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Die
Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher zum Wärmeaustausch
zwischen mindestens zwei Medien bestehend aus einer Vielzahl stapelförmig
angeordneter Passagen, welche durch Trennbleche voneinander getrennt
sind, und wobei die Passagen strukturiert sind, sowie ein Verfahren zur
Herstellung eines Plattenwärmeaustauschers. Die Erfindung
wird anhand eines Plattenwärmeaustauschers aus Aluminium
beschrieben, ist aber prinzipiell für einen beliebigen
Wärmetauscher anwendbar, der die Merkmale gemäß dem
Oberbegriff des Anspruches 1 aufweist. Insbesondere ist die vorliegende
Erfindung zur Anwendung bei Plattenwärmeaustauschern aus
Edelstahl oder hochwarmfesten Stahl geeignet, welche auf dem sogenannten Stab-Platte-Prinzip
beruhen.
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Üblicherweise
bestehen Plattenwärmeaustauscher aus Aluminium zum Wärmeaustausch
zwischen mindestens zwei Medien aus einer Vielzahl stapelförmig
angeordneter Passagen, welche durch Trennbleche voneinander getrennt
sind. Die einzelnen Passagen sind prinzipiell ähnlich und
parallel angeordnet. Der Wärmeaustausch zwischen den am Wärmeaustausch
teilnehmenden Medien findet dabei zwischen benachbarten Passagen
statt, wobei die Passagen und somit die Medien bzw. Druckräume
durch Bleche, üblicherweise als Trennbleche bezeichnet,
voneinander getrennt sind. Der Wärmeaustausch erfolgt mittels
Wärmeübertragung über die Trennbleche.
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Nach
dem Stand der Technik existiert innerhalb der einzelnen Passagen
eine wellenförmige Struktur, die die Kanäle zur
Führung des Mediums bildet. Die Wellenberge der wellenförmigen
Struktur sind mit den jeweils benachbarten Trennblechen verbunden.
Die am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien sind somit im
direkten Wärmekontakt mit den wellenförmigen Strukturen,
so dass der Wärmeübergang durch den thermischen
Kontakt zwischen den Wellenbergen und Trennblechen gewährleistet
ist. Zur Optimierung der Wärmeübertragung wird
die Ausrichtung der wellenförmigen Struktur in Abhängigkeit
vom Anwendungsfall so gewählt, dass Gleich-, Kreuz-, Gegen-
oder Kreuz-Gegenströmung zwischen benachbarten Passagen
ermöglicht wird. Dieser Stand der Technik ist auch in der
DE 103 43 107 beschrieben.
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Die
wellenförmigen Strukturen innerhalb der Passagen erfüllen
drei Aufgaben. Zum einen wird durch den thermischen Kontakt zwischen
der wellenförmigen Struktur und dem Trennblech der Wärmeaustausch
zwischen zwei Medien in benachbarten Passagen gewährleistet.
Zum anderen stellen die wellenförmigen Strukturen die Verbindung
zum Trennblech her. Zum dritten dienen die Flanken der wellenförmigen
Struktur zur Einleitung der, durch den Innendruck entstehenden,
Kräfte in die Verbindung zwischen Wellenberg, Lot und Trennblech.
Nach dem Stand der Technik wird das Lot beidseitig auf die Trennbleche
aufgetragen, auf die Wellenberge aufgetragen oder vor dem Lötvorgang
zwischen Wellenstruktur und Trennblech eingebracht, wodurch der
direkte Kontakt zwischen Trennblech und Wellenberg hergestellt wird.
Der auf diese Art und Weise entstehende Stapel aus Passagen mit
wellenförmigen Strukturen und Trennblechen kann anschließend nach
dem Stand der Technik als gesamter Stapel in einem Lötofen
zur Verlötung des Stapels eingebracht werden.
