DE2055500A1

DE2055500A1 - Plattenwarmeaustauscher

Info

Publication number: DE2055500A1
Application number: DE19702055500
Authority: DE
Inventors: Bernard Jean Alfort ville Desbordes (Frankreich) P
Original assignee: Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1969-11-14
Filing date: 1970-11-11
Publication date: 1971-05-27
Also published as: FR2080838B1; DE2055500B2; BE758439A; FR2080838A1; DE2055500C3

Description

Patentanwälte

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• München -I, --- ...J-iUr. 10

410-16.31?P(l6.314H) 11.11.1970

SOCIETE NATIONALE d'ETUDE et de CONSTRUCTION de MOTEURS d¹AVIATION, Paris (Frankreich)

Plattenwärmeaustauscher

Die Erfindung bezieht sioh auf einen dem Betrieb bei hohem Druck bia über 50 bar angepaßten Plattenwärmeaustauscher mit einem Behälter mit zylindrischer Seitenwand mit vertikaler Achse und einem aktiven !Teil, der durch eine Aneinanderreihung aus verschweißten oder verlöteten Platten gebildeten Lamellen bzw. Spalten gebildet wird, von denen die einen von einem ersten Fluid durchströmt werden, das den Behälter einnimmt und die anderen von einem zweiten Fluid und wobei der aktive Teil des Austauschers in dichter Weise auf dem Boden des Behälters am Umfang eines Einlasses bzw. Auslasses für das zweite Fluid (in die entsprechenden lamellen) ruht und einen oberen Teil aufweist, der im Auslaß oder Einlaß für das zweite Fluid gleitet.

Plattenwärmeaustauscher werden durch einen Stapel von Auetauschlamellen bzw. eine Aneinanderreihung spaltförmiger

410-(B 33 91.37) NoHe (7)

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Räume gebildet, durch die abwechselnd das wärmeabgebende bzw. das wärmeaufnehmende Strömungsmedium hindurchtritt· Jede Austauschlamelle wird durch zwei allgemein ebene und parallele Platten gebildet, die als Trennwände zu den benachbarten Lamellen hin dienen und zwischen denen ein Blech eingeschaltet ist, das abwechselnd mit der einen und der anderen Platte in Berührung kommt (und im nachfolgenden als "Wellblech¹¹ bezeichnet wird). Die Gesamtheit der den aktiven (Teil des Wärmeaustauschers bildenden Lamellen wird im allgemeinen durch Verlöten bisweilen auch durch Verkleben oder Verschweißen definitiv zusammengesetzt.

Plattenwärmeaustauscher werden für einen Inergieauatausch zwischen Strömungsmedien von geringem Druck viel angewandt. Sie haben in diesem falle in der Tat zahlreiche Vorteile« Sie ermöglichen insbesondere die Aufteilung der Strömung der am Wärmeaustausch beteiligten Ströaungsmedien in eine Vielzahl von Teilströmungen mit geringem Querschnitt« Auf diese Weise wird der Wärmeaustausch Intensiviert, und man gelangt so zu Wärmeaustauschern mit geringem Raumbedarf für hohe Energiedurchsätze»

Der Einsatz dieser für einen Wärmeaustausch zwischen Strömungsmedien von geringem Druck sehr gut geeigneten Plattenwärmeaustauscher für Strömungsmedien mit relativ hohem Druck bereitet nun jedoch Schwierigkeiten! Das ist beispielsweise der Fall, wenn derartige Wärmeaustauscher in Verbindung mit Gasturbinen verwendet werden sollen! In diesem Falle müssen die auf nur wenig über Atmosphärendruck befindlichen Verbrennungsgase die auf mehrere bar komprimierte Luft aufheizen« Die Anschlüsse bzw. Verbindungen im Bereich von EIn- und Auslaß für das Druckgas müssen daher Insbesondere gegen-

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liber der äußeren Atmosphäre gasdicht sein»

