DE3637796A1 - Kreuzstrom-plattenwaermetauscher - Google Patents
Kreuzstrom-plattenwaermetauscherInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzstrom-Platten
wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Wärmetauscher dienen dazu, Wärme von einem heißeren Medium
auf ein kälteres Medium zu übertragen, wobei zwischen den
beiden Medien vielfach zusätzlich hohe Druckunterschiede
bestehen. Um hohe Wärmeaustauschleistungen zu erreichen,
wird eine große Dichte des sogenannten Wärmetauscher
kerns, d.h. eine große wärmetauschende Oberfläche pro
Volumeneinheit und eine hohe Wärmedurchgangszahl 2 ange
strebt, was z.B. aus dünnwandigen profilierten Platten
bestehende Wärmetauscherkerne erfüllen, die zudem ein
relativ niedriges Baugewicht ergeben und außerdem durch
strömungsgünstige Gestaltung ihrer Durchströmwege eine
hohe aerodynamische Effektivität, d.h. ein optimales
Verhältnis zwischen der erzielten Wärmeaustauschleistung
und den unvermeidbaren Strömungsverlusten erreichen.
Den im Hinblick auf gute Wärmeaustauschleistungen gegebenen
Vorteilen der aus dünnwandigen profilierten Platten be
stehenden und durch Schweißen zusammengefügten Wärme
tauscherkerne stehen jedoch in festigkeitsmäßiger Hin
sicht Probleme gegenüber, da infolge des mechanischen Auf
baues mehrachsige Spannungszustände entstehen bedingt
durch das Eigengewicht des Wärmetauscherkernes, durch
beim Schweißen entstehende Spannungen, durch infolge von
Druckunterschieden entstehende Spannungen und durch aus
Temperaturdifferenzen entstehenden Dehnungsspannungen
zwischen Kern und Gehäuseteilen, insbesondere Seiten
platten, die insbesondere bei hohen Drücken relativ
dickwandig sind. Insbesondere die auftretenden hohen
Wärme- und Druckunterschiede der beiden am Wärmeaus
tausch beteiligten Medien führen daher zu großen Wärme
dehnungen, die sich vorzugsweise in den Übergangszonen
zu den Schweißnähten durch hohe örtliche Spannungen
auswirken. Bekanntlich bestehen solche Wärmetauscher
kerne aus Einzelblechen, die zu Blechpaaren zusammen
geschweißt sind, welche ihrerseits durch weitere recht
winklig dazu angeordnete Schweißnähte zu einem Stapel
zusammengeschweißt sind. Schließlich sind an den Kanten
eines solchen Stapels sog. Eckschweißnähte vorhanden,
um die notwendige mechanische Steife sowie Anschluß
möglichkeiten für das Gehäuse zu schaffen. Hinzu
kommen durch von Druckschwankungen der Medien angeregte
Materialschwingungen, die sich allseitig fortpflanzen
und durch Reflexionen sich zu hohen örtlichen Spannungs
spitzen aufbauen. Diese thermischen und mechanischen
Belastungen müssen vom Festigkeitsverband des Wärme
tauschers aufgenommen werden und führen im Extrem
fall zu Spannungs- und Schwingungsbrüchen, insbesondere
in den Übergangsbereichen zwischen den im Hinblick auf ein
großes λ relativ dünnen, in sich nachgiebigen Blechen
und den relativ starren und spröden Schweißnähten sowie
vor allen Dingen auch in den Anschlußbereichen zwischen
dem nachgiebigen Wärmetauscherkern und dem relativ ver
windungssteifen Wärmetauschergehäuse. Erschwerend kommt
weiter hinzu, daß die außenliegenden Platten des Wärme
tauscherkerns gegenüber den weiter innen liegenden
Platten infolge Außenkühlung unterschiedlichen Temperatur
schwankungen ausgesetzt sind.
