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EP2846121A1 - Hochdruckplattenwärmetauscher - Google Patents

Hochdruckplattenwärmetauscher Download PDF

Info

Publication number
EP2846121A1
EP2846121A1 EP13183684.3A EP13183684A EP2846121A1 EP 2846121 A1 EP2846121 A1 EP 2846121A1 EP 13183684 A EP13183684 A EP 13183684A EP 2846121 A1 EP2846121 A1 EP 2846121A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
plate
medium
heat exchanger
pressure
individual plates
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP13183684.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2846121B1 (de
Inventor
Dirk Kux
Markus Lentz
Bernd Müller
Gerd Abker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kelvion PHE GmbH
Original Assignee
GEA Ecoflex GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by GEA Ecoflex GmbH filed Critical GEA Ecoflex GmbH
Priority to EP13183684.3A priority Critical patent/EP2846121B1/de
Priority to PCT/EP2014/069267 priority patent/WO2015036423A1/de
Priority to EP14761863.1A priority patent/EP3044531B1/de
Priority to KR1020167007275A priority patent/KR20160055158A/ko
Priority to US14/916,336 priority patent/US10228191B2/en
Priority to RU2016110584A priority patent/RU2654293C2/ru
Publication of EP2846121A1 publication Critical patent/EP2846121A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2846121B1 publication Critical patent/EP2846121B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0006—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the plate-like or laminated conduits being enclosed within a pressure vessel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0037—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
    • F28F3/046—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element the deformations being linear, e.g. corrugations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F9/00—Casings; Header boxes; Auxiliary supports for elements; Auxiliary members within casings
    • F28F9/007—Auxiliary supports for elements
    • F28F9/0075—Supports for plates or plate assemblies
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00—Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/10—Particular pattern of flow of the heat exchange media
    • F28F2250/106—Particular pattern of flow of the heat exchange media with cross flow

Definitions

  • the invention relates to a high pressure plate heat exchanger.
  • This has a plate pack, which has media flowed through first and second channels, which are arranged in cross-flow, or in the case of multi-path cross-countercurrent.
  • the first channel provided for the first medium are formed in a tubular manner between individual plates connected to a pair of plates and the second channel provided for the second medium in a wave form between pairs of plates connected to a plate stack.
  • a plate pack of the type described above is from DE 43 43 399 A1 known.
  • a plate heat exchanger with flowed through in cross-flow channels is disclosed, which are formed for the one medium wave-shaped between each connected to a plate pair of individual plates and the other medium tubular between the assembled into a plate stack plate pairs.
  • the individual plates for channel formation are equipped with a plurality of parallel rows of aligned in the flow direction of a medium cam or embossed support structures, which are formed offset from each other in the longitudinal direction from row to row.
  • a plate heat exchanger from the DE 43 43 399 A1 previously known type has proven itself in everyday practice. However, for the high-pressure application, ie for media pressures of greater than 25 bar, the previously known constructions are not suitable. This particular not because the prior art plate heat exchanger for higher pressures do not have sufficient mechanical stability and deform at higher pressures beyond the allowable level.
  • the invention proposes a Hochdruckplatten surveillancetaucher with a plate pack, which is arranged in a space provided by a housing pressure chamber, wherein the plate pack of media flowable through first and second channels, which are arranged in cross-flow and for the first medium tubular between a pair of plates interconnected individual plates and the second medium are formed undulating between connected to a plate stack plate pairs, wherein the tubular channels formed parallel to the longitudinal edges of the individual plates and the individual plates along their longitudinal edges together to plate pairs and the plate pairs along their transverse to the longitudinal edges the individual plate extending edges are connected together to form a plate stack, wherein the pipe side for the first medium and the shaft side serve as a pressure side for the second medium and the housing is r Has on the side of the plate stack subsequent flange lid, which are at least partially aspherical.
  • the second medium under pressure is to be guided on the shaft side of the plate pack.
  • the tube side of the plate package carries the first, under reduced pressure medium.
  • the tube-side forming tubular channels extending transversely to the longitudinal direction of the plate package forming individual plates.
  • the transverse extent of a single plate is limited by the width of the embossing tool, whereas a quasi-endless, that is arbitrarily selectable extent in the longitudinal direction is possible.
  • the embodiment of the invention provides a remedy.
  • a plate stamping rotated by 90 degrees is proposed so that the tube side, i. the tubes run in the longitudinal direction of the plate.
