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WO1996006320A1 - Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige medien - Google Patents

Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige medien Download PDF

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WO1996006320A1
WO1996006320A1 PCT/DE1995/001175 DE9501175W WO9606320A1 WO 1996006320 A1 WO1996006320 A1 WO 1996006320A1 DE 9501175 W DE9501175 W DE 9501175W WO 9606320 A1 WO9606320 A1 WO 9606320A1
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WO
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plates
plate
heat exchanger
perforations
type heat
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Inventor
Michael Rehberg
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Michael Rehberg
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Publication date
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Classifications

    • 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
    • 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
    • F28D9/0043—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 plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
    • F28D9/005—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 plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another the plates having openings therein for both heat-exchange media
    • 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
    • F28F3/10—Arrangements for sealing the margins

Definitions

  • the invention relates to an elate heat exchanger which consists of a stack of sheet metal plates welded together, preferably made of stainless steel, which are embossed with a profiling and are rotated by 180 ° in their plane with respect to adjacent sheets and which have symmetrically arranged media passage openings.
  • the profiles on both sides keep the plates in the stack at a distance, so that two media can flow between them in the counterflow principle without mixing.
  • Welded plate heat exchangers are particularly suitable for refrigeration systems and for systems in which high pressures occur and in which a medium consists of steam.
  • Plate heat exchangers are known from DE-PS 615 356. It provided that ulcanized rubber strips secure the distance between the plates and at the same time seal the flow channels between the plates.
  • ulcanized rubber strips secure the distance between the plates and at the same time seal the flow channels between the plates.
  • DE-AS 22 07 756 is based on the task of further reducing the thickness of the plates without increasing the flow resistance and improving their resistance to pressure differences in the heat-exchanging media. To this end were at an acute angle to the longitudinal axis of the plates ribs impressed with ge t rapezförmigem cross-section in the heat exchanging surfaces, which are located on the other side as grooves with the same cross-section. By alternately stacking the plates rotated by 180 ° in their plane, the grooves of one plate cross over the ribs of the other, thereby supporting them. The flow is only insignificantly impeded by this arrangement, only its turbulence increases, which favors the heat transfer.
  • DE-PS 22 46 031 the points of contact between the grooves of one to the ribs of the other plate can be optimized such that a more uniform distribution of the forces is achieved.
  • DE-PS 29 48 686 raises the problem that when a hot medium is used, the rubber sealing rings arranged between the plates are exposed to an excessive thermal load, which considerably shortens their service life. To prevent this, it is proposed, among other things, to replace the sealing ring with a weld seam sealing the flow channel.
  • DE-0S 33 32 159 also provides for welding; namely, the 0.7 mm thick plates should be welded with 3 mm thick spacer rings arranged around the media passage openings and with spacer elements of equal thickness arranged on the circumference by means of lasers or electrons.
  • the plates are stacked so that the back of one plate is opposite the front of the adjacent plate. Seals are inserted into the beads embossed around the media passage openings and on the circumference.
  • DE-PS 36 00 656 provides that the touching areas of the beads of each pair of plates are welded together.
  • DE-OS 29 48 586 and DE-OS 40 20 735 are shaped profilings waves ⁇ become familiar with the same size in cross-section wave crests and wave troughs, which propagate at an acute angle to the longitudinal axis of the plate.
  • these wave-shaped profiled plates can also be sealed with profiles which are fastened between adjacent plates by soldering or welding.
