DE2029782C3 - Wärmetauscher aus Blechtafeln - Google Patents

Description

weisen können. Diese beiden Stromungswege können auch in periodisch umkehr- und umschaltbarer Weise vorgesehen sein, so daß in dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ein nach dem System des sogenannten »reversing exchanger« arbeitender Plattenwärmetauscher erstellbar ist, der sowohl in bauliciier als auch in thermischer Beziehung gegenüber den bekannten Ausführungen der »reversing exchanger« eine ganze Reihe der den Plattenwärmetauschern eigenen Vorteile aufweist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Trennwände beidseitig mit Ausbuchtungen unterschiedlicher Höhe versehen und die hohen Ausbuchtungen berühren die Plattenpaare dort, wo deren Blechtafeln aufeinander liegen und die niedrigen Ausbuchtungen berühren die Plattenpaare dort, wo sie zwischen sich die parallelen Strömungskanäle bilden. Eine derart geformte Trennwand ist auf einfache Weise mittels eines Tiefziehprozesses herstellbar.

Bei einer vorteilhaften Weiterbi'dung bilden die spiegelbildlich aufeinanderliegende» Blechtafeln der Plattenpaare an den Ein- und Austrittsseiten der von ihnen gebildeten parallelen S'.römungskanäle die Begrenzungswände fur Verteil- und Sammelkammern der Strömungskanäle. Damit stehen alle Fluide, die durch die parallelen Strörnungskanäle fließen, in direktem Wärmetausch mit den beiden Fluiden, die in den durch die Trennwand getrennten Strömungskanälen zwischen den benachbarten Blechtafeln der mit Abstand zueinander angeordneten Plattenpaare strömen.

Dabei ist es sehr vorteilhaft, wenn jeweils die zwischen den benachbarten Plattenpaaren eingespannte Trennwand an den Ein- und Austrittsseiten der parallelen Strömungskanäle bis zu den äußeren Kanten der Blechtafeln reichen und die Abdichtung zwischen den benachbarten Blechtafeln der benachbarten Plattenpaare und Trennwand an diesen äußeren Kanten vorgesehen ist. Damit ist erreicht, daß die Abdichtung außerhalb der Verteil- und Sammelkammern liegt und somit leicht zugänglich und kontrollierbar ist. Dabei können die aufeinanderliegenden drei Tafel- bzw. Wandteile zwischen ihrer Zusammenführstelle und ihrer Abdichtstelle, beispielsweise durch Rollnahtverschweißung, längs einer oder mehreren vorzugsweise parallelen Linien miteinander verbunden sein.

Eine sehr zweckmäßige Weiterbildung ist dadurch gegeben, daß zwischen den spiegelbildlich aufeinanderliegenden Blechtafeln der Plattenpaare weitere, die parallelen Strömungsknnule halbierenden Trennwände angeordnet sind, die an den Ein- und Austrittsseiten der Strömungskanäie über die Blecht3feln hinausreichen und die Verteil- oder Sammelkammern der unterteilten Strömungskanäle bilden. Diese Trennwände erhöhen die Masse und damit die Wärmekapazität der Wärmetauscher und sind an den offenen Enden über die parallelen Strömungskanäle hinaus verlängert, so daß jede benachbarte Hälfte der parallelen Strömungskanäle von verschiedenen Fluiden durchströmbar ist.

Eine zweckmäßige Anwendungsmöglichkeit für den erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist dadurch gegeben, daß die von der erstgenannten Trennwand geteilten Strömungskanäle in umkehr- und umtauschbarer Weise von zwei Fluiden, wie Luft bzw. Rohgas, und einem Zcrlegungsprodukf, Restgas oder Spülgas, wie unreiner Stickstoff, durchströmbar sind.

Die Figuren zeigen Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Platteilwärmetauschers.

Fig. 1 und 2 zeigen ausschnittsweise je einen Querschnitt durch den Plattenstapel, und zwar parallel bzw. senkrecht zu der Hauptrichtung der Strömungswege, wobei die Schnitte zwischen den Bruchlinien a-b nach der Ebene Πα, außerhalb davon nach der Ebene IIb gelegt sind. Fig. ! zeigt dabei den Schnitt I-I nach Fig. 2.

ίο Fig. 3 zeigt einen Schnitt gemäß der Schnittlinie III-III nach Fig. 4, einer anderen Ausführungsform.

