DE3779993T2

DE3779993T2 - Gegenstrom-waermetauscher mit schwimmplatte.

Info

Publication number: DE3779993T2
Application number: DE8787902745T
Authority: DE
Inventors: Sumitomo Heavy Ind Lt Ishikawa; Sumitomo Heavy Ind L Matsumoto
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 1986-04-25
Filing date: 1987-04-22
Publication date: 1993-05-13
Anticipated expiration: 2007-04-23
Also published as: KR960007989B1; FI87401C; WO1987006686A1; EP0265528B1; JPH0535356B2; JPS62252891A; CN87102842A; CN1009952B; FI87401B; FI875689A0; EP0265528A1; EP0265528A4; FI875689A; DE3779993D1; US4805695A; KR880701360A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwimmplatten- Wärmetauscher, der eine Vielzahl von Wärmetauschplatten aufweist, die elastisch von Halteteilen getragen werden und in dem entsprechende Fluide für einen Wärmeaustausch strömen, in senkrecht aufeinanderstehenden Richtungen, zumindest unmittelbar vor dem Eintritt in den Wärmetauscher und unmittelbar nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher eignet sich in erster Linie für Anwendungen bei der Wärmerückgewinnung, beispielsweise für den Wärmetausch zwischen einem heißen Strom, der eine Verfahrensanlage verläßt und einen kalten Strom, der in diese Verfahrensanlage eintritt.
Unter den in diesem Gebiet vorteilhafterweise eingesetzten Wärmetauschern sei auf den Schwimmplatten-Wärmetauscher verwiesen, der in der WO-A-83/03663 beschrieben ist und bei dem die Wärmetauschplatten von Halteteilen elastisch getragen werden. Der Aufbau dieses Schwimmplatten-Wärmetauschers gemäß diesem Dokument ist schematisch in Fig. 6 dargestellt.
Fig. 6 zeigt dabei eine teilweise aufgebrochene perspektivische Gesamtansicht des Schwimmplatten- Wärmetauschers. Der in dieser Figur dargestellte Schwimmplatten-Wärmetauscher weist einen Halteaufbau auf, der aus einem Paar rechtwinkliger Endwände 10 und Ecksäulen 12 besteht, die zwischen den Endwänden 10 angeordnet sind und an ihren gegenüberliegenden Wänden mit entsprechenden Ecken der Endwände verbunden sind, um so einen geschlossenen Rahmen zu bilden.
Eine Vielzahl rechtwinkliger Platten 14, welche den Wärmetauscher darstellen, sind zwischen den rechtwinkligen Endwänden 10 parallel zu diesen und im Abstand voneinander angeordnet. Auf einer Fläche einer jeden rechtwinkligen Platte 14 ist eine Vielzahl von Vertiefungen 16 vorgesehen, um einen Abstand zu gewährleisten und einen Kanal zwischen jedem Paar benachbarter rechtwinkliger Platten zu schaffen. Die Vertiefungen 16 weisen eine ungefähr langgestreckte abgerundete Gestalt auf und bilden parallele Vorsprünge von einer Fläche einer jeden rechtwinkligen Platte.
Fig. 7a und 7b zeigen eine Wärmetauschplatte, welche einen Teil des oben beschriebenen Wärmetauschers darstellt.
Wie in den Fig. 7a und 7b dargestellt, verlaufen die Vertiefungen in benachbarten rechtwinkligen Platten und rechten Winkeln zueinander. Zusätzlich sind die rechtwinkligen Platten an denjenigen Rändern abgebogen, die parallel zur Längsrichtung der Vertiefungen verlaufen, so daß Seitenwände eines Kanals entstehen unterhalb einer jeden rechtwinkligen Platte. Die Vertiefungen dienen auch als Verstärkungen gegen eine senkrecht auf die Oberfläche der rechtwinkligen Platten einwirkende Kraft.
Jede Vertiefung ist von langgestreckter abgerundeter Gestalt in Strömungsrichtung des Fluids innerhalb des Kanals, in den sich die Vertiefung erstreckt, so daß sie keinen merklichen Widerstand für die Fluidströmung bildet. Dies bedeutet, daß es vorteilhaft ist, wenn das Fluid in Richtung des Pfeiles X in Fig. 7a strömt, während das Fluid in Fig. 7b in Richtung des Pfeiles Y strömt. Fig. 7c ist ein Querschnitt entlang einer Ebene senkrecht zur Plattenebene eines derartigen Wärmetauschers.
Außerdem sind in Fig. 6 nicht dargestellte elastische Trennteile zwischen den rechtwinkligen Platten 14 eingesetzt. Dies bedeutet, daß die rechtwinkligen Platten 14 in einer Richtung senkrecht zu ihren Oberflächen gelagert werden und zwar in einem geeigneten Abstand voneinander. Durch diese elastische Lagerung wird eine thermische Expansion in einer Richtung senkrecht zur Ebene der rechtwinkligen Platten kompensiert, so daß keine thermische Deformation der äußeren Oberfläche des Wärmetauschers auftritt.