Ein solcher Wärmetauscher ist z.B. durch die DE-PS
16 01 215 bekanntgeworden. Dort ist der aus dünn
wandigen Platten zusammengesetzte Wärmetauscherkern
über unnachgiebige Halterungen starr mit dem Wärme
tauschergehäuse verschweißt. Infolge dieser starren
Verbindung und der während des Betriebs herrschenden
hohen thermischen und mechanischen Belastungen reißen
nach kurzer Betriebszeit die einzelnen Platten auf
und entstehen Schweißnahtbrüche. Es haben sich daher
bisher lediglich Plattenwärmetauscher eingeführt,
deren Wärmetauscherkerne aus form
gepreßten dünnwandigen Platten zusammengesetzt sind;
vgl. z.B. GB-PS 13 57 282. Diese Platten werden auf
stabilen Stegen gestapelt und durch zwei biegesteife
Endplatten über Spannbolzen zusammengehalten, wo
bei sich die einzelnen Platten über ihre Ausprägungen
gegenseitig abstützten, so daß Strömungskanäle gebildet
werden. Ferner sind zwischen den einzelnen Wärmetauscher
platten zwecks Abdichtung und zu deren Abstandsfixierung
elastische Dichtungen eingesetzt. Die vorstehend be
schriebenen Spannungszustände und Schwingungen können
dort infolge der "losen" Bauart also nicht auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die be
schriebenen Nachteile vollgeschweißter Plattenwärme
tauscher zu vermeiden durch eine neue Ausbildung einer
Aufhängung für den Wärmetauscherkern im Wärmetauscher
gehäuse, die fähig ist, wesentliche während des Be
triebes infolge der thermischen Belastung auftretenden
mechanischen Spannungen verursachten Dehnungskräfte
so aufzunehmen, daß der Wärmetauscherkern auch über
lange Betriebszeiten ohne Spannungsrisse und Schweiß
nahtbrüche bleibt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merk
male des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Aufhängung des Wärmetauscherkerns
ist imstande, die infolge der Betriebsbelastungen
hervorgerufenen örtlich unterschiedlichen Dehnungen
elastisch aufzufangen, so daß Spannungsspitzen,
initiiert durch lokale Wärmeunterschiede im Wärme
tauscherkern, abgebaut bzw. von vornherein vermieden
werden. Desgleichen werden schädliche Schwingungen durch
die erfindungsgemäßen Dehnkragen gedämpft und rasch zum
Abklingen gebracht. Örtliche Risse in den einzelnen
Wärmetauscherplatten, insbesondere aber an den Schweiß
nähten, treten daher nicht mehr auf.
Der Erhöhung der Elastizität bzw. Nachgiebigkeit der
Dehnkragen und der beidseitigen Anschlußbogen dienen
die im Scheitelbereich der Dehnkragen und in den An
schlußbogen längsverlaufend vorgesehenen Entlastungs
nuten. Durch die Anordnung solcher Entlastungsnuten
besteht die Möglichkeit, den Grad der Elastizität
sowohl der Dehnkragen als auch der Anschlußbogen durch
entsprechende Bemessung der Nutentiefe, gegebenenfalls
durch örtliche Variierung, zu optimieren.
In der Zeichnung ist mehr oder minder schematisch ein
Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.
Es zeigen
Fig. 1 einen Wärmetauscher im Längsschnitt,
wobei der Wärmetauscherkern in An
sicht veranschaulicht ist,
Fig. 2 einen Ausschnitt des Wärmetauschers
im Bereich eines Dehnkragens in
perspektivischer Darstellung, wobei
die vordere Seitenwand weggelassen ist,
Fig. 3 einen Ausschnitt des Wärmetauscher
kerns ebenfalls perspektivisch und
Fig. 4 eine im Ausschnitt gezeigte Ansicht
in Richtung des Pfeiles M 2 in Fig. 2.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist das Wärmetauscherge
häuse G strömungsmäßig in zwei Gehäusebereiche aufge
teilt: Erstens in einen Haubenbereich mit einer spalt
seitigen Zuströmhaube G 1 für das eine am Wärmeaustausch
beteiligte gasförmige Medium, das wärmeabgebende Medium
M 1, und mit einer spaltseitigen Abströmhaube G 2 zum
Sammeln des Mediums M 1, nachdem dieses den Wärmetauscher
kern K durchlaufen hat und zweitens in einen kasten
förmigen Bereich mit einem rohrseitigen Zuströmteil G 3
für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Medium, näm
lich das wärmeaufnehmende Medium M 2, einem Abström
teil G 4 für das nunmehr aufgeheizte Medium M 2 und in
einen Gehäusewandungen 18 aufweisenden mittleren Ge
häuseteil G 5 mit mehreren Umlenkwänden 6.
