DE2805912A1

DE2805912A1 - Plattenwaermetauscher

Info

Publication number: DE2805912A1
Application number: DE19782805912
Authority: DE
Inventors: Rudolf Dr Ing Becker
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1979-08-23

Description

Plattenwärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit Wärmetauschelementen, die jeweils aus zwei im wesentlichen ebenen, mit Abstand zueinander angeordneten und einen abgedichteten Strömungsraum bildenden Blechen aufgebaut sind, wobei die Wärmetausehelemente mit Abstand zueinander angeordnet sind.

Bei bekannten Plattenwärmetauschern dieser Art werden die Wärmetauschelemente aus .jeweils paarweise parallelen Blechen aufgebaut, die entlang ihrer Ränder miteinander abdichtend verbunden sind und zwischen sich Strömungskanäle für das Fluid bilden.

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Aus Gründen des Umweltschutzes und des Kühlwassermangels besteht der Wunsch, die Abwärme von Kraftwerken statt an Kühlwasser oder durch Verdunstungskühlung über Kühlflächen in Trockenkühltürmen direkt an atmosphärische luft ohne Wasserverdunstung abzugeben. EinTrockenkühlturm für ein 1000-MW-Kraftwerk benötigt eine Kühlfläche von einigen Millionen Quadratmetern. Es ist daher wichtig, durch konstruktive Maßnahmen an diesem sehr teueren Bauteil Einsparungen vorzunehmen-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmetauscher der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, der bei guter Wärmeübertragung, geringem Druckabfall und niedrigen Herstellungskosten größte Sicherheit gegen Verschmutzung und Undichtheiten sowie leichte Zugänglichekeit zur Reinigung und bei Reparaturen bietet und dessen Platzbedarf gering sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Bleche der Wärmetauschelemente gegeneinander geneigt sind und einen im Querschnitt etwa keilförmigen Strömungsraum bilden*

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Querschnitts der Wärmetausehelemente ergibt sich ein geringerer Druckabfall für das Fluid in den Elementen als bei bisher bekannten Wärmetauschelementen. Dadurch ist es möglich, bei vorgegebenem Druckabfall die Länge der Elemente zu vergrößern und

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und damit ihre Zahl, d.h. auch die Zahl der teueren Stirnschweißnähte zu vermindern. Darüberhinaus ergibt sich durch den keilförmigen Querschnitt der Wärmetausehelemente den Vorteil, daß an der Stelle der größten Temperaturdifferenz zwischen den beiden wärmetauschenden Fluiden, nämlich an der Eintrittseite der Kühlluft, wegen des großen hydraulischen Durchmessers in den Wärmetauschelementen eine maximale Fluidmenge strömt.

Es erweist sich als günstig, wenn die Neigung der Platten der Wärmetauschelemente gegeneinander so gering ist, daß die Änderung des Plattenabstandes in der Richtung der Neigung der Platten klein ist im Verhältnis zur Plattenbreite.

Neben dem Vorteil des geringeren Druckabfalls ist es darüberhinaus auch möglich, die erfindungsgemäßen Wärmetauschelemente in rationeller Weise herzustellen, dadurch daß nämlich jedes Wärmetausehelement aus einer einzigen länglichen, entlang ihrer Mittellinie in Längsrichtung umgebogenen rechteckigen Blechtafel besteht, wobei die aufeinanderstoßenden Längskanten der Blechtafel abdichtend miteinander verbunden sind. Dazu können die Bleche mit billigen, sehne!laufenden Prägewalzen hergestellt werden anstelle der bisher üblichen langsamen Herstellungsmethode mit Prägepressen, da die Anforderungen an Genauigkeit und Verformungen gering sind. Es treten daher auch keine Risse beim Verformen auf. Außerdem kann die Zahl der Schweißnähte, verglichen mit bisher bekannten Plattenwärmetauschern, um die Hälfte gesenkt werden.

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Zweckmäßigerweise ist die Blechtafel so umgebogen, daß der Strömungsquerscnitt innerhalb der Wärmetauschelemente näherungsweise die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks aufweist, in dessen Spitze die Kanten der Blechtafel zusammenstoßen.

Die Abdichtung entlang der Längskanten der Blechtafeln ist gemäß der vorliegenden Erfindung mit Vorteil durch Schweißen oder Kleben gebildet. Für die stirnseitige Abdichtung der Wärmetauschelemente kommt außer den beiden genannten Methoden auch ein Ausgießen der Spalte mit Kunstharz in Frage.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes sind Wärmetauschelemente derart angeordnet, daß jeweils die aneinandergrenzenden Bleche zweier benachbarter Wärmetauschelemente parallel sind. Oft erweist es sich dagegen als zweckmäßig, benachbarte Wärmetauschelemente derart anzuordnen, daß der Strömungsweg zwischen je zwei Wärmetauschelementen sich entsprechend der mit der Erwärmung des in diesem Strömungsweg strömenden Fluids verbundenen Volumenvergrößerung in Strömungsrichtung erweitert.Bei beiden Ausführungsformen können die Wärmetauschelemente mit ihren spitzzulaufenden Enden nach innen ringförmig angeordnet sein, beispielsweise um einen Kamin oder jeweils benachbarte Wärmetauschelemente um l80° gegeneinander gedreht sein, derart, daß die spitz zulaufenden Enden der Elemente in entgegengesetzte Richtung weisen. Soll sich der Strömungsweg zwischen den Warmetauschelementen erweitern, so weisen im letzten Fall die Bleche der Wärmetauschelemente an der Eintrittsseite der Kühlluft einen größeren Biegeradius auf als an der Austrittsseite.

