DE69829697T2

DE69829697T2 - Wärmetauscher und/oder Vorrichtung zur Mischung von Fluiden

Info

Publication number: DE69829697T2
Application number: DE69829697T
Authority: DE
Inventors: Brian Keith Albrighton Staffordshire Watton; Keith Thomas Codsall Staffordshire Symonds; Stephen Paul Codsall Staffordshire Symonds
Original assignee: Chart Heat Exchangers LP
Current assignee: Chart Heat Exchangers LP
Priority date: 1997-06-03
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: US6736201B2; EP0996847B1; GB2328275A; DE69811503T2; GB2328275B; AU7666798A; EP1162426A3; GB9811363D0; WO1998055812A1; EP0996847A1; CA2292566A1; ATE292779T1; US20030079870A1; ATE232962T1; EP1162426B1; US6510894B1; DE69829697D1; EP1162426A2; DE69811503D1

Description

Diese Erfindung betrifft einen kompakten Wärmeaustauscher und/oder eine Fluidmischvorrichtung mit einer Reihe von Platten, die Öffnungen aufweisen, welche eine Mehrzahl von Durchgängen festlegen, durch welche ein Fluid hindurchströmen kann.
Dies ist eine Teilanmeldung von der Anmeldung Nr. 98924469.4, Veröffentlichungs-Nr. 0 996 847.
Kompakte Wärmeaustauscher sind durch ihre hohe "Flächendichte" charakterisiert. Dies bedeutet, daß sie ein großes Verhältnis von Wärmeübergangsoberfläche zu Wärmeaustauschervolumen haben. Die Flächendichte ist normalerweise größer als 300 m²/m³ und kann mehr 700 m²/m³ betragen. Solche Wärmeaustauscher werden normalerweise zum Kühlen (oder Erhitzen) von Prozeßfluiden benutzt.
Eine gut bekannte, aber nur unter hohen Kosten herzustellende Wärmeaustauscherart ist der sogenannte Rohr-und-Mantel-Wärmeaustauscher. Im wesentlichen bestehen solche Wärmeaustauscher aus einem äußeren rohrförmigen Mantel, durch den eine Anzahl von in Längsrichtung sich erstreckende, einen kleineren Durchmesser aufweisende Rohre laufen, die ein oder mehrere Fluide aufnehmen. Andere Fluide, mit denen Wärme ausgetauscht werden soll, strömen normalerweise quer durch den Wärmeaustauscher in der Weise, daß die Wärme durch die Rohrwände hindurch ausgetauscht wird. Es kann eine große Anzahl von Rohren nötig sein, die individuell und genau an jedem Ende des Mantels in einer Kopfplatte fixiert/befestigt sein müssen. In jedem Fall müssen in die Kopfplatten sehr genau Löcher gebohrt werden, um die Rohre anzuordnen. Dann müssen hochwertige, geprüfte Rohre in die Platten eingesetzt und in ihrer Position verlötet, verschweißt oder mechanisch expandiert werden. Da der Durchmesser der Rohre vermindert wird, um die für den Wärmeübergang und damit für die Leistungsfähigkeit/Kompaktheit zur Verfügung stehenden Oberflächen zu vergrößern, ist es um so schwieriger und kostenintensiver, solche Konfigurationen herzustellen.
Eine zweite bekannte Art von Wärmeaustauschern ist der sogenannte Primärplatten-Sekundärplatten-Wärmeaustauscher, bei dem ein Plattenstapel angeordnet wird. Der Stapel weist Primärplatten, die direkt zwei verschiedene Fluidströme trennen, und Sekundärplatten zwischen benachbarten Primärplatten auf. Die Sekundärplatten wirken als Stege, die zur Festigkeit des Aufbaus beitragen und mit Perforationen versehen sein können, um zusätzliche Strömungswege für die Fluide zu schaffen. Die Platten werden üblicherweise durch Verlöten miteinander verbunden. Dies kann aber den Nachteil haben, daß die physikalischen Eigenschaften der Platten in den verlöteten Bereichen beeinträchtigt werden oder durch das Lötmaterial eine hinsichtlich Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit potentiell weniger zufriedenstellende Struktur entsteht. Es wurde vorgeschlagen, die Platten durch Diffusionsverbinden aneinander zu befestigen. Jedoch wurde eine zufriedenstellende Konstruktion, die den auftretenden hohen Drücken widersteht, nicht erreicht, und die Stege können sich während des Verbindungsvorgangs verziehen.
Aus der WO 96/34421 A ist es bekannt, eine Fluidverteilungsvorrichtung bereitzustellen, die ein Wärmeaustauscher sein kann, in dem Kanäle für eine Fluidströmung durch Ausrichten von perforierten Platten ausgebildet werden, und zwar in der Weise, daß sich die Öffnungen in den Platten teilweise in einer Richtung über die Platten hinweg überlappen und, daß die seitlichen Randbereiche der Öffnungen eine Dichtung bilden, wodurch eine Anzahl von Strömungskanälen durch die Platten hindurch entsteht. Die Platten, welche die Kanäle festlegen, sind von unperforierten Platten umgeben.
Die DE 195 28 116 A beschreibt eine ähnliche Wärmeaustauscherkonstruktion, bei der Strömungskanäle in einem Aufbau aus sich überlappenden Öffnungen in benachbarten Platten gebildet werden, wobei jene Platten zwischen unperforierten Platten eingeschlossen sind.
