EP3044531B1

EP3044531B1 - Hochdruckplattenwärmetauscher

Info

Publication number: EP3044531B1
Application number: EP14761863.1A
Authority: EP
Inventors: Dirk Kux; Markus Lentz; Bernd Müller; Gerd Abker
Original assignee: Kelvion PHE GmbH
Current assignee: Kelvion PHE GmbH
Priority date: 2013-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2020-09-09
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: EP2846121A1; KR20160055158A; RU2654293C2; EP2846121B1; RU2016110584A3; US20160223266A1; US10228191B2; RU2016110584A; EP3044531A1; WO2015036423A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochdruckplattenwärmetauscher mit einem eckig ausgebildeten Plattenpaket, das in einem von einem Gehäuse bereitgestellten Druckraum angeordnet ist, wobei das Plattenpaket aus einer Vielzahl zu einem Plattenstapel miteinander verbundenen Einzelplatten gebildet 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 (14) 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, wobei das Gehäuse sich rohrseitig des Plattenpakets anschließende Flanschdeckel aufweist, die zumindest teilweise sphärisch ausgebildet sind.
Der Hochdruckplattenwärmetauscher verfügt über ein Plattenpaket. Das Plattenpaket weist beispielsweise von Medien durchströmbare erste und zweite Kanäle auf, 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. Darüber hinaus sind auch andere Ausführungsformen von Plattenpaketen bekannt.
Für Hochdruckanwendungen, d.h. für Mediendrücke von größer 25 bar ist die aus der DE 43 43 399 A1 bekannte Konstruktion nicht geeignet. Dies insbesondere deshalb nicht, da diese Konstruktion für höhere Drücke keine ausreichende mechanische Stabilität aufweist und sich daher bei höheren Drücken über das zulässige Maß hinaus verformen kann.
Zur Realisierung eines Hochdruckeinsatzes sind daher Plattenwärmetauscher bekannt, bei denen ein Plattenpaket in einem von einem Gehäuse bereitgestellten Druckraum angeordnet ist, welches Gehäuse endseitig durch konvex gekrümmte Flanschdeckel geschlossen ist, beispielsweise aus der US 5,755,280 .
Dieser Plattenwärmetauscher ist jedoch nicht für alle Anwendungsfälle geeignet. So erfordert die Konstruktion nach der US 5,755,280 , dass die am nächsten an den Flanschdeckeln angeordneten Plattenpakete unter Zwischenordnung eines länglichen Anschlussstücks mit einer kreisrunden Öffnung im Flanschdeckel verbunden werden müssen. Dies ist erforderlich, um das eckig ausgebildete Plattenpaket fluiddicht mit dem kreisrund ausgebildeten Anschluss in der Öffnung des Flanschdeckels verbinden zu können.
Nachteilig ist hierbei, dass dieses Anschlussstück den Plattenwärmetauscher deutlich verlängert, so dass die Bauform des Plattenwärmetauschers von vorn herein eine gewisse Mindestgröße nicht unterschreiten kann. Außerdem sind die freien Ecken des rechteckigen Plattenpaketes nicht für hohe Differenzdrücke geeignet.
Hinzu kommt, dass die Anschlussstücke passgenau sowohl mit dem Plattenpaket als auch mit dem Flanschdeckel verbunden werden müssen, was die Gefahr mit sich bringt, dass bereits bei der Montage des Plattenwärmetauschers Undichtigkeiten bzw. Sollbruchstellen entstehen.
Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Hochdruckplattenwärmetauscher betriebssicher und hinsichtlich der Einsatzmöglichkeiten flexibler zu machen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Hochdruckplattenwärmetauscher gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen.
Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass zumindest einer der Flanschdeckel eine eckig ausgebildete Öffnung zur Aufnahme des Plattenpakets aufweist. Öffnung meint einen Durchbruch, eine Ausnehmung und/oder dgl. im Flanschdeckel. Die Öffnung ermöglicht eine fluidtechnische Verbindung zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Umgebung. Die Öffnung ist in einem konvex gekrümmten Bereich des Flanschdeckels ausgebildet.
