DE2111026B1 - Kondensator-Plattenwaermetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher für Trennwand-Wärmetausch von Fluiden mit Kondensation des wärmeabgebenden Fluids aus einem Stapel im wesentlichen gleich gestalteter, viereckiger, durch Riffelung oder Wellung profilierter und zu Paaren zusammengefaßter, zumindest annähernd lotrecht gestellter Blechplatten, von denen jeweils die einem Paar zugehörigen an zwei gegenüberliegenden Kanten und die jeweils benachbarten, jedoch verschiedenen Paaren zugehörigen Blechplatten an den zwei anderen gegenüberliegenden Kanten gasdicht miteinander verbunden sind und so Strömungswege für die Fluide bilden, wobei mindestens bereichsweise die gegeneinander gerichteten Profilkämme benachbarter, miteinander einen Strömungsweg für das kondensierende Fluid bildender Blechplatten infolge Schneidens ihrer in jeweils einer zumindest annähernd lotrecht verlaufenden Ebene liegenden und darin geneigt verlaufenden Kammlinien sich an zahlreichen Berührungsstellen aufeinander abstützen.

Eine derartige Anordnung ist gemäß der deutschen Patentschrift 147 656 bekannt. Sie hat den Vorteil, eine große spezifische Heizfläche auf geringem Raum und mit geringem Materialaufwand bei verhältnismäßig einfacher Herstellungsweise unterbringen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ganz besonders günstige Verhältnisse an den Wärmetauschflächen für das kondensierende Fluid zu erzielen, indem mit kleinem baulichen Aufwand die kondensatabführende Wirkung der Blechplatten-Profilierung wesentlich verbessert wird.

Für einen Plattenwärmetauscher der vorstehend beschriebenen Art wird als erfindungsgemäße Lösung eine durch die Verbindung der folgenden Merkmale gebildete Anordnung vorgeschlagen:

a) die Kammlinien der beiden jeweils gegeneinander gerichteten, sich aufeinander abstützenden Profilkämme verlaufen beide zur Kondensatabzugsseite des Plattenrandes hin geneigt, und zwar jeweils zumindest bereichsweise die Kammlinien der einen Profilkämme leicht fallend und die der anderen Profilkämme steil fallend;

b) jeder Profilkamm weist im Querschnitt jeweils einen Stufenteil auf, der in seiner Erstreckung senkrecht zur Plattenhauptebene zumindest annähernd waagerecht verläuft und so in an sich bekannter Weise als Kondensatfangrinne gestaltet ist.

Durch diese Anordnung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß jedes sich bildende Kondensatteilchen

auf kürzestem Wege zu einem Kondensatabflußpfad gelangen muß, in dem es aufgenommen wird und mit dem es auf kurzem und schnellem Wege von der kondensatbildenden Wärmetauschfläche weggeführt wird. Damit kann die Dicke des den Wärmeübergang hemmenden Kondensatfilmes auf ein Minimum herabgesetzt werden, so daß ein optimaler Wärmeübergang zwischen Wärmetauschfläche und kondensierendem Fluid und ein Höchstmaß von vom Kondensatabfluß freibleibender Kondensationsfläche erzielbar sind. Dieser Vorteil wird durch die Wirkung erreicht, daß an jedem Berührungspunkt der Profilkämme der in den flacheren Profilkämmen langsam fließende Kondensatstrom von dem in den steileren Profilkämmen schneller fließenden Komdensatstrom mitgerissen und so in den steileren und schneller fließenden Kondensatstrom einverleibt wird. Außerdem gewähren jeweils die zur Hauptströmungsrichtung des kondensierenden Fluids mit geringem Winkel schräg angestellten Profilierungen eine wenig behinderte Strömung, so daß der Druckabfall zwischen dem Eintritt des kondensierenden Fluids in den Plattenstapel und dem Austritt aus diesem wirkungsvoll herabgesetzt ist, während an den Profilierungen mit zur Hauptströmungsrichtung großem Querstellungswinkel eine wirkungsvolle Durchmischung des Fluids und damit ebenfalls eine Intensivierung des Wärmeübergangs stattfindet. Ein Teil der in dem Merkmal a) angeführten Maßnahmen, nämlich an beiden einander gegenüberstehenden Platten eines Strömungsweges für das kondensierende Fluid zu der einen Kondensatabzugseite des Plattenrandes hin gering geneigte Kondensatabführrinnen, sind bereits durch die deutsche Patentschrift 873 094 bekannt. Diese in der Rinnenerstreckung von der Plattenfläche weg unter einem Winkel von etwa 45° angestellten Rippen sind reine Abflußrinnen, mit denen das erfindungsgemäße Ziel, nämlich das Überleiten des flacheren, langsamer fließenden Kondensatstromes in den steileren und schnelleren, nicht erreichbar ist.