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Nach
dem Stand der Technik werden die wellenförmigen Strukturen
aus dünnen Blechen hergestellt, welche mit einer Presse
oder anderen zur Verformung geeigneten Werkzeugen zu wellenförmigen Strukturen
gefaltet werden. Durch die bei dem Umformprozess einzuhaltenden
Randbedingungen, wie Radien am Übergang zwischen Wellenberg
und Flanke, und die beim Umformprozess auftretenden Toleranzen hinsichtlich
der zu erreichenden Idealform ist die mechanische Festigkeit eines
Wärmetauschers begrenzt, was bei Anwendung mit Medien unter
hohen Drücken, hohen Temperaturen oder der Kombination
aus Beiden Probleme bereitet. Um die mechanische Festigkeit eines
derartigen Plattenwärmeaustauschers weiter zu verbessern,
schlägt die
DE 103
43 107 vor, die wellenförmigen Strukturen aus
einer dicken Platte, die entweder warm extruiert ist oder mit spanabhebenden
Verfahren hergestellt wird, zu fertigen. Dabei werden weitere Parameter zum
Verhältnis zwischen Dicke der wellenförmigen Struktur
selbst und ihrer Teilung, d. h. Wellenlänge und Wellenamplitude,
vorgeschlagen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmeaustauscher
sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Plattenwärmeaustauschers
derart auszugestalten, dass die Festigkeit des Plattenwärmeaustauschers
unter hohem Druck erhöht wird.
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Die
vorliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass mindestens
eine Passage aus einer Vielzahl von Profilen besteht.
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Im
Rahmen dieser Anmeldung beziehen sich räumliche Begriffe
wie oben, unten oder seitlich auf die Betrachtung der Passage in
der Ebene, in der die am Wärmeaustausch beteiligten Medien
strömen.
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Entgegen
dem Stand der Technik werden die wellenförmigen Strukturen
innerhalb der Passagen nicht durch umgeformte Bleche sondern durch
Profile gebildet. Im Stand der Technik wird versucht eine im Wesentlichen
wellenförmige Struktur herzustellen, die rechtwinklige
Flanken aufweist, um eine hinreichend große Kontaktfläche
zwischen Lot und Trennblech herzustellen und eine möglichst
senkrechte Krafteinleitung am Trennblech zu erreichen. Dies ist jedoch
fertigungstechnisch schwierig erreichbar. Bei Wellenstrukturen,
die aus gebogenen Blechen hergestellt werden, stehen zwei Kanten
in der Regel nicht senkrecht aufeinander, sondern weisen Radien und
schräge Flanken in der Verbindung auf. Dies lässt
sich zwar mit dem in
DE 103
43 107 vorgeschlagenen spanabhebenden Verfahren vermeiden,
jedoch geht hier die Rechteckform in der Regel durch den Lötvorgang
verloren. Durch die Radien an der wellenförmigen Struktur
bildet sich eine Kehlnaht zwischen Wellenberg der wellenförmigen
Struktur und dem Trennblech. Das Lot weist in der Regel eine deutlich
inhomogenere Struktur im Vergleich zum Grundwerkstoff der wellenförmigen
Struktur und des Trennbleches auf. Anhäufungen von sprödem
Gefüge in den Kehlungen führen im Betrieb des
Plattenwärmeaustauschers bei hohen mechanischen Beanspruchungen
zu Schädigungen der Lötung durch Anrisse in der
Kehlnaht. Dadurch wird sowohl der Grundwerkstoff der wellenförmigen
Struktur geschwächt als auch im Weiteren die Verbindung
zum Trennblech geschädigt.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher wird
dieser Nachteil vermieden. Gemäß der Erfindung
wird die wellenförmige Struktur durch einzelne Profile
ersetzt, welche nebeneinander angeordnet werden. Durch die erfindungsgemäße
Verwendung von Profilen wird die Kontaktfläche zwischen
Trennblech und Struktur der Passage deutlich vergrößert. Zusätzlich
sind Profile mit sehr guten Winkligkeiten und Festigkeiten auf dem
Markt vorhanden, so dass die Kontaktfläche auch nach dem
Lötvorgang im Wesentlichen die gleiche Form wie vor dem
Lötvorgang aufweist. Das Ausbilden einer Kehlnaht, welche
bei Belastung unter hohem Druck leicht einreißen kann, wird
durch die vorliegende Erfindung auf ein Minimum reduziert. Zudem
ist die Krafteinleitung dadurch günstiger, da die Stege
bei diesen Profilen nahezu senkrecht stehen und somit ein Abschälen
der beiden Kontaktflächen voneinander erschweren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird/werden mindestens eine,
bevorzugt alle, Passage/n durch nebeneinander angeordnete Hohlprofile
gebildet. Bevorzugt weisen die miteinander verbundenen Hohlprofile
einen quadratischen oder einen rechteckigen Querschnitt auf. Durch
die Verwendung von Hohlprofilen mit quadratischem oder rechteckigem
Querschnitt ergeben sich ebene bzw. plane Flächen, welche
sehr gut zur Benetzung mit Lot und dadurch zur Kontaktierung der Hohlprofile
mit den benachbarten Trennblechen geeignet sind. Die verwendeten
Hohlprofile können dabei einteilig, d. h. aus einem Stück
bestehend, oder mehrteilig, d. h. aus miteinander verschweißten
Profilteilen zusammengesetzt, sein. Durch die Verwendung von quadratischen
oder rechteckigen Hohlprofilen wird in dieser Ausgestaltung der
Erfindung die Kontaktfläche zwischen Trennblechen und Profil
der Passage bei ähnlicher Struktur im Vergleich zum Stand
der Technik verdoppelt. Wo im Stand der Technik nur eine Kante Kontakt
mit dem oberen oder unteren Trennblech hat, haben bei rechteckigen
oder quadratischen Profilen in dieser Ausgestaltung der Erfindung
jeweils die beiden gegenüberliegenden Seiten des Profils
Kontakt mit dem Trennblech. Dadurch wird die Stabilität
des Wärmetauschers wesentlich gesteigert.
