Die Erfindung betrifft einen Gegenstrom-Plattenwärmetauscher mit einem Stapel aus mehreren beabstandeten Platten, zwischen denen Fluide durchströmen.
Zwischen den beabstandeten Platten ergeben sich Kammern, durch die Fluide (im Wesentlichen in entgegengesetzten Richtungen) strömen. Die Fluide können Gase oder Flüssigkeiten sein. Wie bei Wärmetauschern üblich, kommen die beiden strömenden Fluide nicht direkt in Kontakt, sondern tauschen lediglich Wärme über die Platten, welche beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff bestehen, aus. Dabei ist es günstig, wenn in jeder zweiten Kammer das erste Fluid strömt, während in den dazwischen liegenden Kammern das zweite Fluid im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung strömt. Derartige Plattenwärmetauscher sind im Prinzip bereits bekannt. Beim Stand der Technik sind die Platten häufig rechteckig.
Demgegenüber sieht die Erfindung vor, dass die Platten in einer Ansicht senkrecht zur Plattenebene im Wesentlichen quadratisch sind. Mit einer solchen Ausbildung lassen sich zahlreiche Vorteile realisieren. Die quadratischen Platten können immer gleich ausgeführt sein. Dies bedeutet eine Einsparung bei der Herstellung sowie bei der Lagerung. Die Platten brauchen jeweils nur um 90 DEG gegeneinander verdreht eingebaut werden, wie dies im Folgenden noch näher erläutert werden wird. Ausserdem ergibt sich eine besonders Platz sparende Ausführung geringer Baulänge, die dennoch einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Der erfindungsgemässe Gegenstrom-Plattenwärmetauscher hat den gleichen Platzbedarf wie ein diagonal eingebauter Kreuzstromtauscher mit halber Fläche.
Der Wirkungsgrad ist aber beträchtlich höher, da die Strömung im erfindungsgemässen Gegenstrom-Plattenwärmetauscher mit etwa 75% Gegenstrom - und nur 25% Kreuzstromanteil - verläuft. Gegenüber einem Kreuzstromtauscher ähnlichen Aufbaus, bei dem die Strömungen der beiden Fluide im Wesentlichen senkrecht aufeinander verlaufen, weist der erfindungsgemässe Gegenstrom-Plattenwärmetauscher noch den Vorteil auf, dass keine Eckdichtungen nötig sind, womit sich keine Querschnittsverengungen an den Ecken ergeben. Vielmehr ist eine einfache Rahmenkonstruktion mit kleinen Baugrössen möglich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Gegenstrom-Plattenwärmetauschers.
Die Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht vier übereinander liegende Platten (Wärmetauscherplatten) des erfindungsgemässen Plattenwärmetauschers.
Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf den in Fig. 2 gezeigten Plattenstapel.
Die Fig. 4 zeigt einen Schnitt gemäss der Linie A-A der Fig. 3.
Die Fig. 5 zeigt schematisch den Strömungsverlauf zwischen zwei benachbarten Platten beim erfindungsgemässen Gegenstand.
Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemässe Gegenstrom-Plattenwärmetauscher ist in einem Gehäuse untergebracht, welches Wände 8 am Boden und auf der Decke aufweisen, sowie Seitenwände 10. Die Seitenwände 10 weisen rechtwinkelig dazu umlaufende Randbereiche 10a auf, die diesen Seitenwänden eine höhere Stabilität verleihen und ausserdem einen besseren Anschluss der Wände 8 erlauben. Diese können daran festgeklebt, aber auch lösbar verbunden sein, beispielsweise mittels nicht dargestellter Schrauben. Die umlaufenden Randbereiche 10a erlauben ausserdem eine einfache Befestigung der Abdeckung 5, die die Grenze zwischen den beiden Fluiden darstellt, welche in den zwischen den Platten 1 gebildeten Kammern durch den Wärmetauscher durchströmen. Dabei ist mit A1 der Eintritt des ersten Mediums (beziehungsweise Fluids, z.B. Warmluft) gekennzeichnet.
Der Austritt dieses Mediums ist mit A2 bezeichnet. Im Wesentlichen im Gegenstrom dazu strömt das zweite Medium an der Stelle B1 ein und an der Stelle B2 aus. Die beiden Strömungen laufen - wie bereits erwähnt - hauptsächlich im Gegenstrom, was einen guten Wirkungsgrad erlaubt, und zwar so wie es bei Wärmetauschern üblich ist, dass die beiden Medien bzw. Fluide nicht miteinander in Kontakt treten, sondern lediglich über die Platten Wärme miteinander austauschen.