Im Merkmal b) enthaltene Maßnahmen sind z. T. bereits durch die deutsche Patentschrift 367 899 insofern bekannt, als an der Seite des kondensierenden Fluids Profilkämme vorhanden sind, die jeweils einen Stufenteil aufweisen, der in seiner Erstreckung von der Wärmetauschwand weg zumindest annähernd *5 waagerecht verläuft und so als Kondensatfangrinne gestaltet ist. Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung sind jedoch keine hervortretenden Profilkämme an der Kondensationsfläche ausgebildet, so daß eine gegenseitige Abstützung mittels der Profilkämme nicht zu erreichen wäre.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstands sind an jeder Blechtafel die leicht abfallenden Profilkämme und die steil fallenden Profilkämme in lotrechten Gruppen, die waagerecht fortschreitend einander abwechseln, angeordnet. Damit tritt in vorteilhafter Weise eine zwischen den Platten ausgeglichene Wirkung ein. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsform können zwischen den lotrechten Gruppen Streifen vorgesehen sein, die im wesentlichen nicht profiliert sind. Bei einem Wärmetauscher in der erfindungsgemäßen Bauart mit Verdampfung des wärmeaufnehmenden Fluids kann dieses durch Strömungswege in im wesentlichen senkrechter Richtung geführt sein. Mit besonderem Vorteil kann dabei die streifenförmige Anordnung parallel zur Strömungsrichtung des verdampfenden Fluids ausgebildet sein. Bei einer besonders zweckmäßigen Anordnung kann der Plattenstapel in an sich bekannter Weise die Form eines Kreisringes aufweisen, in dem die Blechplatten in radial verlaufenden Ebenen angeordnet sind. Der Plattenstapel kann in die flüssige Phase des verdampfenden Fluids zumindest teilweise eingetaucht sein. Das zu kondensierende Fluid kann in etwa radial verlaufende sich gegen die Kreisringachse verengende Strömungswege von außen zuführbar sein und der Kondensatabzug-Sammelkasten kann längs dem Innenumfang des Plattenstapels angeordnet sein. Ein derartiger Wärmetauscher kann mit besonderem Vorteil so ausgebildet sein, daß der kreisringförmige Plattenstapel in einer topfförmigen Wanne innerhalb eines zylindrischen Behälters angeordnet ist, der damit räumlich in einen oberen und einen unteren Teil getrennt ist, das im oberen Teil befindliche Fluid in flüssiger Phase in der topfförmigen Wanne gesammelt ist, das im unteren Teil befindliche dampfförmige Fluid durch Öffnungen in den Seitenflächen der topfförmigen Wanne in den Plattenstapel zuführbar und nach der Verflüssigung in den Plattenstapel durch einen Sammelkasten in flüssiger Phase ableitbar ist.

Zur weiteren Erläuterung sind in den Figuren Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt.

