具有密封构造的板式换热器.pdf

本发明涉及一种密封板式换热器(1)，包括：框架本体(2)，包括两块框架板(3)，包括多块换热板(5)的板堆叠体(4)布置在两块框架板(3)之间；用于馈送和引开流经换热板(5)之间的中间空间并进行热交换的流体的装置(6)；用于将力施加到框架板(3)的装置(7)，借助于该装置，压力能被施加到板堆叠体(4)；以及用于在板堆叠体(4)的换热板(5)之间密封的装置(8)。施力到框架板(3)的区域的区域中心位于由板堆叠体(4)的区域在框架板(3)上的线性投影得到的区域内。

1.  带垫圈的板式换热器(1)，所述板式换热器(1)包括：由两块框架板(3)组成的框架本体(2)，含石墨或陶瓷的多块换热板(5)的板堆叠体(4)被布置在所述两块框架板(3)之间；用于馈送和排出流经所述板之间的空间的换热流体的馈送和排出装置(6)；将力施加到所述框架板(3)的施力装置(7)，借助于所述施力装置(7)，能够在所述板堆叠体(4)上施加压力；以及用于在所述板堆叠体(4)的所述换热板(5)之间密封的装置(8)，其特征在于，在至少一个施力装置(7)中，用于将力施加到所述框架板(3)的该装置(7)的表面的质心在由所述板堆叠体(4)的表面区域在对应的框架板(3)上的线性投影产生的区域内。

2.  根据权利要求1所述的板式换热器，其特征在于所述换热板(5)设有至少一个凹部或沟槽(9)，所述至少一个凹部或沟槽(9)用于接纳施力装置(7)的被布置在所述框架板(3)之间的子元件。

3.  根据权利要求1所述的板式换热器，其特征在于所述施力装置(7)中的至少一个施力装置(7)被设计成使得它位于所述板堆叠体(4)的外侧。

4.  根据权利要求1所述的板式换热器，其特征在于：所述换热板(5)设有至少一个凹部或沟槽(9)，所述至少一个凹部或沟槽(9)用于接纳所述至少一个施力装置(7)中的一个施力装置(7)的被布置在所述框架板(3)之间的子元件，并且至少一个施力装置(7)被布置在所述板堆叠体(4)的外侧。

5.  根据权利要求1至4中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述板堆叠体(4)的所述换热板中的所述馈送和排出装置(6)是贯通开口(6a)。

6.  根据权利要求5所述的板式换热器，其特征在于所述贯通开口(6a)是大致圆形、椭圆形或矩形的，或者呈正多边形的形状。

7.  根据权利要求1至6中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述至少一个施力装置(7)的施力表面是大致圆形、椭圆形或矩形的，或者呈正多边形的形状。

8.  根据权利要求5至7中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述至少一个施力装置(7)的所述施力表面不与最接近的所述贯通开口(6a)的表面区域相交。

9.  根据前述权利要求中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述换热板(5)由石墨体制成，所述石墨体被粘结到聚合物或者用聚合物浸渍。

10.  根据前述权利要求中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述换热板(5)由碳化硅或复合纤维陶瓷制成。

11.  根据权利要求9所述的板式换热器，其特征在于所述换热板(5)包含至少50wt％的石墨。

12.  根据权利要求1至11中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述密封装置(8)包含含氟聚合物或石墨材料。

13.  根据权利要求12所述的板式换热器，其特征在于所述含氟聚合物是基于聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)的聚合物。

14.  根据前述权利要求中的任一项所述的板式换热器，其特征在于所述框架板(3)中的至少一块框架板(3)包括网状物(10a)和/或肋(10b)，所述网状物(10a)和/或肋(10b)被安装在所述至少一块框架板(3)上，或者被刚性连接到所述至少一块框架板(3)。