Die Öffnung ist eckig ausgebildet. Dies umfasst beispielsweise eine rechteckig, insbesondere quadratisch ausgebildete Öffnung. Die eckige Form der Öffnung bezieht sich auf die lichten Maße der Öffnung, sofern frontal auf die Öffnung geblickt wird. Die eckige Form entspricht der (gedachten) Grundfläche eines aus dem Flanschdeckel herausgeschnittenen Segments. Eckig im Sinne der Erfindung umfasst aber auch eine von einer mathematisch eckigen Form abweichende Form, d.h. eine Form, welche in den Eckbereichen beispielsweise aus fertigungstechnischen Gründen abgerundet ist. Entscheidend ist, dass die Öffnung nicht kreisrund ist.
Der Rand der Öffnung, d.h. der im Flanschdeckel die Öffnung bildende Rand, liegt entsprechend der eckigen Ausbildung der Öffnung nicht in einer Ebene, sondern hat einen dreidimensionalen Verlauf. Im Falle einer quadratischen Öffnung verläuft der Rand beispielsweise von den Ecken des Quadrats ausgehend gekrümmt. Der Erfindung liegt u.a. auch die Erkenntnis zugrunde, dass in einen konvex gekrümmten Flanschdeckel auch andere Öffnungsformen als kreisrunde Öffnungen (siehe US 5,755,280 ) eingebracht werden können, d.h. insbesondere solche Öffnungsgeometrien, bei denen der Rand der Öffnung nicht in einer einzigen, gemeinsamen Ebene verläuft.
Die Öffnung im Flanschdeckel ist in Entsprechung der geometrischen Ausgestaltung des Plattenpakets ausgebildet. Im Falle eines quadratisch ausgebildeten Plattenpakets ist die Öffnung beispielsweise ebenfalls quadratisch. Die Öffnung ist zumindest so groß, dass das Plattenpaket, insbesondere ein Anschlussflansch des Plattenpakets, darin aufgenommen werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist der Vorteil verbunden, dass das Plattenpaket dem Grunde nach unmittelbar am Flanschdeckel befestigt werden kann. Es entfallen die aus dem Stand der Technik bekannten Anschlussstücke, welche derart zwischen den Flanschdeckel und das Plattenpaket zwischengeschaltet werden müssen, dass diese Teile in Längsrichtung des Wärmetauschers bzw. des Plattenpakets voneinander beabstandet sind. Mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Ende eines Plattenpakets unmittelbar im Bereich eines Flanschdeckels angeordnet werden, so dass der Wärmetauscher insgesamt deutlich kompakter ausgebildet werden kann. Dies erlaubt den Einbau eines erfindungsgemäßen Hochdruckplattenwärmetauschers auch dort, wo die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauscher aufgrund ihrer Einbaumaße bzw. Bauform nicht verwendet werden können. Der erfindungsgemäße Hochdruckplattenwärmetauscher lässt sich somit flexibler verwenden.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung hat zudem den Vorteil, dass der Hochdruckplattenwärmetauscher insgesamt stabiler und betriebssicherer ausgebildet ist. Das aufwendige Einmessen der Anschlussstücke und die damit einhergehenden Fehlermöglichkeiten werden überwunden, da das Plattenpaket bei der Erfindung dem Grunde nach einfach in die Öffnung im Flanschdeckel eingeführt werden kann. Die Lage des Plattenpakets wird somit durch die Öffnung selbst fest vorgegeben, so dass keine Einmessung, Anpassungsarbeiten und/oder dgl. erforderlich sind.