F i g. 1 zeigt einen Ausschnitt aus zwei Blechplatten 6 und 10, die ein Plattenpaar bilden, zwischen dem ein Strömungsweg für das zu kondensierende Fluid gebildet ist, dessen Hauptströmungsrichtung durch die Pfeile 33, 34 angedeutet ist. Dabei ist die Blechplatte 10 so dargestellt, als ob sie durchsichtig wäre, so daß die Blechplatte 6 in Ansicht erscheint. Die Blechplatte 6 hat ein sägezahnartiges Profil, das in Richtung der Strömung, also der Pfeile 33, 34, unter einem verhältnismäßig kleinen Winkel nach abwärts geneigt ist. Die Blechplatte 10 hat ebenfalls ein sägezahnartiges Profil, vorzugsweise gleicher Bemessung, das jedoch in Richtung der Strömung, gemäß Pfeilen 33, 34, mit verhältnismäßig großer Neigung nach abwärts gerichtet ist. Die Oberfläche der beiden Blechplatten 6 und 10 ist dermaßen in leicht fallende Profilkämme 31 bzw. in steil fallende Profilkämme 32 mit den wandflächigen Teilen 31 α bzw. 32 a und den stufenflächigen Teilen 31 b bzw. 32 b gegliedert. Die Verschneidung eines stufenflächigen Teils 31 b bzw. 32 b mit dem darunter liegenden wandflächigen Teil 31a bzw. 32 a ergibt eine Kammlinie 31c bzw. 32 c. Die Kammlinien 31 c und 32 c der beiden Blechplatten 6 und 10 eines Plattenpaares haben eine Vielzahl von gemeinsamen, über ihre Oberfläche netzartig verteilt angeordneten Berührungspunkten 41,42, an denen sie sich aufeinander abstützen können. Es ist auch noch ein weiteres von den Blechplatten 43 und 44 gebildetes Plattenpaar gezeigt, das ebenfalls einen Strömungsweg für das kondensierende Fluid gemäß Pfeil 45 einschließt, während ein Strömungsweg für das zu verdampfende Fluid gemäß Pfeil 46 zwischen den Blechplatten 6 und 43 gegeben ist.

F i g. 2 zeigt den Ausschnitt aus einem Plattenstapel gemäß F i g. 1 im Schnitt nach der Linie II—II gemäß Fig. 1. Dabei sind die Bezugsziffern aus F i g. 1 für gleiche Teile übernommen.

Die Kondensatabführung geht folgendermaßen vonstatten: Jedes an den wandflächigen Teilen, z. B. 31 a, gebildete Kondensatteilchen A fließt, indem es sich dabei mit weiteren Kondensatteilchen vereinigt, in der Fall-Linie 47 des wandflächigen Teils 31 α nach abwärts bis es auf den stufenflächigen Teil 31 b ge-

langt. Auf dem stufenflächigen Teil 31 b vereinigen sich weitere Teilchen, die an dem wandflächigen Teil 31 α gemäß Fall-Linien 47 nach unten kommen und bilden dabei einen immer stärker werdenden Flüssigkeitsfaden 48, der auf dem stufenflächigen Teil 316, der die Wirkung einer Abflußrinne hat, nach abwärts fließt. Jedes sich an dem wandflächigen Teil, z. B. 32 α der Blechplatte 10 bildende Kondensatteilchen B fließt in der Fall-Linie 49 dieses wandflächigen Teils 32 a nach abwärts — wieder unter Mitnahme weiterer Kondensatteilchen — bis es auf den stufenflächigen Teil 32 b gelangt, auf dem es sich mit weiteren längs ihrer Fall-Linien 49 von dem wandflächigen Teil auf den stufenflächigen Teil kommenden Teilchen vereinigt und dabei einen sich verstärkenden Flüssigkeitsfaden 50 bildend, nach abwärts fließt.

