Strömungsweg des anderen Mediums in dieser Platte kreuzt. Die die Spirale begrenzenden
Wandungen in den einzelnen Platten trennen lediglich gleiches Medium von gleichem
Medium, so daß eventuelle Abdichtungsungenauigkeiten nicht wesentlich ins Gewicht
fallen.