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Vorteilhafterweise
sind die Hohlprofile derart angeordnet, dass sich zwischen ihnen
kein Zwischenraum ergibt, d. h. zwei benachbarte Hohlprofile stoßen
an ihren Seitenkanten aneinander. In dieser Ausgestaltung der Erfindung
strömen die am Wärmeaustausch beteiligten Medien
innerhalb der Hohlprofile. Somit wird die Druckbelastung auch im
Wesentlichen von den Hohlprofilen aufgenommen. Das heißt in
dieser Ausgestaltung der Erfindung wirkt der Druck nicht wie im
Stand der Technik primär auf die Verbindung zwischen wellenförmiger
Struktur und Trennblech, sondern wird durch die Hohlprofile selbst
wesentlich gleichförmiger verteilt und in die Struktur
eingeleitet. Somit wird die Verbindung zwischen Hohlprofil und Trennblech
deutlich geringeren Beanspruchungen ausgesetzt, wodurch das Risiko
des Abschälens der Verbindung zwischen Hohlprofil und Trennblech
nochmals deutlich minimiert wird.
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Dadurch
wird die mechanische Festigkeit des Plattenwärmeaustauschers
gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung deutlich
gegenüber dem Stand der Technik erhöht. Des Weiteren
wird das Risiko der Verschlechterung des Wärmeübergangs durch
eine Verschlechterung der Verbindung zwischen Hohlprofilen und Trennblech
minimiert.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird/werden mindestens
eine, bevorzugt alle, Passage/n durch nebeneinander angeordnete
Doppel-T-Profile gebildet. Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung
ist die Kontaktfläche zwischen Profil der Passage und Trennblech
deutlich höher als im Stand der Technik. Die Doppel-T-Profile
sind dabei derart in der/den Passagen angeordnet, dass die beiden
Balken des Doppel-T an die Trennbleche stoßen und der Steg
zwischen den Balken senkrecht auf dem Trennblech steht. Die Kontaktierung
zwischen Trennblech und Profil erfolgt über die beiden
Balken des Doppel-T. Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung
werden die Profile bevorzugt derart angeordnet, dass sich zwischen
ihnen kein Zwischenraum ergibt, d. h. die beiden Balken des Doppel-T
stoßen an die beiden Balken des benachbarten Doppel-T.
Auch in dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck somit
im Wesentlichen von dem Profil selbst aufgenommen und wirkt nicht
auf die Verbindung zwischen Profil und Trennblech.
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Je
nach Höhe der mechanischen Beanspruchung des Plattenwärmeaustauschers
können somit sowohl die Hohlprofile als auch die Doppel-T-Profile auf
Stoß oder voneinander beabstandet angeordnet werden.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung weisen die Profile an nicht mit den
Trennblechen verbundenen Seiten Perforationen auf. Die seitlichen Perforation,
d. h. Öffnungen der Profile in der Ebene der Passage, in
der die am Wärmeaustausch beteiligten Medien strömen,
erlauben eine Quervermischung, des in der Passage strömenden,
Mediums. Dadurch wird der Wärmeübergang weiter
verbessert.