Wie Fig. 6 noch zeigt, sind Dichtstreifen 18 mit L-förmigem Querschnitt an jeder Ecke aller rechtwinkliger Platten 14 vorgesehen sowie eine Rollfeder 20, die aus einer elastischen dünnen spiralförmig aufgerollten Metallplatte mit wenigstens einer Windung besteht, zwischen der Außenfläche des Dichtstreifens und der Innenfläche der Ecksäule 12 angeordnet. Anschläge 22 an der Außenfläche der Rollfedern 20 verhindert, daß diese ihren Platz verlassen.
Auf diese Weise dichten die Rollfedern (oder Druckfedern) 20 nicht nur den Raum zwischen der Außenfläche der Dichtstreifen 18 und der Innenfläche der Ecksäulen 12, sondern absorbieren auch die thermische Ausdehnung in einer Richtung parallel zur Oberfläche der rechtwinkligen Platten 14.
Bei diesem oben beschriebenen Schwimmplatten-Wärmetauscher bei dem die Kanäle zwischen jeweils einem Paar rechtwinkliger Platten 14 gebildet sind, so daß benachbarte Kanäle senkrecht zueinander verlaufen, erfolgt der Wärmeaustausch über die rechtwinkligen Platten zwischen zwei Fluiden, wobei das eine Fluid ein heißer Fluidstrom ist, der alle Kanäle in der gleichen Richtung durchsetzt, während das andere Fluid ein kalter Fluidstrom ist, welcher die Kanäle senkrecht zum anderen Strom durchsetzt.
Dieser Schwimmplatten-Wärmetauscher, der in der WO-A-8303663 beschrieben ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß er kaum thermische Deformationen erleidet und demzufolge aufgrund dieser Deformationen nicht ausfällt und daß er leicht zusammenbaubar ist.
Für einen noch vorteilhafteren Einsatz eines derartigen Schwimmplatten-Wärmetauschers hat die Anmelderin bereits mehrere Aufbauverbesserungen vorgeschlagen. Allerdings bilden diese Verbesserungen noch keine grundsätzliche Veränderung des in Fig. 6 dargestellten Wärmetauschers.
Mit anderen Worten, fließen bei dem herkömmlichen oben beschriebenen Schwimmplatten-Wärmetauscher die Fluide für den Wärmeaustausch in Richtungen, die senkrecht aufeinander stehen entlang beider Oberflächen der rechtwinkligen Platten (wobei diese Art von Fluidfluß im folgenden Kreuzfluß genannt wird). Verglichen jedoch mit einem Gegenfluß-Wärmetauscher, in dem zwei Fluide unterschiedlicher Temperaturen in entgegengesetzten Richtungen zueinander jeweils entlang einer Oberfläche der Wärmetauscherplatte strömen (siehe z. B. US-A-3 291 206, die einen Wärmetauscher mit nicht schwimmender Platte betrifft), ist der erzielbare Temperaturwirkungsgrad prinzipiell niedrig in einem Kreuzfluß-Wärmetauscher. Dies bedeutet, daß in vielen Fällen die gewünschte Wärmetauschkapazität auch dann nicht erreicht werden, wenn die Wärmeübergangsfläche einfach vergrößert wird.
Im praktischen Einsatz werden häufig eine Vielzahl von Kreuzfluß-Wärmetauscher-Einheiten mittels Leitungen miteinander verbunden, so daß sie einen mehrstufigen Wärmetauscher bilden. Fig. 9a und 9b zeigen Diagramme derartiger mehrstufiger Wärmetauscher. Die erforderliche Wärmeaustauschkapazität erhält man, indem zwei Wärmetauschereinheiten 40 über eine Leitung 41 gemäß Fig. 9a miteinander verbunden werden oder durch Verbinden dreier Wärmetauschereinheiten mittels zweier Leitungen 41 miteinander, wie es in Fig. 9b dargestellt ist etc.
Es ist jedoch klar, daß derartige mehrstufige Wärmetauscher mit dem angegebenen Aufbau Nachteile aufweisen, aufgrund ihrer großen Abmessungen oder des großen Gewichts, verglichen mit den einzelnen Wärmetauschern. Auch leidet der Wirkungsgrad eines derartigen Wärmetauschers, da beim Durchgang der Fluide durch die mehrstufigen Wärmetauscher ein erheblicher Verlust an dynamischem Fluiddruck auftritt, aufgrund der Kontraktion und der Diffusion des Fluids beim Eintreten in und beim Austreten aus den Wärmetauschelementen einer jeden Stufe. Ist das Fluid für den Wärmeaustausch ein Gas, so kann der reibungsbedingte Druckverlust beim Durchgang durch die Leitungen nicht vernachlässigt werden.