Anordnungen mir lösung des Problems der Verbindungen bzw. Anschlüsse zwischen dem Wärmeaustauscher und dem Hochdruckkreis werden in der PR-PS 1 516 735 vom 22.1 .,1966 und 1 541 655 vom 9·2.1967 beschriebene Durch diese Anordnungen wird zwar der Anwendungsbereich der Plattenwärmeaustauscher unter Aufrechterhaltung ihres kompakten Charakters erweitert, jedoch wird dadurch noch nicht ein Problem gelöst, das auftritt, wenn der Druck des Hochdruck-Strömungsmediums höhere Werte (über 50 bar) erreicht· Bei diesen älteren lösungen wird dann nämlich in eine von zwei Lamellen des Wärmeaustauschers ein Strömungsmedium eingelassen, dessen Druck gegenüber der Atmosphäre, in die der aktive Teil des Austauschers taucht, relativ hoch ist. Unter diesen Bedingungen werden die Verbindungen zwischen den die Lamellen bildenden Platten Zugkräften ausgesetzt· Diese Verbindungen werden jedoch durch Mittel (wie Verlöten, Verschweißen oder Verkleben) erzeugt, die der Aufnahme soloher Kräfte schlecht angepaSt sind· Insbesondere Schweiß- oder Lötverbindungen verhalten sich bei Einwirkung von Zugkräften bei erhöhter Temperatur sehr schlecht. Selbst wenn man zusätzliche Mittel vorsieht, durch die Brüche vermieden werden sollen, kann die schlechte Anpassung dieser Mittel an einen Betrieb unter Zugbeanspruchung zu Leckagen führen, die schwerwiegende Folgen haben·

Ziel der Erfindung ist daher ein Plattenwärmeaustauscher, der den praktischen Erfordernissen eines Betriebes mit Strömungsmedien, von denen zumindest eines einen Druck über 50 bar aufweist, besser angepaßt ist als die älteren Vorschläge«, Der zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Plattenwärmeaustauscher mit einem aktiven Teil, der aus einem Stapel bzw. einer Aneinanderreihung von durch verschweißte oder

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verlötete Platten gebildeten Spalten bzw. "Strömungslamellen^N besteht, die abwechselnd von einem Hochdruckfluid und einem Fluid mit geringerem Druck beströmt werden, hat speziell einen aktiven Teil, welcher in einem Behälter angeordnet ist, der vom Hochdruckfluid eingenommen wird und Einlaufsohächte zur Verteilung dee Niederdruckflulde in die entsprechenden Lamellen trägt, die in dichter Weise mit dem im Behälter vorgesehenen Ein- bzw. Auslaß für das Niederdruckfluid verbunden sind undder weiterhin Leitungen für den Ein- und Auslaß des Hoohdruckfluids aufweist, die in im wesentlichen dichter Weise mit den Hochdrucklamellen des aktiven Teils verbunden sind·

Gemäß einer bevorzugten Aueführungsart - wenn auch nicht ausschließlich - hat der aktive Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Form eines vertikalen Parallelepipeds, das durch die Einlaufschäohte für den Ein- und Auslaß des Niederdruokfluide verlängert wird, wobei der am untern Ende angeordnete Schacht das Gewicht des aktiven Teile auf den Behälter überträgt, während der am oberen Ende angeordnete Schacht eine dichte Gleitverbindung mit der entsprechenden Leitung des Behälters bildet.

Die Erfindung wird an Hand der nachfolgenden Beschreibung einer ale nicht einschränkendes Beispiel angegebenen Aueführungsart für einen erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher besser verständlich werden· Die Beschreibung bezieht sich auf die angefügten Zeichnungen} es zeigern

Fig. 1 schematißch den Austauscher im Schnitt länge einer durch die Achse gehenden Vertikalebene)

Fig. 2 eine Unteransicht des oberen Einlaufschachte des

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aktiven Teilsj und

Fig. 3 den in Fig« 1 durch einen mit ¹¹IIIⁿ bezeichneten strichpunktierten Kreis umrandeten Teil in vergrößertem Maßstab·

Der in Fig. 1 gezeigte Wärmeaustauscher ist für die Aufheizung eines auf hohem Druck befindlichen Grases (beispielsweise Kohlendioxyd mit einem Druok in der Gegend von 150 bar) durch ein Gas von geringerem Druok (beispielsweise Helium mit einem Druck in der Gegend von 35 bar) bestimmt. Dieser Austauscher hat einen aktiven Sell A innerhalb eines Behälters B und Verbindungs- bzw· Anschlußelemente, die nachfolgend beschrieben werden.

