DE2529358A1 - HEAT EXCHANGER - Google Patents
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Description
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ADVANCED MATERIALS ENGINEERING LIMITED, Gateshead / EnglandADVANCED MATERIALS ENGINEERING LIMITED, Gateshead / England
Wärmetaus eherHeat exchange rather
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher, insbesondere einen solchen, wie er als Vorwärmer Verwendung findet.The invention relates to a heat exchanger, in particular one such as is used as a preheater finds.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher zu schaffen, der in extrem einfacher Weise hergestellt werden kann.The present invention has for its object to provide a heat exchanger that is extremely simple Way can be made.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Wärmetauscher aus.einem Stapel im wesentlichen flacher Platten besteht, von denen wenigstens einige nebeneinander verlaufende, vorstehende Rippe auf wenigstens einer Seite aufweisen, und dass die Richtung der Rippen einiger Platten von der Richtung der Rippen anderer Platten verschieden ist.This object is achieved according to the invention in that the heat exchanger made of a stack is essentially flatter Plates consists, of which at least some juxtaposed, protruding rib on at least one side and that the direction of the ribs of some panels is different from the direction of the ribs of other panels is.
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Die Platten können dabei nur auf einer Seite mit Rippen versehen sein, in welchem Falle die Rippenrichtungen wenigstens einiger benachbarter Platten voneinander verschieden sein müssen. Die Platten können jedoch auch auf beiden Seiten mit Rippen versehen sein. In diesem Falle sollten die Pichtungen der Rippen auf den verschiedenen Plattenseiten unterschiedlich sein.The plates can only be provided with ribs on one side, in which case at least the rib directions of some adjacent panels must be different from each other. However, the panels can also be on both sides be ribbed. In this case, the grooves of the ribs should be on the different sides of the plate be different.
Ein erfindungsgemässer Wärmetauscher braucht nur aus einer einzigen Art von gerippten Platten bestehen. Er kann jedoch auch mehrere, unterschiedlich gerippte Platten enthalten, er kann auch Platten enthalten, die überhaupt nicht mit Rippen versehen sind.A heat exchanger according to the invention only needs one single type of ribbed panels. However, it can also contain several, differently ribbed panels, it can also contain panels that are not ribbed at all.
Ein typisches Ausführungsbeispiel für einen Wärmetauscher mit zwei verschiedenen Arten von gerippten Platten hat eine grosse Anzahl von beidseitig gerippten Platten, wobei jedoch die Boden- und die Deckplatte jeweils nur einseitig gerippt sind.A typical embodiment of a heat exchanger has two different types of finned plates a large number of panels ribbed on both sides, but the bottom and top panels each only on one side are ribbed.
Die Rippen können auf den Platten so angeordnet sein, dass die Rippen einer Platte jeweils in den Zwischenraum zwischen den Rippen der benachbarten Platte eingreifen. Dies gilt sowohl für Platten, die einseitig mit Rippen versehen sind, als auch für solche Platten, die zweiseitig mit Rippen versehen sind, sei es,dass diese in der·gleichen Richtung laufen, sei es, dass diese in voneinander verschiedenen Richtungen laufen. In jedem Falle ist es günstig, wenn die Aussenseiten der Boden- und der Deckplatte des Plattenstapels glatt sind.The ribs can be arranged on the plates so that the ribs of a plate each in the space between engage the ribs of the adjacent plate. This applies to panels with ribs on one side, as well as for those plates which are provided with ribs on both sides, be it that these are in the same direction run, be it that they run in different directions from each other. In any case, it is beneficial if the The outer sides of the bottom and top plates of the stack of plates are smooth.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Randrippen einer Platte mit den Randrippen der benachbarten Platte verbunden, vorzugsweise mit Hilfe einer Zementzwischenschicht .In a preferred embodiment, the edge ribs of one panel are aligned with the edge ribs of the adjacent ones Plate connected, preferably with the help of an intermediate layer of cement.