  • heat-exchanger plates profiled in this way are coated on one side with copper, in order to then solder them on top of one another under the action of heat. Spacer rings are arranged around the media openings and soldered to the plates.
  • the soldered plate heat exchangers have the disadvantage that when using aggressive media, the solder is attacked and gradually dissolved, as a result of which the plate heat exchangers become leaky and therefore unusable. Therefore, plate heat exchangers soldered to copper cannot be used in refrigeration systems with ammonia. Ammonia is becoming increasingly important for refrigeration plants because fluorocarbons are no longer used because of their harmful influence on the earth's ozone layer.
  • a disadvantage that all known plate heat exchangers have is that they have to be clamped with tie rods between stable pressure plates in order to withstand the high pressures of 40 bar and more and the stresses caused by high temperature differences; because the plates are basically only connected around the circumference and around the media through openings.
  • the invention has for its object to facilitate the assembly of the plates in a stack, to increase the strength of their heat-exchanging areas so that complex pressure plates and tie rods can be omitted, and to increase the flow resistance in the gas-carrying flow channels by preventing the formation of bubbles reduce and thereby improve the heat transfer.
  • the heat exchanger plates are perforated at selected points of contact of their profiles, that the planes are embossed by two of the media passage openings arranged symmetrically to the longitudinal axis of the plates up to the height of the profiles on each side of a plate Edge of each plate is set up at an angle of less than 90 ° in a bowl shape and that finally all touching areas of the plates, in particular around the perforations and around the media passage openings and the bowl-shaped edges, are welded by laser.
  • the perforations can be punched in according to a predetermined pattern before welding, but they can also be made with the laser beam. They should have a diameter of 0.2 to 2 mm, preferably 0.5 to 1 mm. Due to the bowl-shaped edge, the stacked plates center themselves when stacked.
  • each plate After placing each plate, it is welded to the underlying plate using a laser. Due to the intended shape of the plate, there is no need for spaced internals and seals between the plates, which could offer aggressive media attack surfaces.
  • the plate heat exchangers according to the invention have a significantly improved corrosion behavior even with aggressive media.
  • the welding of the contact points of the profiles of two plates has the effect that the heat-exchanging areas are not only supported by supports, but are also firmly clamped to the supports. As a result, they have less deflection under the same load. As a result, it is not necessary to clamp the welded plate stack with tie rods between pressure plates.
  • the plate heat exchangers with the proposed changes can also be used at higher pressures.
  • the perforations in the area of the contacting profiles of two plates effectively prevent the formation of bubbles because they are located at the most distant points, measured from the center line of the flow channels, where the formation of bubbles is most likely and because they connect to the same Create medium that has a lower pressure in the direction of flow.
  • the weld seam around each perforation prevents the media from escaping into other channels that are not intended for them.
  • the heat exchangers according to the invention are not subject to any size restrictions.
  • the heat required for soldering is supplied in an oven, the size of which also limits the size of the stack of plates.
  • the amount of heat that can be used is limited by the plate material used and can only produce the soldering temperature required in its interior up to a certain size of the plate stack. In contrast, when welding by laser, the plates are welded individually, so that these problems do not occur.
  • Fig.l shows welded heat exchanger plates that are rotated against each other in their plane by 180 °
  • FIG. 3 shows an enlarged section A ⁇ of the heat exchanger plates shown in FIG. 1.
  • the heat exchanger plates are set up in the shape of a bowl
  • Edge 1 welded around the media through openings 3 on the planes 2 raised on both sides relative to the plane of the plate and welded around the perforations 5 at the profilings 4 in contact.

