Plattenwärmetauscher, Wärmetauscherplatte und Verfahren zu deren Herstellung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 für einen Plattenwärmetauscher mit in der Plattenebene nebeneinander angeordneten Durchflussöffnungen für fluide Medien, die aus einem ersten Werkstoff, insbesondere Stahl oder Edelstahl, hergestellt ist.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Plattenwärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10 für fluide Medien mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass für ein erstes, insbesondere wenig aggressives Medium, mit wenigstens einem Einlass und wenigstens einem Auslass für ein zweites, aggressiveres Medium und mit einer Anzahl von Wärmetauscherplatten, die in fluidtechnischer Wirkverbindung mit den Einlassen und Auslässen in dem Plattenwärmetauscher angeordnet sind.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatte.

Plattenwärmetauscher der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der EP 0 252 275 A2 bekannt und in der beigefügten Figur 1 exemplarisch dargestellt.

Figur 1 zeigt in Explosionsdarstellung einen bekannten Wärmetauscher, bei dem zwischen Endplatten 1 , 2 ein Paket von im Wesentlichen rechteckigen, untereinander gleichen und abwechselnd gegeneinander um 180° gedrehten Wärmetauscherplatten 3 eingespannt ist. In den Eckbereichen der Platten 3 sind über Durchbrechungen Durchflussöffnungen 4-7 gebildet, die bei zusammengespannten Plattenpaketen, wie dies bei Bezugszeichen 8 dargestellt ist, Kanäle 9-12 ergeben, über die zwei fluide Medien zum gegenseitigen Wärmeaustausch den zwischen den Platten 3 gebildeten Räumen abwechselnd zugeführt werden.

Die Durchflussöffnungen 4 - 7 können alternativ oder zusätzlich auch in anderen Plattenbereichen, insbesondere den Plattenlängsseiten angeordnet sein.

Die zwischen den Platten 3 bestehenden Räume für die fluiden Medien sind nach außen und abwechselnd gegenüber den Kanälen des einen Mediums bzw. des anderen Mediums jeweils durch Dichtungen 13 abgeschlossen, so dass jeweils der eine Plattenzwischenraum von dem einen Medium, der folgende Plattenzwischenraum von dem anderen Medium durchströmt wird.

Die vier an der Endplatte 2 außen angebrachten Stutzen 14 dienen dem An- schluss für die Zu- und Ableitung der beiden Medien. Außerdem sind die Wärmetauscherplatten 3 zwischen den Endplatten 1 und 2 durch in Ausnehmungen der Platten 3 eingreifende Stangen geführt, von denen in Figur 1 lediglich die untere Stange 15 explizit dargestellt ist. Alternativ können die Anschlüsse auch an der anderen Endplatte 1 angeordnet sein.

Die obige Funktionsbeschreibung gilt auch für die vorliegende Erfindung.

In der praktischen Anwendung derartiger Plattenwärmetauscher bzw. Wärmetauscherplatten kommt es mitunter vor, dass das eine der wärmetauschenden Medien bezüglich des Plattenmaterials eine besonders aggressive, insbesondere korrodierende Wirkung entfaltet. In diesem Fall müssen die Wärmetauscherplatten aus einem korrosionsbeständigeren Werkstoff herausgestellt werden, der den aggressiven Eigenschaften des Mediums widersteht. Dies ist jedoch mit erheblichen Mehrkosten verbunden.

Die DE 83 10 039 U1 offenbart in diesem Zusammenhang, auf wenigstens einer Seite einer Wärmetauscherplatte vollflächig eine höherwertige Deckschicht aufzubringen. Hierdurch werden die genannten Mehrkosten nur zum Teil vermieden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wärmetauscherplatten der eingangs genannten Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass sie auch für sehr aggressive Medien geeignet sind, ohne dass sich die vorstehend genannten Kosten-

nachteile ergeben. Zugleich soll ein Verfahren zur Herstellung entsprechender Wärmetauscherplatten angegeben werden.

Die Erfindung löst die Aufgabe hinsichtlich der Wärmetauscherplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 , und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.

Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren Wortlaut hiermit durch ausdrückliche Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird, um unnötige Textwiederholungen zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist eine Wärmetauscherplatte für einen Plattenwärmetauscher mit in der Plattenebene nebeneinander angeordneten Durchflussöffnungen für fluide Medien, die aus einem ersten Werkstoff, insbesondere Stahl oder Edelstahl, hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatte im Wesentlichen nur in solchen Teilbereichen ihrer Oberfläche auf ihrer Vorder- und/oder Rückseite, in welchen die Wärmetauscherplatte mit einem bestimmten, insbesondere relativ aggressiveren der fluiden Medien in Kontakt kommt, aus einem anderen Werkstoff besteht oder damit belegt ist.

Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Wärmetauscherplatte für einen Plattenwärmetauscher mit in der Plattenebene nebeneinander angeordneten Durchflussöffnungen für fluide Medien, wobei zunächst ein Rohblech die Wärmetauscherplatte in einem ersten Werkstoff, wie Stahl, insbesondere Edelstahl, ausgebildet wird, und dann das Rohblech an seinen mit den Medien in Kontakt tretenden Oberflächen zumindest in Teilbereichen mit einem zweiten, insbesondere hochwertigeren Werkstoff belegt wird. Anschließend erfolgt dann das Umformen zu der fertigen Wärmetauscherplatte.

Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß möglich, die geschaffene Wärmetauscherplatte in den genannten Teilbereichen durch die Belegung mit dem zweiten Werkstoff in ihrer Widerstandskraft gezielt zu beeinflussen, insbesondere ihre Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Medien zu erhöhen, ohne

dass dazu die gesamte Platte in dem höherwertigen, teureren Werkstoff ausgebildet sein müsste.

Bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatte sehen vor, dass der zweite Werkstoff höherwertig, d. h. insbesondere korrosionsbeständiger als der erste Werkstoff ist, wobei es sich bei dem zweiten Werkstoff vorzugsweise um hochlegierte Edelstahle, Titan, Tantal oder dergleichen handelt. Eine mögliche Werkstoffkombination für die erfindungsgemäße Wärmetauscherplatte sieht also vor, dass diese grundsätzlich aus dem üblichen Werkstoff, wie Stahl oder Edelstahl, ausgebildet und darauf aufsetzend zumindest in Teilbereichen mit einem höherwertigen Werkstoff, belegt ist.

Vorzugsweise ist der zweite Werkstoff in den genannten Teilbereichen auf den ersten Werkstoff durch Alitieren, Eloxieren, Sherardisieren, Inchromieren, Phosphatieren, Emaillieren, Plattieren, Spritzverfahren, Schmelztauchen, galvanisch, insbesondere jedoch durch Löten, Hartlöten oder Schweißen aufgebracht.

Im Allgemeinen wird die Wärmetauscherplatte in einem großflächigen, der Wärmeübertragung dienenden Bereich und den damit in Fließverbindung stehenden Anschlussbereichen von dem einen Medium beaufschlagt, wogegen sie in zwei oder mehreren angrenzenden Anschlussbereichen, die der Durchleitung des anderen Mediums dienen, von diesem anderen Medium beaufschlagt wird. An der Plattenrückseite liegen die Verhältnisse dann umgekehrt. Die von unterschiedlichen Medien beaufschlagten Bereiche sind dabei jeweils durch Dichtungen voneinander getrennt. Je nachdem, auf welcher Plattenseite das aggressive Medium strömt, ist die Platte entweder nur in den beiden relativ kleinen Anschlussbereichen für das aggressive Medium mit dem korrosionsbeständigeren Material belegt oder zusätzlich auch in dem daran angeschlossenen wärmetauschenden Bereich.

Die Hauptersparnis ergibt sich auf derjenigen Plattenseite, die von dem weniger aggressiven Medium beaufschlagt wird, denn dort brauchen lediglich die relativ kleinen Anschlussbereiche für die Durchleitung des aggressiven Mediums mit dem korrosionsbeständigeren Werkstoff belegt zu werden.

Es liegt dabei im Rahmen der Erfindung, die Platte an der Seite, wo sie großflächig von dem aggressiven Medium beaufschlagt wird, durchgehend aus dem höherwertigen Werkstoff herzustellen. Es ist aber besonders vorteilhaft, die beiden Anschlussbereiche für die Durchleitung des weniger aggressiven Mediums auszusparen und mit dem kostengünstigeren, weniger korrosionsbeständigen Werkstoff zu belegen.