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Zur gegenseitigen Abstützung der Wände könnnen in den Blechen der Wärmetauschelemente nach innen und/oder nach außen gerichtete Einprägungen angebracht sein, so wie es die Festigkeit sbedingungen und die in den beiden Strömungsquerschnitten herrschenden Drücke erfordern.

Mit Vorteil werden beim erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher die Wärmetauschelemente durch eingelegte Flachprofile auf Distanz gehalten.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:

einen Querschnitt durch ein Element eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers, schematische Darstellungen möglicher Anordnungen der Wärmetauschelemente eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers Schnittbilder einer weiteren Ausführungsform eines Elements eines erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers
einen Kompressor-Nachkühler ein Diagramm

Figur 1

Figuren 2a und 2b

Figuren 3a, 3b u.

Figuren 4 und 4a
Figur 5

Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Plattenwärmetauschelement 1, das gemäß der Erfindung aus einer einzigen

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Blechtafel 2 besteht, die derart umgebogen ist, daß sie einen im Querschnitt etwa keilförmigen Strömungsraum 3 bildet. Die Kanten der Blechtafel 2 sind bei 4 abdichtend miteinander verbunden. Der Winkel an der Spitze des keilförmigen Strömungsraumes beträgt vorzugsweise weniger als 1°.

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Figur 2a zeigt eine mögliche Form der Anordnung der erfindungsgemäßen Plattenwarmetauschelemente 1. Die Plattenwärraetauschelemente 1 sind dabei mit ihren spitz zulaufenden Enden nach innen ringförmig angeordnet, wobei jeweils die angrenzenden Platten zweier benachbarter Wärmetauscheleraente 1, die zwischen sich Strömungskanäle 5 für das zweite Fluid bilden, parallel sind.

Eine andere mögliche Form der Anordnung der Plattenwarmetauschelemente 1 zeigt die Figur 2b. Auch hier sind die Strömungskanäle 5 für das zweite Fluid wieder von parallelen Platten begrenzt, Jedoch sind hier benachbarte Wärmetauschelemente 1 um l80° gegeneinander gedreht, derart, daß die spitz zulaufenden Enden 4 der Elemente in entgegengesetzte Richtung weisen.

Die Figuren J>a, 3b und 3o zeigen in verschiedenen Schritten ein erfindungsgemäßes Wärmetauschelement 1, dessen Wände mit Einprägungen 6 versehen sind.

Als mögliches Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher zeigt die Figur 4 einen Korapressor-Nachkühler. Innerhalb eines Mantels 10 sind Wärmetauschelemente 1 ringförmig angeordnet. Von oben wird komprimierte Luft 7 in die Wärmetauschelemente eingeblasen. Die abgekühlte Luft verläßt den Kühler beim Pfeil 8. Kühlluft 9 wird von der Unterseite her in den Kühler eingeblasen. Mit Umlenkblechen 11 wird die

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Kühlluft an den Wärmetauschelementen vorbei aus dem Inneraum in den Raum zwischen den Wärmetauschelementen 1 und Außenmantel 10 geleitet. In der Figur ist nur ein Umlenkblech 11 eingezeichnet , jedoch ist selbstverständlich eine größere Anzahl von Umlenkblechen denkbar, so daß der Kühler den jeweiligen Verfahrensbedingungen optimal angepaßt werden kann. Mit wachsender Zahl der Umlenkungen der Kühlluft nimmt die Wärmeübertragung zu, weil die mittlere Temperaturdifferenz zwischen Heißluft und Kühlluft bei einer derartigen Strömungsform größer wird. Da sich zugleich der Weg, auf dem der Wärmetausche stattfindet, verlängert, kann die Zahl der Wärmetauschelemente reduziert werden wodurch wiederum Kosten eingespart werden können.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher ist ein Trockenkühlturm, wobei Dampf unter Unterdruck im Inneren der Wärmetauschelemente fließt, kondensiert und die Kondensationswärme an die kühlende im Außenraum geführte Luft abgibt.

In Figur 5 ist in Form eines Diagramms die erforderliche Kühlfläche K und der erforderliche Luftweg L, der in den hier diskutierten Fall gleich der Plattenbreite der Wärmetauschelemente ist, für die Kühlung der Abwärme eines Kraftwerkes in einem Trockenkühlturm über dem hydraulischen Durchmesser ^dh sowohl für laminare als auch für turbulente Strömungsverhältnisse in den Plattenwarmetauschelementen dargestellt.

