DE102008029096A1 - Verdampfer für ein Abwärmenutzungssystem - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für ein Arbeitsmittel zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses, umfassend einen Arbeitsmitteleinlassabschnitt, einen Wärmetauscherabschnitt und einen Dampfsammelabschnitt für das verdampfte Arbeitsmittel, die als Stapelfolge aus einer Vielzahl stoffschlüssig verbundener, Durchgangsöffnungen aufweisender Platten aufgebaut sind, wobei im Wärmetauscherabschnitt ein erstes Kanalsystem zur Führung des Wärmeträgermediums und ein zweites Kanalsystem zur Führung des Arbeitsmittels, das vom ersten Kanalsystem hydraulisch getrennt ist, angelegt sind und wobei das erste Kanalsystem und das zweite Kanalsystem jeweils durch einen teilweisen Überlapp der Durchgangsöffnungen benachbarter Platten ausgebildet werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Verdampfer für ein Abwärmenutzungssystem, insbesondere für den Betrieb eines Dampfmotors zur Abwärmenutzung einer Verbrennungskraftmaschine.
  • Abwärmenutzungssysteme nutzen die Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine zum Verdampfen eines Arbeitsmittels, das daraufhin mechanische Leistung erzeugend in einem Expander entspannt. Nachfolgend zum Expander wird die Dampfphase des Arbeitsmittels kondensiert und wieder dem Verdampfer zugeführt. Mögliche Wärmequellen einer Verbrennungskraftmaschine zum Aufheizen des Verdampfers sind der Abgas- oder der Kühlmittelstrom. Weitere Wärmequellen ergeben sich durch die Abgasrückführung und Luftkühlung von Fahrzeugmotoren sowie die Zwischenkühlung bei mehrstufiger Aufladung. Alternativ oder zusätzlich kann eine separate Brennereinheit vorgesehen werden.
  • Abwärmenutzungssysteme können vorteilhaft durch die wenigstens teilweise Nutzung der Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine den Gesamtwirkungsgrad eines Antriebs verbessern. Diesem Vorteil steht gegenüber, dass die Komponenten des Dampfmotors das Gesamtgewicht des Fahrzeugs erhöhen und darüber hinaus zusätzlichen Bauraum beanspruchen. Verdampfer als eine Komponente eines Abwärmenutzungssystems müssen daher effizient, kleinbauend und an die jeweilige Anwendung anpassbar sein.
  • Verdampfer mit einem ein Rohrbündel umfassendes Heizregister sind bekannt. Für eine erste Gestaltung werden die Außenwandungen der Rohrbündel vom Wärmeträgermedium umströmt. Für eine Weitergestaltung sind sowohl für das Arbeitsmittel als auch für das Wärmeträgermedium hydraulisch getrennte Strömungskanalsysteme vorgesehen. Hierzu wird exemplarisch auf die GB 1084292 A verwiesen. Aus dieser Druckschrift geht ein Plattenwärmetauscher hervor, der aus einer alternierend angelegten Stapelfolge von zwei Plattentypen aufgebaut ist. Ein erster Plattentyp führt das Wärmeträgermedium, der zweite Plattentyp das zu verdampfende Arbeitsmittel. Die Strömungskanäle in den beiden Plattentypen sind als einseitig offene Kanäle angelegt, die jeweils von der geschlossenen Seite der benachbarten Platte abgedeckt werden. Nachteilig an einer solchen Anordnung ist, dass die Strukturierung der einzelnen Platten mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden ist. Dies gilt insbesondere für die Herstellung eines vielfach verzweigten Kanalsystems in einer Platte, um eine möglichst turbulente Führung des jeweiligen Mediums zu bewirken. Des Weiteren muss das für das zu verdampfende Arbeitsmittel verwendete Muster der Strömungskanäle an die Dimensionierung des Abwärmenutzungssystems und den für die jeweilige Anwendung zur Verfügung stehenden thermischen Leistungseintrag angepasst werden. Dies setzt meist eine individuelle Musteranpassung voraus, was wiederum aufwendig ist. Ferner sind für die bekannten Plattenverdampfer aufgrund der Ausdehnung der Wandungsflächen hohe, aus dem Dampfdruck resultierende Kräfte aufzufangen. Folge dieser hohen mechanischen Belastungen sind großbauende, entsprechend schwere Verdampfer.