  • the channels formed for the first medium in a tubular manner between individual plates connected to a pair of plates channels are formed parallel to the longitudinal edges of the individual plates.
  • Plate heat exchangers unlike, for example, tube bundle heat exchangers, are comparatively unstable to pressure.
  • the pressure is applied too high, bulging of the individual plates and / or tearing of connection points existing between the individual plates may occur.
  • the plate pack is surrounded in the intended use of a pressure prevailing in the pressure chamber support pressure, which acts as a back pressure on the plate package.
  • the construction according to the invention proves to be advantageous in this respect in that pressure retaining plates or package side walls are to be designed only with reference to the comparatively low pressure of the tube side, ie the first medium, which means that they are used unchanged in their design compared to the prior art can be, and this at the same time suitability for a high-pressure application in the context of the invention.
  • the housing which provides the pressure chamber is preferably spherical in shape and / or circular with respect to at least one cross section for receiving the pressures prevailing in the operating case, deviating from the rectangular shape of the plate package.
  • the prevailing pressures housing on the other hand allows the media supply to a parallelepiped plate pack, is further provided with the invention constructive that the housing has tube side of the plate package subsequent flange cover, which are at least partially spherical. This ensures structurally that in the transitional, that is, bonding area in the plate stack housing side voltage peaks are avoided, so that with sufficient safety margin comparatively high pressures can be absorbed, while minimizing the required housing wall thicknesses and plate thicknesses.
  • a housing providing a pressure space which projects the outside of the shaft, i. to the surrounding atmosphere by a cylindrical shell and the tube side by a spherical sheath separates, which are avoided as a result housing side voltage peaks in the transition region from the shaft side to the tube side.
  • the inventive design makes it possible for the first time to use plate heat exchanger in the high pressure area, namely at working pressures in terms of the second medium of about 50 bar, preferably from about 60 bar, even more preferably from about 100 bar, up to 120 bar.
  • Previous designs do not allow such printing applications.
  • the working area of previously known constructions ends rather at a pressure of about 20 bar, possibly of about 30 bar. Pressures of over 30 bar, let alone 60 bar and more are not possible with the previously known embodiments.
  • the pressure range of more than 120 bar possible with the embodiment according to the invention is surprising, without restriction by differential pressures, since the thickness of the exchanger plates used on the one hand and the housing wall thickness on the other hand are comparatively thin.
  • the wide pressure application range of the high-pressure plate heat exchanger according to the invention results as Synergy effect from the explained individual features.
  • connecting wedges are arranged in the corner regions of the plate stack between two adjacent plate pairs. These connection wedges are preferably connected to the adjacent pairs of plates by positive engagement by welding.
  • the connecting wedges serve two purposes. On the one hand, a stabilization of the entire plate package construction is achieved. On the other hand, the connecting wedges are used for fluidic separation of the shaft and tube sides.
  • the individual plates provide embossing sections as known per se from the prior art.
  • the individual plates are provided with a plurality of parallel rows of longitudinally extending embossing sections, and embossing sections of adjacent rows are aligned with one another in the longitudinal direction.
  • FIG. 1 can be seen in a side view of a high-pressure plate heat exchanger 1 according to the invention.
  • This has a housing 2, which - as the sectional view FIG. 2 recognize - provides a pressure chamber 3.
  • a plate pack 4 is arranged, which for the sake of clarity in FIG. 2 is shown only schematically.
  • the plate pack 4 is formed from individual plates 14.
  • two individual plates 14 together form a plate pair 15 and a plurality of plate pairs 15 coupled to one another constitute a plate stack 16.
  • the plate pack 4 shown here consists of a plate stack 16, which has four pairs of plates 15 which are arranged between two serving as cover plates individual plates 14.
  • the individual plates 14 are each formed identically and connected in mirror image to each other to a pair of plates 15. This connection preferably takes place cohesively by welding, along the longitudinal edges 17.
  • first tubular channels K1 are formed between the individual plates 14 forming a plate pair 15, specifically for the medium M1 participating in the heat exchange in the intended use.
  • the second medium M2 is the pressurized high pressure medium.
  • each individual plate 14 with a plurality of parallel rows of extending in the direction of the longitudinal edges 17 embossing sections 21st Mistake. These embossing sections 21 of adjacent rows are offset from one another in the longitudinal direction, whereby surface supports between adjacent individual plates 14 result in a row between successive embossing sections 21.