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Die Platten bestehen vorzugsweise aus einem Industriekeramikmaterial, insbesondere Siliziumnitrid oder Siliziumkarbid. Derartige Platten können besonders einfach in der Weise hergestellt werden, dass das Rohmaterial zwischen entsprechend profilierten Walzen durchgeführt wird, die aus dem Rohmaterial einen gerippten Strang erzeugen, der anschliessend auf Länge geschnitten wird. Die Einzelstücke werden kann gebrannt, um sie in ihren keramischen Endzustand zu bringen.The plates are preferably made of an industrial ceramic material, in particular silicon nitride or silicon carbide. Such plates can be particularly easy in the To be produced in a way that the raw material is passed between appropriately profiled rollers that create a ribbed strand from the raw material, which is then cut to length. The unique pieces can be fired to bring them to their final ceramic state.
Hierbei ist die Verwendung zweier profilierter Walzen günstig, wobei die eine Walze auf der einen Seite Rippen auf dem Strang erzeugt und die andere Walze in anderer Richtung laufende Rippen auf der anderen Seite des Strangs erzeugt.The use of two profiled rollers is advantageous here, with one roller having ribs on one side generated on the strand and the other roller running in the other direction ribs on the other side of the strand generated.
Eine Abdichtung zwischen den einzelnen Platten des Stapels wird vorzugsweise mit Hilfe eines Zements erreicht. Zusätzlich können die einzelnen Platten aufeinandergedrückt werden, jedoch so, dass der Plattenstapel Wärmedehnungen und -Schrumpfungen ausführen kann. Er ist zweckmässigerweise zwischen Dichtungen eingeschlossen, wobei thermische Belastungen innerhalb der Platten auf ein Minimum reduziert werden, wenn weiche Dichtungen wenigstens auf denjenigen Seiten des Stapels verwendet werden, die während des Gebrauchs einem kalten Fluid ausgesetzt sind.A seal between the individual plates of the stack is preferably achieved with the aid of cement. Additionally the individual plates can be pressed onto one another, but in such a way that the stack of plates expands and shrinkage. It is conveniently enclosed between seals, with thermal Stresses within the panels are reduced to a minimum if soft seals at least on those Sides of the stack are used which are exposed to cold fluid during use.
Die Erfindung sei nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention is based on an exemplary embodiment explained in more detail with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, die beim Herstellen der Platten des Wärmetauschers Verwendung findet;Fig. 1 is a schematic view of a device that is used in the manufacture of the plates of the heat exchanger Is used;
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Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Stapels von Platten als Teil eines Wärmetauschers;2 shows a basic illustration of a stack of plates as part of a heat exchanger;
Fig. 3 ein Anwendungsbeispiel eines Wärmetauschers, der ein Plattenstapel nach Fig. 2 enthält.FIG. 3 shows an application example of a heat exchanger which contains a plate stack according to FIG. 2.
Fig. 1 zeigt in groben Zügen einen Schritt beim Herstellen einer mit Rippen versehenen Platte, wie sie bei dem erfindungsgemässen Wärmetauscher verwendet wird. Eine plastische Mischung aus einem Siliziumpulver, einem Bindemittel und einem Plastifizierer wird zu einem Strang 10 gerollt, der dann durch zwei Kalanderwalzen 12 und 14 hindurchgeführt wird, die aus ihm einen Profilstrang 16 erzeugen.Fig. 1 shows in outline a step in the manufacture of a ribbed plate as in the inventive heat exchanger is used. One Plastic mixture of a silicon powder, a binder and a plasticizer becomes a strand 10, which is then passed through two calender rolls 12 and 14, which form a profile strand 16 from it produce.