Es ist eine Aufgabe der Stammanmeldung Nr. 98924469.4 und der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Konstruktion dieser zweiten Art von Wärmeaustauscher zur Verfügung zu stellen, die in zufriedenstellender Weise z.B. durch Diffusionsverbinden oder durch Verlöten hergestellt werden kann. Die Anmeldungen zielen auch darauf ab, einen Wärmetauscher-Aufbau bereitzustellen, welcher auch leicht für eine Verwendung als Fluidmischvorrichtung angepaßt werden kann, z.B. als ein chemischer Reaktor einsetzbar ist, in dem Fluide gemischt werden, die miteinander reagieren sollen. Somit kann die Erfindung in Fällen, in denen eine Reaktion exotherm verläuft, eine Vorrichtung bieten, bei der die exotherme Reaktionswärme wirksam abgeführt oder die alternativ zum Zuführen von Wärme für eine endotherme Reaktion verwendet werden kann. Die Produkte der Erfindung sind auch als Kraftstoffreformer und Gasreinigungseinheiten im Zusammenhang mit der Brennstoffzellentechnologie nützlich.
In der Stammanmeldung Nr. 98924469.4 ist ein Wärmetauscher oder Fluidmischvorrichtung mit einem gebundenen Plattenstapel beschrieben und beansprucht, welcher mindestens eine Gruppe von perforierten Hauptplatten aufweist, wobei bei mindestens zwei benachbarten Platten der Gruppe der perforierten Hauptplatten die Perforationen reihenweise ausgerichtet sind sowie zwischen benachbarten Reihen kontinuierliche Rippen und zwischen benachbarten Paaren von Perforationsreihen Querträger vorliegen sowie die benachbarten Platten ausgerichtet sind, wobei sich die Perforationsreihen in einer Platte in der Richtung der Reihen mit den Perforationsreihen einer benachbarten Platte überlappen und wobei die Querträger einer Platte nicht mit jenen einer benachbarten Platte überlappen und die Rippen von benachbarten Platten eine entsprechende gegenseitige Anordnung zueinander haben, um einzelne Fluidkanäle zu bilden, die sich über die Platten hinweg erstrecken, wobei jeder Reihe von Perforationen ein Kanal entspricht und die Kanäle zusammen einen oder mehrere Fluiddurchgänge über die Platten hinweg bilden und der oder die Durchgänge in der Gruppe der perforierten Hauptplatten von dem oder den Durchgängen in jeder benachbarten Gruppe von perforierten Platten mittels einer dazwischenliegenden (intervening) Platte getrennt sind, wobei die dazwischenliegende Platte durch ihre Dicke hindurch Löcher aufweist, deren Größe, Anzahl und Lage derart gewählt sind, daß das Mischen von Fluiden, die durch die Durchgänge hindurchtreten, welche durch die dazwischenliegende Platte getrennt sind, gesteuert wird.
Die vorliegende Erfindung liefert einen Wärmeaustauscher oder eine Fluidmischvorrichtung mit einem gebundenen Plattenstapel, der mindestens eine Gruppe von perforierten Hauptplatten aufweist, wobei bei mindestens zwei benachbarten Platten der Gruppe der perforierten Hauptplatten die Perforationen reihenweise ausgerichtet sind sowie zwischen benachbarten Reihen kontinuierliche Rippen und zwischen benachbarten Paaren von Perforationsreihen Querträger vorliegen sowie die benachbarten Platten ausgerichtet sind, wobei sich die Perforationsreihen in einer Platte in der Richtung der Reihen mit den Perforationsreihen einer benachbarten Platte überlappen und wobei die Querträger einer Platte nicht mit jenen einer benachbarten Platte überlappen und die Rippen von benachbarten Platten eine entsprechende gegenseitige Anordnung zueinander haben, um einzelne Fluidkanäle zu bilden, die sich durch die Platten hindurch erstrecken, wobei jeder Reihe von Perforationen ein Kanal entspricht und die Kanäle zusammen einen oder mehrere Fluiddurchgänge durch die Platten hindurch bilden und der oder die Durchgänge in der Gruppe der perforierten Hauptplatten von dem oder den Durchgängen in jeder benachbarten Gruppe von perforierten Platten mittels einer dazwischenliegenden Platte getrennt sind, wobei Querkanäle oder Öffnungen in den kontinuierlichen Rippen ausgebildet sind, wodurch eine Verbindung zwischen den Kanälen eines Durchgangs bereitgestellt wird.
Die dazwischenliegende Platte kann unperforiert sein, um eine vollständige Trennung der Durchgänge ihrer entsprechenden Plattengruppen herbeizuführen. Eine solche dazwischenliegende Platte wird nachfolgend "Trennplatte" genannt. Alternativ kann die dazwischenliegende Platte Löcher aufweisen, deren Lage und Größe für ein kontrolliertes Mischen der Fluide in jenen Durchgängen ausgewählt sind.
Jede Gruppe der perforierten Hauptplatten weist mindestens zwei perforierte Platten auf, kann aber bei Bedarf drei oder mehr benachbarte perforierte Platten aufweisen. Ein Stapel kann beispielsweise zwei oder mehr Gruppen von perforierten Hauptplatten beinhalten, die durch dazwischenliegende Platten getrennt sind, wobei jede Gruppe zwei perforierte Platten umfaßt, deren Perforationen in Reihen ausgerichtet sind.
Die Durchgänge, welche durch die Reihen diskreter Kanäle durch die Platten hindurch gebildet werden, können einfach die Platten von der einen Seite zur anderen einmal durchqueren. Jedoch sind in einer ersten speziellen Ausführungsform die Perforationen an einem oder an beiden Enden jeder Reihe derart gestaltet, daß sie ihre jeweiligen Kanäle in einem Winkel umlenken, wobei sich der durch die Kanäle festgelegte Durchgang in einer anderen Richtung durch den Stapel hindurch fortsetzt.
Bei einer zweiten speziellen Ausführungsform sind zwei oder mehr getrennte Durchgänge durch eine Plattengruppe hindurch vorgesehen, wobei Ströme verschiedener Fluide parallel zueinander in der gleichen Lage, die durch die genannte Plattengruppe gebildet wird, fließen können. Diese Ausführungsform kann durch die Platten hindurch verbesserte Temperaturprofile und eine verminderte thermische Belastung ergeben.