Der Wärmetauscherkern besteht aus vielen einzelnen
dünnwandigen waffelförmig profilierten Blechen K 1, K 2,
K 3, K 4, K 5 usw., wie in Fig. 3 näher dargestellt. Hier
bei sind stets zwei spiegelbildlich aufeinander gelegte
Einzelbleche K 2 und K 3 bzw. K 4 und K 5 mit ihren einen
gegenüberliegenden Randbereichen 7 und 8 durch erste
Schweißnähte 9 - Rollnähte - jeweils zu einem Platten
paar P 1 bis Pn vereinigt, wobei die Einzelbleche durch
ihre entsprechenden Profilierungen jeweils einen Durch
trittsspalt S für das wärmeabgebende Medium M 1 bilden.
Jedes Plattenpaar P 2, P 3 ist mit dem benachbarten
Plattenpaar P 4, P 5 durch gegenüberliegende zweite an
deren Rändern verlaufende Schweißnähte 10 - Quernähte -
die senkrecht zu den ersten Schweißnähten 9 verlaufen,
fest verbunden, d.h. durch die Schweißnähte 10 sind die
benachbarten Bleche K 1 und K 2 bzw. K 3 und K 4 je eines
Plattenpaares mit ihren anderen gegenüberliegenden
Randbereichen 11 und 12 fest miteinander verbunden. Da
bei bilden die einander zugewandten Bleche K 1 und K 2 bzw.
K 3 und K 4 durch ihre entsprechenden Profilierungen Durch
strömrohre 13 für das wärmeaufnehmende Medium M 2.
Auf diese Weise entsteht ein Blechpaket vorbestimmter
Höhe - entsprechend der gewünschten Wärmetauscher-
Leistung -, das in Richtung der Stapelhöhe, also
jeweils senkrecht zu den Roll- und Quernähten durch
vier an den Ecken des Blechpaketes vorgesehenen sog.
Eckaufbaunähte 14 verfestigt ist. Diese Schweißnähte
14 dienen dem Anschluß des genannten Wärmetauscherge
häuses.
Die Aufhängung des Wärmetauscherkerns K im vorstehend
beschriebenen Wärmetauschergehäuses G erfolgt über
vier metallische Bauelemente, die zwecks elastisch
nachgiebiger Lagerung des Wärmetauscherkerns halbkreis
förmige bzw. dachrinnenförmig gestaltete Dehnkragen D
mit jeweils einem kernseitigen Anschlußbogen BK und
einem gehäuseseitigen Anschlußbogen BG aufweisen. Die
kernseitigen Anschlußbogen BK sind jeweils über die
senkrecht zu den Schweißnähten 9 und 10 verlaufende
Einbauschweißnaht 14 mit dem Wärmetauscherkern K fest
verbunden. Die gehäuseseitigen Anschlußbogen BG sind
jeweils über eine zur Einbauschweißnaht 14 parallele
Schweißnaht 15 mit der Einströmhaube G 1 bzw. Ausström
haube G 2 fest verbunden, siehe insbesondere Fig. 2
und 4, die jeweils nur eine Seitenwand 18 zeigen.
Die Dehnkragen D sind an den Stirnseiten 16 mit ihren
Anschlußbogen BK und BG jeweils über eine Schweißnaht
17 - die letzte Quernaht (siehe Fig. 4) - mit den
Seitenwänden 18 des Wärmetauschergehäuses dicht und
fest verbunden. Durch die Aufbauschweißnähte 14, an
an denen die Schweißnähte 17 anschließen,
und die Dehnkragen D sowie deren Anschlußbogen BK
und BG werden die beiden Medien M 1 und M 2 bzw. deren
Strömungswege durch Aufteilung in zwei Druckräume
hermetisch voneinander getrennt , wobei jeweils nur
eine Stirnseite gezeigt ist.
Die Gefahr des Reißens der Schweißnähte 17 ist des
wegen ausgeschlossen, weil an den Außenbereichen des
Wärmetauschers sowohl für den Wärmetauscherkern K als
auch für die Bauteile des Wärmetauschergehäuses in
folge der großen Wärmekapazität der relativ starken
Seitenwände 18 etwa die gleichen Temperaturverhältnisse
vorherrschen. Während des Betriebes sind hier die
Temperaturunterschiede nicht so groß, daß etwaige
Dehnungen die Schweißnähte 17 gefährden könnten. Da
gegen bilden die Wärmedehnungen im mittleren Bereich,
insbesondere dort, wo das wärmeabgebende Medium M 1
einströmt, ein Maximum; diese Dehnungen werden über die
Länge der Dehnkragen D und der Anschlußbogen BK und BG
nachgiebig aufgenommen.