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Abstract

Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige Medien, bestehend aus einem Stapel gleichförmiger Platten, die gegenüber benachbarten Platten um jeweils 180° in ihrer Ebene gedreht sind und deren Wärmetauscherflächen Profilierungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten an einigen sich berührenden Profilierungen zweier Platten gelocht sind, dass die Ebenen um je zwei der symmetrisch angeordneten Mediendurchtrittsöffnungen bis zur Höhe der Profilierungen auf jeder Seite einer Platte erhaben geprägt sind, dass der Rand (1) einer jeden Platte in einem Winkel kleiner als 90° schüsselförmig aufgestellt ist und dass alle sich berührenden Bereiche der Platten, insbesondere um die Lochungen und um die Mediendurchtrittsöffnungen sowie die schüsselförmig aufgestellten Ränder, mittels Laser verschweisst sind. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochungen einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm haben, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm.

Description

Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige Medien
Die Erfindung betrifft einen Elattenwärmetauscher, der aus einem Stapel miteinander verschweißter Blechplatten besteht, vorzugsweise aus Edelstahl, die durch Prägen mit einer Profi¬ lierung versehen und gegenüber benachbarten Blechen um 180° in ihrer Ebene gedreht sind und die symmetrisch angeordnete Mediendurchtrittsöffnungen aufweisen. Durch die Profilierungen zu beiden Seiten werden die Platten im Stapel auf Abstand ge- halten, so daß zwischen ihnen im Gegenstromprinzip zwei Medien strömen können, ohne sich zu vermischen.
Verschweißte Plattenwärmetauscher sind besonders für Kältean¬ lagen und für Anlagen geignet, bei denen hohe Drücke auftreten und bei denen ein Medium aus Dampf besteht.
Plattenwärmetau'scher sind durch die DE-PS 615 356 bekannt ge¬ worden. Sie sah vor, daß auf ulkanisierte Gummileisten den Ab¬ stand zwischen den Platten sichern und zugleich die Strömungs¬ kanäle zwischen den Platten abdichten. Bei Verwendung von Kup- fer, Aluminium oder Edelstahl gelang es, die Plattendicke auf 1 bis 2 mm zu reduzieren, wodurch der Wärmeübergang und das Leis ungsgewicht gegenüber älteren Röhrenwärmetauschern erheb¬ lich verbessert wurde.
Eine weitere Verbesserung wurde mit der US-PS 31 51 675 durch Einprägen von Erhebungen und Vertiefungen in den wärmetau¬ schenden Flächen erreicht, die den Abstand dieser Flächen si¬ chern, sie zugleich abstützen und damit ihre Durchbiegung ver¬ ringern und außerdem noch die Strömung der wärmeaustauschenden Medien positiv beeinflussen.
Der DE-AS 22 07 756 liegt die Aufgabe zugrunde, die Dicke der Platten weiter zu verringern, ohne den Strömungswiderstand zu erhöhen und ihre Widerstandsfähigkeit gegen Druckunterschiede der wärmetauschenden Medien zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden im spitzen Winkel zur Längsachse der Platten Rippen mit trapezförmigem Querschnitt in die wärmetauschenden Flächen ge¬ prägt, die sich auf der anderen Seite als Rillen mit gleichem Querschnitt darstellen. Durch alternierende Stapelung der um jeweils 180° in ihrer Ebene gedrehten Platten kommen die Ril¬ len der einen Platte kreuzend auf die Rippen der anderen, wo¬ durch sie sich abstützen. Die Strömung wird durch diese Anord- nur unwesentlich behindert, nur ihre Turbulenz nimmt zu, wo¬ durch der Wärmeübergang begünstigt wird. Nach der DE-PS 22 46 031 können die Berührungspunkte zwischen den Rillen der einen zu den Rippen der anderen Platte dahinge¬ hend optimiert werden, daß eine gleichmäßigere Verteilung der Kräfte erreicht wird. In der DE-PS 29 48 686 wird das Problem aufgeworfen, daß bei Einsatz eines heißen Mediums die zwischen den Platten angeord- neten Dichtungsringe aus Gummi einer zu hohen thermischen Be¬ lastung ausgesetzt sind, die ihre Nutzungsdauer erheblich ver¬ kürzen. Um dem vorzubeugen, wird unter anderem vorgeschlagen, den Dichtring gegen eine den Strömungskanal abdichtende Schweißnaht zu ersetzen.
Auch die DE-0S 33 32 159 sieht Schweißen vor; und zwar sollen die 0,7 mm dicken Platten mit 3mm dicken, um die Mediendurch¬ trittsöffnungen angeordneten Abstandsringen und mit am Umfang angeordneten gleichdicken Abstandselementen mittels Laser oder Elektronen verschweißt werden.