Im Berührungspunkt 42 berühren sich nicht nur die beiden Kammlinien 31 c und 32 c der beiden stufenflächigen Teile 31 b und 32 b, sondern auch die darauf fließenden Stromfäden 48 und 50, so daß es infolge der Molekularkräfte zu einer Vereinigung ihrer Flüssigkeitsteilchen kommt. Da jedoch die Strömungsenergie des Stromfadens 50 infolge der an der größeren Neigung auftretenden höheren Geschwindigkeit wesentlich größer ist als die des Stromfadens 48, erfolgt ein bevorzugtes Mitreißen und Überleiten des Stromfadens 48 in den Stromfaden 50 und damit auf die Seite der Blechplatte 10, so daß eine um den Berührungspunkt entstehende Flüssigkeitsmenge entweder längs der Fall-Linie 51 am wandflächigen Teil 32 a als sehr schneller Stromfaden nach abwärts fließt oder durch die verschiedenartig einwirkenden Kräfte so aufgeteilt wird, daß ein Teil längs der Fall-Linie 51 nach abwärts fließt, während ein anderer Teil auf dem stufenflächigen Teil 32 b verbleibt und längs diesem nach unten gelangt. In jedem Falle gelingt es, einen sich auf den Oberflächen bildenden Kondensatfihn sehr frühzeitig in schnell fließende Stromfäden zusammenzufassen und somit die Kondensatmengen auf raschen und kurzen Wegen abzuführen und damit die hauptsächlichen Kondensat bildenden Wärmetauschflächen von bereits gebildetem Kondensat möglichst frei zu machen. Somit ist eine beachtliche Intensivierung des Wärmeübergangs erreichbar. Wenn sehr schnelle und kräftige Stromfäden, wie z. B. im Berührungspunkt 52 aufeinandertreffen, kann es auch zu einem Verspritzen eines Anteils der Flüssigkeitsmenge in den Raum zwischen den Platten gemäß der Pfeile 53, 54 kommen, woraus sich der Vorteil ergibt, daß der spritzende Anteil der Kondensatmenge ebenfalls durch den freien Fall sehr rasch nach unten gelangt und so an der Bildung eines den Wärmeübergang hemmenden dickeren Kondensatfilms nicht teilhaben kann.

F i g. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Behälter, in dem ein aus Blechplatten gemäß F i g. 1 und 2 gebildeter kreisringförmiger Plattenstapel in

ίο einer topfartigen Wanne angeordnet ist.
F i g. 4 zeigt einen Querschnitt dazu.
In F i g. 3 und 4 ist der Verdampfer-Kondensator in einem zylindrischen Behälter 1 angeordnet, der durch eine topfförmige Bodenwanne 2 in einen oberen Teil 3 und in einen unteren Teil 4 getrennt ist. Der Behälterteil 4 kann dabei als Drucksäule und der Behälterteil 3 als Niederdrucksäule oder obere Säule einer Gas- bzw. Luftzerlegungsanlage dienen. In der topfartigen Wanne 2, die gleichzeitig als Behältertrennboden dient, ist ein kreisringförmiger Plattenstapel 5 angeordnet, von dem jeweils zwei benachbarte Platten 6, 7 an zwei gegenüberliegenden Seiten 8,9 und die jeweils zwischen diesen Platten angeordneten benachbarten Platten 6, 10 an den zwei anderen gegenüberliegenden Seiten 12,13 gasdicht miteinander verbunden sind.