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Gemäß einer
anderen Ausgestaltung sind die Hohlprofile einer Passage seitlich
ganz oder teilweise verschlossen.
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Vorteilhafterweise
bestehen die Profile und die Trennbleche aus Aluminium, Stahl, Edelstahl, hochwarmfesten
Stahl und/oder einer Nickelbasislegierung. Dabei können die
genannten Materialien auch kombiniert werden, z. B. können
die Profile aus Stahl und die Trennbleche auch hochwarmfesten Stahl
ausgeführt werden.
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Der
erfindungsgemäße Plattenwärmeaustauscher
ist besonders vorteilhaft ein Plattenwärmeaustauscher,
wie er in unterschiedlichen Prozesssegmenten in Luftzerlegungsanlagen,
petrochemischen Anlagen, Wasserstoffanlagen oder Erdgasanlagen eingesetzt
wird. In Erdgasanlagen wird dabei beispielsweise über den
Wärmeaustauscher Erdgas Wärme entzogen und das
Erdgas dadurch verflüssigt und von den Nebenprodukten abgetrennt.
Auch in Synthesegasanlagen kann ein solcher Plattenwärmeaustauscher
u. a. zur Abtrennung und weiteren Verwertung von Stoffen (H2, CO,
CO2, CH4) oder zur Vorwärmung der Einsatzstoffe eingesetzt
werden. In Ethylenanlagen werden derartige Wärmeaustauscher
zur Abtrennung von Ethylen eingesetzt, in Luftzerlegungsanlagen
finden Plattenwärmeaustauscher Anwendung im Kondensator
und Verdampfer. Allgemein können die gewünschten
Stoffströme mit Hilfe des Plattenwärmeaustauschers
effizient erwärmt oder abgekühlt werden.
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Verfahrensseitig
wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines
Plattenwärmeaustauschers mit folgenden Merkmalen gelöst:
- a) Anordnung einer Vielzahl von Profilen nebeneinander,
- b) Anordnung der Profile auf einem Trennblech unter Kontaktierung
mit einem Lot,
- c) Anordnung eines Trennbleches auf der Vielzahl der Profile
unter Kontaktierung mit einem Lot,
- d) Wiederholung der Schritte a) bis c) unter Entstehung eines
Stapels aus nebeneinander angeordneten Profilen, wobei die einzelnen
Lagen der nebeneinander angeordneten Profile durch Trennbleche getrennt
sind und
- e) Löten des gesamten Stapels in einem Lötofen.
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Nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mehrere
Profile nebeneinander angeordnet, mit Lot kontaktiert und auf ein
Trennblech gebracht. Das nächstfolgende Trennblech wird
unter Kontaktierung mit Lot auf die nebeneinander angeordneten Profile
gelegt. Auf diesem Trennblech kann dann die nächste Lage
nebeneinander angeordneter Profile unter Kontaktierung mit einem
Lot aufgebracht werden. Derartig fortfahrend entsteht ein Stapel
aus mehreren Passagen, welche durch Trennbleche getrennt sind. Die
dabei entstehenden Passagen werden durch eine Vielzahl nebeneinander
angeordneter Profile gebildet. Der gesamte Stapel kann dann durch ein
Einbringen in einen Lötofen miteinander verlötet werden.
Die Profile können dabei auf Stoß, d. h. ohne Zwischenraum
zwischen benachbarten Profilen, oder mit einem Zwischenraum nebeneinander
angeordnet werden. Werden die Profile mit Zwischenraum nebeneinander
angeordnet, erfolgt ihre Verbindung miteinander über die
gemeinsame Verbindung mit dem Trennblech. Das Lot kann sowohl auf
die Profile als auch auf das Trennblech aufgebracht werden. Bevorzugt
wird das Lot auf das Trennblech aufgebracht.
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Die
Passagen werden seitlich durch Randleisten, sogenannte Sidebars,
begrenzt. Unter einer Randleiste wird im Rahmen dieser Erfindung
ein beliebiges Profil aus Vollmaterial verstanden, welches die gleiche
Höhe aufweist, wie die Profile, die die Passage bilden.