Es ist bereits aus Fig. 1 ersichtlich, dass die Wärmetauscherplatten 1 im Inneren des Wärmetauschers wie die Seitenfläche 10 im Wesentlichen quadratische Form aufweisen. Der genaue Aufbau der Wärmetauscherplatten ist in den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Die Platten 1 bestehen beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff und sind bis auf allfällig vorhandene, vom Plattenrand entfernte, Distanzelemente 3 im Wesentlichen gleich ausgebildet und eben erfindungsgemäss quadratisch. Diese eingeprägten oder eingelegten Distanzelemente sind aus strömungstechnischen Gründen vorteilhaft nicht symmetrisch angeordnet und dienen zum Abstandhalten zwischen den benachbarten Platten 1. Die Platten 1 können aber auch im Hinblick auf diese eingeprägten oder eingelegten Abstandhalter 3 völlig identisch ausgebildet sein.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Platten an zwei gegenüberliegenden Ecken jeweils im Randbereich eine Erhöhung 2 gegenüber der übrigen (mittleren) Plattenebene auf. Diese Erhöhung 2 erstreckt sich von der jeweiligen Ecke aus bis etwa zur halben Quadratseite hin. Die Erhöhungen können im einfachsten Fall einstückig mit der übrigen Platte ausgebildet sein, beispielsweise durch Verformen bzw. Prägen. Es ist aber auch möglich, solche Erhöhungen durch Einlegen bzw. Auflegen von Abstandhaltern zu realisieren.
Die übereinander liegenden Platten 1 sind gemäss Fig. 2 so angeordnet, dass jeweils benachbarte Platten um 90 DEG gegeneinander verdreht angeordnet sind, wobei die Platten im Bereich 4 über den ebenen Bereich der Erhöhung 2 fluiddicht miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Verkleben, Vergiessen oder andere Dichtmittel (eingelegte Dichtstoffe) oder durch Verschweissen, Verlöten etc. Eine andere Möglichkeit besteht in einer rein metallischen Verbindung oder in Tauchverfahren mit Kapillarwirkung. In Fig. 3 und 4 sind noch angepresste dichtende Abdeckungen 5 gezeigt, die die beiden Fluidsysteme voneinander trennen, wobei diese Abdeckungen im Übergangsbereich der Erhöhungen 2 etwa im Bereich der halben Quadratseite angeordnet sind.
Diese dichtenden Abdeckungen können angepresst sein oder auch lösbar verbunden sein, und als Dichtstoffe eignen sich beispielsweise Elastomern. Im Bereich der Wände 8 können diese dichtenden Abdeckungen 5 entweder durch gesonderte Dichtungen oder durch die Wände 8 selbst realisiert sein.
Die Wände 8 können also auch als stirnseitige Längsabdichtungen zwischen den Platten dienen, z.B. durch Vergiessen mit Dichtstoffen. Dabei kann beispielsweise das Plattenpaket ganz einfach in oder auf einen flüssigen oder anderen Dichtstoff gestellt werden. Es ist aber auch das Anpressen einer ganzflächigen elastischen Dichtfläche möglich. Es kann dann - wie bereits erwähnt - ein gesonderter Teil 5 entfallen. Ausserdem ist es an diesen Stellen nicht nötig, die benachbarten Platten untereinander dicht abzudichten, weil eben die Abdichtung über die Wände 8 erfolgen kann.
In Fig. 5 ist der Strömungsverlauf zwischen zwei benachbarten Platten gezeigt, beispielsweise für das erste Medium, das bei A1 eintritt und bei A2 austritt. Der Strömungsverlauf für das zweite Medium in den benachbarten Kammern, welches bei B1 eintritt und bei B2 austritt, ist bezüglich der Diagonale des Quadrates symmetrisch. Die Strömungslinien sind mit 9 bezeichnet.
Die Teile 5 und 8 sind der Übersichtlichkeit halber mit Abstand gezeichnet. In Wirklichkeit liegen diese dicht an den Platten 1 an.
The invention relates to a counterflow plate heat exchanger with a stack of several spaced plates, between which fluids flow.
There are chambers between the spaced plates through which fluids flow (essentially in opposite directions). The fluids can be gases or liquids. As is usual with heat exchangers, the two flowing fluids do not come into direct contact, but only exchange heat via the plates, which are made of aluminum or plastic, for example. It is advantageous if the first fluid flows in every second chamber, while the second fluid essentially flows in the opposite direction in the chambers lying between them. Such plate heat exchangers are already known in principle. In the prior art, the plates are often rectangular.