Sowohl im Scheitelbereich der Dehnkragen D als auch in
den Anschlußbogen BK und BG sind Entlastungsnuten 19
vorgesehen, welche die Elastizität des Dehnkragens D
und der Anschlußbogen BK und BG erhöhen. Obwohl diese
Entlastungsnuten nicht zwingend sind, ist dem
Konstrukteur hierdurch eine Möglichkeit an die Hand
gegeben, nicht nur pauschal die Elastizität der Dehn
kragen D und der Anschlußbogen BK und BG zu erhöhen,
sondern auch - über deren Länge gesehen - die Elastizität
örtlich zu variieren, und zwar z.B. insbesondere durch
verschiedene Tiefen oder räumlichen Verlauf dieser Nu
ten 19.
Jeder Dehnkragen bildet also ein beidseitig einge
spanntes Dehnelement mit der größten Dehnung in der
Mitte des von den Seitenwänden eingeschlossenen Bereichs.
Claims (4)
1. Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher, mit einem in einem
Gehäuse eingebauten Wärmetauscherkern, der zur Bildung von sich
kreuzenden Strömungswegen für die beiden am Wärmetausch be
teiligten Medien aus einzelnen, aneinandergereihten, recht
eckigen, profilierten Platten besteht, die über ihre einen
gegenüberliegenden Randbereiche durch erste Schweißnähte zu
Plattenpaaren mit insbesondere spaltförmigen, gewellten Strö
mungswegen für das eine Medium verbunden sind, und aneinander
gereihte Plattenpaare - von Plattenpaar zu Plattenpaar - durch
Verbinden der jeweils benachbarten Platten über deren andere
gegenüberliegende Randbereiche durch zweite Schweißnähte rohr
förmige Strömungswege für das andere Medium bilden, und der
auf diese Weise gebildete Wärmetauscherkern an seinen vier
Außenkanten über senkrecht zu den vorgenannten ersten und
zweiten Schweißnähten verlaufende, als Aufbauschweißnähte die
nende dritte Schweißnähte mit dem Wärmetauschergehäuse bzw.
gehäusefesten Bauteilen druckdicht verbunden ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Wärmetauscherkern (K) zu
mindest teilweise über nachgiebige metallische Bauelemente (D)
mit dem Gehäuse (G) druckdicht verbunden ist.
2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Bauelemente (D) zwischen den
Aufbauschweißnähten (14) und dem Gehäuse (G) bzw. gehäusefe
sten Bauteilen, vorzugsweise einer das wärmeabgebenden Medium
(M 1) dem Wärmetauscherkern (K) zuführenden Zuströmhaube (G 1)
und einer dieses Medium wieder sammelnden Abströmhaube (G 2)
vorgesehen sind und Dehnkragen (D) von vorzugsweise halbkreis
förmigem Querschnitt bilden, mit an ihren beiden Längsseiten
sowohl zur Aufbauschweißnaht (14) als auch zu den gehäuse
festen Bauteilen (G 1 und G 2) hin angeordneten Anschlußbogen
(BK und BG), deren Stirnseiten (16) mit den Seitenwänden (18)
des Gehäuses (G) druckdicht verschweißt und innerhalb eines
von den Randbereichen des Wärmetauscherkerns eingeschlossenen
Mittenbereich elastisch nachgiebig sind.
3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß sowohl im Scheitel der halb
kreisförmigen Dehnkragen (D) als auch in dem beidseitigen An
schlußbogen (BK und BG) Spannungsspitzen abbauende Entlastungs
nuten (19) längsverlaufend vorgesehen sind.
4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Grad der Elastizität sowohl
der Dehnkragen (D) als auch der beidseitigen Anschlußbogen
(BK und BG) durch verschiedene Tiefen der Entlastungsnuten
(19) und durch örtliche Variierung der Tiefenbemessungen die
ser Entlastungsnuten (19) oder durch deren räumlichen Verlauf
bestimmbar ist.
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