DE10118625A1 - Wellenförmige Lamelle mit teilweisem Versatz für Plattenwärmetauscher - Google Patents

Abstract

Bei wellenförmigen Lamellen weist jeder Wellenschenkel (10A, 10B) Ausnehmungen (18A, 18B) an wenigstens einer (vorderen oder hinteren) Kante (11A) und wenigstens über einen Teil einer Höhe auf. DOLLAR A Die Lamelle ist für gelötete Plattenwärmetauscher verwendbar.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wellenförmige Lamelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine wellenförmige Lamelle mit teil­ weisem Versatz für Plattenwärmetauscher, mit einer Hauptrichtung der Wellen und einer Anzahl von benachbarten Reihen von Wellen, wobei jede Reihe mehr oder weniger quer zu der Hauptrichtung verläuft und in bezug auf die eigene Längsrichtung zu der nächsten Reihe versetzt ist, und wobei die Reihen der Wel­ len wenigstens einen Satz von Wellenschenkeln umfassen, die alternierend durch Wellenrücken und Wellentäler verbunden sind.

Wellenförmige Lamellen, die im allgemeinen als "gezahnte Wellen" bezeichnet werden, werden weithin verwendet für gelötete Plattenwärmetauscher, die den Vorteil haben, eine große Wärmetauscherfläche in bezug auf ihr geringes Volu­ men zu bieten und leicht herzustellen zu sein. Bei diesen Wärmetauschern kön­ nen die Fluidströme im Gleichstrom, im Gegenstrom oder im Querstrom geführt werden.

Fig. 1 der Zeichnung, auf die bereits hier Bezug genommen werden soll, zeigt perspektivisch und mit teilweisen Ausbrüchen ein Ausführungsbeispiel eines derartigen herkömmlichen Wärmetauschers, auf den sich die Erfindung bezieht. Es kann sich dabei insbesondere um einen cryogenen Wärmetauscher handeln.

Der dargestellte Wärmetauscher 1 besteht aus einem Stapel von parallelen, rechtwinkligen Platten 2, die untereinander identisch sind und die zwischenein­ ander eine Anzahl von Kanälen für Fluide bilden, die in indirekten Wärmeaus­ tausch gebracht werden sollen. Bei dem dargestellten Beispiel sind diese Kanäle nacheinander und zyklisch Kanäle 3 für ein erstes Fluid, 4 für ein zweites Fluid und 5 für ein drittes Fluid.

Jeder Kanal 3 bis 5 ist begrenzt durch Verschlußstangen 6, die die Kanäle unter Freilassung der Einlaß- und Auslaßöffnungen 7 für das entsprechende Fluid be­ grenzen.

In jedem Kanal sind wellenförmige Distanzstücke oder wellenförmige Lamellen 8 vorgesehen, die zugleich als Wärmetauscherrippen und als Abstandshalter zwi­ schen den Platten dienen, insbesondere während des Lötvorgangs, und zur Ver­ meidung jeglicher Verformung der Platten bei Verwendung von Druckfluiden und zur Führung des Fluidstroms.

Der Plattenstapel, die Verschlußstangen und die wellenförmigen Distanzstücke bestehen im allgemeinen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und wer­ den in einem einzigen Vorgang im Lötofen verbunden.

Einlaß- und Auslaßkästen 9 für Fluide, die insgesamt eine halbzylindrische Form aufweisen, werden sodann an den auf diese Weise hergestellten Wärme­ tauscherkorpus angeschweißt und überbrücken die entsprechenden Reihen der Einlaß- und Auslaßöffnungen, und sie sind mit Rohren 109 für die Zufuhr und Abfuhr der Fluide verbunden.

Es gibt unterschiedliche Typen von wellenförmigen Distanzstücken 8. Das her­ kömmliche wellenförmige Distanzstück, das als "gezahnte Welle" bekannt ist, ist in Fig. 2 gezeigt.

Diese gezahnte Welle hat eine Hauptrichtung D1 der Welle und umfaßt eine gro­ ße Anzahl von Reihen benachbarter Wellen 9A, 9B, 9C, usw., die in eine Rich­ tung D2 senkrecht zur Richtung D1 orientiert sind.

Zur Erleichterung der Beschreibung soll angenommen werden, daß die Richtun­ gen D1 und D2 gemäß Fig. 2 waagerecht sind.