Um dieses im einzelnen zu erklären, sie auf das Buch "Heat transfer technology reference book", The Japan Society of Mechanical Engineers, pp. 184-190, verwiesen. Gemäß diesem Buch kann die Beziehung zwischen der Wärmetauschmenge Q und der durchschnittlichen Temperaturdifferenz Δtm in einem Wärmetauscher wie folgt ausgedrückt werden
Q = KFΔtm (1)
wobei F die Wärmeübertragungsfläche (m²) ist
Q die Menge an ausgetauschter Wärme pro Stunde (kcal/h) und
K ein Koeffizient ist.
Ist nun der Koeffizient K in der Gleichung (1) bekannt, so kann die Beziehung zwischen Q und der Wärmeübertragungsfläche F festgelegt werden.
Fig. 3 zeigt eine Kurve, in welcher die Variation der Temperatur in einem Gegenfluß-Wärmetauscher in Richtung der Fluidströmung dargestellt ist. Diese Kurve wurde einem ähnlichen Dokument entnommen. Gemäß dieser Kurve kann die Temperaturdifferenz Δtm zwischen einem Fluid W hoher Temperatur und einem Fluid W' niedriger Temperatur dargestellt werden als Funktion der Temperaturen der entsprechenden Fluide an den Enden des Wärmetauschers t&sub1;, t1', t&sub2;, t2' wie folgt:
wobei Δ&sub1; und Δ&sub2; die entsprechenden Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Fluiden am Einlaß und am Auslaß des Wärmetauschers sind, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
Wird eine Vielzahl von Gegenfluß-Wärmetauschern miteinander verbunden, um einen mehrstufigen Wärmetauscher zu bilden, so kann die Temperaturdifferenz Δtm erhalten werden aus der folgenden Gleichung
Dies bedeutet, daß die Temperaturdifferenz Δtm in einem Gegenfluß-Wärmetauscher erhalten werden kann durch Multiplikation der Temperaturdifferenz Δtm im Gegenfluß- Wärmetauscher mit dem Korrekturkoeffizienten ψ. Dieser Korrekturkoeffizient ψ kann der in Fig. 4 dargestellten Kurve entnommen werden, der diese Koeffizienten zeigt für einen Kreuzfluß-Wärmetauscher, in dem sich die beiden den Wärmetausch bedingenden Fluide nicht vermischen.
Diese Art Schwimmplatten-Wärmetauscher wird oftmals für die Vorerwärmung von Luft für Boiler oder Öfen verwendet mit einem tatsächlichen Wärmeflußverhältnis R von ungefähr 0,8. Wünscht man einen Temperaturwirkungsgrad in der Größenordnung von 0,8 im unteren Temperaturbereich, so entnimmt man aus Fig. 4 als Wert für den Korrekturkoeffizienten 0,65. Mit anderen Worten die Wärmeübertragungsfläche eines Gegenfluß-Wärmetauschers, die ausgelegt ist, um dieselbe Menge an ausgetauschter Wärme wie bei einem Kreuzfluß-Wärmetauscher zu erhalten, 65% derjenigen des Kreuzfluß-Wärmetauschers beträgt.
Andererseits ist es erforderlich, um eine gewünschte Wärmeaustauschmenge zu erhalten, bei Einsatz eines mehrstufigen Wärmetauschers einschließlich einer Folge von vollständigen Kreuzfluß-Wärmetauschern den Wert des Korrekturkoeffizienten durch Verringerung von η in Fig. 4 zu erhöhen. Im Falle eines zweistufigen Wärmetauschers z. B. genügt es zum Erhalt eines Temperaturwirkungsgrades von 0,8, den Wert von 0,4 für η in jeder Stufe zu nehmen. Der entsprechende Korrekturfaktor ψ wird zu 0,96 erhalten. Dies bedeutet, daß die Wärmeübertragungsfläche im Vergleich zu einem einzigen Kreuzfluß-Wärmetauscher um 0,65/0,96 verringert ist.
Jedoch ist die Wärmeübertragungsfläche eines mehrstufigen Kreuzfluß-Wärmetauschers immer noch größer als diejenige eines Gegenfluß-Wärmetauschers, und zwar um 1/0,96 = 1,04. Erwähnt wurden bereits mehrere durch den mehrstufigen Aufbau bedingte Probleme.
Wie bereits dargelegt, weist ein Schwimmplatten-Wärmetauscher Nachteile auf, verglichen mit einem Gegenfluß-Wärmetauscher, selbst unter Berücksichtigung der oben erwähnten Verbesserungen.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, einen Gegenfluß-Wärmetauscher zu schaffen, der vorteilhaft ist bezüglich des Wirkungsgrades des Wärmeaustausches unter Beibehaltung der Vorteile der herkömmlichen Schwimmplatten- Wärmetauscher in bezug auf die geringen thermischen Deformationen, die geringen Ausfälle und den leichten Zusammenbau.
Die Erfindung schafft also einen Gegenfluß-Schwimmplatten- Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite der Schwimmplatte des Gegenfluß-Wärmetauschers beträgt vorteilhafterweise 7:2,5, wobei dieses Verhältnis durch die Versuche des Erfinders festgelegt wurde.