具有密封构造的板式换热器
技术领域
本发明涉及一种带垫圈的板式换热器，该板式换热器包括：由两块框架板组成的框架本体，多块换热板的板堆叠体布置在该框架板之间；馈送和排出流经换热板之间的空间的换热流体的装置；以及将力施加到框架板的装置，通过该装置，压力能够被施加到板堆叠体上。
背景技术
板式换热器包括一叠换热板，热传递发生在该叠换热板之间。这些板通常设有轮廓或设有用于介质的流动管道和贯通开口。
通过板式换热器，无垫圈设计和带垫圈设计之间可以作基本区分。在无垫圈构型中，板之间的空间通过刚性连接的板填密，例如通过焊接、焊合或熔合技术。
在带垫圈的设计中，垫圈，通常弹性体基垫圈，被用于密封并分开不同板之间的介质腔。
取决于发生换热的介质，金属或金属合金诸如钢能够用作板的材料，或如果介质腐蚀性特别强，则也能够使用陶瓷材料诸如石墨或碳化硅或纤维增强陶瓷材料。
由于其高脆性，含石墨的材料或陶瓷的板材诸如石墨或碳化硅对各板之间的密封有特别高的要求。
这种板式换热器通常由于含石墨的材料或陶瓷材料的脆性以及难以结合这些材料的事实而以带垫圈的构型生产。
此外，带垫圈的板式换热器的优点在于：其比无垫圈构型更容易分离板以移除或清洁或来更换个别板。
在这些板式换热器中，特别地，含氟聚合物，优选地基于聚四氟乙烯(PTFE)的含氟聚合物或石墨基材料通常用作垫圈材料的材料。PTFE延展性高并由于其流动特性仅形成低垫圈厚度。由于这种非常低厚度的垫圈材料，确保垫圈上的足够的表面压力以实现可靠密封并且防止在运行期间泄漏是关键的。
表面压力通常通过将换热器的板堆叠体布置在两块框架板之间产生，用足够的力将板夹紧在该框架板之间。
为了施加用于该夹紧的力，系杆通常与螺旋弹簧结合使用，该螺旋弹簧被布置在离换热板的边缘一定距离处。
EP-A203213披露了用彼此间隔开并且由耐腐蚀材料制成的至少三个平行板元件以及馈送和排出流经板之间的空间的换热流体的装置构成的板式换热器，板元件由粘结到含氟聚合物的石墨体制成。
DE 10 2006 009 791披露了意图用于化工设备的制造中并且包括金属框架本体和由纤维增强陶瓷或独石陶瓷制成的板堆叠体的复合换热器，层叠板形成至少两个管道系统，所述至少两个管道系统以任何给定数目的层以由至少一块板分开的方式布置成一个在另一个上面并且由接纳供应和流出装置的盖板限制在板堆叠体的相反两端。在包围介质的流动区域和贯通开口的区域中，换热板包括长方沟槽，密封系统被布置在该长方沟槽中。
市售带垫圈的板式换热器中的承压件，特别地，包括基于含石墨的材料或陶瓷材料诸如石墨、碳化硅或纤维增强陶瓷材料的板的承压 件的结构构型仅适合有限范围内的较大模型，因为当结构的尺寸增加时，尤其是当板宽度且/或板长度增加时，框架板的弯曲在密封换热器的关键区域中增加，并且因此在换热器中可能发生泄漏。
发明内容
因此，本发明的目的是提供避免或至少减少上述问题的带垫圈的板式换热器。
该目的已经根据本发明通过根据权利要求1所述的带垫圈的板式换热器实现。
根据本发明的板式换热器的优选实施例可在从属权利要求以及以下详细描述中发现。
根据本发明的带垫圈的板式换热器(1)包括：由两块框架板(2)组成的框架本体，多块换热板(4)的板堆叠体被布置在该框架板之间；馈送和排出流经换热板之间的空间的换热流体的装置(6)；将力施加到框架板的装置(7)，通过该装置，压力能够被施加到板堆叠体(4)上；以及用于板堆叠体(4)的换热板之间的密封的装置(8)。
与类似构造的已知换热器相比，在根据本发明的板式换热器(1)中，至少一个施力装置(7)被布置成使得施加力到框架板(3)的表面的质心在由板堆叠体(4)的表面区域在对应的框架板(3)上的线性投影产生的区域内。
在具有带垫圈的构型的已知板式换热器中，力以如下的方式被施加到框架板，所述方式使得力通过将在换热板的表面区域外的两块框架板互连的连接元件施加到框架板，并且因此压力也施加在换热板的板堆叠体上。这里，施力表面的质心在由板堆叠体()的表面区域在对应的框架板上的线性投影产生的区域外。取决于设计，这种构造导致框 架板由于施加的力而弯曲，这在框架板的中部最为明显。框架板越宽且/或越长，框架板弯曲的程度越大，即，与较小的装置相比，在较大换热器中问题更严重。