  • Ferner ist aus der DE 1999 10 48 222 ein Verdampfer in Form eines Plattenstapels bekannt, für den die Strömungskanäle zur Führung des Wärmeträgermediums und jene zur Aufnahme des Arbeitsmittels mit unterschiedlichen Querschnitten ausgebildet sind. Dabei weisen die Arbeitsmittelkanäle vorteilhaft kleine Querschnitte auf, um dem sich an den Wandungen der Arbeitsmittelkanäle ausbildenden Dampffilm entgegenzuwirken, der den Wärmeübertrag in die Flüssigphase unerwünscht vermindert (Leidenforst-Phänomen). Hierzu wird vorgeschlagen, jeweils zwei Plattenflächen mit fischgrätmusterartigen Kanalstrukturen in flächige Anlage zu bringen. Für die Strömungskanäle zur Führung des Wärmeträgermediums werden gekreuzte Kanalstrukturen für die aneinander anliegenden Platten verwendet, sodass ein möglichst großer freier Querschnitt entsteht. Für die schmalen Arbeitsmittelkanäle wird eine Parallelanordnung ineinandergreifender Strukturen für die verdampferseitige Volumenreduktion bevorzugt. Nachteilig ist der hieraus resultierende konstruktive Aufwand. Dabei sind insbesondere für die Parallelanordnung der Kanäle Abstandshalter notwendig. Des Weiteren sind die Skalierbarkeit und die individuelle Querschnittsanpassung sowie die gewünschte Kanalaufweitung zur Aufnahme der Dampfphase nur in unzureichendem Maße möglich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Verdampfer in einem Abwärmenutzungssystem im Hinblick auf den Wärmeübertrag vom Wärmeträgermedium, beispielsweise dem Abgasstrom oder einem Kühlmittelstrom, zum Arbeitsmittel zu verbessern. Des Weiteren soll sich der Verdampfer durch eine kleine Baugröße und durch eine verbesserte Skalierbarkeit auszeichnen. Die Skalierbarkeit soll für den Wärmeträgerstrom, den Durchsatz an Arbeitsmittel sowie den Volumenstrom in der Dampfphase des Arbeitsmittels gegeben sein. Ferner wird eine einfache Anpassbarkeit des Verdampfers an einen bestimmten Fahrzeugtyp gefordert. Des Weiteren ist der erfindungsgemäße Verdampfer konstruktiv und fertigungstechnisch einfach auszubilden.
  • Zur Lösung der Aufgabe haben die Erfinder erkannt, dass ein verbesserter Verdampfer in Form einer Stapelfolge stoffschlüssig miteinander verbundener Platten, die jeweils Durchgangsöffnungen aufweisen, aufgebaut werden kann. Dabei ist die Stapelfolge so angelegt, dass die in benachbart liegenden Platten angelegten Durchgangsöffnungen einander teilweise überlappen und zwei getrennte Kanalsysteme mit einem mäandrierenden und sich verzweigenden Verlauf entstehen. Sowohl das erste als auch das zweite Kanalsystem umfassen bevorzugt eine Vielzahl von Strömungskanälen. Die Durchgangsöffnungen werden bevorzugt so angeordnet, dass ein einzelner Strömungskanal des ersten Kanalsystems benachbart zu einer Vielzahl von Strömungskanälen des zweiten Kanalsystems liegt und diese kreuzt.