Die Wandstärke der höherwertigen Werkstoff-Belegung wie auch der weniger hochwertigen Werkstoff-Belegung sollte aus Kostengründen vorzugsweise jeweils gleich sein, damit an den in Umfangsrichtung umlaufenden Randdichtungen der Platten kein Materialversatz mit zusätzlichem Aufwand überbrückt werden muss.

Meist sind die von unterschiedlichen Medien beaufschlagten Bereiche der Platte durch zwei Dichtungen voneinander getrennt. Dann empfiehlt es sich, die übergänge zwischen benachbarten, unterschiedlich korrosionsbeständigen Werkstoff-Belegungen in den nicht strömungsbeaufschlagten Bereichen zwischen den beiden genannten Dichtungen verlaufen zu lassen.

Zusammenfassend lässt sich also festhalten, dass eine erfindungsgemäße Wärmetauscherplatte vorteilhafterweise nur in solchen Teilbereichen auf ihrer Vorder- und/oder Rückseite mit dem zweiten, insbesondere höherwertigen Werkstoff belegt ist, wo dies aufgrund eines gegebenen Medienkontakts tatsächlich erforderlich ist, um so die angestrebten Kostenvorteile zu erzielen.

Aufgrund der unterschiedlichen Ausgestaltungen von Vorder- und Rückseite ist es in konsequenter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung erforderlich, zwei unterschiedliche Arten von Wärmetauscherplatten vorzusehen, die jeweils abwechselnd in dem gattungsgemäßen Plattenwärmetauscher einsetzbar sind. Dabei ergibt sich die eine Plattengestaltung insbesondere gerade durch Spiegelung der jeweils anderen an der Plattenmittellängsachse.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung. Es zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines bekannten Plattenwärmetauschers;

Figur 2 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatte für einen großflächigen Kontakt mit einem aggressiven Medium;

Figur 3 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatte für einen großflächigen Kontakt mit einem weniger aggressiven Medium;

Figur 4 in schematischer Darstellung die Oberseite eines Rohblechs zur

Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatte in Figur 2;

Figur 4a eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Figur 4;

Figur 4b eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in Figur 4;

Figur 5 die Rohblechoberseite für die erfindungsgemäße Wärmetauscherplatte in Figur 3;

Figur 5a eine Schnittansicht entlang der Linie C-C in Figur 6a;

Figur 5b eine Schnittansicht entlang der Linie D-D in Figur 6a; und

Ein Plattenwärmetauscher der in Figur 1 gezeigten und weiter oben erläuterten Art ist dem Fachmann als solcher bekannt. Die vorliegende Erfindung befasst sich davon ausgehend speziell mit der Problematik, die auftritt, wenn es sich bei einem der Medien, die dem Plattenwärmetauscher zugeführt werden, um ein relativ aggressives Medium handelt, welches in der Lage ist, den Werkstoff der Wärmetauscherplatten 3 anzugreifen, insbesondere durch Korrosion. In diesem Zusammenhang sieht die vorliegende Erfindung vor, die Wärmetauscherplatten 3 lokal aus einem korrosionsbeständigeren Werkstoff herzustellen.

In den Figuren sind die unterschiedlichen Werkstoffarten durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt. Dabei bezeichnet eine uniform aus durchgezogenen Linien bestehende Schraffur einen (relativ) niederwertigen Werkstoff, und

eine Schraffur aus durchgezogenen und gestrichelten Linien bezeichnet einen relativ hochwertigen, korrosionsbeständigeren Werkstoff. Im Zuge der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem hochwertigen Werkstoff vorteilhafterweise um Tantal (Ta) und bei dem niederwertigen Werkstoff um Edelstahl, ohne dass die vorliegende Erfindung jedoch auf derartige Werkstoffkombinationen beschränkt wäre.