Schließlich vereint die erfindungsgemäße Ausgestaltung in synergetischer Weise die Vorteile von Plattenwärmetauschern in der Hochdruckanwendung einerseits mit den Vorteilen von konvex gekrümmten Flanschdeckeln in der Hochdruckanwendung andererseits, und zwar ohne fehleranfällige und bauraumverzehrende Anschlussstücke einsetzen zu müssen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Plattenpaket unter Zwischenordnung eines Rahmens in die Öffnung eingesetzt. Der Rahmen kann das Plattenpaket insbesondere endseitig umschließen. Der Rahmen kann mit dem Plattenpaket verschweißt sein. Der Rahmen kann dazu dienen, die einzelnen Platten des Plattenpakets insbesondere ergänzend zusammenzuhalten. Der Rahmen ermöglicht eine nochmals vereinfache Montage des erfindungsgemäßen Hochdruckplattenwärmetauschers. Durch den Rahmen ist das Plattenpaket monolithisch zusammengehalten. Bei Einführen in die Öffnung des Flanschdeckels wird somit ein Verschieben oder Verkanten einzelner Platten verhindert.
Der Rahmen ist eckig ausgebildet, und zwar insbesondere in Entsprechung der Öffnung im Flanschdeckel einerseits und der geometrischen Ausbildung des Plattenpakets andererseits. Die Außenmaße des Rahmens sind derart gewählt, dass sie im Wesentlichen den Innenmaßen der Öffnung im Flanschdeckel entsprechen. Der Rahmen weist seinerseits eine Öffnung auf, in welcher das Plattenpaket zumindest teilweise aufgenommen werden kann. Die Innenmaße dieser Öffnung entsprechen im Wesentlichen den Außenmaßen des Plattenpakets, insbesondere einer Anschlusskontur des Plattenpakets.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Tiefe des Rahmens derart ausgebildet, dass der Rahmen über den gesamten Rand der Öffnung mit dem Flanschdeckel in Kontakt steht. Die Tiefe des Rahmens erstreckt sich bei bestimmungsgemäßer Verwendung in Längsrichtung des Gehäuses bzw. des Plattenpakets. Wie vorstehend bereits beschrieben, liegt der Rand der Öffnung nicht in einer Ebene, sondern er weist vielmehr einen dreidimensionalen Verlauf auf. Die Tiefe des Rahmens ist nun derart gewählt, dass die in Längsrichtung voneinander am weitesten entfernten Punkte des Rands der Öffnung in jedem Fall in Kontakt zum Rahmen stehen. Dadurch kann der Rahmen vollständig umlaufend mit dem Flanschdeckel verbunden werden, so dass keinerlei Undichtigkeiten verbleiben.
Gemäß der Erfindung mündet zumindest ein Ende des Plattenpakets direkt in die Öffnung des Flanschdeckels. Hiermit ist gemeint, dass sich das Ende des Plattenpakets in Längsrichtung des Gehäuses zumindest derart weit erstreckt, dass es eine gedachte Ebene durch die Öffnung im Flanschdeckel schneidet. Dadurch baut der Wärmetauscher noch kompakter.
Das Plattenpaket kann dem Grunde nach eine beliebige Struktur aufweisen. Gemäß der Erfindung weist das Plattenpaket jedoch von Medien durchströmbare erste und zweite Kanäle auf, 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.
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.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Plattenpaket sich quer zur Längsrichtung des Plattenpakets, insbesondere der Einzelplatten, erstreckende Leerstellen auf. Leerstelle meint, dass das Plattenpaket bzw. die Einzelplatte an dieser Stelle nicht mit Prägungsabschnitten und/oder dgl. versehen ist. Es handelt sich vielmehr um einen sich durchgängig im Wesentlichen flach erstreckenden Bereich. Die Leerstelle erstreckt sich vorzugsweise über mindestens 80%, besonders bevorzugt mindestens 90% der Breite des Plattenpakets, insbesondere einer Einzelplatte. Die Leerstellen dienen dazu, eine Verbindung einzelner Platten des Plattenpakets miteinander zu ermöglichen, und zwar an einer von den in Längsrichtung einer Einzelplatte beabstandeten Rändern entfernten Stelle. Die Leerstellen können sich beispielsweise mittig auf einer Einzelplatte erstrecken. Die Leerstellen unterteilen somit Einzelplatten in Unterbereiche. Sofern zwei Einzelplatten mit Leerstellen aufeinander angeordnet werden, können beide Einzelplatten im Bereich der Leerstellen miteinander verbunden werden, beispielsweise verschweißt werden. Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass im Vergleich zu einer Verbindung ausschließlich in den Randbereichen die Stabilität des gesamten Plattenpakets erheblich verbessert werden kann. Bei bestimmten Ausführungsformen von Plattenpaketen können die Leerstellen zudem dazu dienen, Strömungsbarrieren auszubilden. Beispielsweise kann ein rohrförmig sich durch das Plattenpaket erstreckender Kanal durch Leerstellen unterbrochen werden. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass ein und dieselbe durchgängige Einzelplatte abwechselnd, insbesondere alternierend im Kreuzstrom durchströmt werden kann, mithin eine Mehrfachdurchströmung erreicht ist, was den Wirkungsgrad des Plattenwärmetauschers erhöht.