  • Das erste Kanalsystem dient zur Führung des Wärmeträgermediums, zum Beispiel des Abgasstroms einer Verbrennungskraftmaschine, in einem Wärmetauscherabschnitt des Verdampfers. Das zweite Kanalsystem führt das Arbeitsmittel, das im Wärmetauscherabschnitt thermische Leistung aufnimmt und verdampft. Demnach liegt wenigstens in Teilen des zweiten Kanalsystems zusätzlich zum flüssigen Arbeitsmittel dessen Dampfphase vor, die im Dampfsammelabschnitt des Verdampfers austritt. Die Flüssigphase des Arbeitsmittels wird durch den Arbeitsmitteleinlassabschnitt dem Verdampfer zugeführt.
  • Dabei ist das zweite Kanalsystem bevorzugt so angelegt, dass die mittlere Strömungsrichtung im Wärmetauscherabschnitt eine Richtungskomponente in Stapelrichtung aufweist. Für das erste Kanalsystem kann dann für eine bevorzugte Ausgestaltung eine mittlere Strömungsrichtung angelegt werden, die quer zur Stapelrichtung verläuft. Folglich tritt das flüssige Arbeitsmittel bevorzugt durch wenigstens eine Durchgangsöffnung in der ersten Platte der Stapelfolge ein, die Teil des Arbeitsmitteleinlassabschnitts ist, und wird über wenigstens eine Durchgangsöffnung in der letzten Platte als Dampfphase entnommen. Dazwischen wird der Wärmetauscherabschnitt von den Arbeitsmittelkanälen durchquert. Das Wärmeträgermedium tritt im Wärmetauscherabschnitt auf einer Stirnseite der Stapelfolge ein und auf der gegenüberliegenden Stirnseite aus.
  • Bevorzugt sind der Arbeitsmitteleinlassabschnitt, der Wärmetauscherabschnitt und der Dampfsammelabschnitt zusammenhängende Teile der Stapelabfolge, sodass der Verdampfer durch den Stoffschluss benachbart liegender Platten eine monolithische Einheit bildet.
  • Durch die Wahl der Plattenabfolge, der Anordnung und Ausformung der Durchgangsöffnungen in den Platten entstehen die Strömungskanäle der hydraulisch voneinander getrennten ersten und zweiten Kanalsysteme. Besonders bevorzugt wird wenigstens im Bereich des Wärmetauscherabschnitts, in dem sowohl das erste Kanalsystem als auch das zweite Kanalsystem vorliegt, eine alternierende Plattenabfolge verwendet. Hierunter wird verstanden, dass die einem Kanalsystem zugeordneten Durchgangsöffnungen von Platte zu Platte im Wesentlichen form- und größengleich sind, diese sich jedoch für benachbarte Platten bezüglich ihrer Anordnung relativ zu den Rändern der Platten bzw. zu einem für das Stapeln der Platten verwendeten Anschlag unterscheiden.
  • Hierdurch entsteht in der Stapelfolge der Platten ein Querversatz der Durchgangsöffnungen, der zu einem Mäandrieren der Kanäle des ersten und des zweiten Kanalsystems führt. Ferner kann eine Vielzahl von Verzweigungsstellen im ersten und/oder dem zweiten Kanalsystem angelegt sein, wodurch ein turbulentes Durchströmen mit einem verbesserten Wärmeübertrag begünstigt wird.
  • Ferner ist es denkbar, zur Herstellung einer der Abschnitte des Verdampfers nur eine Plattenart zu verwenden und den gewünschten Querversatz in der Stapelabfolge durch ein wechselndes Überstehen der Platten am Rand zu bewirken. Ferner ist es möglich, insbesondere den Wärmetauscherabschnitt aus mehr als zwei Plattentypen aufzubauen, wobei sowohl die Anordnung der Durchgangsöffnungen als auch deren Größe und Form variieren können.