  • connecting wedges 20 are arranged between the individual plates 14 adjacent plate pairs.
  • these connecting wedges 20 separate the shaft side from the tube side in the inlet and outlet region of the media M1 and M2 and, on the other hand, serve to stabilize the overall plate package 4 as a whole.
  • the housing 2 is formed from a ring portion 7 and two flange 8 and 9.
  • the flange cover 8 and 9 each provide an opening 10 for the tube side, which are formed in correspondence with the geometric configuration of the plate package 4 and serve to receive the plate package 4.
  • the flange cover are at least partially spherical, preferably in the manner of a dished bottom, with which the housing 2 connects to the plate stack 4 on the shaft side in a spherical configuration.
  • the respective flange cover 8 and 9 are equipped with a flange 11, which in turn carries a respective flange plate 12 connected thereto by means of screws 13.
  • the flange plates 12 are equipped with connecting pieces 5 for the first medium, that is to say the low-pressure medium.
  • the plate package 4 via connection piece 6 in fluid communication with the second medium, that is, the high-pressure medium.
  • the pressurized second medium M2 corresponding to the in FIG. 2 drawn arrows on the shaft side introduced into the plate pack 4 and leaves after a flow through the plate pack 4, the high-pressure plate heat exchanger 1 again via the provided connecting piece 6.
  • the introduced fluid flows into the pressure chamber 3 provided by the housing 2, so that on the plate package 4 acts an internal pressure identical external pressure, whereby the plate pack 4 and the individual plates 14 of the plate pack 4 are set completely depressurized, or at one-sided loading with the first medium M1 of the low pressure side only be loaded with the lower pressure of the first medium M1.
  • the medium flows at lower pressure, that is, the first medium, in accordance with the arrows FIG. 2 across the tube side of the plate pack 4.
  • Both tube and shaft sides can be operated in a multipath manner.
  • deflections between the plate pack 4 and housing are provided on the tube side or provided on the shaft side deflections in the plate pack 4 and between plate pack 4 and housing. Due to the multi-way circuit operation in cross-countercurrent is possible.
  • the tube-side channels K1 are determined in their geometric dimensions, inter alia, by the distance of the mutually offset in adjacent rows embossed sections 21. This distance A is in FIG. 6 drawn by way of example.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Um einen für Hochdruckanwendungen geeigneten Plattenwärmetauscher vorzuschlagen, wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Hochdruckplattenwärmetaucher mit einem Plattenpaket (4), das in einem von einem Gehäuse (2) bereitgestellten Druckraum (3) angeordnet ist, wobei das Plattenpaket (4) von Medien (M1, M2) durchströmbare erste und zweite Kanäle (K1, K2) aufweist, die im Kreuzstrom, bzw. bei Mehrwegigkeit im Kreuz-Gegenstrom angeordnet und für das erste Medium (M1) rohrförmig zwischen zu einem Plattenpaar (15) miteinander verbundenen Einzelplatten (14) und für das zweite Medium (M2) wellenförmig zwischen zu einem Plattenstapel (16) miteinander verbundenen Plattenpaaren (15) ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Kanäle (K1) parallel zu den Längsrändern (17) der Einzelplatten (14) ausgebildet und die Einzelplatten (14) entlang ihrer Längsränder (17) miteinander zu lattenpaaren (15) und die Plattenpaare (15) entlang ihrer quer zu den Längsrändern (17) der Einzelplatten (14) verlaufenden Ränder (18) miteinander zu einem Plattenstapel verbunden sind, wobei die Rohrseite für das erste Medium (M1) und die Wellenseite als Druckseite für das zweite Medium (M2) dienen und das Gehäuse (2) sich wellenseitig des Plattenstapels (16) anschließende Flanschdeckel (8, 9) aufweist, die zumindest teilweise sphärisch ausgebildet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochdruckplattenwärmetauscher. Dieser verfügt über ein Plattenpaket, das von Medien durchströmbare erste und zweite Kanäle aufweist, die im Kreuzstrom, bzw. bei Mehrwegigkeit im Kreuz-Gegenstrom angeordnet sind. Dabei sind der für das erste Medium vorgesehene erste Kanal rohrförmig zwischen zu einem Plattenpaar miteinander verbundenen Einzelplatten und der für das zweite Medium vorgesehene zweite Kanal wellenförmig zwischen zu einem Plattenstapel miteinander verbundenen Plattenpaaren ausgebildet.