Jede Schwimmplatte weist eine Vielzahl langgestreckter abgerundeter Vertiefungen auf, die sich von einer Oberfläche aus und/oder der anderen Oberfläche aus der Schwimmplatte erstrecken, so daß die Vertiefungen einen Abstand zwischen benachbarten Schwimmplatten bedingen und, wenn die Vertiefungen wirksam angeordnet sind, eine Anordnung zur Steuerung der Fluidströme bilden.
Die Anordnung zur Steuerung des Fluidflusses kann aus Platten bestehen, die am Einlaß und/oder am Auslaß für die Fluide vorgesehen sind, oder aus der Kombination von Platten und Vertiefungen.
Der erfindungsgemäße Schwimmplattenwärmetauscher weist Kanäle auf, die durch Übereinanderstapeln von Schwimmplatten gebildet werden, wobei ihr waagrechter Querschnitt rechtwinklig ist. Diese Kanäle können in zwei Gruppen unterteilt werden: Eine Gruppe von Kanälen, bei denen das Fluid in den Kanal von einer kurzen Seite des Rechtecks aus strömt und von der gegenüberliegenden kurzen Seite heraus strömt; eine andere Gruppe von Kanälen, bei denen das Fluid von einem Teil der langen Seite des Rechtecks in den Kanal strömt, und zwar stromabwärts von der ersten Gruppe von Kanälen und aus dem Kanal strömt an einer Stelle der gegenüberliegenden langen Seite stromaufwärts zur anderen Gruppe von Kanälen. Dies bedeutet, daß das in den Kanal und aus dem Kanal an den langen Seiten des Recktecks strömende Fluid sich in einer Richtung bewegt entgegengesetzt zu derjenigen des Fluids, das in den Kanal und aus dem Kanal strömt an den kurzen Seiten in einem bestimmten Abschnitt zwischen Einlaß und Auslaß, so daß ein Gegenfluß-Wärmetauscher gebildet wird. Es wurde gefunden, daß das Verhältnis zwischen der langen Seite und der kurzen Seite der rechteckigen Wärmeübertragungsfläche der Schwimmplatte wenigstens 7:2,5 zu betragen hat.
Der Aufbau des Gegenfluß-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung ist ungefähr der gleiche, wie derjenige des Kreuzfluß-Wärmetauschers, wie er in der WO-A-83/03663 dargestellt ist. Dies heißt, daß die Vorteile dieses Schwimmplatten-Wärmetauschers, d. h. die geringen thermischen Deformationen und die geringen Ausfälle aufgrund von thermischen Deformationen beibehalten werden. Zusätzlich können die vielen vorgeschlagenen Verbesserungen für diese Art von Schwimmplatten-Wärmetauscher auch auf die vorliegende Erfindung übertragen werden.
Für den vorteilhafteren Einsatz eines derartigen Schwimmplatten-Wärmetauschers sind die folgenden Aufbauverbesserungen bereits von der Anmelderin vorgeschlagen worden: Einen Aufbau, in dem die Teile zur Aufrechterhaltung des Abstandes zwischen den rechtwinkligen Platten besser befestigt sind (japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 61- 204186-A); einen Aufbau, in dem die Dicke eines jeden Kanals erhöht wird durch Vergrößerung des Abstandes zwischen zwei Paar benachbarter rechtwinkliger Platten mittels Vertiefungen 26, die auf beiden Flächen einer jeden rechtwinkligen Platte 24 vorgesehen sind und den Boden von Vertiefungen von benachbarten rechtwinkligen Platten berühren, wie es in Fig. 8 mittels eines Querschnitts eines Kanals dargestellt ist, der durch die rechtwinkligen Platten 24 gebildet wird (japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 61-204187-A); einen Aufbau zur Vermeidung des Wärmeeinflusses auf die Haltestruktur und zur Verbesserung des Wirkungsgrades der Wärmerückgewinnung durch Einsetzen von Wärmeisolatoren zwischen denjenigen Wärmetauscherabschnitt, der durch eine rechtwinklige Platte und die Haltestruktur für diesen Wärmetauschabschnitt gebildet wird (japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 61-204188-A); einen Aufbau, in dem der Zusammenbau der rechtwinkligen Platten durch die Kombination von Rippenteilen und Vertiefungen gehalten wird, welche an der Oberfläche der rechtwinkligen Platten vorgesehen sind (japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 61-204189-A); einen Aufbau zur Verbesserung der Biegesteifigkeit der rechtwinkligen Platten durch das Vorsehen eines Mechanismus an jedem Plattenrand, der das Durchbiegen der Platten verhindert (japanische Gebrauchsmusteranmeldung Nr. Sho 61-204185-A). All diese Verbesserungen können in den Gegenfluß- Schwimmplatten-Wärmetauscher der vorliegenden Erfindung eingebaut werden.