  • Eine Leistungsskalierung kann für einen erfindungsgemäßen Verdampfer auf einfache Art und Weise dadurch bewirkt werden, dass die Plattenanzahl insbesondere im Wärmetauscherabschnitt und dem Dampfsammelabschnitt verändert wird. Für den Wärmetauscherabschnitt ergibt sich aufgrund eines größeren Querschnitts durch die Hinzunahme weiterer Platten eine Vergrößerung der Kapazität der Strömungskanäle, deren Haupttransportrichtung im Wesentlichen quer zu den Platten verläuft. Werden beispielsweise die Durchgangsöffnungen für das erste Kanalsystem für jede Platte entlang einer übereinstimmenden Anordnungsrichtung aufgereiht und bezüglich ihrer Größendimensionierung so angelegt, dass die in der Anordnungsrichtung zwischen den Durchgangsöffnungen liegenden Stege eine Breite aufweisen, die kleiner ist als die Erstreckung der Durchgangsöffnungen in Anordnungsrichtung, kann ein Querversatz für die Stapelfolge verwendet werden, für den ein Strömungskanal mit mehreren parallelen Strömungspfaden entsteht. Dieser weist eine Abfolge sich verzweigender Einzelkanäle auf, die jeweils von einem Durchmischungsraum ausgehen und in einen solchen münden. Jeder der Durchmischungsräume stellt ein Freivolumen dar, der durch die Stapelabfolge im Wärmetauscherabschnitt hindurch reicht. Mit jeder weiteren Platte steigen die Anzahl der Verzweigungen und die Ausdehnung der Durchmischungsräume in Stapelrichtung, sodass ein entsprechend höherer Volumenstrom des Wärmeträgermediums durch den Verdampfer hindurchtreten kann.
  • Demgemäß lässt sich der Dampfsammelabschnitt durch die Hinzunahme weiterer Platten in der Stapelfolge oder durch die Vergrößerung der Dicke der verwendeten Platten an ein vergrößertes Dampfvolumen anpassen, indem die Größe der Dampfsammelräume erhöht wird. Ferner ist der Zustrom des Arbeitsmittels im Arbeitsmitteleinlassabschnitt durch eine Anpassung der freien Querschnitte, die Dimensionierung der Durchgangsöffnungen und die Anpassung des Querversatzes aufeinander folgender Platten für die jeweilige Anwendung anpassbar.
  • Besonders bevorzugt wird für die Platten in einem Edelstahlblech das gewünschte Muster der Durchgangsöffnungen angelegt. Hierfür kommen übliche Bearbeitungsverfahren in Betracht. Im Fall von Blechplatten kann ein Stanzverfahren oder ein Laserstrahl-Schneideverfahren angewandt werden. Zur stoffschlüssigen Verbindung der Platten der Stapelfolge wird bevorzugt ein Lötverfahren verwendet, für das eine Lötfolie aus einem Ni-Lot oder einem Cu-Lot angewandt werden kann. Hierdurch resultiert ein als Stapelfolge aufgebauter, erfindungsgemäßer Verdampfer, der beispielsweise auf eine Druckfestigkeit von 70 bar ausgelegt ist. Dabei können erfindungsgemäße Verdampfer durch eine Vergrößerung der Stegbreiten an höhere Betriebsdrücke angepasst werden.
  • Des Weiteren ist es denkbar, statt metallischer Materialien für die Platten auf keramische Werkstoffe oder Hochtemperaturkunststoffe zurückzugreifen oder die Platten mit einer Beschichtung zu versehen. Letztere kann den Wärmeübertrag durch eine Oberflächenvergrößerung oder durch eine Einflussnahme auf die Turbulenzbildung für die Durchströmung verbessern. Ferner können Beschichtungen mit korrosionshemmender Wirkung verwendet werden. Werden Abgase einer Verbrennungskraftmaschine als Wärmeträgermedium verwendet, kann eine Beschichtung für das erste Kanalsystem vorgesehen werden, die aufgrund einer katalytischen Wirkung Ablagerungen verhindert.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit Figurendarstellungen beschrieben, in denen im Einzelnen Folgendes dargestellt ist:
  • 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdampfers in Explosionsdarstellung.
  • 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus 1, der den Arbeitsmitteleinlassabschnitt und den Wärmetauscherabschnitt darstellt.
  • 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt von 1, der den Wärmetauscherabschnitt und den Dampfsammelabschnitt darstellt.
  • 4a4e zeigen die für die Ausgestaltung nach 13 verwendeten Plattentypen.