  • Ein Plattenpaket der vorbeschriebenen Art ist aus der DE 43 43 399 A1 bekannt. Es wird hier ein Plattenwärmetauscher mit im Kreuzstrom durchströmten Kanälen offenbart, die für das eine Medium wellenförmig zwischen jeweils zu einem Plattenpaar verbundenen Einzelplatten und für das andere Medium rohrförmig zwischen den zu einem Plattenstapel zusammengefügten Plattenpaaren gebildet sind. Dabei sind die Einzelplatten zur Kanalausbildung mit mehreren parallelen Reihen von in Strömungsrichtung des einen Mediums ausgerichteten Nocken bzw. geprägten Stützstrukturen ausgerüstet, die in Längsrichtung von Reihe zu Reihe zueinander versetzt ausgebildet sind.
  • Ein Plattenwärmetauscher der aus der DE 43 43 399 A1 vorbekannten Art hat sich im alltäglichen Praxiseinsatz bewährt. Für die Hochdruckanwendung, das heißt für Mediendrücke von größer 25 bar sind die vorbekannten Konstruktionen allerdings nicht geeignet. Dies insbesondere deshalb nicht, weil die vorbekannten Plattenwärmetauscher für höhere Drücke keine ausreichende mechanische Stabilität aufweisen und sich bei höheren Drücken über das zulässige Maß hinaus verformen.
  • Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen für Hochdruckanwendungen geeigneten Plattenwärmetauscher vorzuschlagen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung vorgeschlagen ein Hochdruckplattenwärmetaucher mit einem Plattenpaket, das in einem von einem Gehäuse bereitgestellten Druckraum angeordnet ist, wobei das Plattenpaket von Medien durchströmbare erste und zweite Kanäle aufweist, die im Kreuzstrom angeordnet und für das erste Medium rohrförmig zwischen zu einem Plattenpaar miteinander verbundenen Einzelplatten und für das zweite Medium wellenförmig zwischen zu einem Plattenstapel miteinander verbundenen Plattenpaaren ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Kanäle parallel zu den Längsrändern der Einzelplatten ausgebildet und die Einzelplatten entlang ihrer Längsränder miteinander zu Plattenpaaren und die Plattenpaare entlang ihrer quer zu den Längsrändern der Einzelplatten verlaufenden Ränder miteinander zu einem Plattenstapel verbunden sind, wobei die Rohrseite für das erste Medium und die Wellenseite als Druckseite für das zweite Medium dienen und das Gehäuse sich rohrseitig des Plattenstapels anschließende Flanschdeckel aufweist, die zumindest teilweise asphärisch ausgebildet sind.
  • Aus Gründen einer optimierten Effizienz, das heißt eines optimierten Wärmeübergangs ist das unter Druck stehende zweites Medium wellenseitig des Plattenpakets zu führen. Die Rohrseite des Plattenpakets führt das erste, unter geringerem Druck stehende Medium. Bei dem aus der DE 43 43 399 A1 vorbekannten Plattenwärmetauscher erstrecken sich die die Rohrseite bildenden rohrförmigen Kanäle quer zur Längsrichtung der das Plattenpaket bildenden Einzelplatten. Dabei ist herstellungsbedingt die Quererstreckung einer Einzelplatte durch die Breite des Prägewerkzeuges begrenzt, wohingegen eine quasi endlose, das heißt beliebig wählbare Erstreckung in Längsrichtung möglich ist.
  • Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass die Rohrseite vorbekannter Plattenwärmetauscher bei Hochdruckanwendungen mit Blick auf einen wünschenswerter Weise zu erzielenden Wärmeübergang zu kurz bemessen ist. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, eine Mehrzahl von vorbekannten Plattenwärmetauschern rohrseitig hintereinander zu schalten, um so rohrseitig die erforderliche Wegstrecke bereitstellen zu können. Eine solche strömungstechnische Verschaltung einzelner Plattenwärmetauscher macht den Einsatz entsprechender Anschlüsse, Verbindungsrohre, -schläuche, Umlenkungen und/oder dergleichen erforderlich, was in nachteiliger Weise auf der Rohrseite zu einem zum Teil erheblichen Druckverlust führen kann. In der Konsequenz sinkt in nachteiliger Weise die Wärmetauschereffizienz, was aber bei vorbekannten Konstruktionen nicht zu vermeiden ist.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung schafft hier Abhilfe. Im Unterschied zur vorbekannten Konstruktion wird eine um 90 Grad verdrehte Plattenprägung vorgeschlagen, sodass die Rohrseite, d.h. die Rohre in Plattenlängsrichtung verlaufen. So sind die für das erste Medium rohrförmig zwischen zu einem Plattepaar miteinander verbundenen Einzelplatten ausgebildeten Kanäle parallel zu den Längsrändern der Einzelplatten ausgebildet. Dies führt im Ergebnis dazu, dass auf die strömungstechnische Hintereinanderschaltung mehrerer Plattenwärmetauscher verzichtet werden kann, da eine Ausgestaltung der Einzelplatten in gewünschter Länge mit dem Ergebnis einer für den Hochdruckanwendungsfall angepassten Dimensionierung der rohrseitigen Strömungskanäle stattfinden kann. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Ausgestaltung insbesondere für Hochdruckanwendungen, und zwar ohne die Gefahr von auf der Rohrseite druckabfallbedingten Leistungseinbußen. Es können zudem die Druckhalteplatten bzw. die Paketseitenwände bestehen bleiben, da eine Auslegung lediglich auf den niedrigeren Druck der Rohrseite zu erfolgen hat.
  • Plattenwärmetauscher sind anders als beispielsweise Rohrbündelwärmetauscher vergleichsweise druckinstabil. Insbesondere bei einer nur randseitigen Verbindung der Einzelplatten kann es bei einer zu hohen Druckbeaufschlagung zu einem Ausbeulen der Einzelplatten und/oder Aufreißen von zwischen den Einzelplatten bestehenden Verbindungsstellen kommen. Um dies zu vermeiden, wird mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgeschlagen, das aus Einzelplatten gebildete Plattenpaket innerhalb eines Druckraumes anzuordnen, der von einem Gehäuse bereitgestellt ist. Dabei ist das Plattenpaket im bestimmungsgemäßen Anwendungsfall von einem im Druckraum herrschenden Stützdruck umgeben, der als Gegendruck auf das Plattenpaket einwirkt. Die erfindungsgemäße Konstruktion erweist sich diesbezüglich insofern von Vorteil, als dass Druckhalteplatten bzw. Paketseitenwände lediglich mit Bezug auf den vergleichsweise geringen Druck der Rohrseite, d.h. des ersten Mediums auszulegen sind, was bedeutet, dass sie in ihrer Auslegung im Vergleich zum Stand der Technik unverändert eingesetzt werden können, und dies bei gleichzeitiger Tauglichkeit für eine Hochdruckanwendung im erfindungsgemäßen Sinne. Dies führt in vorteilhafter Weise dazu, dass selbst bei vergleichsweise hohen Drücken von bis zu 100 bar und mehr vergleichsweise dünnwandige Einzelplatten zum Einsatz kommen können, die beispielsweise eine Plattendicke von 1,2 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise von 1,3 mm bis 1,8 mm, noch mehr bevorzugt von 1,5 mm aufweisen.
  • Das den Druckraum bereitstellende Gehäuse ist zur Aufnahme der im Betriebsfall herrschenden Drücke bevorzugter Weise abweichend von der Rechteckform des Plattenpakets kugelförmig und/oder mit Bezug auf zumindest einen Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Um einerseits ein im Betriebsfall den herrschenden Drücken standhaltendes Gehäuse bereitzustellen, das andererseits die Mediumszufuhr an ein quaderförmig ausgebildetes Plattenpaket gestattet, ist mit der Erfindung konstruktiv ferner vorgesehen, dass das Gehäuse sich rohrseitig des Plattenpakets anschließende Flanschdeckel aufweist, die zumindest teilweise sphärisch ausgebildet sind. Damit ist konstruktiv sichergestellt, dass im Übergangs-, das heißt Einbündungsbereich in den Plattenstapel gehäuseseitige Spannungsspitzen vermieden sind, so dass bei hinreichender Sicherheitstoleranz vergleichsweise hohe Drücke aufgenommen werden können, und dies bei gleichzeitiger Minimierung der erforderlichen Gehäusewandstärken und Plattendicken. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion wird demnach ein einen Druckraum bereitstellendes Gehäuse vorgeschlagen, das die Wellenseite nach außen, d.h. zur umgebenden Atmosphäre durch einen zylindrischen Mantel und zur Rohrseite durch einen sphärischen Mantel trennt, womit im Ergebnis gehäuseseitige Spannungsspitzen im Übergangsbereich von der Wellenseite zur Rohrseite vermieden sind.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung macht es erstmals möglich, Plattenwärmetauscher im Hochdruckbereich einzusetzen, und zwar bei Arbeitsdrücken hinsichtlich des zweiten Mediums von über 50 bar, vorzugsweise von über 60 bar, noch mehr bevorzugt von über 100 bar, bis hin zu 120 bar. Vorbekannte Konstruktionen ermöglichen solche Druckanwendungen nicht. Der Arbeitsbereich vorbekannter Konstruktionen endet vielmehr bei einem Druck von ca. 20 bar, gegebenenfalls von ca. 30 bar. Drücke von über 30 bar, geschweige denn 60 bar und mehr sind mit den vorbekannten Ausgestaltungsformen nicht möglich. Dabei überrascht der mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung mögliche Druckbereich von über 120 bar, und zwar ohne Einschränkung durch Differenzdrücke, da die Dicke der eingesetzten Tauscherplatten einerseits sowie die Gehäusewandstärke andererseits vergleichsweise dünn ausfallen. Insofern ergibt sich der weite Druckanwendungsbereich des erfindungsgemäßen Hochdruckplattenwärmetauschers als Synergieeffekt aus den vorerläuterten Einzelmerkmalen.
  • Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in den Eckbereichen des Plattenstapels zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren Anschlusskeile angeordnet. Diese Anschlusskeile sind mit den benachbarten Plattenpaaren vorzugsweise formschlüssig durch Verschweißen miteinander verbunden. Dabei dienen die Anschlusskeile zweierlei Zwecken. Zum einen wird eine Stabilisierung der gesamten Plattenpaketkonstruktion erreicht. Zum anderen dienen die Anschlusskeile der strömungstechnischen Trennung von Wellen- und Rohrseite.
  • Zur Ausbildung der einzelnen Strömungskanäle stellen die Einzelplatten wie aus dem Stand der Technik an sich bekannt Prägungsabschnitte bereit. Dabei sind die Einzelplatten mit mehreren parallelen Reihen von in Längsrichtung verlaufenden Prägungsabschnitten versehen, und Prägungsabschnitte benachbarter Reihen sind in Längsrichtung zueinander versetzt ausgerichtet. Erfindungsgemäß ist im Unterschied zum Stand der Technik vorgesehen, ein enger gepresstes Prägungsbild auszugestalten. Dieses im Unterschied zum Stand der Technik engere Prägungsbild führt zu einer verbesserten Abstützung der Einzelplatten untereinander und damit zu einer Verstärkung des gesamten Plattenpakets, was sich insbesondere im Falle einer Hochdruckanwendung als günstig erweist.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen
    • Figur 1
    in einer Seitenansicht einen Hochdruckplattenwärmetauscher nach der Erfindung;
    Figur 2
    in einer Schnittdarstellung den Hochdruckplattenwärmetauscher nach Figur 1 gemäß Schnittlinie II-II;
    Figur 3
    in schematisch perspektivischer Darstellung ein Plattenpaket;
    Figur 4
    in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung den Ausschnitt IV nach Figur 3;
    Figur 5
    in einer perspektivischen Ausschnittsdarstellung den Ausschnitt V nach Figur 3 und
    Figur 6
    in einer Seitenansicht das Plattenpaket nach Figur 3.
  • Figur 1 lässt in einer Seitenansicht einen Hochdruckplattenwärmetauscher 1 nach der Erfindung erkennen. Dieser verfügt über ein Gehäuse 2, das - wie die Schnittdarstellung nach Figur 2 erkennen lässt - einen Druckraum 3 bereitstellt. Innerhalb des Druckraums 3 ist ein Plattenpaket 4 angeordnet, welches der besseren Übersicht wegen in Figur 2 nur schematisch dargestellt ist.
  • Die Figuren 3 bis 6 lassen das Plattenpaket 4 ausschnittsweise erkennen. Wie sich aus diesen Darstellungen ergibt, ist das Plattenpaket 4 aus Einzelplatten 14 gebildet. Dabei bilden zwei Einzelplatten 14 zusammen ein Plattenpaar 15 und mehrere miteinander gekoppelte Plattenpaare 15 stellen einen Plattenstapel 16 dar.