Die Walze 14 weist auf ihrem Umfang mehrere gleichmässig beabstandete achsparallele Nuten 18 auf. Die Walze 14 weist auf ihrem Umfang mehrere gleichmässig beabstandete, in Umfangsrichtung verlaufende endlose Nuten 20 auf. Das Ergebnis hiervon ist, dass der Profilstrang 16 parallele Querrippen 22 auf der einen Seite und parallele Längsrippen 24 auf der anderen Seite aufweist. Die Wandungen der Nuten laufen zum Nutengrund leicht zusammen, so dass die Rippen sich zum Rippenfuss entsprechend verbreitern. Der Strang 10 ist vorzugsweise etwa 0,8 mm dick, seine Rippen sind etwa 0,64 mm hoch. Die Rippen sind an ihren Füssen vorzugsweise etwa 0,25 mm breit.The roller 14 has a plurality of evenly spaced axially parallel grooves 18 on its circumference. The roller 14 has a plurality of evenly spaced endless grooves 20 running in the circumferential direction on its circumference. The result of this is that the profile strand 16 has parallel transverse ribs 22 on one side and parallel Has longitudinal ribs 24 on the other side. The walls of the grooves converge slightly towards the bottom of the groove, so that the ribs widen correspondingly to the cost of the ribs. The strand 10 is preferably about 0.8 mm thick, its ribs are about 0.64 mm high. The ribs are preferably about 0.25 mm wide at their feet.
Der Strang 16 wird dann auf Länge geschnitten, die Stücke werden gebrannt, damit das Bindemittel entweicht und sich das Silizium in Siliziumnitrid umwandelt. Beim Brennen wird dabei gegen Ende in einer stickstoffangereichertenThe strand 16 is then cut to length, the pieces are fired to allow the binder to escape and separate which converts silicon into silicon nitride. When burning it is done in a nitrogen-enriched atmosphere towards the end
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oder Stickstoff-Atmosphäre gearbeitet, damit das Silizium nicht oxidiert.or nitrogen atmosphere so that the silicon does not oxidize.
Die erhaltenen, ebenen gerippten Platten werden zu einem Stapel zusammengesetzt, wie in Fig. 2 gezeigt. Die oberste Platte 30 wird in gleicher Weise hergestellt, wie in Fig. 1 gezeigt, jedoch mit Rippen nur auf ihrer Unterseite. Die unterste, nicht dargestellte Platte wird wie die oberste Platte 30 hergestellt, jedoch mit Rippen nur auf ihrer Oberseite. Die Platten werden so zusammengesetzt, dass die Rippen der einen Platte in den Zwischenraum zwischen den Rippen der benachbarten Platte hineinragen. Wie ersichtlich, ragen die Rippen 34, 36 ... der Platte 32 in die Zwischenräume zwischen den Rippen 38, 40 ... der benachbarten Platte 30.The obtained flat corrugated panels are assembled into a stack as shown in FIG. The top one Plate 30 is made in the same way as shown in Fig. 1, but with ribs only on its underside. the lowest plate, not shown, is made like the uppermost plate 30, but with ribs only on it Top. The panels are assembled so that the ribs of one panel are in the space between protrude into the ribs of the adjacent plate. As can be seen, the ribs 34, 36 ... of the plate 32 protrude into the spaces between the ribs 38, 40 ... of the adjacent plate 30.
Die Platte 32 weist eine Randrippe 42 auf, die mit der benachbarten Rippe 38 der Platte 30 zusammenzementiert ist. Die Rippen 42 und 34 liegen etwas näher aneinander als die Rippen 34, 36 ... Dazu müssen selbstverständlich die Nuten in den Walzen 12 und 14 entsprechend voneinander beabstandet sein. In Fig. 1 ist dies allerdings nicht dargestellt. The plate 32 has an edge rib 42 cemented together with the adjacent rib 38 of the plate 30. The ribs 42 and 34 are somewhat closer to one another than the ribs 34, 36 ... For this, of course, the grooves be appropriately spaced from one another in the rollers 12 and 14. However, this is not shown in FIG. 1.
Die Platte 32 weist sich nach unten erstreckende Rippen 50, 52, 54 ... auf, die in entsprechende Zwischenräume zwischen den nach oben gerichteten Rippen 60, 62 ... der benachbarten Platte 66 ragen. Die Rippen 50 und 60 sind bei 68 zusammenzementiert. The plate 32 has downwardly extending ribs 50, 52, 54 ... in corresponding spaces between the upwardly directed ribs 60, 62 ... of the adjacent Plate 66 protrude. The ribs 50 and 60 are cemented together at 68.