Da die Platten mit den perforierten Hauptplatten jeder Gruppe unter Ausrichtung ihrer Perforationen in parallelen Reihen gestapelt sind, ist es klar, daß die massiven Bereiche (d.h. die Rippen) jener Platten zwischen den Perforationsreihen auch in parallelen Reihen ausgerichtet sind. Da deshalb die perforierten Platten übereinander gestapelt sind, sind die parallelen Rippen durch den Stapel hindurch ausgerichtet. Dies führt daher nicht nur zu den obengenannten diskreten Kanälen, sondern auch zu einer Festigkeit durch den zusammengesetzten Stapel hindurch, wodurch den Drücken Widerstand geleistet werden kann, die beim Verbindungsvorgang erzeugt werden. Deshalb liefert die Erfindung eine Stapelstruktur ohne das Risiko, daß die Stege der Sekundärplatten unter dem erzeugten Druck zusammenbrechen. Die Stege stellen auch ein Mittel dar, um den inneren Drücken in den Prozeßströmen zu widerstehen.
Die Perforationen können irgendeine gewünschte Gestalt aufweisen, sind aber vorzugsweise längliche Schlitze. Bei der vorgenannten ersten Ausführungsform sind die Schlitze am Ende einer Reihe vorzugsweise "L"- oder "V"-förmig, wobei der Winkel des "V" durch die gewünschte Änderung der Richtung des Durchgangs bestimmt ist.
Die Platten können beispielsweise rechteckig, quadratisch oder kreisförmig sein oder irgendeine andere bevorzugte Gestalt aufweisen.
Wenn die Platten quadratisch oder rechteckig sind, kann sich jede Reihe von Schlitzen von einem ersten Rand der Platte parallel zu einem zweiten Rand der Platte und im wesentlichen über die ganze Länge jenes zweiten Rands erstrecken. Es ist klar, daß ein im wesentlichen unperforierter Rand oder Randbereich normalerweise um den Umfang der Hauptseiten der Platte herum nötig ist, um es zu ermöglichen, daß die Platten des Stapels miteinander verbunden werden und eine Druckhülle für den Strom oder die Ströme gebildet wird. Jedoch ist ein vollständig unperforierter Randbereich nicht nötig. Beispielsweise können in dem Randbereich Schlitze für Einlässe und Auslässe erforderlich sein. Deshalb kann sich eine Mehrzahl von Schlitzreihen durch die Platte hindurch erstrecken, und zwar vom ersten Rand zum gegenüberliegenden dritten Rand. Bezüglich der oben beschriebenen ersten Ausführungsform können neben jenem gegenüberliegenden dritten Rand die Schlitze am Ende der Reihe "L"-förmig sein, wodurch sich dann jede Reihe im rechten Winkel zu ihrer ursprünglichen Richtung, d.h. parallel zu dem dritten Rand, erstreckt. Eine zweite Richtungsänderung im rechten Winkel kann dann vorgesehen sein, wobei die Schlitzreihen dann sich parallel zu der ersten Mehrzahl von Reihen zurück durch die Platte hindurch erstrecken usw.
In Abhängigkeit von der Anzahl und der Breite der Reihen in jeder Mehrzahl von Reihen sowie von der Breite der Platte kann sich dieser Richtungswechsel mehrmals über die Platte hinweg wiederholen. Somit kann sich ein Durchgang, der durch mindestens ein Paar von perforierten Platten festgelegt ist, rückwärts und vorwärts durch die Platten hindurch erstrecken, d.h. es ist eine Mehrweganordnung.
Wenn die Platten kreisförmig sind, können sich die Reihen und die Durchgänge vom Außenumfang als ein Kreissegment zur Mitte erstrecken und dann mit einer Richtungsänderung in einem Winkel "α" zurück zum Umfang hin erstrecken usw. Die Reihen und Durchgänge (und damit die Schlitze) können mit Annäherung an die Mitte enger werden, wobei die Anzahl der Segmente und damit die Richtungsänderungen natürlich durch α° bestimmt werden. Wenn beispielsweise α° = 45°, gibt es acht Segmente.
In einer besonderen Anordnung der zuvor erwähnten zweiten Ausführungsform kann ein Stapel aus einer oder mehreren ähnlichen Gruppen von Platten aufgebaut sein, wobei jede Gruppe eine obere und eine untere unperforierte oder Primärplatte umfaßt, eine Zufuhrschicht mit mehreren Durchgängen, welche sich mit einer Primärplatte in Kontakt befindet und eine entsprechende Abgabeschicht mit mehreren Durchgängen, welche sich in Kontakt mit der anderen Primärplatte befindet, eine mittig angeordnete Schicht mit mindestens einem Durchgang für ein erstes Fluid und zwei oder mehr Übertragungsdurchgänge für ein Fluid von jedem Durchgang der Zufuhrschicht, eine erste perforierte Hilfsplatte, welche zwischen der Zufuhrschicht und der mittig angeordneten Schicht liegt und eine zweite perforierte Hilfsschicht, welche zwischen der Abgabeschicht und der mittig angeordneten Schicht liegt, wobei die Perforationen in der ersten perforierten Hilfsplatte so angeordnet sind, daß sie ein Fluid von jedem Durchgang der Zufuhrschicht zu den entsprechenden Übertragungsdurchgängen in der mittig angeordneten Schicht übertragen und die Perforationen in der zweiten perforierten Hilfsplatte so angeordnet sind, daß sie ein Fluid von den Übertragungsdurchgängen zu den entsprechenden Durchgängen der Abgabeschicht übertragen. Die mittig angeordnete Schicht kann praktischerweise aus einer Mehrzahl von perforierten Hauptplatten, wie oben beschrieben, gebildet sein, genau wie die Zufuhr- und Abgabe-Schichten.