Außerdem können bei dem Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung durch Vorsehen von rechtwinkligen Wärmetauschabschnitten und Beschränkungen der Einlaßweite und der Auslaßweite für das Fluid durch das Vorsehen von Dichtstreifen, wobei das Fluid entlang der langen Seite des Rechtecks strömt, die Richtungen der entsprechenden Fluid in der Mitte der rechtwinkligen Wärmetauschabschnitte gegeneinander gerichtet sein.
Das Fluid, das gerade den Wärmetauscher verlassen hat und das Fluid gerade vor dem Eintreten in den Wärmetauscher ändern ihre Flußrichtung um 90º vom mittleren Abschnitt des Recktecks weg oder zum mittleren Abschnitt des Rechtecks hin, wodurch der Gegenfluß realisiert wird. Jedoch strömen die Fluide nicht in die mit "a" und "b" bezeichneten Bereiche, die in Fig. 5 durch die punktierten Linien umgeben sind. Dies bedeutet also, daß es vorteilhaft ist, innerhalb des Kanals eine Anordnung zur Verteilung und zur Ausrichtung des Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung vorzusehen.
Die Anordnung zur Verteilung des Fluids kann leicht und wirksam im Kanal dadurch gebildet werden, daß die Anordnung und die Ausrichtung der Vertiefungen entsprechend gewählt werden, die auf der Oberfläche der Wärmetauschplatten vorgesehen sind und sich in den Kanal erstrecken.
Jede Vertiefung auf der Oberfläche einer der Schwimmplatten erstreckt sich in den Kanal und weist eine langgestreckte abgerundete Gestalt auf, wodurch sie dem Fluid den geringsten Widerstand bietet, wenn sie in Strömungsrichtung des Fluids angeordnet ist, d. h. wenn sich ihre Längsabmessung in dieser Richtung erstreckt. Durch Bestimmung und Anordnung der Richtung der Vertiefungen gemäß dem bevorzugten Strömungsmuster des Fluids im Kanal bilden diese also die Anordnung zur Verteilung und Ausrichtung des Fluids. Die Schwimmplatte mit diesen Vertiefungen ist leicht herstellbar, z. B. durch einen Preßvorgang einer herkömmlichen Stahlplatte.
Die vorliegende Erfindung schafft noch präzisere Steuerungsanordnungen zur Ausrichtung der Fluidströmung. Da die Flußströmung auch mit dem oben beschriebenen Aufbau in einem bestimmten Gebiet lokalisierbar ist, werden plattenförmige Anordnungen zur Steuerung der Strömung in dem entsprechenden Kanal an der Stelle vorgesehen, so daß sie besser gesteuert werden kann. Dies bedeutet, daß gemäß der vorliegenden Erfindung ein Schwimmplatten-Wärmetauscher mit einem hohen Wärmetausch-Wirkungsgrad geschaffen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Gegenfluß- Schwimmplatten-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a und 2b zeigen Beispiele der Anordnung und Ausrichtung der Vertiefungen auf jeder Oberfläche einer Schwimmplatte des Gegenfluß-Schwimmplatten-Wärmetauschers nach Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Kurve zur Darstellung der Temperaturvariation eines Fluids innerhalb des Gegenfluß-Wärmetauschers in Fließrichtung des Fluids;
Fig. 4 zeigt eine Kurve zum Erhalt des Korrekturkoeffizienten in einem Kreuzfluß-Wärmetauscher;
Fig. 5 zeigt ein schematisches Diagramm zur Darstellung des Fluidflusses in einem rechteckigen Kanal;
Fig. 6 zeigt eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht des Aufbaus eines herkömmlichen Kreuzfluß- Wärmetauschers;
Fig. 7a, 7b und 7c zeigen Beispiele von Schwimmplatten des Kreuzfluß-Wärmetauschers von Fig. 6, wobei Fig. 7a und 7b das Profil der verschiedenen Schwimmplatten darstellen und Fig. 7c einen Querschnitt eines Stabes von Schwimmplatten zeigt;
Fig. 8 zeigt einen erläuternden Querschnitt einer Schwimmplatte eines Schwimmplatten-Wärmetauschers, wie er bisher vorgeschlagen wurde und
Fig. 9a und 9b zeigen Diagramme mit verschiedenen Anschlüssen zur Bildung eines Kreuzfluß-Mehrstufen-Schwimmplatten- Wärmetauschers.