Der durch einen Stapel bzw. eine Aneinanderreihung von Lamellen gebildete aktive Tell A des Austauschers hat eine allgemein aufrecht prismatische Form mit viereckigem Querschnitt. Die Niederdrucklamellen sind für den vertikalen Durchtritt des Gases von einem Ende des aktiven Teils zum anderen eingerichtet und seitlich über die gesamte Länge des Austauschers durch Wände eingefaßt· Die Hochdrucklamellen besitzen dagegen Wellbleche, die derart angeordnet sind, daß das Gas über den Hauptteil der Läng· des aktiven Teils zu einer Vertikalströmung angehalten wird und zu einer abkreuzenden Strömung in den Endteilen derart, daß der Bin- und Auslaß dee Hochdruokgases an den entgegengesetzten Enden der beiden sioh gegenüberstehenden Seitenflächen ermöglicht wird«» Die Lamellen sind mithin längs ihrer Hauptabmessung durch Wände begrenzt, die nur eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung in zwei Seitenwänden an entgegengesetzten Enden offen lassen. Es ist zu bemerken, daß die Verjüngung bzw· echlanke Gestalt (effilemtnt) des dargestellten aktiven Teils ausreicht, so daß die Zone abkreuzender Strömung (mit mäßigem Wirkungsgrad)

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nur einen geringen Anteil der Gesamthöhe bildet. Biese schlanke Gestalt wird im übrigen für den zu bewältigenden hohen Energieübergang durch die Beschränkung notwendig gemacht, die bezüglioh der Transversalabmessungen durch den Lötofen bedingt sind·

Der Behälter B besteht aus einer zylindrischen Seitenwand 10, an welcher - beispielsweise durch Verschweißen -eine untere Kappe 12 mit einem Sitz bzw. einer Auflagefläche befestigt ist, auf welcher der aktive Seil ruht, wie weiter unten gezeigt wird. Biese Auflagefläche 14 befindet sich am Umfang einer vertikalen Zuleitung 15 für das Niederdruckgas. Am oberen Ende hat die zylindrische Wand 10 einen flansch zur Verbindung mit einer abnehmbaren Kappe 20. Mit dieser 1st eine leitung 18 für den Auslaß des Kiederdruckgases fest verbunden und sie besitzt außerdem einen nach innen vorstehenden, zur Auflagefläche 14 der unteren Kappe koaxialen Bundring 22· BIe abnehmbare Kappe 20 wird mit der zylindrischen Wand 10 beispielsweise mit Hilfe von Bolzen 24 und Muttern 26 fest verbunden·

Bie Seitenwand des Behälters B besitzt außerdem eine Zuleitung 28 für den Sinlaß und eine Leitung 30 für den Auslaß des Hochdruokgases. Bie öffnungen 32 und 34 der die Hochdruoklamellen begrenzenden Wände stehen diesen Leitungen 28 und 30 gegenüber, wenn der aktive Teil eingesetzt ist.

Bie Anschlüsse bzw. Verbindungen zwischen dem aktiven Teil A und den Leitungen 15 und 1· für das Niederdruokgas müssen selbstverständlich gasdicht sein, so daß Leckverluste vermieden werden· Zu diesem Zweck ist der aktive Teil mit einem mit Querstreben versehenen unteren Einlaufeohaoht 36

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versehen, der einen Teil 38 mit Tiereckigem Querschnitt für die Befestigung am aktiven Tell A aufweist und einen Anschlußteil von allgemein kegelstumpfartiger Form. Dieser Aneohlußteil hat einen flachen Vorsprung bzw« eine Krempe 40, der bzw. die mit einem vorstehenden Kreisring 42 versehen iet, der eine in eine;? Ringnut der an der unteren Kappe vorgesehenen Auflagefläche 14 eingelassene Dichtung zusammenpreßt. Ein im Schacht 36 angeordneter Diffusor 44 gewährleistet die Verteilung des Niederdruckgases, das durch die leitung 15 in die Niederdrucklamellen einströmt· Das obere Ende des j

aktiven !Teils A trägt ebenfalls einen Schacht 46 ("Auslaufsohaoht". fig« 1 und 2)· Dieser mit Handhabungsösen oder -schäkeln 48 versehene Auslaufschacht hat eine dem unteren Einlaufschacht 36 allgemein ähnliche Form und besitzt ebenfalls einen (divergierenden) Diffusor 49} er endet jedoch in einer mit Ringdichtung versehenen zylindrischen Verlängerung 50, die unter Gleitreibung in den nach innen vorspringenden Bundring 22 der oberen Kappe 20 eingreift· Der in Fig. 2 gezeigte Schacht ist mit versteifenden Querstreben versehen.