Die Perforationen oder Schlitze werden vorzugsweise mit bekannten Mitteln photochemisch durch die Platten geätzt, obwohl auch gewünschtenfalls eine Funkenerosion, ein Stanzen oder irgendeine andere geeignete Maßnahme benutzt werden kann.
Es ist klar, daß die Schlitze in einer Platte der Gruppe von perforierten Hauptplatten nicht direkt jenen der benachbarten gestapelten perforierten Hauptplatte(n) entsprechen dürfen, so daß die nicht perforierten Bereiche der zwei Platten nicht vollständig übereinstimmen. Vielmehr müssen sie nur überlappen, so daß die durch die Platten der Gruppe festgelegten Strömungskanäle nicht blockiert werden. Wenn somit, wie es bevorzugt ist, einige oder alle Platten einer Gruppe identisch sind, müssen sie relativ zueinander mit einer Überlappung an einem Rand positioniert sein, so daß die quer verlaufenden massiven Bereiche oder Träger zwischen benachbarten Schlitzen einer Reihe nicht übereinstimmen und dadurch eine Sperre für eine Strömung entlang des Kanals bilden. Es ist auch klar, daß der Abstand der Querträger die Wärmeübertragungsleistung beeinflußt, da das Fluid oder die Fluide gezwungen werden, über oder unter den Trägern zu fließen. Somit können die Platten der art gestaltet sein, daß sie den Wärmeübergang ohne einen übermäßigen Druckabfall verbessern.
Wie oben gezeigt, ist an ausgewählten Stellen zwischen den Kanälen eines Durchgangs eine Verbindung vorgesehen. Somit können die gewünschten Querkanäle oder Belüftungsöffnungen eingeätzt oder in anderer Weise in den kontinuierlichen Lüftungsöffnungen der Platten ausgebildet sein, um einen Zugang zwischen benachbarten Kanälen zu schaffen. Die Belüftungsöffnungen können an irgendeiner gewünschten Stelle entlang den Strömungskanälen ausgebildet sein. Somit können Fluide, die durch getrennte Kanäle strömen, auf ihrem Weg durch die Durchgänge durch den Stapel hindurch an vorgegebenen Stellen gemischt werden. Dieses Mischen kann benutzt werden, um die Wärmeaustauschkapazität zu verbessern.
Zusätzlich können Einlässe für ein weiteres Fluid durch die Randbereiche hindurch am Umfang der Platten vorgesehen sein. Somit kann ein Reaktionspartner über die Einlässe im Randbereich am Umfang eingeführt und eingemischt werden, wodurch der Stapel als chemischer Reaktor eingesetzt werden kann.
Die Dichte der Schlitze und damit der Rippen oder Stege zwischen den Schlitzreihen kann nach Bedarf unterschiedlich sein. Somit kann die Anzahl der Schlitze pro Breiteneinheit oder pro Längeneinheit einer Platte derart gewählt sein, daß jedem Erfordernis bezüglich eines Wechsels von Durchfluß/Druckabfall/Verteilung entsprochen werden kann.
Die Schlitzreihen können sich geradlinig über die Platte erstrecken. Dies ist aber nicht erforderlich. Sie können nach anderen gewünschten Mustern, z.B. fischgrätartig oder zickzackförmig, angeordnet sein.
Die Platten können an ihren Rändern mit Verlängerungen, z.B. in Form von Ansätzen, versehen sein, um ein Positionieren der Platten in dem Stapel zu unterstützen. Derartige Ansätze können derart gestaltet sein, daß sie nach dem Zusammensetzen des Stapels abgebrochen werden können, z.B. durch teilweises Anätzen durch ihre Dicke hindurch entlang einer Linie, an welcher der Ansatz mit der Platte verbunden ist. Alternativ können die Verlängerungen in dem Stapel zusammenpassen, um an den Stapelseiten einen oder mehrere Behälter zu bilden. Jede Verlängerung kann beispielsweise in Form einer flachen Schleife, z.B. mit einem halbrunden Profil, ausgebildet sein und eine Öffnung an dem Rand der Platte bilden. Die Öffnungen benachbarter Platten stellen das Volumen des Behälters dar, wenn die Platten gestapelt sind. Die Schleifen können nicht nur an ihren Enden, sondern auch über die Öffnung hinweg mittels schmaler Bänder befestigt sein. Die so gebildeten Behälter können jeweils ein Fluid, z.B. ein Prozeßfluid, ein Kühlmittel oder einen Reaktionspartner, die den Behältern zugeführt werden, in die Kanäle eines Durchgangs einspeisen. Somit endet ein Behälter an der Seite des Stapels zusammen mit der Höhe und der Breite des zu beschickenden Durchgangs, d.h. mit einer Gruppe von Kanälen. Wenn die Stapel im Grundriß polygonal sind, kann ein Behälter an einer oder mehreren Seiten des Stapels vorgesehen sein. Wenn die Stapel im Grundriß kreisförmig sind, kann nach Wunsch eine Anzahl von Behältern im Abstand entlang des Umfangs angeordnet sein.
Wie oben angegeben, sind die erfindungsgemäßen Stapel besonders gut angepaßt, um einen Mehrstrombetrieb und einen Mehrwegbetrieb zu erreichen.
Platten, welche für die erfindungsgemäßen Produkte verwendet werden, können auch mit einem Loch versehen sein, das beispielsweise in der Mitte durch jede Platte hindurch ausgebildet ist, wodurch der Plattenstapel einen zentral angeordneten diskreten Durchgang für einen Fluidstrom durch den Stapel aufweist. Um dort, wo ein zentrales Loch ausgebildet ist, den Verlust an Strömungsfläche auszugleichen, ist es dort, wo die Platte mit integrierten Behälterschleifen ausgerüstet ist, möglich, daß sich die Platte zwischen benachbarten Schleifen nach außen erstreckt.