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Werden die für die Berechnung von Kühlern üblichen Formeln für Wärmeübergang und Druckabfall ausgewertet, so kommt man zu dem auf den ersten Blick überraschenden Ergebnis, daß der erforderliche Strömungsweg der Luft bei vorgegebenem Druckabfall etwas stärker als proportional mit einem hydraulischen Durchmesser ^dh der Kühlerkonstruktion zunimmt. Mit wachsendem ^dh wird die Wärmeübergangszahl kleiner. Die Folge ist schließlich, daß mehr Kühlfläche gebraucht wird. Beispielsweise bedeutet eine Vergrößerung von ^j₁ = 6 mm auf ^j₁ = 8 mm eine Zunahme der Wärmetauschfläche um etwa 15/6· Für sehr kleine ^dh ist die Luftströmung laminar, die Wärmeübergangszahlen werden sehr groß. Die Schwierigkeiten, einen solchen Wärmetauscher mit ^dk kleiner als ca. 2 mm mit genügender Genauigkeit zu bauen^ sind jedoch ebenso wie die Verschmutzungsgefahr sehr erheblich.

Innerhalb der Wärmetauschelemente ist mit laminarer Strömung zu rechnen. Für einen Druckabfall ρ bei laminarer Strömung läßt sich aus bekannten Gleichungen die Formel

ρ - C χ L² / ^d _h ³

herleiten, wobei L die Länge des Strömungsweges und C eine Konstante ist.

Bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Querschnitts der Wärmetauschelemente bleibt gegenüber der bisher verwendeten rechteckigen Querschnittsform der Mittelwert von ^d _n und damit die Wärmeübergangszahl gleich groß, der Mittelwert

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von ^yP jedoch ist bei einer trapez- oder dreiecksförmigen Querschnittsfläche größer als bei einer rechteckigen. Berücksichtigt man diese Tatsache in der oben angeführten Formel für den Druckabfall, so ergibt sich, daß der Druckabfall bei der erfindungsgemäßen Ausbildung des Plattenwärmetauschers geringer ist.

Die erfindungsgemäße Form der Wärmeaustauschelemente ist auch für andere Kühlaufgaben vorteilhaft, z.B. für die Rückkühlung von Kühlwasser durch Luft, wobei das Wasser in den Wärmeaustauschelementen strömt. Auch für Kompressorzwischenkühler kommt sie in Frage.

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Claims

Pat ent ans prüche

l·,) Plattenwärmetauscher mit Wärmetauschelementen, die jeweils aus zwei im wesentlichen ebenen, mit Abstand zueinander anordneten und einen abgedichteten Strömungsraum bildenden Blechen aufgebaut sind, wobei die Wärmetauschelemente mit Abstand zueinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleche der Wärmetauschelemente (1) gegeneinander geneigt sind und einen im Querschnitt etwa keilförmigen Strömungsraum (3) bilden.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der Bleche der Wärmetauschelemente (1) gegeneinander so gering ist, daß die Änderung des Abstandes der Bleche in der Richtung der Neigung der Bleche klein ist im Verhältnis zur Plattenbreite ο

3* Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmetauschelement (1) aus einer einzigen länglichen, entlang ihrer Mittellinie in Längsrichtung umgebogenen rechteckigen Blechtafel (2) besteht, wobei die aufeinanderstoßenden Längskanten (4) der Blechtafel (2)abdichtend miteinander verbunden sind.

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4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch J₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Blechtafel (2) so umgebogen ist, daß der Strö-Bjungsquerschnitt (35) innerhalb der Wärme t aus ehe lemente (1) näherungsweise die Form eines gleichschenkeligen Dreiecks aufweist, in dessen Spitze die Kanten (4) der Blechtafel (2) zusammenstößen.

5. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung entlang ^ier Längskanten (4) der Blechtafeln (2) durch Schweißen oder Kleben, die stirnseitige Abdichtung durch Schweißen oder Kleben oder Ausgießen mit Kunstharz gebildet ist.

6. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschelemente (1) derart angeordnet sind, daß jeweils die aneinandergrenzenden Bleche zweier benachbarter Wärmetauschelemente (1) parallel sind. ·

7. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschelemente (1) derart angeordnet sind, daß der Strömungsweg (5) zwischen je zwei Wärmetauschelementen sich entsprechend der mit der Erwärmung verbundenen Volumenvergrößerung des im Strömungsweg (5) strömenden Fluids in Strömungsrichtung erweitert.

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8. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche: 1 bis. 7, da_- durch gekennzeichnet, daß in den Wärme tauschelement en (1) zur Abstützung nach innen und/oder nach außen gerichtete Einprägungen ((T) vorgesehen sind.

9· Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 Bis &, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschelemen^en (I) mit ihren spitz zulauf enden Enden nach innen ringförmig angeordnet sind.

10. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis δ, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Wärmetauscaelemente (1) um l80° gegeneinander gedreht sind, derart, daß die spitz zulaufenden Enden der Elemente (1) in entgegengesetzte Richtung wei&en.

11. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschelemente (1\ durch eingelegte Plachprofile auf Distanz gehalten werden.

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