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 11-11;
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,
Figur 6: in einer Seitenansicht das Plattenpaket nach Figur 3,
Fig. 7: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flanschdeckels; und
Fig. 8: eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einzelplatte mit Leerstelle.

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. Das Plattenpaar 4 kann jedoch auch eine andere Struktur aufweisen.
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.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Flanschdeckels 8 im Detail. Das Plattenpaket 4 ist vorliegend quadratisch ausgebildet. Dementsprechend ist die Öffnung 10 im Flanschdeckel 8 ebenfalls quadratisch ausgebildet, mit Bezug auf die lichten Maße. Die Öffnung 10 ist durch den Rand 23 des Flanschdeckels 8 begrenzt. Der Rand 23 hat einen dreidimensionalen Verlauf, wobei sich die Seitenkanten von den Ecken der Öffnung 10 ausgehend zur Spitze des Flanschdeckels 8 hin wölben. Die Ecken selbst sind leicht abgerundet ausgebildet.
In die Öffnung 10 ist ein Rahmen 22 eingesetzt. Dieser ist in Entsprechung der geometrischen Ausgestaltung des Flanschdeckels 8 bzw. des Plattenpakets 4 ausgebildet. Der Rahmen 22 nimmt das Plattenpaket 4 bzw. eine Anschlusskontur des Plattenpakets 4 auf. Das Plattenpaket 4 wird dadurch verbessert zusammengehalten. Das Plattenpaket 4 und der Rahmen 22 können miteinander verbunden, insbesondere verschweißt sein. Das Plattenpaket 4 kann dann zusammen mit dem Rahmen 22 als Einheit gehandhabt werden. Auf diese Weise kann das Plattenpaket 4 besonders einfach in die Öffnung 10 im Flanschdeckel 8 eingeführt werden.
Die Verbindung zwischen dem Rahmen 22 und dem Plattenpaket 4 kann in einfacher Weise unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Anschlusskeile 20 erfolgen. Durch die Anschlusskeile 20 sind die Einzelplatten 14 bzw. die Plattenpaare 15 druckfest und massiv miteinander verbunden. An die Anschlusskeile 20 kann der Rahmen 22 angebracht werden, insbesondere angeschweißt werden. Der Rahmen 22 kann einstückig beispielsweise als Frästeil oder mehrteilig ausgebildet sein, wobei im Falle einer Mehrteiligkeit die Einzelteile vorzugsweise miteinander verschweißt sind.