Fig. 4 zeigt unterhalb der Bruchlinien α bzw. b Schnitte gemäß den Schnittlinien IVa-IVa bzw. Wb-Wb nach Fig. 3.

»5 Fig. 5 und 6 zeigen einen Wärmetauscher im Längs- bzw. Querschnitt, der in besonders vorteilhafter Weise als »reversing exchanger« geeignet ist. Dabei zeigt Fig. 5 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie V-V nach F i g. 6, und F i g. 6 einen Schnitt gemäß der Schnittlinie VI-VI nach Fig. 5.

Gemäß Fig. J und 2 besteht der PJattenstapel aus den Blechtafeln 1,2, 3, 4, S, 6 und 7, wobei der Rand

11 der Blechtafel 1 mit dem Rand 12 der Blechtafel 2 und der Rand 13 der Blechtafel 3 mit dem Rand 14 der Blechtafel 4 und die Ränder 15, 16 der Blechtafel 2 mit den Rändern 17 bzw. 18 der Blechtafel 3 bzw. 19 und 20 der Blechtafel 4 mit 21 bzw. 22 der Blechtafel 5 abdichtend verbunden sind. Die Blechtafeln 2 und 3 usw. liegen spiegelbildlich zur gemeinsamen Berührungsebene aufeinander und bilden zwischen sich gemäß Pfeil 28, 29 einzelne parallele, im Querschnitt rundflächige Strömungskanäle 24,25,26, 27. Die zwischen den mit Abstand und um eine halbe Wellenlänge versetzt zueinander angeordneten Blechtafeln 1 und 2 bzw. 3 und 4 vorgesehenen Strömungswege sind mittels einer Trennwand 30, 31, 32, die an ihrem Rand 33, 34 mit den Rändern 11 und

12 bzw. 13 und 14 und an ihren Rändern 35 und 36 mit den zwischen den Rändern 17 und 19 bzw. 18 und 20 eingesetzten Randdichtleisten 37, 38 bzw. 39, 40 gasdicht verbunden sind, in die Strömungswege 41, 42 bzw. 43,44 bzw. 45,46 unterteilt. Jeweils das eine Ende einer Randdichtleiste ist unterbrochen, so daß Strömungsöffnungen zum Zu- und Ableiten der Fluide entstehen, und zwar für den Strömungsweg 43 am Ende der Randdichtleiste 39, für den Strömungsweg 44 am Ende der Randdichtleiste 38 usw. In den Strömungswegen 41, 43, 45 bzw. 42, 44, 46 bzw. 24, 25, 26, 27 können also mindestens drei verschiedene Fluide an einem direkten Trennwandwärmetausch teilnehmen. Die Trennwand 30, 31, 32 ist beidseitig mit Ausbuchtungen unterschiedlicher Höhe versehen, so daß die Stellen ihrer größten Verformung an vielen Stellen die Blechtafeln 1, 2, 3, 4, 5 und 6 berühren, wobei eine gegenseitige Abstützung erzielbar ist. Damit können die verschiedenen Strömungswege auch für Fluide unterschiedlichen Drucks verwendet werden. Da die Strömungswege 41 bzw. 42, 43 bzw. 44 und 45 bzw. 46 auch mit völlig gleichen thermischen und strömungsmechanischen Eigenschaften ausrüstbar sind, eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung in hervorragendem Maße für einen umkehr- und umscha!'baren Wärmetauscher nach Art eines »reversing exchangers«.

In den Figuren ist ferner veranschaulicht, daß auch zwischen den Blechtafeln 4 und 5 bzw. 6 und 7 weitere Trennwände 50,51 vorgesehen sein können, die außer einer Erhöhung der Wärmeleitung und des Wärme-