Figur 2 zeigt schematisch eine Wärmetauscherplatte 3a mit ihrer für ein aggressives oder korrosives Medium bestimmten Vorderseite; das heißt, dass diese Seite einem Plattenzwischenraum zugewandt ist, der mit dem aggressiven Medium beschickt wird. Dazu könnte sie erfindungsgemäß an ihrer Vorderseite über ihre gesamte Oberfläche mit dem höherwertigen Werkstoff belegt sein. Da nun aber der effektiv von dem aggressiven Medium beaufschlagte Plattenbereich durch die übliche Dichtung 13a, die den wärmeaustauschenden Bereich definiert, begrenzt wird, können die mit dem aggressiven Medium nicht in Kontakt kommenden Bereiche der Platten-Vorderseite aus dem herkömmlichen Grundmaterial bestehen oder damit belegt sein. Diese Bereiche könnten unmittelbar an der Dichtung 13a beginnen, etwa an der tiefsten Stelle der Dichtungsnut oder außen angrenzend. Häufig empfiehlt es sich aber aus Symmetriegründen, nur die Anschlussbereiche um die öffnungen 5 und 7 herum, also um diejenigen öffnungen, die vom weniger aggressiven Medium durchströmt werden und von den üblichen Dichtungen 5a und 7a umgeben sind, aus dem kostengünstigeren Basismaterial herzustellen oder damit zu belegen. Diese Bereiche sind durch die Bezugszeichen 16a und 17a markiert. Sie erstrecken sich vorzugsweise bis zur Mitte der Plattenschmalseite. Von dort laufen sie in Richtung auf die Dichtung 13a und biegen dann in den Zwischenbereich zwischen den Dichtungen 5a, 7a und 13a ab, bis sie die Platten-Breitseite erreichen.

Die auf die Wärmetauscherplatte 3a folgende Platte 3b ist mit ihrer Vorderseite in Figur 3 dargestellt. Sie hat die gleiche Dichtungskonfiguration wie die Rückseite der Platte 3a, das heißt, dass der zwischen beiden Platten gebildete Zwischenraum von dem durch die öffnungen 5 und 7 zugeführten, weniger aggressiven Medium beaufschlagt wird. Hier kann also die von der Dichtung 13b umschlossene wärmetauschende Fläche 18b mit den die öffnungen 5 und 7

umgebenden Anschlussbereichen 16b und 17b aus dem kostengünstigeren, weniger resistenten Werkstoff bestehen, wogegen die Anschlussbereiche 19b und 20b mit den von Dichtungen 4b bzw. 6b umgebenen öffnungen 4 bzw. 6 aus dem resistenteren Material bestehen oder damit belegt sein müssen, weil in diesen öffnungen das aggressivere Medium strömt.

Wie man sieht, haben alle Anschlussbereiche 16a, b; 17a, b; 19a, b; 20a, b die gleiche Größe und Kontur, so dass die Platte insoweit einen symmetrischen Aufbau erhält.

Hinter der Platte 3b folgt dann wieder eine Platte des Typs 3a, so dass der hinter der Platte 3b liegende Zwischenraum wieder von dem aggressiveren Medium durchströmt wird und so wiederholt sich die Reihenfolge der Wärmetauscherplatten mit wechselnder Werkstoff- und Dichtungskonfiguration in an sich bekannter Weise.

Selbstverständlich können die Platten 3a und 3b in bekannter Weise durch Rippen, Noppen oder dergleichen profiliert sein, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Die vorstehend beschriebenen Zusammenhänge der erfindungsgemäßen Platten-Ausgestaltung werden nachfolgend anhand der Figuren 4 und 5 noch näher erläutert. Diese zeigen jeweils Schnittansichten von Rohblechteilen zur Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmetauscherplatten 3a, 3b gemäß den Figuren 2 und 3. Dabei bedeutet der Begriff „Rohblech" im Rahmen der vorliegenden Beschreibung, dass die gezeigten, bereits plattierten oder belegten Rohbleche noch nicht weiterverarbeitet (beispielsweise umgeformt oder mit Durchflussöffnungen versehen) wurden, um daraus die betriebsfertigen Wärmetauscherplatten herzustellen.

Das Rohblech 3a' gemäß Figur 4 ist zur Herstellung der Wärmetauscherplatte gemäß Figur 2 vorgesehen und weist demnach an seiner dargestellten Vorderseite in rechten, oberen und unteren Anschlussbereichen 16a und 17a den nie- derwertigen Werkstoff auf, während es in dem hauptsächlichen, wärmetauschenden Bereich 18a und den damit in Fließverbindung stehenden An-

Schlussbereichen 19a, 20a links oben und unten aus dem hochwertigen Werkstoff besteht.