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. Anstelle der zuvor erklärten Flanschkonstruktion (11, 12, 13), kann die Seite mit rohrförmigen Kanälen für Medium M1 auch mit sphärischen Böden direkt mit den Flanschdeckeln 8 und 9 verschweisst werden. 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.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Einzelplatte 24 mit einer Leerstelle 25. Die Leerstelle 25 erstreckt sich quer zur Längsrichtung der Einzelplatte 24. Die Leerstelle 25 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Breite der Einzelplatte 24. Sofern zwei Einzelplatten 24 aufeinander angeordnet sind, stehen deren Leerstellen 25 im Kontakt miteinander. Die beiden Einzelplatten 24 können dann im Bereich der Leerstellen 25 miteinander verbunden werden, insbesondere verschweißt werden. Dies bringt gleich zwei Vorteile mit sich. Zum einen wird die Stabilität des so gebildeten Plattenpaars und somit auch die Stabilität eines mit derartigen Einzelplatten gebildeten Plattenpakets 4 deutlich erhöht. Dies ist insbesondere bei Hochdruckanwendungen und hierbei insbesondere bei vergleichsweise langen, durchgehenden Einzelplatten 24 von Vorteil. Die Platten eines Plattenwärmetauschers können nämlich unter Umständen infolge des Fluiddrucks auseinandergedrückt werden, was die Funktion des Wärmetauschers beeinträchtigt, da die bestimmungsgemäßen Strömungswege nicht mehr eingehalten werden. Die Leerstelle 25 bringt einen weiteren Vorteil mit sich. So kann ein und dieselbe Einzelplatte 24 in Längsrichtung derselben in strömungstechnisch voneinander getrennte Bereiche unterteilt werden. Dies erlaubt es, dass ein und dieselbe Einzelplatte 24 im alternierenden Kreuz-Gegenstrom mit Fluid beaufschlagt werden kann. Die entsprechenden Strömungswege eines ersten Mediums M3 und eines zweiten Mediums M4 sind in Fig. 8 dargestellt.

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
22: Rahmen
23: Rand
24: Einzelplatte
25: Leerstelle
A: Abstand
M1: erstes Medium
M2: zweites Medium
M3: erstes Medium
M4: zweites Medium
K1: erster Kanal
K2: zweiter Kanal

Claims

Hochdruckplattenwärmetauscher mit einem eckig ausgebildeten Plattenpaket (4), das in einem von einem Gehäuse (2) bereitgestellten Druckraum (3) angeordnet ist, wobei das Plattenpaket (4) aus einer Vielzahl zu einem Plattenstapel (16) miteinander verbundenen Einzelplatten (14) gebildet 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 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 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, wobei das Gehäuse (2) sich rohrseitig des Plattenpakets (4) anschließende Flanschdeckel (8, 9) aufweist, die zumindest teilweise sphärisch ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Flanschdeckel (8, 9) eine eckig ausgebildete Öffnung (10) zur Aufnahme des Plattenpakets (4) aufweist, wobei ein die Öffnung (10) bildender Rand des Flanschdeckels (8, 9) von den Ecken der Öffnung (10) ausgehend gekrümmt verläuft, wobei das Plattenpaket (4) unmittelbar am Flanschdeckel (8, 9) befestigt ist, wobei zumindest ein Ende des Plattenpakets (4) direkt in die Öffnung des Flanschdeckels (8; 9) mündet.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenpaket (4) unter Zwischenordnung eines Rahmens (22) in die Öffnung eingesetzt ist.
Wärmetaucher nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des Rahmens derart ausgebildet ist, dass der Rahmen über den gesamten Rand der Öffnung mit dem Flanschdeckel (8, 9) in Kontakt steht.
Wärmetaucher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanschdeckel (8, 9) jeweils als Klöpperboden ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete Plattenpaket (4) von einem Stützdruck umgeben ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Eckbereichen (19) des Plattenstapels (16) zwischen zwei benachbarten Plattenpaaren (15) Anschlusskeile (20) angeordnet sind.
Wärmetaucher nach Anspruch 6, 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.
Wärmetaucher nach einem der Ansprüche 6 oder 7, 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.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenpaket (4) wellenseitig zum vom Gehäuse (2) bereitgestellten Druckraum (3) hin offen ausgebildet ist.
Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenpaket (4) sich quer zur Längsrichtung des Plattenpakets (4), insbesondere der Einzelplatten (14), erstreckende Leerstellen (25) aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Leerstelle über mindestens 80% der Breite des Plattenpakets (4), insbesondere einer Einzelplatte (14) erstreckt.