tausches infolge des »Rippeneffekts« eine Unterteilung der rundflächigen in zwei halbrundflächige Strömungswege 52 und 53 bzw. 54 und 55 erbringen. Dabei sind die Ränder 56 und 57 der Trennwand 50 mit den Rändern 19 und 21 bzw. 20 und 22 gasdicht verbunden. Die Trennwände 50, 51 reichen über die Blechtafeln 1 bis 7 hinaus und bilden zusammen mit den Randdichtlcisten 58, 59, 60 und den Gehäusewänden 61 getrennte Kammern 62, 63, 64, die. wie z. B. in der Randdichtleiste 59, mit separaten Strömungsöffnungen versehen sein können. Damit wird es ermöglicht, durch die parallelen Strömungswege 65, 24, 25, 26 und 52 bzw. 53 und 54 bzw. 55 usw. verschiedene Fluide zu führen, die unter sich und mi! den Fluiden in den Strömungswegen 41, 42, 43, 44, 45, 46 in direktem Trennwandwarmetausch stehen, und die vollkommen gleichen thermischen und strömungsmechanischen Bedingungen unterworfen sein können. Damit ist aber auch die Aufgabe lösbar, bei veränderlichen Mengen der verschiedenen Fluide die Anzahl der Strömungswege an diese Änderungen durch entsprechende Schaltung der Strömungsöffnungen zu den Kammern 62,63,64 usw. leicht anpassen zu können. Die feinste Regelbarkeit ist durch die vollkommenste Unterteilung gegeben, d.h.; wenn zwischen allen spiegelbildlich zueinander angeordneten Blechtafeln eine eigene Trennwand eingesetzt ist und zwischen je zwei Trennwänden eigene Kammern mit separaten Strömungsöffnungen mit entsprechenden Anschlußleitungen vorgesehen sind. Die aus dein allgemeinen Plattenstapel herausragenden Teile der Trennwände 50,51 können zur Erhöhung ihrer Steifheit Wellen oder Sicken 50α, 51α aufweisen.

Gemäß Fig. 3 und 4 sind die Blechtafeln 101, 102, 103,104ebenfalls mit querlaufenden Sicken 105,106 versehen,die jedoch nicht so lief wie die die unterteil ten parallelen Strömungskanälc 107. 108, 109 ergebenden Längssicken 110, 111, 112 ausgeführt sind. Die Trennwände 113, 114 sind hier einfach gewellt und stützen sich beidseitig auf den Längssicken 110, 111,112 usw. ab. Die besondere Eigenheit ist bei dieser Ausbildungsform, daß sowohl die Blechtafeln 101, 102 bzw. 103,104 als auch die Trennwand 113, 114 über ihre gemeinsame Berührungslinie 115, 116 hinausverlängert und mit Randleisten 117,118,119 gasdicht verbunden sind, so daß Strömungskammern 120, 121,122gebildet sind. Damit ist erreicht, daß die gasdichten Verbindungsstellen 123, 124 von außen zugänglich und kontrollierbar sind. Auch bei dieser Ausgestaltung können die Strömungskammern 120, 121. 122 und die dazugehörenden Strömungswege 107, 108, 109 für verschiedene, getrennt zu haltende Fluide vorgesehen sein. Die Blechtafeln 101 und 102 bzw. 103 und 104 und die dazwischen befindliche Trennwand 113 bzw. 114 sind mittels Rollnahtverschweißungen 125,126, 127 miteinander verbunden. Auch bei diesem Beispiel können zwischen der Blechtafel 102 und 103 bzw. 104 und 104a Trennwände 128 bzw 129 eingesetzt sein, die hier nur zur Verbesserung der Wärmeaustauschleisiung, nicht aber zur Trennung verschiedener Fluide dienen. Diese können gemäß der Pfeile 130,131 und 132 zu und durch einen Sammelkasten 133 und gemäß der Pfeile 134 und 135 zu und durch einen Sammelkasten 136 strömen.

Fig. 5 zeigt das eine Ende eines Wärmetauschers im Längsschnitt parallel zu* Berührungsebene zweier benachbarter Platten, so «au die in Hauptströmungs-

S richtung verlaufenden parallelen Strömungskanäle 150, 151 und die dazu quer verlaufenden Ausgleichssicken 152 und 153 usw. in Ansicht zu sehen sind. Der Plattcnstapel ist in ein Gehäuse 154 eingebaut und an den Rändern abdichtend mit diesem verbunden. Die Gchäuscaußcnwand ist mit Sammelkasten 155,156,157,158 und 159 verschen, in die die Strömungswcgc für die einzelnen Fluide münden. Das andere Ende des Wärmetauschers kann zum dargestellten Ende in bezug auf eine horizontale Achse

•5 symmetrisch ausgeführt sein. Die Sammelkasten 155, 156 können dabei in Umtausch- und umschaltbarer Weise von einem Rohgas gemäß Pfeil 160 beschickt sein, das durch einen der beiden Strömungswege zum anderen - nicht gezeichneten - Ende des Wärmetauschers sirömt und dort an einem entsprechenden Sammelkasten austritt. Gleichzeitig kann über den anderen Strömungsweg ein Restgas oder ein Spülgas in Richtung gemäß Pfeil 161 aus dem Sammelkasten 156 des Wärmetauschers austreten, das einem am nicht