Nach der GB-PS 21 28 726 werden die Platten so gestapelt, daß die Rückseite der einen Platte der Vorderseite der benachbar¬ ten Platte gegenüberliegt. In die um die Mediendurchtrittsöf ¬ nungen und am Umfang eingeprägten Sicken werden Dichtungen eingelegt.
Die DE-PS 36 00 656 sieht vor, daß die sich berührenden Berei¬ che der Sicken eines jeden Plattenpaares miteinander ver¬ schweißt werden. Mit der DE-OS 29 48 586 und der DE-OS 40 20 735 sind wellen¬ förmige Profilierungen bekannt geworden mit im Querschnitt gleichgroßen Wellenbergen und Wellentälern, die sich im spitzen Winkel zur Längsachse der Platte ausbreiten. Diese wellenför- mig profilierten Platten können nach DE-OS 40 37 969 auch mit Profilen abgedichtet werden, die durch Löten oder Schweißen zwischen benachbarten Platten befestigt werden. Am häufigsten werden so profilierte Wärmetauscherplatten ein¬ seitig mit Kupfer beschichtet, um sie dann übereinandergelegt unter Wärmeeinwirkung zusammenzulöten. Dabei werden um die Mediendurchtrittsöffnungen Abstandsringe angeordnet und mit den Platten verlötet.
Die verlöteten Plattenwärmetauscher haben den Nachteil, daß bei Verwendung aggressiver Medien das Lot angegriffen, und allmählich aufgelöst wird, wodurch die Plattenwärmetauscher undicht und damit unbrauchbar werden. In Kälteanlagen mit Ammoniak sind daher mit Kupfer verlötete Plattenwärmetauscher nicht einsetzbar. Dabei gewinnt Ammoniak für Kälteanlagen zu¬ nehmend an Bedeutung, weil Fluorkohlenwasserstoffe wegen ihres schädlichen Einflusses auf die Ozonschicht der Erde nicht mehr eingesetzt werden.
Auch in industriellen Dampfkreisläufen ist stets etwas Ammo¬ niak enthalten, das im Kondensat Kupferionen löst und dadurch die Nutzungsdauer mit Kupfer verlöteter Plattenwärmetauscher verkürzt.
Versuche, Lote auf der Basis von Nickel anstelle von Kupfer zu verwenden, haben nicht zum Erfolg geführt. In der Lötkehle bildeten sich Sprödphasen, die die dynamische Belastbarkeit der mit Nickel verlöteten PlattenwMrmεtauscher erheblich ver- ringerten.
Ein anderes Problem, das in Kälteanlagen und Wärmetauschern mit gasförmigen Medien auftritt, besteht in der Bildung von Gasblasen, die sich in den Strömungskanälen zwischen den Plat¬ ten festsetzen können und in ihrem Bereich den Wärmeaustausch verringern und den Strömungswiderstand vergrößern. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Wärmetauschers stark beeinträchtigt werden.
Dieser stationären Blasenbildung ist von außen schwer beizu- kommen.
Eine Abführung der Gasblasen durch Durchbrüche in den Platten, wie sie in der DE-AS 27 22 288 und in der DE-OS 42 07 761 vorgesehen ist, scheitert daran, daß hinter jeder Platte ein Medium vorhanden ist, mit dem die Gasblasen nicht in Berührung kommen dürfen.
Einen Nachteil, den alle bekannten Plattenwärmetauscher haben, besteht darin, daß sie mit Zugankern zwischen stabilen Druck¬ platten eingespannt werden müssen, um den hohen Drücken von 40 bar und mehr und den durch hohe Temperaturunterschiede hervorgerufenen Spannungen standhalten zu können; denn die Platten sind grundsätzlich nur am Umfang und um die Medien¬ durchtrittsöffnungen verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Montage der Platten zu einem Stapel zu erleichtern, die Festigkeit ihrer wärmetauschenden Bereiche so zu erhöhen, daß aufwendige Druck¬ platten und Zuganker entfallen können, und den Strömungswider¬ stand in den gasführenden Strömungskanälen durch Verhinderung der Blasenbildung zu vermindern und dadurch zugleich den Wär- meübergang zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Wärmetauscherplatten an ausgewählten Berührungspunkten ihrer Profilierungen gelocht werden, daß die Ebenen um je zwei der symmetrisch zur Längsachse der Platten angeordneten Medien¬ durchtrittsöffnungen bis zur Höhe der Profilierungen auf jeder Seite einer Platte erhaben geprägt werden, daß der Rand einer jeden Platte in einem Winkel kleiner als 90° schüsself rmig aufgestellt wird und daß schließlich alle sich berührenden renden Bereiche der Platten, insbesondere um die Lochungen und um die Mediendurchtrittsöffnungen sowie die schüsselförmig aufgestellten Ränder, mittels Laser verschweißt werden.