该弯曲引起在垫圈表面上的密封力或压力，该密封力或压力在换热板的板堆叠体的中心区域中不足以实现该区域中的完美密封。由于所用垫圈材料的厚度是非常低的，如上所述，这能够导致意图被换热的介质混合，并且这引起整个系统以及所有下游单元发生故障。
迄今为止，上述问题已经限制了具有基于石墨、碳化硅或其它陶瓷材料的换热板并且以带垫圈的构造生产的这种设计的板式换热器的最大尺寸。
根据本发明的板式换热器(1)的区别在于，至少一个施力装置(7)被布置成使得施加力到框架板(3)的表面的质心在由板堆叠体(4)的表面区域在对应的框架板(5)上的线性投影产生的区域内。
在本发明的上下文中，施力表面的质心应被理解为是数学上与区域中的所有点的平均值对应的对应表面的几何重心。几何重心与由单一材料组成的物体的质心对应。在对称图形中，该重心通过适当几何考虑获得；在非对称表面的情况下，该重心能够通过积分获得。
非等边多边形的重心可从角的笛卡儿坐标计算出；正多边形中的重心对应于其外接圆的中心。
在矩形、平行四边形或方形中，重心可例如从对角线的交点获得。在三角形中，几何重心是三条中线的公共交点。在圆形表面中，几何重心是圆心。
因此，当施力表面的形状是已知的时，本领域技术人员就能够确 定表面的几何重心并设计至少一个施力装置，使得其施力表面的几何重心在由板堆叠体(4)的表面区域在对应的框架板(3)上的线性投影产生的区域内。
在本发明的上下文中，板堆叠体的表面区域将被理解为由板堆叠体(4)或各换热板的主要尺寸限定的区域。该表面区域包括存在于板堆叠体(4)中或存在于各换热板(5)中的任何槽口、钻孔等，并且在这方面上与由板堆叠体(4)或换热板(5)的外轮廓限定的且因此不包括可能存在的任何槽口或凹部的板堆叠体4的表面区域不同。根据本发明的板式换热器(1)包括至少一个如上所述设计的施力装置(7)，虽然以这种方式设计多个施力装置(7)也是可能的并被本发明覆盖。
优选地，所述施力装置(7)或所述可能的多个施力装置被布置成使得施力表面在换热板(4)的板堆叠体的表面区域的边缘区域中，更优选地，在换热板5的上部区域或下部区域中，馈送和排出流经换热板(5)之间的空间的换热流体的装置(6)优选地被布置在该区域中。良好密封在贯通开口(6a)之间的该区域中是特别至关重要的，因为这是换热流体流被引入板的地方，这对防止所述流体彼此混合或接触是必要的。
原则上，根据本发明，将施力装置(7)布置在不同点处从而布置施力表面的重心也是可能的。然而，通常，这样的结果是：流体介质流动的设置在板中的管道将因此必须被设计成使得它们不被施力装置(7)中断。此外，以该方式布置施力装置(7)将要求提供具有在管道的区域中的孔或开口的换热板(5)，这通常不是优选的。
因此，通常，更优选的是：提供施力装置(7)使得流体输送管道都不接触板堆叠体(4)的换热板。
根据本发明的板式换热器(1)中的合适施力装置本身为本领域技术人员所熟知的并在专利文献中描述，并且因此这里没有必要进一步详 述。本领域技术人员会根据相应应用使用合适的施力装置(7)。
根据一个实施例，换热板(1)可设有凹部或沟槽(9)，施力装置(7)的布置在框架板(3)之间的子元件被布置在该凹部或沟槽中。通过框架板(3)中的孔或凹部引导所述子元件，并且端部元件被连接到子元件使得力能够被施加在框架板(3)上。由于子元件在框架板(3)之间被完全或者部分地布置在板堆叠体(4)的换热板的表面区域内，所以对应的施力装置的施力表面的质心在由板堆叠体(4)或换热板(5)的表面区域在框架板(3)上的线性投影产生的区域内。
在这种类型的实施例中，系杆是优选的施力装置(7)。系杆在这种情况下被理解成是能够吸收拉应力的装置。优选地，使用由圆形金属杆组成的系杆，所述系杆在框架板(3)之间延伸并且在端部处包括能够用于借助于系杆限定的力夹紧两块框架板(3)的装置。取决于基于专家知识的相应应用来选择精确结构设计。
在施力装置(7)中，施力的质心在由板堆叠体(4)或换热板(5)的表面区域在框架板(3)上的线性投影产生的区域内，布置在两块框架板之间的系杆优选地位于换热板(5)的上侧或下侧中的沟槽中，使得，不管施力装置的根据本发明的布置，个别换热板仍可被更换而不必完全拆卸换热器(1)。原则上，盲孔设置在换热板的上部区域中也是可能的，系杆可被引导通过该盲孔。然而，当更换个别板时，则需要完全拆卸板式换热器(1)。
系杆能够以与在换热板(5)中相同的方式被引导通过在沟槽中的框架板，或者对应的孔也能够被设置在框架板(3)中。