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Vorteilhafterweise
werden die Profile nebeneinander auf Stoß angeordnet. In
dieser Ausgestaltung der Erfindung werden die Hohlprofile vorteilhafterweise
bei der Anordnung nebeneinander miteinander, bevorzugt mittels Schweißpunkte,
verheftet. Dadurch wird in dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das
Stapeln der einzelnen Passagen vereinfacht. Die Profile müssen
jedoch nicht zwingend miteinander verbunden werden, da sie auch über
das Trennblech nach dem Löten des Stapels verbunden sind.
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Mit
der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere einen Plattenwärmeaustauscher
bereit zu stellen, welcher zum Wärmeaustausch zwischen
Medien unter hohen mechanischen Beanspruchungen geeignet ist. Die
mechanische Stabilität des erfindungsgemäßen
Plattenwärmeaustauschers wird deutlich gegenüber
dem Stand der Technik verbessert.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Vergleiches eines Ausführungsbeispieles
der Erfindung mit dem Stand der Technik näher erläutert werden.
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Es
zeigen
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1 eine
Passage eines Plattenwärmeaustauschers nach dem Stand der
Technik
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2 eine
Passage einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Plattenwärmeaustauschers mit einem Hohlprofil
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3 eine
Passage einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Plattenwärmeaustauschers mit einem Doppel-T-Profil
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1 zeigt
die Passagen 1a und 1b eines Plattenwärmeaustauschers
nach dem Stand der Technik. Innerhalb der Passage 1 befindet
sich eine wellenförmige Struktur 3, die aus einem
umgebogenen Blech hergestellt wurde. Die benachbarten Passagen 1a und 1b sind
durch das Trennblech 2 voneinander getrennt. An den Kontaktstellen 4 zwischen wellenförmiger
Struktur 3 und Trennblech 2 wird Lot aufgetragen.
Durch Löten dieser Lötstellen wird der gesamte
Wärmetauscher miteinander verbunden. Werden in die Passagen 1a und 1b zwei
Medien zum Wärmeaustausch unter Druck geführt,
so steht die gesamte Passage 1a, 1b unter Druck.
Der Druck wirkt dabei vor allem auf die Verbindungsstellen 4 zwischen
wellenförmiger Struktur 3 und Trennblech 2.
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2 zeigt
die Passagen 1a und 1b einer Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauschers.
Die Passagen 1a und 1b weisen eine Vielzahl miteinander
verbundener Hohlprofile 5 auf, welche einen rechteckigen
Querschnitt aufweisen. Die Hohlprofile sind dabei jeweils an den
Kontaktstellen 4 über Lot mit den Trennblechen 2 verbunden.
In diese Ausgestaltung der Erfindung ist zum einen die Kontaktfläche
und somit die Verbindungsfläche zwischen Trennblech 2 und
Struktur der Passagen 1a und 1b gegenüber
dem Stand der Technik deutlich erhöht. Zum anderen stehen
im Gegensatz zum Stand der Technik im Wesentlichen nur die Hohlprofile 5 unter
Druck. Bei einem Wärmeaustausch zwischen zwei Medien in
den benachbarten Passagen 1a und 1b stehen daher
auch nur die Profile 5 unter dem hohen Druck der Medien.
Die Verbindungsstelle 4 zwischen den Hohlprofilen 5 und
den Trennblechen 2 ist keinem Druck ausgesetzt.
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3 zeigt
die Passagen 1a und 1b einer weiteren Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers.
Die Passagen 1a und 1b weisen eine Vielzahl miteinander
verbundener Doppel-T-Profile 6 auf. Die Doppel-T-Profile
sind dabei an den Kontaktstellen 4 über Lot mit
den Trennblechen 2 verbunden. In dieser Ausgestaltung der
Erfindung ist zum einen die Kontaktfläche und somit die
Verbindungsfläche zwischen Trennblech 2 und Struktur
der Passagen 1a und 1b gegenüber dem
Stand der Technik deutlich erhöht. Zum anderen stehen im
Gegensatz zum Stand der Technik im Wesentlichen nur die Räume
zwischen den Doppel-T-Profilen 6 unter Druck. Bei einem
Wärmeaustausch zwischen zwei Medien in den benachbarten
Passagen 1a und 1b stehen daher auch nur die Doppel-T-Profile 6 unter dem
hohen Druck der Medien. Die Verbindungsstelle 4 zwischen
den Doppel-T-Profilen 6 und den Trennblechen 2 ist
keinem Druck ausgesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10343107 [0003, 0005, 0009]