Die Platten eines Stapels bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material und sind vorzugsweise dünne Metallplatten, beispielsweise mit einer Dicke von 0,5 mm oder weniger. Das Material ist vorzugsweise Edelstahl. Es können aber auch andere Metalle, z.B. Aluminium, Kupfer oder Titan oder Legierungen hiervon, eingesetzt werden.
Einlaß- und Auslaß-Kopfplatten oder Verteiler für die verschiedenen Fluide können an dem Stapel befestigt werden, nachdem die Stapelplatten miteinander verbunden worden sind. Alternativ können diese Teile auch aus integrierten Teilen der Platten gebildet werden.
Wie oben angegeben, können die Komponenten eines Stapels durch Diffusionsverbinden oder durch Verlöten miteinander verbunden werden. Soweit möglich, kann das Diffusionsverbinden bevorzugt sein. Jedoch kann im Fall von Aluminium, das nur schwer durch Diffusion verbunden werden kann, ein Verlöten nötig sein. Es ist dann bevorzugt, die Aluminiumoberflächen z.B. durch ein Heißwalzen-Druckverbinden mit einer geeigneten Lötlegierung zu plattieren, um eine ausreichende Verbindung durch die Löttechnik zu erreichen, obwohl auch andere Maßnahmen zur Bereitstellung des Lötmediums, z.B. das Aufbringen einer Folie oder eine Dampfabscheidung, angewandt werden kann.
Die Erfindung ist besonders nützlich, wo es erwünscht ist, einen großen Wärmeaustauscher durch Ver binden einer Anzahl von Wärmeaustauschereinheiten Seite an Seite aufzubauen. Jede Einheit kann mit einem Plattenstapel gemäß der Erfindung ausgerüstet werden. Jeder Stapel kann, was nur beispielhaft gilt, aus Platten mit beispielsweise einer Breite von 300 mm und einer Länge von 1200 mm und der gewünschten Höhe in Abhängigkeit von der Dicke und der Anzahl der Platten gebildet werden. Mehrere Stapel können Seite an Seite an einer Trennplatte angeordnet werden, und dann kann die Anordnung an der Oberseite durch eine andere Trennplatte geschlossen werden. Wenn beispielsweise sechs Stapel Seite an Seite benutzt werden, wird ein Wärmeaustauscher mit einer Länge von etwa 1800 mm erhalten. Alle erforderlichen Ansätze, Gehrungsabschnitte, Abstandhalter usw. können integriert ausgebildet und aus geeigneten Formen an jeder Platte aufgebaut sein, und alle Stapel können die gleiche Höhe aufweisen sowie aus identischen Platten erhalten worden sein. Eine derartige Anordnung hat deutliche Vorteile bei der Herstellung von beispielsweise "kryogenen" Aluminiumwärmeaustauschern, die üblicherweise aus Lagen von gewellten Bauteilen mit getrennten Seitenträgern aufgebaut werden müssen. Wenn die Höhe der Seitenträger relativ zu der Höhe der Wellenform nicht korrekt ist, kann sich ein Mangel an Einheitlichkeit und an nicht zufriedenstellendem Verlöten des Produkts ergeben.
Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, worin
1 eine Draufsicht auf eine Form einer perforierten Hauptplatte für den Einsatz bei der Erfindung gemäß der Stammanmeldung Nr. 98924469.4 zeigt;
2 eine Draufsicht auf eine zweite Form einer perforierten Hauptplatte mit Querkanalöffnungen für den Einsatz bei der Erfindung zeigt;
2A eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils einer Rippe zwischen den schlitzförmigen Perforationen der Platte gemäß 2 zeigt;
2B eine ähnliche Ansicht wie 2A mit einer Variante bezüglich des Abstands der Querkanalöffnungen zeigt;
3 einen Schnitt durch eine Gruppe von Kanälen, die zwischen zwei benachbarten perforierten Hauptplatten ausgebildet sind, zeigt;
4 eine schematische Grundrißdarstellung eines erfindungsgemäßen Stapels, mit einer Konstruktion mit mehreren Durchgängen und mehreren Wegen zeigt.
In 1 weist eine perforierte Hauptplatte 10 für den erfindungsgemäßen Einsatz der Stammanmeldung eine rechteckige Gestalt auf und hat vier Ränder 10A, 10B, 10C, 10D. Es sind eine Reihe von Perforationen in Form von länglichen Schlitzen 11 durch die Dicke der Platte hindurch vorgesehen. Die Schlitze 11 sind in parallelen Reihen angeordnet, die vier Hauptgruppen von Reihen bilden, welche sich zwischen den Rändern 10A und l0C über die Platte hinweg erstrecken. Wie dargestellt ist, gibt es 16 Schlitzreihen in jeder Gruppe von Reihen. Jedoch ist klar, daß nach Wunsch mehr oder weniger Reihen von Schlitzen pro Gruppe (und mehr oder weniger Gruppen über die Platte hinweg) gewählt werden können.
Querträger oder Strömungsunterbrecher 12 trennen jeden Schlitz von benachbarten Schlitzen in der gleichen Reihe. (Es ist klar, daß die Träger 12, die normalerweise über die Platte hinweg verlaufend gezeigt werden, gewünschtenfalls auch abgewinkelt sein können). Schmale Stege oder Rippen 13, die sich in Richtung der Schlitze erstrecken, trennen jeden Schlitz in einer Reihe von einem Schlitz in einer benachbarten Reihe.
Ein unperforierter Randbereich 14 erstreckt sich um die ganzen Ränder 10B, 10C, 10D der Platte herum. Der Mittelabschnitt des Rands 10A ist auch unperforiert, jedoch Gruppen von Randschlitzen 15 und 16, entsprechend der ersten und der vierten Schlitzgruppe, perforieren den Rest des Randes 10A.