  • 5 zeigt den komplettierten Plattenstapel eines erfindungsgemäßen Verdampfers.
  • 6 zeigt ein vereinfachtes Beispiel für eine erste, den Wärmetauscherabschnitt bildende Platte des Verdampfers.
  • 7 zeigt eine schematisch vereinfachte, zweite, den Wärmetauscherabschnitt bildende Platte des Verdampfers.
  • 8 zeigt die Überlagerung der Platten aus den 6 und 7.
  • 9 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 8.
  • 10 zeigt eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 8.
  • 11 zeigt die Querschnittsansicht des Wärmetauscherabschnitts aus
  • 10 ergänzt durch die Schnittdarstellungen des Arbeitsmitteleinlassabschnitts und des Dampfsammelabschnitts.
  • 1 zeigt in einer Explosionsdarstellung der Stapelfolge des erfindungsgemäßen Verdampfers mit dem Arbeitsmitteleinlassabschnitt 1, dem Wärmetauscherabschnitt 2 und dem Dampfsammelabschnitt 3 die Grundkomponenten des Verdampfers. Dabei besteht wenigstens der Wärmetauscherabschnitt 2 aus einer Vielzahl stoffschlüssig miteinander verbundener Platten 4.14.n, die jeweils Durchgangsöffnungen 5.15.n aufweisen. Vorliegend wird als Durchgangsöffnung 5.15.n ein Durchbruch in der jeweiligen Plattenfläche bezeichnet, die eine fluidische Verbindung zwischen der vorderseitigen und der rückseitigen Fläche einer Platte erzeugt.
  • Durch die Wahl der Größe, der Form und der Anordnung der Durchgangsöffnungen 5.15.n und der relativen Positionierung benachbarter Platten 4.14.n quer zur Stapelrichtung entsteht durch einen teilweisen Überlapp der Durchgangsöffnungen 5.15.n aufeinander folgender Platten 4.14.n ein erstes Kanalsystem 6 zur Führung des Wärmeträgermediums und ein zweites Kanalsystem 7 für die flüssige und die dampfförmige Phase des Arbeitsmittels. Dabei kann sowohl das erste Kanalsystem 6 als auch das zweite Kanalsystem 7 in eine Vielzahl einzelner Strömungskanäle aufgeteilt sein, die je nach Wahl des Musters für die Durchgangsöffnung mäandrieren oder sich verzweigen.
  • Aus der vergrößerten Darstellung von 2 ist der als Plattenstapel aufgebaute Arbeitsmitteleinlassabschnitt 1 ersichtlich. Dieser besteht aus einer Vielzahl von Platten eines ersten Typs 4.k, aus der ein Traggerüst 20.1 auf der Außenseite des Verdampfers entsteht. Dieses ist im Einzelnen nicht in 2 ersichtlich, es geht jedoch aus der Ansicht des komplettierten Verdampfers aus 5 hervor.
  • Gezeigt ist eine Draufsicht auf den Verdampfer von unten, der nachfolgend zum Traggerüst 20.1 einen Arbeitsmitteleinlass 18 aufweist. Dabei kann für eine vereinfachte Ausgestaltung der Arbeitsmitteleinlassabschnitt 1 eine einzig Platte aufweisen, die die Durchgangsöffnungen in der unmittelbar anschließenden, ersten Platte des Wärmetauscherabschnitts 2 überdeckt, welche dem ersten Kanalsystem 7 zur Führung des Wärmeträgermediums zugeordnet sind.
  • Der Arbeitsmitteleinlassabschnitt 1 wird von einer Platte abgeschlossen, die als Draufsicht in 4d dargestellt ist. Das Muster der kleineren Durchgangsöffnungen, das exemplarisch anhand der Bezugszeichen 5.7, 5.8, 5.95.k gekennzeichnet ist, dient dem Überströmen des über dem Arbeitsmitteleinlass 18 dem Arbeitsmitteleinlassabschnitt 1 zugeführten Arbeitsmittels in die einzelne Arbeitsmittelreservoirs 19. Gleichzeitig stellen diese Durchgangsöffnungen 5.75.k den Beginn der Arbeitsmittelkanäle im nachfolgenden Wärmetauscherabschnitt 2 dar. Eine weitere Sorte von Durchgangsöffnungen, exemplarisch in 4d mit 5.1 bezeichnet, wird durch die in der Stapelrichtung folgende Platte des Wärmetauscherabschnitts 2 abgedeckt.