  • Wie die beispielhafte Darstellung nach Figur 4 erkennen lässt, besteht das hier dargestellte Plattenpaket 4 aus einem Plattenstapel 16, der über vier Plattenpaare 15 verfügt, die zwischen zwei als Deckplatten dienenden Einzelplatten 14 angeordnet sind. Dabei sind die Einzelplatten 14 jeweils identisch ausgebildet und spiegelbildlich zueinander zu einem Plattenpaar 15 verbunden. Diese Verbindung erfolgt vorzugsweise stoffschlüssig durch Schweißen, und zwar entlang der Längsränder 17. Dabei bilden sich zwischen den jeweils ein Plattenpaar 15 bildenden Einzelplatten 14 rohrförmig ausgebildete erste Kanäle K1 aus, und zwar für das ein im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall am Wärmetausch teilnehmende Medium M1. Durch Zusammenfügen der Plattenpaare 15 zu einem Plattenstapel 16 entlang der Querränder 18 ergeben sich zwischen den einander liegenden Einzelplatten 14 benachbarter Plattenpaare 15 wellenförmige Kanäle K2 für das andere am Wärmeaustausch teilnehmende Medium M2, das im Kreuzstrom zum Medium M1 geführt ist. Bei dem zweiten Medium M2 handelt es sich um das unter Druck stehende Hochdruckmedium.
  • Wie sich im Weiteren aus Figur 3 ergibt, ist jede Einzelplatte 14 mit mehreren parallelen Reihen von in Richtung der Längsränder 17 verlaufenden Prägungsabschnitten 21 versehen. Diese Prägungsabschnitte 21 benachbarter Reihen sind in Längsrichtung zueinander versetzt ausgebildet, wodurch sich zwischen aneinander anliegenden Einzelplatten 14 flächige Abstützungen zwischen in einer Reihe aufeinander folgenden Prägungsabschnitten 21 ergeben.
  • In den Eckbereichen 19 eines Plattenpakets 4 sind zwischen den Einzelplatten 14 benachbarter Plattenpaare 15 Anschlusskeile 20 angeordnet. Diese Anschlusskeile 20 trennen zum einen die Wellenseite von der Rohrseite im Eintritts- und Austrittsbereich der Medien M1 und M2 und dienen zum anderen der stabilisierten Ausgestaltung des Plattenpakets 4 insgesamt.
  • Wie Figur 2 entnommen werden kann, ist das Gehäuse 2 aus einem Ringabschnitt 7 und zwei Flanschdeckeln 8 und 9 gebildet. Dabei stellen die Flanschdeckel 8 und 9 jeweils eine Öffnung 10 für die Rohrseite bereit, die in Entsprechung der geometrischen Ausgestaltung des Plattenpakets 4 ausgebildet sind und der Aufnahme des Plattenpakets 4 dienen. Dabei sind die Flanschdeckel zumindest teilweise sphärisch ausgebildet, vorzugsweise nach Art eines Klöpperbodens, womit sich das Gehäuse 2 an den Plattenstapel 4 wellenseitig in sphärischer Ausgestaltung anschließt.
  • Die jeweiligen Flanschdeckel 8 und 9 sind mit einem Flansch 11 ausgerüstet, der seinerseits eine jeweilige damit mittels Schrauben 13 verbundene Flanschplatte 12 trägt. Die Flanschplatten 12 sind mit Anschlussstutzen 5 für das erste Medium, das heißt das Niedrigdruckmedium ausgerüstet. Wellenseitig ist das Plattenpaket 4 über Anschlussstutzen 6 in strömungstechnischer Verbindung mit dem zweiten Medium, das heißt dem Hochdruckmedium.
  • Im bestimmungsgemäßen Verwendungsfall wird das unter Druck stehende zweite Medium M2 in Entsprechung der in Figur 2 eingezeichneten Pfeile wellenseitig in das Plattenpaket 4 eingeleitet und verlässt nach einem Durchströmen des Plattenpakets 4 den Hochdruckplattenwärmetauscher 1 wieder über den dafür vorgesehenen Anschlussstutzen 6. Dabei strömt im Zuge der bestimmungsgemäßen Verwendung das eingebrachte Fluid in den vom Gehäuse 2 bereitgestellten Druckraum 3 ein, so dass auf das Plattenpaket 4 ein zum Innendruck identischer Außendruck wirkt, womit das Plattenpaket 4 bzw. die Einzelplatten 14 des Plattenpakets 4 insgesamt drucklos gestellt sind, bzw. bei einseitiger Belastung mit dem ersten Medium M1 der Niederdruckseite nur mit dem niedrigeren Druck des ersten Mediums M1 belastet werden.