Positionierungsansätze 17 sind im Mittelbereich jedes Randes 10A, 10B, 10C, 10D integriert ausgebildet.
Wenn sich die Reihen der Schlitze 11 der ersten Gruppe dem Randbereich 14 an dem Rand l0C nähern, ändert ein L-förmiger Schlitz 19A die Richtung seiner Reihe um einen rechten Winkel, so daß die Reihe, die parallel zum Rand 10B verlief, sich nun parallel zur Seite 10C fortsetzt. Ein zweiter L-förmiger Schlitz 19B ändert dann die Richtung jeder Reihe um einen zweiten rechten Winkel, so daß die Reihen, welche nun die zweite Gruppe von Reihen bilden, sich rückwärts über die Platte hinweg parallel zum Rand 10B fortsetzen. Dieses Muster wird wiederholt, wenn sich die zweite Gruppe von Schlitzreihen dem Randbereich am Rand 10A nähert, wobei L-förmige Schlitze 19C die Richtung der Reihen derart ändern, daß sie sich parallel zum Rand 10A fortsetzen. Dann folgen L-förmige Schlitze 19D, welche die Reihen wieder parallel zum Rand 10D laufen lassen.
Schließlich werden die Reihen, wenn sie sich wieder dem Randbereich 10C nähern, durch L-förmige Schlitze 19E in der Richtung geändert und verlaufen dann parallel zum Rand 10C. Dann erstrecken sich eckenförmige Schlitze 19F parallel zum Rand 10D.
Wenn zwei Platten 10 derart übereinander angeordnet werden, daß sie sich in einem geringen Umfang an ihren Rändern 10A (und 10C) überlappen, jedoch ihre Ränder 10B und 10D ausgerichtet sind, sind die Querträger 12 der einen Platte bezüglich jener der anderen Platte ausreichend außerhalb der Flucht, so daß damit keine Überlappung besteht. Dadurch werden Strömungskanäle entlang der Schlitzreihen gebildet, da die Querträger die Strömung nicht verhindern. Da die Stege oder Rippen 13 der übereinanderliegenden Platten ausgerichtet sind, bildet jede Schlitzreihe einen diskreten Strömungskanal, der vom benachbarten Strömungskanal getrennt ist.
Wenn somit die beiden übereinanderliegenden Platten zwischen einem Paar von unperforierten Platten verbunden werden, bildet eine Gruppe von unabhängigen diskreten Strömungskanälen einen Durchgang, der viermal durch den so gebildeten Stapel hin und her kreuzt. Deshalb kann ein Fluid in Richtung der Pfeile an den Randschlitzen 15 in den Stapel eintreten und ihn nach vier Wegen durch den Stapel in Richtung der Pfeile an den Randschlitzen 16 wieder verlassen.
Da die Stege ausgerichtet sind, kann der Stapel in den Randbereichen der Platten 10 durch Diffusionsverbinden verbunden werden, ohne das Risiko des Zusammenfallens von Stegen einzugehen.
Es ist klar, daß ein Stapel für die Zwecke des Wärmeaustausches mindestens zwei Gruppen von Paaren von übereinander angeordneten Platten aufweist, wobei jede Gruppe von der benachbarten durch eine unperforierte Trennplatte abgeteilt ist. Dann können verschiedene Fluide durch jede Gruppe strömen, um einen gewünschten Wärmeaustausch zu bewirken.
Es ist auch klar, daß in jeder Gruppe auch mehr als zwei perforierte Platten vorliegen können.
In der 2 ist eine Platte 20 mit Querkanälen oder Öffnungen für den erfindungsgemäßen Einsatz dargestellt. Die Platte 20 ist im wesentlichen ähnlich konstruiert wie die Platte 10 gemäß der 1, um eine Vierwegeanordnung zu erreichen. Jedoch sind die Schlitze 21 in der ersten und der zweiten Gruppe von Schlitzen zickzackförmig und nicht geradlinig in länglicher Form gestaltet. Dadurch ergibt sich ein Fischgrätmuster der Durchgänge in den ersten zwei Wegen der Fluidwege durch einen Stapel mit Paaren von Platten 20.
Die Platte 20 weist Querkanalöffnungen 22 durch die Rippen oder Stege 23 hindurch auf, die jeden Schlitz in einer Reihe von einem Schlitz in einer benachbarten Reihe trennt. Diese Öffnungen ermöglichen es, daß an vorgegebenen Stellen ein Mischen des Fluids stattfindet, und zwar zwischen den sonst diskreten unabhängigen Strömungskanälen, die gebildet werden, wenn zwei oder mehr Platten 20 zusammen gestapelt werden.
Die Öffnungen 22 werden in 2 in regelmäßig sich wiederholenden Abständen dargestellt und in 2A in einem größeren Maßstab gezeigt, wo ein Teil eines Stegs 23 dargestellt ist. Die Öffnungen können durch Wegätzen von beispielsweise etwa der Hälfte der Rippendicke erzeugt werden.
Die Größe und die Lage der Öffnungen können so angepaßt werden, daß sie den besonderen Anforderungen entsprechen, und gemäß 2B kann der Abstand a oder b der Öffnungen variabel sein, wenn es gewünscht wird. Beispielsweise kann es erwünscht sein, den Abstand der Öffnungen bei Annäherung an die L-förmigen Schlitze zu ändern.
Die Platte 20 weist auch eine Gruppe von Einführungsöffnungen 24, 25 und 26 auf, die angeordnet sind, um ein zweites sowie gewünschtensfalls drittes und viertes Fluid in ein Prozeßfluid einzuführen, das durch einen Stapel mit mindestens einem Paar Platten 20 hindurchtritt. Einführungsöffnungen 24 stehen durch den Randbereich 27 der Platte mit einer Reihe von Schlitzen 21A in Verbindung, die parallel zum Rand 20C verlaufen. In ähnlicher Weise stehen Einführungsöffnungen 25 mit einer Reihe von Schlitzen 21B in Verbindung, die parallel zum Rand 20A der Platte angeordnet sind, und Einführungsöffnungen 26 stehen mit einer zweiten Reihe von Schlitzen 21C in Verbindung, die parallel zum Rand 20C angeordnet sind.