Beste Durchführungsform der Erfindung

Im folgenden wird die vorliegende Erfindung im einzelnen und genauer unter Bezugnahme auf die nicht einschränkenden aber bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Gegenfluß- Schwimmplatten-Wärmetauschers gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Wärmetauscher enthält eine Wärmeaustauschfläche mit den Abmessungen von 1200 mm·2635 mm.
Wie Fig. 1 zeigt, ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ähnlich demjenigen eines herkömmlichen Schwimmplatten-Wärmetauschers.
Die Wandteile 101 und 102 sind an jeder Ecke miteinander über Eckteile 103, 104, 105, 106 verbunden, um so einen Rahmen zu bilden, der als Haltestruktur für den Wärmetauscher dient. Bei diesem Ausführungsbeispiel erstreckten sich die Eckteile 104 und 106 entlang der Längsseiten der Wandteile 101 und 102 bis zu einem Fluideinlaß 107 oder Fluidauslaß 108 (der in Fig. 1 da verdeckt nicht zu sehen ist).
Der Aufbau wird aus Fig. 2a und 2b deutlich, welche waagrechte Querschnittsansichten des Wärmetauschers nach Fig. 1 zeigen. In Fig. 1, 2a und 2b sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Aus den Fig. 2a und 2b geht hervor, daß jedes Eckteil 103, 104, 105 mit Dichtstreifen 111 und 113 versehen ist, die in Richtung des Aufbaus durch der Wärmeisolation dienende Dichtteile 109 und eine Vielzahl von aufgerollten Federn 110 gedrückt werden, so daß die umschlossenen Schwimmplatten 114a und 114b auf ihren beiden Seiten elastisch getragen werden. Die thermische Expansion der Dichtstreifen 111, 113 wird durch die Rollfedern (oder Druckfedern) 119 absorbiert. Dies bedeutet, daß die Dichtstreifen 111, 113 sich nicht verbiegen oder verschieben aufgrund von thermischen Effekten und daß der thermische Effekt der Ausdehnung der Dichtstreifen die Haltestruktur nicht beeinflußt. An den Seiten eines jeden Eckteils 103, 104, 105, 106 sind Anschlagplatten 115a, 115b vorgesehen, um die Rollfedern 110 an Ort und Stelle zu halten.
Andererseits befinden sich zwischen den vier Dichtstreifen ein Paar Dichtstreifen 113, die einander gegenüber angeordnet sind und sich entlang der Seiten der Schwimmplatten erstrecken, um so den Einlaß 107 und den Einlaß 108 für das Fluid zu bilden, in einem Paar Ebenen, die durch die Längsseiten der Wandteile 101, 102 und durch die Eckteile 103, 104, 105, 106 gebildet werden. Der Einlaß 107 und der Auslaß 108 sind in diesen beiden Ebenen diagonal gegenüber angeordnet.
Nicht dargestellte elastische Trennteile werden zusammengedrückt (d. h. in ihrem Normalzustand) zwischen jedes Paar benachbarter Schwimmplatten eingesetzt. Dies bedeutet, daß nicht nur Abstände zwischen benachbarten Schwimmplatten eingehalten werden, sondern daß auch die thermische Ausdehnung in Dickenrichtung der Schwimmplatten absorbiert wird.
Jede der Schwimmplatten 114a und 114b, genau wie die Schwimmplatten des herkömmlichen Wärmetauschers gemäß Fig. 7a und 7b, weist ein Paar senkrechter nach oben gefalteter Ränder entlang der Längsseiten oder auch der kurzen Seiten auf, so daß die nach oben abgebogenen Ränder die gerade darüber (oder darunter) angeordnete Schwimmplatte berühren, um so abwechselnd senkrecht aufeinander stehende Kanäle zwischen den Schwimmplatten zu bilden.
Es sei angenommen, daß die in Fig. 2a dargestellte Schwimmplatte eine Luftplatte sei und ein Fluid geringer Temperatur, das in den Wärmetauscher an einer der Längsseiten eintritt, oberhalb dieser Luftplatte entlangströmt. Es sei ferner angenommen, daß die in Fig. 2b dargestellte Schwimmplatte eine massive Platte ist und daß ein Fluid mit hoher Temperatur, das in den Wärmetauscher an einer der kurzen Seiten eintritt, oberhalb dieser massiven Platte strömt.