Die Lochungen können vor dem Schweißen nach einem vorgegebenen Muster eingestanzt werden, sie können aber auch mit dem Laser¬ strahl eingebracht werden. Sie sollten einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm haben. Durch den schüsseiförmigen Rand zentrieren sich die aufeinan- dergelegten Platten beim Stapeln selbst.
Nach dem Auflegen einer jeden Platte wird sie mit der darun¬ terliegenden Platte mittels Laser verschweißt. Durch die vorgesehene Formgebung der Platte kann zwischen den Platten auf abstandhaltende Einbauten und Dichtungen verzichtet werden, die aggressiven Medien Angriffsflächen bieten könnten.
Auch Verbundmaterial zwischen den Platten ist nicht erforder¬ lich, da mit Laser geschweißt wird. Dadurch haben die erfin¬ dungsgemäßen Plattenwärmetauscher ein wesentlich verbessertes Korrosionsverhalten auch bei aggressiven Medien. Das Verschweißen der Berührungspunkte der Profilierungen zwei¬ er Platten hat die Wirkung, daß die wärmetauschenden Bereiche nicht nur durch Auflagen gestützt werden, sondern an den Auf¬ lagen zugleich fest eingespannt sind. Das hat zur Folge, daß sie bei gleicher Belastung eine geringere Durchbiegung haben. Daduch kann darauf verzichtet werden, den verschweißten Plat¬ tenstapel mit Zugankern zwischen Druckplatten einzuspannen. Andererseits können die Plattenwärmetauscher mit den vorge¬ schlagenen Veränderungen aber auch bei größeren Drücken ein¬ gesetzt werden. Die Lochungen im Bereich der sich berührenden Profilierungen zweier Platten verhindern wirksam die Blasenbildung, weil sie sich an den, von der Mittellinie der Strömungskanäle gemessen, entferntesten Punkten befinden, wo Blasenbildung am ehesten auftreten kann, und weil sie eine Verbindung zum gleichen Medium schaffen, das in Strömungsrichtung einen geringeren Druck aufweist.
Die Schweißnaht um jede Lochung verhindert, daß die Medien in andere, nicht für sie bestimmte Kanäle entweichen können.
Gegenüber verlöteten Plattenwärmetauschern ergibt sich noch der Vorteil, daß die erfindungsgemäßen Wärmetauscher keiner Größenbeschränkung unterliegen. Die für das Verlöten erfor¬ derliche Wärme wird in einem Ofen zugeführt, dessen Größe auch die Größe der Plattenstapel beschränkt. Darüberhinaus ist die einsetzbare Wärmemenge durch das verwendete Plattenmaterial beschränkt und kann nur bis zu einer dadurch bestimmten Größe des Plattenstapels die in seinem Inneren erforderliche Löt¬ temperatur erzeugen. Beim Verschweißen mittels Laser werd-en dagegen die Platten einzeln verschweißt, wodurch diese Proble- me nicht auftreten.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert:
Fig.l zeigt miteinander verschweißte Wärmetauscherplatten, die gegeneinander in ihrer Ebene um 180° gedreht sind,
Fig.2 eine Wärmetauscherplatte ohne Lochungen,
Fig.3 einen vergrößerten Schnitt AΛ der in Fig. 1 dargestell¬ ten Wärmetauscherplatten.
Die Wärmetauscherplatten sind am schüsseif rmig aufgestellten
Rand 1, an den gegenüber der Ebene der Platte zu ihren beiden Seiten erhabenen Ebenen 2 um die Mediendurchtrittsöffnungen 3 und an den sich berührenden Profilierungen 4 verschweißt um die Lochungen 5.

Claims

Patentansprüche
1. Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige Medien, bestehend aus einem Stapel gleichförmiger Platten, die gegenüber benachbarten Platten um jeweils 180° in ihrer Ebene gedreht sind und deren Wärmetauscherflächen Profi¬ lierungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherplatten an einigen sich berührenden Profilie¬ rungen zweier Platten gelocht sind, daß die Ebenen um je zwei der symmetrisch angeordneten Mediendurchtrittsöffnun¬ gen bis zur Höhe der Profilierungen auf jeder Seite einer Platte erhaben geprägt sind, daß der Rand einer jeden Platte in einem Winkel kleiner als 90° schüsselförmig auf¬ gestellt ist und daß alle sich berührenden Bereiche der Platten, insbesondere um die Lochungen und um die Medien¬ durchtrittsöffnungen sowie die schüsseiförmig aufgestell¬ ten Ränder, mittels Laser verschweißt sind.
2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- net, daß die Lochungen einen Durchmesser von 0,2 bis 2 mm haben, vorzugsweise von 0,5 bis 1 mm.
PCT/DE1995/001175 1994-08-24 1995-08-22 Plattenwärmetauscher für flüssige und gasförmige medien WO1996006320A1 (de)

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