In contrast, the invention provides that the plates are substantially square in a view perpendicular to the plane of the plate. With such training, numerous advantages can be realized. The square plates can always be the same. This means savings in production and storage. The plates only need to be installed at 90 ° to each other, as will be explained in more detail below. In addition, there is a particularly space-saving design of short overall length, which is nevertheless highly efficient. The counterflow plate heat exchanger according to the invention takes up the same space as a diagonally installed crossflow exchanger with half the area.
The efficiency is considerably higher, however, since the flow in the counterflow plate heat exchanger according to the invention runs with about 75% counterflow - and only 25% crossflow. Compared to a cross-flow exchanger of similar construction, in which the flows of the two fluids are essentially perpendicular to one another, the countercurrent plate heat exchanger according to the invention still has the advantage that no corner seals are necessary, so that there are no cross-sectional constrictions at the corners. Rather, a simple frame construction with small sizes is possible.
Further advantages and details of the invention are explained in more detail with reference to the following description of the figures.
1 shows a schematic perspective view of an embodiment of the counterflow plate heat exchanger according to the invention.
FIG. 2 shows a perspective view of four plates (heat exchanger plates) of the plate heat exchanger according to the invention lying one above the other.
FIG. 3 shows a top view of the plate stack shown in FIG. 2.
FIG. 4 shows a section along line A-A of FIG. 3.
5 schematically shows the flow pattern between two adjacent plates in the object according to the invention.
The countercurrent plate heat exchanger according to the invention shown in Fig. 1 is housed in a housing which have walls 8 on the floor and on the ceiling, as well as side walls 10. The side walls 10 have peripheral edge regions 10a at right angles thereto, which give these side walls a higher stability and also allow a better connection of the walls 8. These can be glued to it, but also releasably connected, for example by means of screws, not shown. The peripheral edge regions 10a also allow the cover 5, which represents the boundary between the two fluids, to flow through the heat exchanger in the chambers formed between the plates 1. A1 indicates the entry of the first medium (or fluid, e.g. warm air).
The exit of this medium is designated A2. Essentially in countercurrent to this, the second medium flows in at position B1 and out at position B2. As already mentioned, the two flows run mainly in countercurrent, which allows a good efficiency, and as is usual with heat exchangers that the two media or fluids do not come into contact with one another, but only exchange heat with one another via the plates ,
It can already be seen from FIG. 1 that the heat exchanger plates 1, like the side face 10, have an essentially square shape in the interior of the heat exchanger. The exact structure of the heat exchanger plates is shown in FIGS. 1 to 4. The plates 1 consist, for example, of aluminum or plastic and, apart from any spacer elements 3 that are present and removed from the edge of the plate, are essentially of the same design and are square according to the invention. These embossed or inserted spacer elements are advantageously not arranged symmetrically for fluidic reasons and serve to keep spacing between the adjacent plates 1. However, the plates 1 can also be designed completely identically with regard to these embossed or inserted spacers 3.
In the present exemplary embodiment, the plates have an elevation 2 in the edge area at two opposite corners, in each case in relation to the remaining (middle) plate plane. This increase 2 extends from the respective corner to about half the square side. In the simplest case, the elevations can be formed in one piece with the remaining plate, for example by shaping or embossing. But it is also possible to realize such increases by inserting or placing spacers.
The plates 1 lying one above the other are arranged according to FIG. 2 in such a way that adjacent plates are rotated relative to one another by 90 °, the plates in region 4 being connected to one another in a fluid-tight manner via the flat region of the elevation 2, for example by gluing, casting or others Sealants (inserted sealants) or by welding, soldering etc. Another possibility is a purely metallic connection or in immersion processes with capillary action. FIGS. 3 and 4 also show pressed-on sealing covers 5 which separate the two fluid systems from one another, these covers being arranged in the transition region of the elevations 2 approximately in the region of half the square side.
These sealing covers can be pressed on or also releasably connected, and elastomers, for example, are suitable as sealants. In the area of the walls 8, these sealing covers 5 can be realized either by separate seals or by the walls 8 themselves.
The walls 8 can therefore also serve as end seals between the plates, e.g. by potting with sealants. For example, the plate pack can easily be placed in or on a liquid or other sealant. But it is also possible to press on a full-surface elastic sealing surface. As already mentioned, a separate part 5 can then be omitted. In addition, it is not necessary at these points to seal the adjacent plates tightly to one another, because sealing can take place via the walls 8.
5 shows the flow pattern between two adjacent plates, for example for the first medium, which enters at A1 and exits at A2. The flow pattern for the second medium in the adjacent chambers, which enters at B1 and exits at B2, is symmetrical with respect to the diagonal of the square. The flow lines are designated 9.
Parts 5 and 8 are drawn at a distance for the sake of clarity. In reality, these are close to the plates 1.