Jede Reihe der Wellen weist eine abgewinkelte, wellige Form mit einer großen Anzahl von rechtwinkligen Wellenschenkeln 10 auf, die jeweils in einer senk­ rechten Ebene im rechten Winkel zu der Richtung D2 liegen. In bezug auf eine Gesamtrichtung F des Fluidstroms in Richtung D1 in den jeweiligen Kanälen weist jeder Schenkel eine vordere Kante 11 und eine hintere Kante 12 auf. Die Schenkel sind alternierend entlang ihren oberen Kanten durch flache und waa­ gerechte, rechtwinklige Wellenrücken 13 und entlang ihren unteren Kanten durch Wellentäler 14 verbunden, die ebenfalls rechteckig, flach und waagerecht sind.

Die Reihen 9 sind in Richtung D2 gegeneinander versetzt, und zwar abwech­ selnd zur einen und zur anderen Seite. Wenn der Abstand zwischen den aufein­ anderfolgenden senkrechten Schenkeln 10 mit p bezeichnet werden, beträgt der Versatz unter Vernachlässigung der Dicke E des Dünnblechmaterials, aus de­ nen die Wellen bestehen, p/2.

Jede Reihe 9 ist mit der nächsten Reihe 9 über die Rücken 13 in geradlinigen Abschnitten 15 mit der Länge p/2 verbunden, und über die Wellentäler 14 in geraden Linien 16 in den selben Längen p/2. Die Ebenen des Versatzes sind die senkrechten Ebenen P_AB, P_BC, etc., und die Ebenen des Versatzes, von oben gesehen, sind mit der Bezugsziffer 17 bezeichnet.

Im übrigen ist die Länge jeder Reihe 9 in Richtung D1 mit l bezeichnet worden, und diese Länge wird als Zahnungslänge bezeichnet, und die Höhe der Welle wird mit h bezeichnet.

In der Praxis können die verschiedenen Formen der Teile der Welle etwas von den beschriebenen theoretischen Formen abweichen, insbesondere hinsichtlich der Flachheit der Flächen 10, 13 und 14, der senkrechten Anordnung und der rechteckigen Form dieser Flächen.

Fig. 3 bis 5 in der Zeichnung zeigen schematische Querschnitte entlang der senkrechten Ebene III-III in Fig. 2, annähernd in der Versatzebene P und der waagerechten Mittelebene Q der Wellen. Diese Darstellung veranschaulichen den Nachteil der herkömmlichen gezahnten Wellen.

Ein vorgegebener Fluidstrom, der in Richtung D1 strömt, hat in dieser Richtung innerhalb einer Reihe 9, beispielsweise der Reihe 9A, einen weiten Durchlaß zur Verfügung (Fig. 3), der sich in jeder Ebene P wegen der Anwesenheit der Schen­ kel 10 der nächsten Reihe 9, in diesem Fall der Schenkel 10B der Reihe 9B, ver­ engt.

Daher verursacht der charakteristische Versatz der gezahnten Wellenteile einen erheblichen Druckverlust. Um diesen Effekt einzugrenzen, müssen relativ große Wellenlängen l verwendet werden, obgleich diese nicht optimal sind im Hinblick auf die thermische Effektivität.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Druckverluste, die durch die wel­ lenförmigen Lamellen aufgrund des Versatzes von einer Reihe gegen die nächste entstehen, zu vermeiden oder zumindest zu verringern.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine wel­ lenförmige Lamelle mit teilweisem Versatz gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführung, die gekennzeichnet ist dadurch, daß wenigstens einige Wellen­ schenkel eine Nut an wenigstens einer Kante und über wenigstens einen Teil ih­ rer Höhe aufweisen.

Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Plattenwärmetauscher mit wellen­ förmigen Lamellen, wie er oben definiert wurde. Dieser Wärmetauscher umfaßt einen Stapel von parallelen Platten, die eine Anzahl von insgesamt im wesentli­ chen flachen Kanälen zur Zirkulation von Fluiden bilden, Verschlußstangen, die diese Kanäle begrenzen, und wellenförmige Lamellen, die in den Kanälen ange­ ordnet sind, zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens einige der wellenförmi­ gen Lamellen der obigen Definition der Lamellen entsprechen.