Ein Fluid, das verflüssigt werden soll, befindet sich gasförmig oben in dem Behälterteil 4, der z. B. die Drucksäule einer Luftzerlegungsanlage darstellt; es ist in diesem Falle Stickstoff. Es kann durch die schlitzförmigen Öffnungen 14 zwischen die Platten 6 und 10 gelangen, wobei sich sein Strömungsweg 15 in radialer Richtung keilförmig verengt. Damit sind die sich verkleinernden Strömungsquerschnitte längs der Strömungswege der mit zunehmender Verflüssigung bedingten Verringerung des gasförmigen Volumens angepaßt, so daß sich ein minimaler Strömungswiderstand einstellt. Der flüssige Anteil gelangt durch die öffnungen 16 in einen ringförmigen Sammelkasten 17 und von da mittels einer Rohrleitung 18 in den Behälterteil 4 zurück. Das andere Fluid steht als flüssige Phase in der Wanne 2, so daß die Zwischenräume zwischen den Platten 6 und 7 mit siedender Flüssigkeit erfüllt sind. Der allgemeine Strömungsweg verläuft von einem Eintrittsspalt 19 zum Austrittsspalt 20 in vertikaler Richtung nach oben. Im Falle einer Luftzerlegungsanlage ist die zu verdampfende Flüssigkeit der Sauerstoff in der Niederdrucksäule, die im Gefäßteil 3 untergebracht ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Plattenwärmetauscher für Trennwand-Wärmetausch von Fluiden mit Kondensation des wärmeabgebenden Fluids aus einem Stapel im wesentlichen gleich gestalteter, viereckiger, durch Riffelung oder Wellung profilierter und zu Paaren zusammengefaßter, zumindest annähernd lotrecht gestellter Blechplatten, von denen jeweils die einem Paar zugehörigen an zwei gegenüberliegenden Kanten und die jeweils benachbarten, jedoch verschiedenen Paaren zugehörigen Blechplatten an den zwei anderen gegenüberliegenden Kanten gasdicht miteinander verbunden sind und so Strömungswege für die Fluide bilden, wobei mindestens bereichsweise die gegeneinander gerichteten Profilkämme benachbarter, miteinander einen Strömungsweg für das kondensierende Fluid bildender Blechplatten infolge Schneidens ihrer in jeweils einer zumindest annähernd lotrecht verlaufenden Ebene liegenden und darin geneigt verlaufenden Kammlinien sich an zahlreichen Berührungsstellen aufeinander abstützen, gekennzeichnet durch die Verbindung der folgenden Merkmale:

a) Die Kammlinien (31 c, 32 c) der beiden jeweils gegeneinander gerichteten, sich aufeinander abstützenden Profilkämme (31, 32) verlaufen beide zur Kondensatabzugseite (Sammelkasten 17) des Plattenrands hin geneigt, und zwar jeweils zumindest bereichsweise die Kammlinien (31 c) der einen Profilkämme (31) leicht fallend und die (32 c) der anderen Profilkämme (32) steil fallend;

b) jeder Profilkamm (31, 32) weist im Querschnitt jeweils einen Stufenteil (31 b, 32 b) auf, der in seiner Erstreckung senkrecht zur Plattenhauptebene zumindest annähernd waagerecht verläuft und so in an sich bekannter Weise als Kondensatfangrinne gestaltet ist.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jeder Blechplatte (6, 10) die leicht fallenden Profilkämme (31) und die steil fallenden Profilkämme (32) in lotrechten Gruppen, die waagerecht fortschreitend einander abwechseln, angeordnet sind ( F i g. 3 ).

3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den lotrechten Gruppen Streifen (U) vorgesehen sind, die im wesentlichen nicht profiliert sind.

4. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 2 bis 3 mit Verdampfung des wärmeaufnehmenden Fluids, dadurch gekennzeichnet, daß dieses durch Strömungswege in im wesentlichen senkrechter dichtung geführt ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Plattenstapel (5) in an sich bekannter Weise die Form eines Kreisringes aufweist, in dem die Blechplatten (6, 7, 10) in radial verlaufenden Ebenen angeordnet sind, der Plattenstapel in die flüssige Phase des verdampfenden Fluids zumindest teilweise eingetaucht ist, das zu kondensierende Fluid in etwa radial verlaufende, sich gegen die Kreisringachse verengende Strömungswege (15) von außen zuführbar ist und der Kondensatabzug (Sammelkasten 17) längs dem Innenumfang des Plattenstapels (5) angeordnet ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch

gekennzeichnet, daß der kreisringförmige Plattenstapel (5) in einer topfförmigen Wanne (2) innerhalb eines zylindrischen Behälters (1) angeordnet ist, der damit räumlich in einen oberen (3) und einen unteren (4) Teil getrennt ist, das im oberen Teil (3) befindliche Fluid in flüssiger Phase in der topfförmigen Wanne (2) gesammelt ist, das im unteren Teil (4) befindliche dampfförmige Fluid durch Öffnungen (14) in den Seitenflächen der topfförmigen Wanne (2) in den Plattenstapel zuführbar und nach der Verflüssigung im Plattenstapel durch einen Sammelkasten (17) in flüssiger Phase ableitbar ist.