Die Gesamtheit'des aktiven !Teils A wird so im Behälter B gehalten und zentriert. Weiter ist - wie man sieht - der J

Durchmesser der Bohrung, in welche die «ylindrisehe Verlängerung 50 eingreift, geringer als der Durchmesser des Kreisringes 42 für die Dichtung: Unter diesen Bedingungen wird der aktive Teil A durch den vom Druck im Behälter B herrührenden axialen Schub auf die im Sitz 14 eingelassene Dichtung gepreßt·

Zwischen der Sin- bzw. Auslaßleitung (28;30) für das Hochdruokgas einerseits und den Hoohdrucklamellen andererseits sind Diffuseren für die Gasverteilung in ähnlioher

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Weise angeordnet wie die Diffusoren für das Niederdruckgas. Biese Diffusoren 52 enden jedoch bereite in unmittelbarer Nähe der Wände der Lamellen und lassen also geringe Austrittsmöglichkeiten zum Zwischenraum ζwiaohen dem aktiven Teil A und dem Behälter B hin frei·

Zur Vermeidung einer "Überbrückung¹¹ der Hochdrucklamellen durch diesen ringförmigen Zwischenraum, der in der beschriebenen Weise mit dem Ein- und Auslaß für das Hoohdruokgas in Verbindung steht, ist eine nachgiebige Absperrung vorgesehen_f welche Dilatationen und Kontraktionen des aktiven Teils A in Längsriohtung zuläßt· Diese nachgiebige Absperrung (Pig· 3) wird durch eine Anordnung gewährleistet, die durch eine mit der Seitenwand des aktiven Teils A beispielsweise durch Verschweißen oder Verlöten dicht befestigte Ringplatte 56, einen am Behälter B im gleichen Niveau befestigten Vorsprung 54 und eine metallische oder Elastomer-« membran 56 gebildet wird, welch letztere lösbar und dioht mit der Platte 56 und dem Vorsprung 54 befestigt ist. Diese Befestigung kann beispielsweise durch Schrauben erreicht werden, die Deckplatten oder Beschläge 60 gegen die Bänder der Membran pressen·

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, werden die bei den älteren Vorrichtungen bei ihrer Verwendung für Gase mit hohem Druck auftretenden Probleme duroh den erfind ungsgemäßen Wärmeaustauscher gelöstι Die Verbindungen der Hochdrucklamellen arbeiten in diesem Falle nicht, denn der Druck innerhalb der Lamellen ist gleioh dem Druck, der in dem Baum oder Behälter herrecht, in dem sie sich befinden, und die Verbindungen spielen nur noch die Bolle von thermisohen Brüoken (bzw. Strömungebegrenzungen)· Was die Niederdruoklamellen betrifft, so werden die Platten einem Differenz·

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druck ausgesetzt, der sie gegen das Wellblech presst und die Verbindungen (im allgemeinen Lötverbindungen) unter Druck setzt, was nicht nur zu Beanspruchungen dieser Verbindung führt, denen sie gewachsen sind, sondern auch die Leckgefahr vermindert. Die Scherkräfte bleiben schließlich stets geringo

Bei der besonderen beschriebenen Ausführungsart ruht die Gesamtheit des aktiven Teils A auf der eingelassenen Dichtung 14. Das Gewicht des aktiven Teils A überlagert sich also dem in gleicher Richtung wirkenden Druck und wirkt der Leckgefahr entgegen, und darüber hinaus werden so Stöße beim Aufbringen des hohen Druckes bei Inbetriebnahme der Anlage vermieden.

Im übrigen gestattet die erfindungsgemäße Anordnung des Wärmeaustauschers die Konzeption eines rasch auswechselbaren aktiven Teils. Bei der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsart wird dazu die obere Kappe 20 und der damit fest verbundene Leitungsabschnitt 18 entfernte Zur Erleichterung der Handhabung der Kappe 20 ist diese mit ösen für die Anbringung von Haken versehen. Nach Abnahme der Kappe werden die Bolzen zur Befestigung der Membran 58 gelöst und der aktive Teil unter Ausnutzung der Handhabungsösen oder -schäkel 48 herausgehobene

Neben anderen Anwendungen für den erfindungsgemäßen Austauscher kann man die Rückgewinnung der Wärme des Primärkühlmittels im Hochtemperatur- und Hochdruckkreis von gasgekühlten Reaktoren und insbesondere von üblicherweise mit HTGR-Reaktoren (high temperature gas-oooled reactor) bezeichneten Reaktoren nennen. In diesem Falle kann der Behälter B

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durch das Reaktorgehäuse selbst gebildet werden» Man erhält so eine Anordnung "mit integriertem Wärmeaustauscher".