An einer ersten Gruppe von Schlitzen 28 am Rand 20A tritt ein Prozeßfluid in Richtung der Pfeile ein und macht einen ersten Weg durch einen Stapel zum Rand 20B, wo es im rechten Winkel die Richtung ändert und parallel zum Rand 20C verläuft. Ein zweites Fluid kann dann durch die Öffnungen 24 eingeführt werden, bevor die Fluide dann wiederum die Richtung in einem rechten Winkel ändern, um zum Rand 20A zurückzukehren, wo ein weiteres Fluid, welches das zweite oder ein drittes Fluid sein kann, durch Öffnungen 25 eingeführt wird. Die Fluide ändern erneut die Richtung und strömen zurück zum Rand 20C, wo sie wie der die Richtung ändern, und es wird ein weiteres Fluid durch Öffnungen 26 eingeführt, bevor die Fluide schließlich zum letzten Mal ihre Richtung ändern, um es wird zum Rand 20A zu strömen, wo sie in Richtung der Pfeile durch Schlitze 29 austreten.
Wie in 2 gezeigt wird, sind Eintrittsschlitze 28 und Austrittsschlitze 29 ausgebildet, die sich an integriert gebildeten Öffnungszungen 30 bzw. 31 befinden. Diese Zungen sind mit einer Schwächung hergestellt, zum Beispiel sind sie bis zur Hälfte ihrer Dicke angeätzt, so daß sie abgebrochen werden können, nachdem der gewünschte Stapel errichtet worden ist.
Somit können beim Einsatz von Platten gemäß 2 zwei oder mehr Fluide über die Einführungsöffnungen und die Querkanalöffnungen gemischt werden. Die Einführungsöffnungen 24 sind derart angeordnet, daß irgend eine anfängliche Turbulenz des in den Stapel eintretenden Fluids abklingen kann, bevor das zweite Fluid eingeführt wird. Die Einführungsöffnungen 25 sind derart positioniert, daß jede Reaktionswärme, die durch das Einführen des zweiten Fluids entsteht, durch ein Kühlfluid in den benachbarten Plattendurchgängen abgeführt wird, bevor weiteres Fluid zugeführt wird. Ähnliche Öffnungen 26 sind angeordnet, um nach dem Einführen bei den Öffnungen 25 eine Wärmeabfuhr zu ermöglichen, bevor ein weiteres Einführen stattfindet.
Es ist daher einzusehen, daß die Erfindung einen Wärmeaustauscher/Mischer/Reaktor bereitstellen kann, in welchem eine sogenannte Prozessintensivierung wirksam verwendet werden kann, d.h., der erfindungsgemäße Stapel kann verwendet werden, um die in einer exothermen chemischen Reaktion produzierte Wärme zu steuern und abzuleiten. Er kann verwendet werden, eine konstantere Reaktionstemperatur bei der optimalen Temperatur aufrecht zu erhalten. Er kann verwendet werden, Wärme zuzufügen, falls dies für den Beginn einer Reaktion erforderlich ist, und dann die Wärme abzuleiten, wenn sich die Reaktionswärme aufbaut. Damit können die Gefahren herkömmlicher Mischbehälter, d.h. Überhitzung, und die Unannehmlichkeit, kleine Mengen an Reaktionpartnern mischen zu müssen, halten zu müssen, rühren zu müssen und dann weitere kleine Mengen hinzufügen zu müssen, viel energieeffizienter überwunden werden
In der 3 ist eine Gruppe von Kanälen 30 dargestellt, die durch Rippen oder Stege 31 gebildet werden, welche sich über den Strömungsweg eines Fluids zwischen zwei unperforierten Platten 32, 33 erstrecken. Die Rippen 31 werden durch benachbartes Anordnen von Rippen 31A und 31B von zwei perforierten Platten gebildet. Wie dargestellt ist, ist der Querabstand der Rippen variabel.
Es ist klar, daß die Schlitze in den Reihen und somit die Längserstreckung der Stege entlang den Reihen auch variieren kann, so daß eine große Vielfalt von Änderungen des Längs- und des Querabstands möglich ist.
In 4 wird ein Stapel 50 gezeigt, der vier Gruppen von perforierten Platten aufweist, mit denen vier getrennte Durchgänge durch den Stapel gebildet werden. Jede Gruppe enthält eine identische Anordnung von perforierten Platten, welche mindestens ein Paar übereinander liegender Platten sind, ähnlich jenen in 1 oder 2, d.h., jede Gruppe hat einen Vierwegedurchgang durch die Platte für ihr Fluid, d.h. der Stapel ist eine Vierstromvierwege-Anordnung.
Wie dargestellt ist, weist die erste Plattengruppe bei 51 einen Einlaß und bei 52 einen Auslaß für den ersten Strom auf. Die zweite Gruppe hat bei 53 einen Einlaß und bei 54 einen Auslaß für den zweiten Strom. Die dritte Gruppe hat bei 55 einen Einlaß und bei 56 einen Auslaß für den dritten Strom. Die vierte Gruppe hat bei 57 einen Einlaß und bei 58 einen Auslaß für den vierten Strom.
Eine Öffnungszunge, die dargestellt ist, bevor sie abgebrochen wird, ist für den Einlaß und den Auslaß jeder Gruppe zu sehen, d.h. für jeden Durchgang durch den Stapel. Die Zungen 51A und 52A; 53A und 54A; 55A und 56A; sowie 57A und 58A entsprechen jeweils den Einlässen bzw. den Auslässen mit der gleichen Bezugszahl.