Jede der Schwimmplatten 114a und 114b ist mit einer Vielzahl von Vertiefungen versehen, die sich von beiden Oberflächen aus erstrecken. Fig. 2a zeigt die Anordnung und die Ausrichtung der Vertiefungen in einem Kanal, wobei das Fluid an einer der Längsseiten der Schwimmplatten eintritt und entlang der gegenüberliegenden Längsseite der Schwimmplatte austritt; Fig. 2b zeigt die Anordnung und die Ausrichtung der Vertiefungen in einem Kanal, wobei das Fluid an einer der kurzen Seiten der Schwimmplatten eintritt und an der gegenüberliegenden kurzen Seite austritt. Wie bereits erwähnt, sind die hervorspringenden Vertiefungen (bzw. Vorsprünge) an beiden Oberflächen der Schwimmplatte vorgesehen, wobei jedoch wegen der anschaulichen Darstellung nur die sich nach oben erstreckenden Vertiefungen in der Zeichenebene in Fig. 2a und 2b dargestellt sind.
Jede Vertiefung besitzt eine langgestreckte abgerundete Gestalt. Es ist klar, daß die Vertiefungen dem Fluid einen geringeren Widerstand entgegensetzen, wenn ihre Längsachse parallel zur Flußrichtung des Fluids liegt. Aus dem Studium der Richtung und der Anordnung der Vertiefungen in Richtung der gewünschten Strömungsrichtung des Fluids im Kanal wurde ermittelt, daß die Anordnung und die Ausrichtung, wie sie in Fig. 2a und 2b dargestellt sind, bevorzugte Ausführungsbeispiele darstellen.
In Fig. 2a dienen die Vertiefungen 131, die senkrecht zum Weg der Luftströmung verlaufen und zu einem gewissen Druckverlust führen, als Verteiler, um die Luftströmung im Gegenflußabschnitt des Wärmetauschers zu vereinheitlichen. Die Vertiefungen 133 begrenzen die Luftströmung auf der Auslaßseite.
Die Vertiefungen 134 dienen als Führungsteile zum Führen der Luft im Gegenflußabschnitt als Laminarströmung, in der in der Figur nach oben zeigenden Richtung. Die Vertiefungen 132 dienen zum Führen der Luft am Einlaß, ohne daß diese ihren dynamischen Druck in Richtung des Inneren des Wärmetauschers verliert. Außerdem ändern die Vertiefungen 132 die Richtung der Luftströmung am Auslaß im rechten Winkel, ohne den Weg gemäß Fig. 5 zu verkürzen.
Die Vertiefungen 134 sind auf der Oberfläche der Schwimmplatten 114b angeordnet, wie es in Fig. 2b dargestellt ist und in Längsrichtung in Richtung der Fluidströmung angeordnet, um diese nicht zu stören.
Das Unterteil einer jeden Vertiefung berührt außerdem die benachbarte Schwimmplatte und dient so als Abstandshalter zur Aufrechterhaltung eines Abstandes zwischen den Schwimmplatten und zwischen einem Verstärkungsteil des Wärmetauschers in senkrechter Richtung.
Ferner weist der Wärmetauscher gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen genaueren Mechanismus zur Ausrichtung der Fluidströmung auf. Für diese genaue Steuerung der Fluidströmung ist eine kammförmige Prallwand vorgesehen, die sich mit ihrer Längsrichtung in den Luftkanal des Wärmetauschers erstreckt, da trotz des oben angegebenen Aufbaus örtliche Strömungsabrisse im Luftkanal auftreten können. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die kammförmige Prallwand durch Verlängerungen der Anschläge 115b gebildet, welche dafür sorgen, daß die Roll- oder Druckfedern 110 von Fig. 1 an Ort und Stelle gehalten werden und die sich in das Innere des Luftkanals erstrecken.
Der Gegenfluß-Schwimmplatten-Wärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung weist trotz seines einfachen Aufbaus und der kompakten Abmessungen einen großen Wärmeaustausch- Wirkungsgrad auf.
Der Wärmetauscher kann vorteilhafterweise als Luftvorwärmer für Öfen, Boiler, Verbrennungsgeräte, Destillatoranlagen und dgl. sowie auf anderen technischen Gebieten dienen.