Einige als Beispiel zur Verfügung stehende Ausführungsformen der Erfindung sollen jetzt anhand von Fig. 6 bis 17 der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 6 zeigt in perspektivischer Darstellung eine wellenförmige Lamelle gemäß der Erfindung;

Fig. 7 bis 13 sind Darstellungen ähnlich Fig. 6, und zeigen jedoch an­ dere Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 14 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 5, bezieht sich jedoch auf eine Lamelle gemäß Fig. 6, 7 und 8;

Fig. 15 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 14, bezieht sich jedoch auf eine wellenförmige Lamelle gemäß Fig. 9, 10 und 11;

Fig. 16 und 17 zeigen Einzelheiten zu Fig. 5 und 14 und veranschauli­ chen eine Eigenschaft der wellenförmigen Lamellen ge­ mäß der Erfindung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist jeder Schenkel 10 eine Nut oder Ausnehmung 18 an ihrer vorderen Kante auf. Diese Ausnehmung 18 erstreckt sich von dem Wellental 14 bis zur mittleren Höhe, d. h. bis zur Höhe h/2.

In Fig. 6 bis 13 sind zwei Reihen der Wellen 9A und 9B perspektivisch darge­ stellt. Diese wellenförmigen Elemente sind mit den Suffixen A und B entspre­ chend der zugehörigen Reihe gekennzeichnet worden.

Die Ausführungsform von Fig. 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 6 nur dadurch, daß die Ausnehmungen 18, die auch hier eine Länge h/2 haben, im Mittelbereich entlang der vorderen Kante 11 verlaufen, ohne den oberen Rücken oder das untere Wellenteil 14 zu berühren.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 9 unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform nur dadurch, daß die Schenkel 10 auch eine Ausnehmung 21 über die gesamte Höhe der hinteren Kante 12 aufweisen. Diese Ausnehmungen 21 berühren den oberen Rücken 13 und das untere Wellenteil 14 ebenfalls nicht.

Die wellenförmige Lamelle gemäß Fig. 10 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 7 nur dadurch, das zusätzlich eine Ausnehmung 21 der Höhe h/2 im Mit­ telbereich der hinteren Kante 12 jedes Schenkels vorgesehen ist. Als Alternative können die Ausnehmungen 18 und 21 eine andere Länge als h/2, jedoch gerin­ ger als h aufweisen.

Bei der Ausführungsform der gewellten Lamelle gemäß Fig. 11 weist jeder Schenkel eine Ausnehmung 18 der vorderen Kante und eine Ausnehmung 21 der hinteren Kante auf. Diese beiden Ausnehmungen haben dieselbe Höhe zwi­ schen h/2 und h und dieselbe vertikale Position, jedoch sind die Ausnehmun­ gen senkrecht von einem Schenkel zum nächsten versetzt. Auf diese Weise lie­ gen von einer Reihe 9A und 9B zur nächsten und von einem Schenkel zum nächsten die Ausnehmungen 18 und 21 alternierend angrenzend an den Rüc­ ken der Welle 13 oder angrenzend an das Wellenteil 14.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 12 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 9 nur dadurch, daß Ausnehmungen 18 und 21 alternierend in die Rücken 13 und die Wellentäler 14 fortgesetzt werden und diese schwächen. Diese Schwä­ chung kann nachteilig sein, wenn Fluide unter Druck transportiert werden, da sie den Bereich der Fläche der Lamellen verringert, auf der diese mit den an­ grenzenden Platten des Wärmetauschers verschweißt sind.

Daher ist es vorzuziehen, bei bestimmten Anwendungsfällen gemäß Fig. 13 ei­ nen Versatz geringer als p/2 von einer Reihe 9 zur nächsten zu verwenden. Dar­ aus ergibt sich der Vorteil größerer mechanischer Festigkeit, jedoch auf der an­ deren Seite eine Verringerung thermischer Wirksamkeit.

Wie in Fig. 14 und 15 gezeigt ist, ist bei allen Ausführungsformen der oben be­ schriebenen Lamellen 8 vorgesehen, daß die Ausnehmungen 18 oder 18 und 21 (oder 21) einen zweidimensionalen Fluß des Fluids im Bereich der Versatzlinien 17 ermöglichen. Folglich werden die Ströme des Fluids, die aus den verschiede­ nen Kanälen in den Lamellen kommen, teilweise durchmischt. Die Wirksamkeit des Wärmeaustausches wird dadurch verbessert.