Alle Rippen sind gleich hoch. Da jedoch die Zementschicht bei 44 und 68 und den entsprechenden anderen Stellen eine nicht zu vernachlässigende Dicke hat, besteht ein leichter All ribs are the same height. However, since the cement layer at 44 and 68 and the corresponding other locations has a non-negligible thickness, there is a lighter one
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Spalt, wie mit 70 dargestellt, zwischen der Stirnseite einer Rippe und der ihr gegenüberliegenden Fläche der benachbarten Platte.Gap, as shown at 70, between the end face of a rib and the opposite surface of the adjacent one Plate.
Fig. 3 zeigt, wie ein Stapel von Platten, wie er in Fig. 2 dargestellt ist, als Wärmetauscher in Form eines Vorwärmers verwendet werden kann. Kaltes Fluid, wie beispielsweise Luft, tritt aus dem Luftkanal 100 in Richtung der Pfeile A in den Stapel ein. Sie verlässt ihn auf der anderen Seite und wird vom Luftkanal 102 in Pfeilrichtung B abgeführt, nachdem sie im Wärmetauscher Wärme aufgenommen hat.Fig. 3 shows how a stack of plates, as shown in Fig. 2, as a heat exchanger in the form of a preheater can be used. Cold fluid, such as air, emerges from the air duct 100 in the direction of the arrows A into the Stack a. It leaves it on the other side and is discharged from the air duct 102 in the direction of arrow B after it has absorbed heat in the heat exchanger.
Der Wärmetauscher wird durch Heissgas aufgewärmt, das dem Stapel durch einen Heissluftkanal 103 in Richtung der Pfeile C zugeführt wird. Diese Heissgase sind hier die Abgase einer Gasturbine. Nachdem sie einen Teil ihrer Wärme an den Plattenstapel abgegeben haben, verlassen diese Gase den Stapel und werden durch den Abluftkanal 105 in Richtung der Pfeile D abgeführt. Die Pfeile A und C sind auch in Fig. 2 eingezeichnet. The heat exchanger is warmed up by hot gas, which is supplied to the stack through a hot air duct 103 in the direction of arrows C. is fed. These hot gases are the exhaust gases from a gas turbine. After they give some of their heat to the plate stack have released, these gases leave the stack and are through the exhaust duct 105 in the direction of arrows D. discharged. The arrows A and C are also shown in FIG.
Die Kanäle 100, 102, 103 und 105 sind an den Plattenstapel gasdicht angeschlossen. Relativ weiche Dichtungen können dazu verwendet werden, die Verbindungen an den zwei jeweils kälteren Anschlussflächen des Stapels, d.h. zu den Luftkanälen 100 und 105, herzustellen. Zum Verbinden der heissen Anschlussflächen des Stapels mit den Luftkanälen 102 und 103 können harte Dichtungen verwendet werden. Die weichen Dichtungen erlauben thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des Stapels gegenüber den Luftkanälen. Die Heissluft aus dem Kanal 102 kann als Ansauggas für den Motor verwendet werden, wodurch Kraftstoff gespart wird.The channels 100, 102, 103 and 105 are connected to the plate stack in a gas-tight manner. Relatively soft seals can do this the connections to the two colder connection surfaces of the stack, i.e. to the air ducts 100 and 105. For connecting the hot connection surfaces of the stack to the air ducts 102 and 103 hard seals can be used. The soft seals allow thermal expansion and contraction of the stack opposite the air ducts. The hot air from duct 102 can be used as intake gas for the engine saving fuel.
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Die einzelnen Platten im Stapel, der in Fig. 3 dargestellt ist, werden wie folgt zusammengedrückt. Das obere Ende des Stapels wird von einer kreuzförmigen Federstahlplatte 104 abgedeckt, über die ein Spannkreuz 106 gelegt ist. Auf der Unterseite des Stapels ist eine entsprechende Anordnung vorgesehen. Die beiden Spannkreuze werden durch Schrauben 108 zusammengehalten.The individual panels in the stack shown in Figure 3 are compressed as follows. The top of the stack is covered by a cross-shaped spring steel plate 104, over which a tension cross 106 is placed. On the bottom a corresponding arrangement is provided for the stack. The two tension crosses are held together by screws 108.