如根据本发明的板式换热器(1)的另一实施例，至少一个根据本发明布置的施力装置(7)的布置在框架板(3)之间的元件被设计成使得它们完全位于板堆叠体的表面区域外，甚至可能在跨过框架板(3)的表面区 域外。借助于适当的结构设计，施加到框架板(3)的力根据本发明被设计成使得满足根据本发明的要求。这能够例如通过使所述元件以夹具的方式接合在框架板(3)周围并附接到框架板来实现，使得就施力表面的质心而言满足根据本发明的要求。适当的结构设计为将取决于具体情况设计合适的装置的本领域技术人员所熟知。
根据又一实施例，至少两个施力装置(7)通过夹具等被互连在框架板(3)上。这种夹具能够然后例如在框架板3的中心被另外连接到框架板(3)，以施加力，从而施力表面的重心也根据本发明按要求决定。
根据本发明的又一特别优选实施例，框架板(3)中的至少一块框架板包括网状物(10a)和/或肋(10)，所述网状物(10a)和/或肋(10b)被安装在所述至少一块框架板上，或者被刚性连接到所述至少一块框架板。所述网状物(10a)和/或肋(10b)进一步增加了稳定性并且因此允许在更高的压力下使用。它们可由任何材料制成。优选地，然而，网状物(10a)和/或肋(10b)以与框架板(3)类似的方式由金属或金属合金诸如钢，或者由用纤维特别是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维增强的塑料材料制成。
本领域技术人员可根据他的专业知识设计上述实施例的变型。至少一个施力装置(7)的施力表面的质心在由板堆叠体(4)或换热板(5)的表面区域在框架板(3)上的线性投影产生的区域内是至关重要的。
在结构方面，用于馈送和排出流体介质的装置6的连接尺寸以及施力装置(7)的类型和形状导致了施力装置(7)与用于馈送和排出流体流的装置(6)之间的最小距离。
施力表面的形状不经受任何具体限制，但优选地是大致矩形、椭圆形、圆形或呈正多边形的形状。这里，本领域技术人员也会按照结构规格根据所需应用选择和使用合适的装置。
根据优选实施例,其质心在由板堆叠体(4)或换热板(5)的表面区域在框架板(3)上的线性投影产生的区域内的施力装置(7)的中心到换热板(5)的层叠体的表面区域的最接近边缘的距离是能够被形成在施力表面中的最长对角线的至少一半。
根据又一优选实施例，装置(7)的施力表面不与馈送和排出流体介质的最接近装置(6)的表面区域相交。
不以任何方式对横截面作限制并可以是大致圆形、椭圆形、矩形或呈多边形的形状的贯通开口(6a)优选地用作馈送和排出装置(6)。馈送和排出装置(6)的形状对改进密封的所需效果来说不是关键。
附图说明
以下将根据图1至4更详细描述本发明，附图中：
图1是根据本发明的板式换热器(1)的侧视图，
图2是换热板(5)的如下区域的视图，在该区域中，可能够到馈送和排出流体介质的装置(6)以及设置在板之间的密封装置(8)的过程，
图3是布置有根据现有技术的三个施力装置(7)的板式换热器(1)的框架板(3)的端面的正视图，
图4是根据本发明的板式换热器(1)的优选变型的对应视图。
具体实施方式
图1示出了包括由两块框架板(3)组成的框架本体的根据本发明的板式换热器(1)。换热板的板堆叠体(4)被布置在框架板(3)之间。还示出了施力装置(7)。
图2示出了板堆叠体(4)(未示出)的换热板(5)的轮廓，包括用于馈送和排出流体介质的装置6以及密封装置8。可看到，密封装置(8)以密封的方式将馈送装置和排出装置(6)彼此分开。
图3示出了框架板(3)和换热板(5)的轮廓以及两个用于馈送和排出流体介质的装置(6)以及用黑色圆表示的三个施力装置(7)。可看到，所有施力装置中的施力表面的重心如何在由换热板(5)的表面区域在框架板(3)上的线性投影产生的区域外。
图4示出了框架板(3)和换热板(5)的轮廓以及用于馈送和排出流体介质的装置(6)以及多个施力装置(7)。可看到，一个施力装置(7)(在上排中心的装置)如何被布置成使得该施力装置7的施力表面的质心完全在由换热板(5)或板堆叠体(4)(未示出)的表面区域在框架板(3)上的线性投影产生的区域内。根据本发明的板式换热器中的换热板(5)的材料可由本领域技术人员从已知用于该目的并在现有技术中描述的材料中选择。图4还示出了板宽度(B)和板长度(L)。