  • Im Kreuzstrom zum zweiten Medium strömt das Medium mit niedrigerem Druck, das heißt das erste Medium, und zwar in Entsprechung der Pfeile nach Figur 2 über die Rohrseite des Plattenpakets 4. Sowohl Rohr- als auch Wellenseite können mehrwegig betrieben werden. Dabei werden auf der Rohrseite Umlenkungen zwischen Plattenpaket 4 und Gehäuse vorgesehen bzw. auf der Wellenseite Umlenkungen im Plattenpaket 4 sowie zwischen Plattenpaket 4 und Gehäuse vorgesehen. Durch die mehrwegige Schaltung ist ein Betrieb im Kreuz-Gegenstrom möglich.
  • Wie desweiteren der Darstellung nach Figur 6 entnommen werden kann, sind die rohrseitigen Kanäle K1 in ihren geometrischen Abmessungen unter anderem durch den Abstand der in benachbarten Reihen versetzt zueinander ausgebildeten Prägungsabschnitte 21 bestimmt. Dieser Abstand A ist in Figur 6 beispielhaft eingezeichnet.
    • Bezugszeichen
    • 1
    Hochdruckplattenwärmetauscher
    2
    Gehäuse
    3
    Druckraum
    4
    Plattenpaket
    5
    Anschlussstutzen
    6
    Anschlussstutzen
    7
    Ringabschnitt
    8
    Flanschdeckel
    9
    Flanschdeckel
    10
    Öffnung
    11
    Flansch
    12
    Flanschplatte
    13
    Schraubverbindung
    14
    Einzelplatte
    15
    Plattenpaar
    16
    Plattenstapel
    17
    Längsrand
    18
    Querrand
    19
    Eckbereich
    20
    Anschlusskeil
    21
    Prägungsabschnitt
    A
    Abstand
    M1
    erstes Medium
    M2
    zweites Medium
    K1
    erster Kanal
    K2
    zweiter Kanal

Claims (7)

  1. Hochdruckplattenwärmetauscher mit einem Plattenpaket (4), das in einem von einem Gehäuse (2) bereitgestellten Druckraum (3) angeordnet ist, wobei das Plattenpaket (4) von Medien (M1, M2) durchströmbare erste und zweite Kanäle (K1, K2) aufweist, die im Kreuzstrom angeordnet und für das erste Medium (M1) rohrförmig zwischen zu einem Plattenpaar (15) miteinander verbundenen Einzelplatten (14) und für das zweite Medium (M2) wellenförmig zwischen zu einem Plattenstapel (16) miteinander verbundenen Plaftenpaaren (15) ausgebildet sind, wobei die rohrförmigen Kanäle (K1) parallel zu den Längsrändern (17) der Einzelplatten (14) ausgebildet und die Einzelplatten (14) entlang ihrer Längsränder (17) miteinander zu Plattenpaaren (15) und die Plattenpaare (15) entlang ihrer quer zu den Längsrändern (17) der Einzelplatten (14) verlaufenden Ränder (18) miteinander zu einem Plattenstapel verbunden sind, wobei die Rohrseite für das erste Medium (M1) und die Wellenseite als Druckseite für das zweite Medium (M2) dienen und das Gehäuse (2) sich rohrseitig des Plattenstapels (16) anschließende Flanschdeckel (8, 9) aufweist, die zumindest teilweise sphärisch ausgebildet sind.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschdeckel (8, 9) jeweils als Klöpperboden ausgebildet sind.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den Eckbereichen (19) des Plattenstapels (16) zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren (15) Anschlusskeile (20) angeordnet sind.
  4. Wärmetaucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (14) eine Plattendicke von 1,2 mm bis 2,0 mm, vorzugsweise von 1,3 mm bis 1,8 mm, noch mehr bevorzugt von 1,5 mm aufweisen.
  5. Wärmetaucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelplatten (14) mit mehreren parallelen Reihen von in Längsrichtung verlaufenden Prägungsabschnitten (21) versehen sind, wobei die Prägungsabschnitte (21) benachbarter Reihen in Längsrichtung zueinander versetzt sind.
  6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Plattenpaket (4) von einem Stützdruck umgeben ist.
  7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenpaket (4) wellenseitig zum vom Gehäuse (2) bereitgestellten Druckraum (3) hin offen ausgebildet ist.
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