Claims

1. Schwimmplatten-Wärmetauscher mit:

- einem geschlossenen Rahmen, bestehend aus einem Paar rechtwinkliger Wandteile (101, 102) und vier Eckteilen (103 bis 106), die die Wandteilpaare (101, 102) wenigstens an den entsprechenden Ecken miteinander verbinden;

- zwei Paar Dichtstreifen (111, 113), die mit der Innenfläche der Eckteile (103 bis 106) über elastische Dichtteile (109) in Berührung stehen, um wenigstens die Innenflächen eines jeden Eckteils (103 bis 106) abzudichten;

- Anschlägen (115a, 115b), welche Druckfedern (110) und die Dichtteile (109) halten zwischen den Eckteilen (103 bis 106) und den Dichtstreifen (111, 113);

- wenigstens drei separate parallele Schwimmplatten (114a, 114b), die parallel zu den Wandteilen (101, 102) und in Berührung mit den Dichtstreifen (111, 113) in einem Raum angeordnet sind, der durch die Dichtstreifen (111, 113) und die Wandteile (101, 102) begrenzt wird, wobei jede Schwimmplatte (114a, 114b) eine Vielzahl von separaten langgestreckten abgerundeten Vertiefungen (131 bis 134) aufweist, die sich von wenigstens einer Fläche der Platte aus derart erstrecken, daß ihre Längsabmessungen parallel zur Flußrichtung liegen, wobei die Vertiefungen (131 bis 134) derart verteilt sind, daß sie den Abstand und die Fluiddurchlaßkanäle zwischen aufeinanderfolgenden Schwimmplatten (114a, 114b) begrenzen;

- einer Steueranordnung zur Steuerung des Fluidflusses in diesen Kanälen, so daß zwei Fluide unterschiedlicher Temperaturen in benachbarte Kanälen auf gegenüberliegenden Flächen einer jeden Schwimmplatte (114a, 114b) fließen können und ein Wärmeaustausch zwischen den Fluiden durch die Schwimmplatte hindurch erfolgt;

- einem Einlaß und einem Auslaß für eines der Fluide in einem Paar Ebenen, die durch die kurzen Seiten der Wandteile (101, 102) gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß

- eines der genannten Dichtstreifenpaare (113) in sich diagonal gegenüberliegenden Stellungen bezüglich einer Linie, die die zugehörigen Mitten der Wandteile (101, 102) verbindet, entlang zweier Ebenen verlängert sind, die durch die längeren Seiten der Wandteile (101, 102) gebildet werden sowie die Eckteile (103 bis 106), so daß die letzteren Ebenen abgedichtet sind, jedoch nicht abgedichtete Abschnitte verbleiben, um so an diagonal sich gegenüberliegenden Stellen einen Einlaß (107) und einen Auslaß (108) für das andere der Fluide zu bilden und daß

- die Steueranordnung zum Ausrichten des Flusses des anderen Fluides die Vertiefungen (131 bis 134) aufweist, welche dergestalt verteilt sind, daß die beiden Fluide in entgegengesetzten Richtungen zueinander in Richtung der langen Seiten in einem vorgegebenen Abschnitt der Kanäle fließen von ihrem zugehörigen Einlaß bis zu ihrem zugehörigen Auslaß und in Richtungen, die im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen entlang der verbleibenden Kanalabschnitte, wobei alle Vertiefungen im wesentlichen dieselben Abmessungen aufweisen und parallel zueinander und quer zum Einlaß und zum Auslaß, jedoch in Längsrichtung im verbleibenden Teil der Platte, angeordnet sind bezüglich der Querachse der langgestreckten Seite des durch die Platte gebildeten Rechtecks.

2. Schwimmplatten-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenverhältnis der langen Seite zur kurzen Seite einer jeden Schwimmplatte wenigstens 7:2,5 beträgt.

3. Schwimmplatten-Wärmetauscher nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung ein plattenförmiges Teil aufweist, das am Einlaß und/oder am Auslaß der Fluide angeordnet ist.

4. Schwimmplatten-Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes plattenförmige Teil aus der Verlängerung eines Anschlags (115b) in Gestalt einer kammförmigen Prallwand besteht.