^a5 gezeigten Ende des Wärmetauschers angeordneten Sammelkasten zugeführt ist. Nach der Umschaltung wird der Sammelkasten 156 gemäß Pfeil 162 mit einem Rohgas versorgt, während durch den Sammelkasten 155 gemäß Pfeil 163 die Abführung des Spül- oder Restgasstromes erfolgt. Nach der Umlenkung der Fluide von diesen Sammelkasten in die Hauptströmrichtung erfahren die verschiedenen Fluide einen Trennwandwärmetausch im Gegenstrom längs der Platten des Plattenstapels. Am nicht dargestellten

untcien Ende kann die Zuführung dreier weiterer verschiedener Fluide, z. B. dreier Produktgase, wie reiner Sauerstoff, reiner Stickstoff usw. durch diagonal symmetrisch zu den Sammelkasten 157, 158, 159 angeordnete Sammelkasten erfolgen, wobei eines der Produktgase durch die parallelen Strömungskanäle 150,151 usw. in den Sammelraum 164 gelangen kann, aus dem es durch die Öffnung 165 in den Sammelkasten 159 einströmen und von dort weitergeleitet werden kann. Ein zweites Produkt gelangt durch zu den Strömungskanalen 151, 150 parallelen, zwischen anderen benachbarten Plattenpaaren liegenden Strömungskanalen in einen zu Sammelraum 164 parallel liegenden Raum, von dem es durch den Öffnungsquerschnitt 166 in den Sammelkasten 158 gelangen kann. Ein drittes Fluid strömt ebenfalls durch zu den Strömungskanalen 150,151 parallelen, aber zwischen tiefer liegenden Platten angeordneten Strömungskanalen in einen Raum, von dem es durch eine Öffnung 167 in den Sammelkasten 157 gelangen kann. Die in den weiteren benachbarten Plattenpaaren befindlichen Strömungskanäle führen das erste Fluid durch Öffnungen 168,169 und 170 usw. ebenfalls zum Sammelkasten 159, das zweite Fluid durch Öffnungen 171, 172 usw. ebenfalls zum Sammelkasten 158 und das dritte Fluid durch Öffnungen 173, 174, 175 usw. ebenfalls zum Sammelkasten 157, wie das in einer Querschnittsdarstellung durch die Räume 164, 165, 166 usw. gemäß Fig. 6 veranschaulicht ist.

Hierzu 2 Blatl Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher aus im wesentlichen in gleicher Weise wellenähnlich verformten Blechtafeln, deren Ränder abwechselnd mit dem Rand der einen bzw. der anderen benachbarten Blechtafel abdichtend verbunden sind, wobei abwechselnd zwei benachbarte Blechtafeln spiegelbildlich zur gemeinsamen Berührungsebene als Plattenpaare aufeinander liegen und dadurch zwischen sich einzelne parallele Strömungskanäle bilden, und benachbarte Plattenpaare zueinander mit Abstand angeordnet sind und Zwischenräume bilden, in denen verformte, benachbarte Plattenpaare gegeneinander abstützende Zwischenwände angeordnet sind, die die Zwischenräume in zwei im Querschnitt gleichflächige Räume teilen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenwände (30, 31, 32; 113, 114) Trennwände sind, die zwei Strömungswege (41, 42; 43, 44) für zwei verschiedene umschalt- und umkehrbare Fluide bilden, und die parallelen Strömungskanäle (25; 52) benachbarter Plattenpaare (2,3; 4,5) um eine halbe Wellenlänge gegeneinander versetzt angeordnet sind und Strömungswege für weitere Fluide bilden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (30, 31, 32; 113, 114) beidseitig mit Ausbuchtungen unterschiedlicher Höhe versehen sind und die hohen Ausbuchtungen die Plattenpaare (2, 3; 4, 5) dort berühren, wo deren Blechtafeln aufeinander liegen und die niedrigen Ausbuchtungen die Plattenpaare (2, 3; 4, Sj dort berühren, wo sie zwischen sich die parallelen Strömungskanäle (24, 25, 26; 52) bilden.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelbildlich aufeinanderliegenden Blechtafeln (102, 103) der Plattenpaare an den Ein- und Austrittsseiten der von ihnen gebildeten parallelen Strömungskanäle die Begrenzungswände für Verteil- und Sammelkammern (121) der Strömungskanäle bilden.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die zwischen den benachbarten Plattenpaaren (102, 103; 104, 105) eingespannte Trennwand (114) an den Ein- und Austrittsseiten der parallelen Strömungskanäle bis zu den äußeren Kanten der Blechtafeln reichen und die Abdichtung zwischen den benachbarten Blechtafeln der benachbarten Plattenpaare und der Trennwand (114) an diesen äußeren Kanten vorgesehen ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den spiegelbildlich aufeinander liegenden Blechtafeln (4, 5) der Plattenpaare weitere, die parallelen Strömungskanäle halbierenden Trennwände (50) angeordnet sind, die an den Ein- und Austrittsseiten der Strömungskanäle über die Blechtafeln hinausreichen und die Verteil- oder Sammelkammern (63) der unterteilten Strömungskanäle bilden.