当板由用聚合物浸渍的石墨体、粘结到聚合物的石墨体，或由碳化硅或复合纤维陶瓷制成时，根据本发明的设计的优点是特别有效的。
优选的石墨基材料优选地包含至少50wt％，更优选地至少55wt％的石墨。
作为呈粘结有聚合物的石墨体的形式的石墨基的合适材料可以以商标名F从SGL Carbon获得，并且用聚合物特别是用酚树脂浸渍的石墨体市场上以商标名NS从SGL Carbon购得。
由于所有这些材料的脆性和材料性质，对设计将基于所述材料以带垫圈的构造建造的板式换热来说是有利的或必要的，并且本发明的优点生效。
以上材料的优点基于其超高的耐腐蚀性和耐温性，为此，由这种材料制成的板式换热器可有利地使用，特别是当使用腐蚀性介质和高温时。
根据本发明的板式换热器(1)的框架板(3)由于施力装置(7)的夹紧必须吸收显著力，并且因此必须被构造成具有对应水平的稳定性。这里，本领域技术人员也会基于板式换热器(1)的具体应用选择合适的材料。在仅代表性的基础上，框架本体(2)的框架板的合适材料在这种情况下是金属或金属合金诸如钢，或者是用纤维特别是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维增强的塑料材料。框架板(3)能够吸收有效力使得弯曲不超过一定限值在任何情况下都是至关重要的。
在任何情况下，通常使在框架板(3)的中心达到的最大弯曲保持低于所用密封材料的厚度是重要的，否则泄漏发生。
由于用于密封的材料通常具有不大于0.3mm的厚度，更优选地不大于0.15mm的厚度，因此框架板(3)的最大弯曲也应小于0.3mm，更优选地小于0.15mm，以可靠地确保板式换热器(1)的密封性。
具有用于所需用途的适当耐腐蚀性并在运行条件下保证持久密封的任何密封材料可用作密封装置(8)。密封装置(8)的优选材料特别是氟基聚合物或石墨基材料。优选的含氟聚合物是聚四氟乙烯(PTFE)或聚偏氟乙烯(PVDF)。适当材料为本领域技术人员所熟知的并且在市场上能够从很多供应商购得。
根据优选实施例，用于实现每两块换热板(5)之间的可靠密封的垫圈可以被设计为平垫圈并且被插入具有矩形横截面的周向沟槽中。在这种情况下，选择平垫圈的厚度，使得所述垫圈从沟槽突出并且当夹紧换热板堆叠体(5)时密封性因此产生。
原则上，然而，还能够将密封装置(8)设计为密封绳，该密封绳能够以简单方式被放置在换热板之间并通过施力被引导以形成可靠密封。
根据本发明的板式换热器(1)能够制成为具有比迄今为止这些产品中可能的板宽度(B)和/或板长度(L)大的板宽度(B)和/或板长度(L)。由于当经由对应的装置(7)施加力时的弯曲随着板宽度(B)和/或板长度(L)增加而增加，迄今为止，具有带垫圈的构造以及基于石墨、碳化硅或者其它陶瓷或纤维增强材料的换热板的板式换热器可仅被制成为具有有限尺寸，该有限尺寸在不允许框架板(3)的最大弯曲超过上述值的基础上确定。通过增加框架板(3)的厚度或增加材料的刚性，能够获得在这方面上的某些改进。然而，通过根据本发明的板式换热器(1)，能够在使用相同材料的同时在任何情况下实现较大板宽度(B)和/或板长度(L)，因为最大弯曲可由于至少一个施力装置(7)的根据本发明的布置而显著减小。
试验已经表明，板宽度(B)和/或板长度(L)可增加至少20-30％，而不必预先考虑比根据现有技术的相同设计的板式换热器中的弯曲度更高的弯曲度。因此，在恒定工艺条件(压力，温度)下，能够实现换热器能力的对应的增加。
根据本发明的板式换热器(1)的另一优点是板宽度(B)和/或板长度(L)允许板式换热器(1)的所需占用空间对所需换热器能力来说有显著减小，这在意图增加其能力的现有系统中是特别有利的。这些构型通常不提供为增加换热器能力而提供对应的更大占用空间的可能性。
总体上，根据本发明的板式换热器(1)能够因此实现换热器能力，相对于安装对应的换热器所需的占用空间而言的该换热器能力不能通过根据现有技术的相同设计的换热器来实现。
附图标记列表
1-板式换热器
2-包括两块框架板的框架本体
3-框架板
4-由换热板组成的板堆叠体
5-换热板
6-用于馈送和排出流体介质的装置
6a-贯通开口
7-施力装置
8-密封装置
9-用于接纳子元件的凹部或沟槽
10a-网状物
10b-肋
B-板宽度
L-板长度