Die Figuren 4a und 4b zeigen die Querschnitte A-A bzw. B-B. Dabei erkennt man in der oberen Hälfte von Figur 4a den schon bezeichneten Werkstoffübergang zwischen hochgradig korrosionsbeständigem und weniger korrosionsbeständigem Werkstoff, wogegen der untere Bereich von Figur 4a die Verhältnisse an der Plattenrückseite zeigt, wo der weniger hochwertige Werkstoff durchläuft.

Anders sind die Verhältnisse in Figur 4b. Hier läuft an der Vorderseite der Platte der korrosionsbeständigere Werkstoff durch, wogegen an der Rückseite der höherwertige Werkstoff nur im Anschlussbereich 19b benötigt wird, nicht aber in der angrenzenden großflächigen wärmetauschenden Fläche 18b.

Analog zeigt Figur 5 ein Rohblech 3b' für Wärmetauscherplatten, die mit ihrer Vorderseite primär von dem weniger aggressiven Medium beaufschlagt werden. Die Figuren 5a und 5b zeigen Schnittansichten entlang der Linie C-C bzw. der Linie D-D in Figur 5.

Hier besteht die Plattenvorderseite wie in Figur 3 in dem großflächigen wärmetauschenden Bereich 18' sowie in den beiden damit in Fließverbindung stehenden Anschlussbereichen 16b, 17b rechts oben und unten aus dem weniger korrosionsbeständigen Werkstoff, wogegen die Anschlussbereiche 19a, 20b für das korrosivere Medium links oben und unten aus dem korrosionsbeständigeren Material bestehen. Diese Anschlussbereiche stehen an der vom aggressiven Medium beaufschlagten Plattenrückseite in Fließverbindung mit dem großflächigen Wärmetauschbereich, so dass letzterer durchgehend aus dem korrosionsbeständigeren Material hergestellt sein muss. Man sieht dies in Figur 5a, wo die untere Hälfte 18a die Plattenrückseite abbildet.

Entsprechend sieht man in Figur 5b, dass im Schnittbereich D-D die Plattenvorderseite 16b, 18b durchgehend aus dem weniger korrosionsbeständigen Material besteht, wogegen die Plattenrückseite dieses Material nur im Anschlussbereich 16a für das weniger aggressive Medium aufweist.

Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, einzelne Anschlussbereiche nur einlagig auszubilden. So kann beispielsweise in Figur 2 und der korrespondierenden Figur 4 und 4a in der vorderen Lage auf die Anschlussbereiche 16a und 17 a verzichtet werden, so dass dort nur die rückseitige Lage 18b vorhanden ist. Die dabei auftretende Halbierung in der Plattenwandstärke kann durch eine entsprechend stärkere Dichtung 5a und 7a überbrückt werden. Besonders vorteilhaft ist diese einlagige Ausbildung in denjenigen Anschlussbereichen, die aus dem höherwertigen, korrosionsbeständigeren Material bestehen. Hier könnte gemäß Figur 3 und der korrespondierenden Figur 5 und 5a auf die Anschlussbereiche 19b und 20b verzichtet und die daraus resultierende Halbierung der Plattenstärke durch entsprechend dickere Dichtungen 4b und 6b kompensiert werden.

Für das Verbinden der einzelnen Plattenlagen und Lagen-Teilstücke bieten sich verschiedene Möglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, zunächst eine komplette Plattenunterseite und danach eine komplette Plattenoberseite herzustellen und diese beiden Lagen dann miteinander zu verbinden. Alternativ können aber zunächst auch nur Teilstücke der Ober- und Unterseite miteinander verbunden und danach die noch fehlenden Anschlussbereiche verbunden werden. Besonders günstig ist es jedoch, die Platte aus allen Teilstücken der Ober- und Unterseite zusammen mit einem Lot als Bindemittel zusammenzusetzen und danach durch Erhitzung in einem Ofen die Verbindung aller Teile gleichzeitig herbeizuführen.

Erfindungsgemäß werden auf diese Weise Wärmetauscherplatten für einen Plattenwärmetauscher geschaffen, die in der Lage sind, der Einwirkung durch ein relativ aggressives Medium zu widerstehen, ohne dass dazu die gesamte Platte in einem hochwertigen und entsprechend teureren Werkstoff ausgebildet sein müsste.