Die Erfindung betrifft Wärmetauscher aus im vvesentlichen in gleicher Weise wellenähnlich verformten Blechtafeln, deren Ränder abwechselnd mit dem Rand der einen bzw. der anderen benachbarten Blechtafel abdichtend verbunden sind, wobei abwechselnd zwei benachbarte Blechtafeln spiegelbildlich zur gemeinsamen Berührungsebene als Plattenpaare aufeinander liegen und dadurch zwischen sich einzelne parallele Strömungskanäle bilden und benachbarte Plattenpaare zueinander mit Abstand angeordnet sind und Zwischenräume bilden, in denen verformte, benachbarte Plattenpaare gegeneinander abstützende Zwischenwände angeordnet sind, die die Zwischenräume in zwei im Querschnitt gleichflächige

•5 Räume teilen.

Es sind bereits verschiedenartige Wärmetauscher dieser Art bekannt. Aus der französischen Patentschrift 1 444 130 ist es bekannt, zwei Blechtafeln derart zu verformen, daß sie, spiegelbildlich aufeinander gelegt, zwischen sich eine Reihe Strömungskanäle bilden, die zwei ebenfalls in die Blechtafeln eingeprägte Sammelkammern miteinander verbinden. Benachbarte derartige Tafelpaare weisen dort zwischen siUi wellenähnlich verformte Bleche auf, wo diese sich nicht gegenseitig berühren können, auch wenn sie eng aneinander gedrückt sind. Die verformten Bleche dienen dazu, benachbarte Tafelpaare gegeneinander abzustützen und Ausbeulungen durch in den Kanälen oder Sammelräumen herrschenden Überdruck zu verhindern. Gemäß der deutschen Patentschrift 678 100 können die die Tafelpaare bildenden Blechtafeln auch wellenähnlich verformt sein und derart aufeinanderliegend angeordnet sein, daß ein direkter Wärmetausch zwischen zwei Fluiden möglich ist, die abwechselnd durch die von je zwei benachbarten Blechen gebildeten Strömungskanäle strömen. Da Sammelräume außerhalb der Blechtafel angebracht sind, können benachbarte Blechtafeln jeweils direkt aufeinander liegen und sich so abstützen. Gemäß der USA.-Patentschrift 2 375 702 können aber auch benachbarte, aus wellenähnlich verformten Blechtafeln gebildete Tafelpaare mit Abstand und um eine halbe Wellenlänge versetzt angeordnet sein und so den Wärmetaiusch zweier Fluide im Kreuzstrom ermöglichen.

Die Wärmetauscher dieser bekannten Art weisen aber den großen Nachteil auf, daß es mit ihnen nicht möglich ist, mehr als zwei Fluide miteinander in dickten Wärmetausch zu bringen, derart, daß jedes weitere, über zwei Fluide hinausgehende Fluid mit jedem der anderen in direktem Trennwandaustausch steht. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der bekannten Art zu schaffen, bei dem es möglich ist, auch mindestens drei Fluide miteinander in direkten Wärmetausch zu bringen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Zwischenwände Trennwände sind, die zwei Strömungswege für zwei verschiedene umschalt- und umkehrbare Fluide bilden, und die parallelen Strömungskanäle benachbarter Plattenpaare um eine halbe Wellenlänge gegeneinander versetzt angeordnet sind und Strömungswege für weitere Fluide bilden Mittels J'.eser Trennwand wird der gemäß der bekannten Ausführung eines Wärmetauschers für eir Fluid vorgesehene Strömungsweg nunmehr in zvie Strömungswege unterteilt, die für je eines von zwe Fluiden geeignet sind und die absolut gleiche Wärme tauscheigenschaften und Strömungsbedingungen auf