Wie aufgrund der Zungen ersichtlich ist, wird jede Plattengruppe in dem Stapel um 90° im Uhrzeigersinn gedreht, und zwar relativ zu der Gruppe daneben, um die gewünschte Konstruktion zu erreichen.
Es ist klar, daß die Richtung der Strömung der Fluide, die Anzahl der Durchgänge und die Anzahl der Platten in jeder Lage des Stapels durch einen Fachmann leicht variiert werden kann, um besondere Anforderungen zu erfüllen.

Claims

Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung mit einem gebundenen Plattenstapel, der mindestens eine Gruppe von perforierten Hauptplatten (20) aufweist, von denen bei mindestens zwei benachbarten Platten (20) der Gruppe von perforierten Hauptplatten ihre Perforationen (21) in Reihen auf kontinuierliche Rippen (23) zwischen benachbarten Reihen und Querstegen (12) zwischen benachbarten Paaren von Perforationen (21) in einer Reihe ausgerichtet haben, und die benachbarten Platten (20) ausgerichtet sind, wodurch die Reihen von Perforationen (21) in einer Platte (20) in der Richtung der Reihen mit den Reihen von Perforationen (21) einer benachbarten Platte überlappen, und wobei die Querstege (12) einer Platte (20) mit jenen einer benachbarten Platte (20) nicht überlappen, und die Rippen (23) von benachbarten Platten in Übereinstimmung miteinander liegen, um diskrete Fluidkanäle (30) zu bilden, die sich über die Platten hinweg erstrecken, wobei ein Kanal (30) jeder Reihe von Perforationen (21) entspricht, und die Kanäle (30) zusammen ein oder mehrere Fluiddurchgänge über die Platten hinweg bilden sowie der Durchgang oder die Durchgänge in der Gruppe der perforierten Hauptplatten von dem Durchgang oder den Durchgängen in einer benachbarten Gruppe von perforierten Platten durch eine eingreifende Platte (30, 32) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass Querkanäle oder Öffnungen (22) in den kontinuierlichen Rippen (23) ausgebildet sind, wodurch eine Verbindung zwischen den Kanälen (30) eines Durchgangs bereitgestellt wird.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationen (21) der perforierten Hauptplatten (20) längliche Schlitze sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationen (21) am Ende einer Reihe von Perforationen derart gestaltet sind, dass sie ihre entsprechenden Kanäle (30) über einen Winkel umlenken, wodurch sich die durch die Kanäle gebildeten Durchgänge in einer unterschiedlichen Richtung fortsetzen.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationen (21) am Ende einer Reihe von Perforationen "L"- oder "V"-förmig ausgebildet sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (20) quadratisch oder rechteckig ausgebildet sind und sich eine Reihe von Schlitzen (21) von einem ersten Rand (20A) der Platte parallel zu einem zweiten Rand der Platte über im Wesentlichen die ganze Länge des zweiten Rands erstreckt sowie neben dem dritten Rand (20C) der Platte gegenüber dem ersten Rand ein erster L-förmiger Schlitz (21) die Reihe umkehrt, so dass sie sich parallel zu dem dritten Rand erstreckt, und dann ein zweiter L-förmiger Schlitz (21) die Reihe umkehrt, so dass sie sich zurück zum ersten Rand (20A) erstreckt.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten kreisförmig ausgebildet sind und sich die Durchgänge vom Außenumfang eines Segments des Kreises zur Mitte hin erstrecken, sich über einen Winkel umkehren, um sich zurück zum Umfang zu erstrecken, und sich dann über einen ähnlichen Winkel zurück zur Mitte erstrecken usw.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei oder mehr getrennte Durchgänge, die über eine Gruppe von Platten (20) hinweg vorgesehen sind, wodurch Ströme verschiedener Fluide parallel zueinander in der gleichen Schicht fließen können.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Perforationen (21) in den Platten (20) photochemisch durch die Platten hindurch geätzt sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle oder Öffnungen (22) in einem variablen Abstand entlang ihrer jeweiligen Rippen (23) angeordnet sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Umfangsränder (27) einer Platte (20) Einlassöffnungen (24, 25, 26) ausgebildet sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten an ihren Rändern mit Verlängerungen in Form von Ansätzen (17) versehen sind, die dazu dienen, die Anordnung der Platten zu unterstützen, wenn sie zusammengestapelt werden, wobei die Ansätze eine Schwächungslinie aufweisen, mit deren Hilfe sie von den Platten abgebrochen werden können, wenn dies erwünscht ist.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (20) an ihren Rändern mit integral ausgebildeten Zungen (31) versehen sind, welche an den Einlassöffnungen (28) und den Auslassöffnungen (29) für die Platten angeordnet sind sowie Schwächungslinien aufweisen, mit deren Hilfe sie von den Platten abgebrochen werden können, wenn dies erwünscht ist.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten an ihren Rändern eine oder mehrere Verlängerungen in Form von Schleifen aufweisen, wobei jede Schleife eine Öffnung am Rand ihrer Platte bildet, wodurch die Öffnungen von benachbarten Platten einen oder mehrere Behälter ausbilden, wenn die Platten zusammengestapelt sind, sowie die Einlässe und die Auslässe zu den durch die Platten gebildeten Durchgängen durch die Behälter hindurch vorgesehen sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten dünne Metallplatten mit einer Dicke von 0,5 mm oder weniger sind und durch Hartlöten oder Diffusionsverbinden miteinander verbunden sind.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten aus rostfreiem Stahl, Aluminium, Kupfer, Titan oder Legierungen hiervon bestehen.
Wärmeaustauscher oder Fluidmischvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingreifende Platte eine Mehrzahl von Löchern aufweist, deren Anordnung und Größe für ein Steuern des Mischens der Fluide in dem genannten Durchgang ausgewählt sind.