Die Erfindung kann selbstverständlich durch zahlreiche Varianten in der Ausführung abgeändert werden: Insbesondere kann im aktiven Teil eine Strömung mit mehreren abkreuzenden Strömen vorgesehen werden oder ganz allgemein jede Anordnung, welche die Trennung der Fluide an den Enden gewährleistet. Die Einlaufschächte können sehr unterschiedliche Formen aufweisen und ebenso die darin enthaltenen Diffusoren, die im übrigen nicht unbedingt notwendig sind. Die Absperrmembran 58 kann durch eine Füllung beispielsweise aus einem wärmeisolierenden Material ersetzt werden, die dann eine Art Labyrint im ringförmigen Raum bildet.

Es ist selbstverständlich, daß diese Varianten, wie ganz allgemein alle Varianten der Gesamtheit oder von Teilen der beschriebenen Anordnungen, die im Bereich der mechanischen Äquivalenz bleiben, durch die Erfindung erfaßt werden,,

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Claims

- 11 Patentanspruchs

Plattenwärmeaustauscher mit einem Behälter mit zylindrischer Seitenwand mit vertikaler Achse und einem aktiven Teil, der durch eine Aneinanderreihung aus verschweißten oder verlöteten Platten gebildeten Lamellen bzw. Spalten gebildet wird, von denen die einen von einem ersten Fluid durchströmt werden, das den Behälter einnimmt und die anderen von einem zweiten Fluid und wobei der aktive Teil des Austauschers in dichter Weise auf dem Boden des Behälters am Umfang eines Einlasses bzw· Auslasses für das zweite Fluid (in die entsprechenden Lamellen) ruht und einen oberen Teil aufweist, der im Auslaß oder Einlaß für das zweite Fluid gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fluid das Höchstdruokfluid ist, daß der Behälter (10) eine abnehmbare obere Kappe (20) aufweist, die mit Mitteln für die Verbindung mit dem Kreislauf des zweiten Fluids versehen ist und in der in abgedichteter Weise der obere Teil (des aktiven Teils) gleitet und daß der aktive Tell (A) einfach auf dem Boden (des Behälters) ruht und einen Querschnitt besitzt, der in denjenigen der öffnung des durch die Kappe (20) verschlossenen Behälters (10) derart eingeschrieben ist, daß der aktive Teil nach Abnahme der oberen Kappe senkrecht herausziehbar ist«

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Tell (A) die Form eines vertikalen Parallelepipeds besitzt und durch Schächte (36,4-6) für den Ein- und Auslaß des Hiederdruckfluids verlängert wird, von denen der im unteren Bereich angeordnete Schacht(36)das Gewicht des aktiven Teils auf den Behälter überträgt, während der im

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oberen Bereich angeordnete Schacht (46) eine dichte Gleitverbindung mit der entsprechenden Leitung (18) des Behälters bildet.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen (28,30) für Ein- und Auslaß des Hochdruckfluids durch die Seitenwand des Behälters (B) geführt sind und durch Diffusoren (52) verlängert werden» die in unmittelbarer Nähe der Seitenwand des aktiven Teils (A) den ent-

_ sprechenden Öffnungen der Lamellen gegenüberstehend an den

" äußeren Enden des aktiven Teils enden.

4· Wärmeaustauscher nach Anspruch 2 oder 31 daduroh gekennzeichnet, daß der Behälter (B) eine zylindrische Seitenwand (10) mit vertikaler Achse besitzt und durch zwei Kappen verschlossen wird, von denen die eine (12) mit der Einlaßleitung (15) und die andere (20) mit der Auslaßleitung (18) für das Niθ-derdruckfluid versehen ist«,

5. Wärmeaustauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch deformierbare Mittel (58), die den aktiven Teil (A) des Austauschers mit der Wand des Behälters (B)

fe verbinden und so einen direkten Übergang des Hochdruckfluids vom Behältereinlaß zum -aualaß hin unter Überbrückung dea aktiven Teils unterbinden·

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die deformierbaren Mittel eine Membran (58) aufweisen, die zum einen an der Seitenwand des Behälters (B) und zum uxxu«ren an einer vom aktiven Teil (A) getragenen Platte (56) duroh lösbare Organe, wie Bolzen, befestigt ist.

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7o Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (B) durch das druckbeständige Gehäuse eines Kernreaktors gebildet wird, dessen Kühlmittel das Hochdruckfluid ist.

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