Jedes Glied der kreuzförmigen Platte 104 weist an ihrem Ende einen Flansch 110 auf, der in eine Rille in der benachbarten Wand des entsprechenden Luftkanals 100, 102, 103 oder 105 eingreift. Um die Spannkreuze 106 in ihrer Lage zu fixieren, sind Federdrähte 114 vorgesehen, die in Löchern an den Enden der Spannkreuze 106 eingehakt sind. Jeder Federdraht greift unter einen Flansch 116 am benachbarten Luftkanal. Die Platten 104 sind elastisch und erlauben eine thermische Ausdehnung und Zusammenziehung des Stapels.Each member of the cross-shaped plate 104 has at its end a flange 110 which in a groove in the adjacent Wall of the corresponding air duct 100, 102, 103 or 105 engages. To fix the clamping crosses 106 in their position, spring wires 114 are provided which are hooked into holes at the ends of the tension crosses 106. Every spring wire works under a flange 116 on the adjacent air duct. The plates 104 are elastic and allow thermal expansion and contraction of the stack.
Die Rippen 22 und 24 geben den Platten genügend Festigkeit und erlauben eine verhältnismässig geringe Dicke, so dass von ihnen eine grosse Anzahl in einem kompakten Stapel vereinigt werden kann.The ribs 22 and 24 give the plates sufficient strength and allow a relatively small thickness, so that a large number of them can be combined in a compact stack.
Bei anderen Ausführungsformen können auch Platten ohne Rippen mit gerippten Platten zusammengebaut werden, oder es können Platten, die nur auf einer Seite gerippt sind, mit Platten zusammengebaut werden, die auf beiden Seiten gerippt sind. Gegebenenfalls können auch Verstärkungsplatten aus Industriekeramik, wie beispielsweise Siliziumnitrid, in den Stapel mit eingebaut werden.In other embodiments, plates without ribs can also be used can be assembled with ribbed panels, or panels that are only ribbed on one side can be assembled with panels assembled, which are ribbed on both sides. If necessary, reinforcement plates made of industrial ceramics, such as silicon nitride, can be built into the stack.
Die Richtungen der Rippen im Stapel können in den verschiedenen Höhenlagen verschieden sein, wie es beim oben beschriebenen Beispiel der Fall ist, es können aber auch in zwei benach- The directions of the ribs in the stack can be different in the different heights , as is the case in the example described above, but it can also be in two adjacent
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harten Höhenlagen die Richtungen der Rippen gleich sein. Der Winkel zwischen den verschiedenen Richtungen kann beliebig gewählt sein, er braucht nicht notwendigerweise 90° zu sein, wie er in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist.hard altitudes the directions of the ribs must be the same. The angle between the different directions can be arbitrary be selected, it does not necessarily have to be 90 °, as shown in FIGS.
Die Platten können auch aus einem anderen Material als Siliziumnitrid hergestellt sein, beispielsweise aus Siliziumcarbid oder einem anderen industriekeramischen Material.The plates can also be made of a material other than silicon nitride, for example silicon carbide or another industrial ceramic material.
Bei dem beschriebenen Aufbau kann eine lokale Beschädigung des Stapels oder eine mangelhafte Dichtung zwischen den Platten nicht allzuviel Nachteile bringen oder gar zu einem Totalausfall der Anlage als Ganzes führen. Es gibt nur eine minimale Zahl von Dichtungszonen. Der Druckunterschied zwischen den Fluiden, die durch den Stapel geleitet werden, beträgt bei einer typischen Anwendungsform des erfindungsgemässen Wärmetauschers, wie beispielsweise dem Vorwärmer einer Gasturbinenanlage, etwa 5 at.With the structure described, local damage to the stack or a poor seal between the Disks do not bring too many disadvantages or even lead to a total failure of the system as a whole. There is only a minimum number of sealing zones. The pressure difference between the fluids passed through the stack is, in a typical form of application of the heat exchanger according to the invention, such as, for example Preheater of a gas turbine plant, about 5 at.
Ansprüche:Expectations:
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