Wenn außerdem ein senkrechter Versatz zwischen den Ausnehmungen 18 und 21 vorgesehen ist, wie es im Fall der Fig. 11 gezeigt ist, ergibt sich ein dreidi­ mensionaler Effekt in bezug auf den Fluß des Fluids, und dieser ermöglicht ei­ nen weiterverbesserten Wärmeaustausch.

Ein Vergleich zwischen Fig. 16 und 17, die den Strom eines Fluids durch eine in herkömmliche Weise ausgebildete Welle (Fig. 16) und durch eine erfindungsge­ mäße Welle (Fig. 17) zeigen, verdeutlicht, daß der Druckverlust aufgrund der Einschnürung des Kanals an der Versatzlinie 17 erheblich reduziert wird, wenn der Kanalquerschnitt 22, der definiert wird durch die Ausnehmungen 18 (oder 21, wenn nur an der vorderen Kante Ausnehmungen vorgesehen sind, oder durch Ausnehmungen 18 und 21, die einander zugewandt sind), wenigstens halb so groß ist wie der Kanalquerschnitt 23 jedes Kanals, der zwischen zwei Schenkeln 10 liegt. Auf diese Weise wird die Drosselung bei Überquerung der Li­ nie 17 eliminiert.

Die hier beschriebenen Lamellen können aus verschiedenen Materialien beste­ hen, die üblicherweise bei Plattenwärmetauschern verwendet, nämlich Alumini­ um und Aluminiumlegierungen, Kupfer oder Kupferlegierungen, nichtrostende Stähle oder Titan.

Claims (10)

1. Wellenförmige Lamelle mit teilweisem Versatz für Plattenwärmetauscher mit einer Hauptrichtung der Welle (D1) und einer Anzahl von benachbarten Reihen (9) der Wellen, wobei jede Reihe mehr oder weniger quer in bezug auf die Hauptrichtung der Welle läuft und in ihrer eigenen Längsrichtung (D2) in bezug auf zwei benachbarte Reihen versetzt ist, und wobei jede Reihe der Wellen eine Anzahl von Wellenschenkeln (10) umfaßt, die alternierend mit Wellenrücken (13) und Wellentälern (14) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens einige der Wellenschenkel (10) eine Ausnehmung (18, 21) an wenigstens ei­ ner (vorderen oder hinteren) Kante (11, 12) und über wenigstens einen Teil der Höhe aufweisen.

2. Wellenförmige Lamelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Ausnehmung (18, 21) so gewählt ist, daß ein Fluidstrom im wesent­ lichen in Richtung der Hauptwellenrichtung (D1) entsteht bei einem Kanalquer­ schnitt, der im Bereich der Ausnehmungen der Schenkel (10) im wesentlichen konstant oder erhöht ist.

3. Wellenförmige Lamelle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausnehmung (18) an der vorderen Kante (11) des Schenkels vorge­ sehen ist.

4. Wellenförmige Lamelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmung (21) an der hinteren Kante (12) des Schenkels vorgesehen ist.

5. Wellenförmige Lamelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einige Ausnehmungen (18, 21) in bezug auf die anderen im rechten Winkel zu der Gesamtebene der Lamellen versetzt sind.

6. Wellenförmige Lamelle gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (18, 21) im rechten Winkel zu der Gesamtebene der Lamelle von einem Wellenschenkel (10) zur nächsten in derselben Reihe (9A, 9B) versetzt sind.

7. Wellenförmige Lamelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausnehmung (18, 21) über die gesamte Höhe des Wellen­ schenkels (10) verläuft.

8. Wellenförmige Lamelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ausnehmung (18, 21) in das angrenzende Wellental (14) und/oder den angrenzenden Wellenrücken (13) fortgesetzt ist.

9. Wellenförmige Lamelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Versatz von einer Reihe zur nächsten geringer ist als die halbe Wellenlänge (p/2).

10. Plattenwärmetauscher mit einem Stapel von parallelen Platten (2), die eine Anzahl von Kanälen (3 bis 5) mit generell flacher Form für den Durchlauf von Fluiden, Verschlußstangen (6), die diese Kanäle begrenzen, und wellenförmige Lamellen (8) innerhalb der Kanäle umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß we­ nigstens einige der wellenförmigen Lamellen (8) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet sind.