  • Die in 2 mit 4.2 bezeichnete Platte wird als Draufsicht in 4b gezeigt. Zwischen den Durchgangsöffnungen 5.m und 5.m+1, die dem ersten Kanalsystem 6 zur Führung des Wärmeträgermediums zugeordnet sind, ist ein Steg 11 vorgesehen, der in der Stapelfolge die Durchgangsöffnungen 5.1 in der vorausgehenden Platte 4.1 abdeckt und so das erste Kanalsystem 6 für das Wärmeträgermedium hydraulisch vom zweiten Kanalsystem 7 für das Arbeitsmittel trennt.
  • Für den Wärmetauscherabschnitt 2 ist eine alternierende Folge der in den 4b und 4c als Draufsichtdarstellungen gezeigten Plattentypen angelegt. Die beiden Plattentypen weisen einen Querversatz der Durchgangsöffnung 5.15.n auf, die zu einer Überlappung und der daraus folgenden Ausbildung des ersten Kanalsystems 6 und des zweiten Kanalsystems 7 führt. Dies wird später genauer anhand eines vereinfachten Beispiels erläutert.
  • In 3 ist das obere Ende des Wärmetauscherabschnitts 2 sowie der gestapelte Aufbau des nachfolgenden Dampfsammelabschnitts 3 dargestellt. Der Aufbau der Platte 4.n-2 ist in 4b gezeigt und die Platte 4.n-1 ist entsprechend zu 4c strukturiert. Die Platte 4.n bewirkt aufgrund eines entsprechend zu 4d gewählten Musters der Durchgangsöffnung in Verbindung mit der vorausgehenden Platte 4.n-1 eine Abdeckung des ersten Kanalsystems 6 zur Führung des Wärmeträgermediums und damit eine hydraulische Trennung vom zweiten Kanalsystem, das in Verbindung zum Dampfsammelabschnitt 3 steht.
  • Im Dampfsammelabschnitt 3 wird durch einen exemplarisch mit dem Bezugszeichen 4.o bezeichneten Plattentyp, in dem jeweils fluchtende, vergrößerte Durchgangsöffnungen vorliegen, wenigstens ein Dampfsammelraum 14 angelegt. Dies ist aus der Draufsicht von 4e ersichtlich. Dabei stehen die einzelnen Dampfsammelräume 14 über Durchgangsöffnungen in der vorausgehenden oder einer nachfolgenden Platte mit einem Dampfauslassbereich 21 in hydraulischer Verbindung. Abgedeckt werden die Dampfsammelräume 14 durch eine durchgehende Platte 4.p, die gemäß der Darstellung in 1 eine Dampfauslassöffnung 22 aufweist. Die in Stapelrichtung nachfolgenden Platten, von denen eine exemplarisch mit 4.q bezeichnet ist, erzeugen wieder ein Traggerüst 20.2, um auf der Außenseite des Verdampfers die Druckkräfte abzufangen.
  • Für eine im Einzelnen nicht dargestellte Weitergestaltung der Erfindung weitet sich wenigstens im Wärmetauscherabschnitt 2 der freie Querschnitt für die Arbeitsmittelkanäle des zweiten Kanalsystems 7 auf. Hierdurch wird eine Anpassung an die Volumenvergrößerung aufgrund des Phasenwechsels des Arbeitsmittels vorgenommen. Entsprechend der entlang eines Arbeitsmittelkanals im Normalbetrieb vorliegenden Funktion – Vorwärmung und Verdampfung des flüssigen Arbeitsmittels sowie Überhitzung der Dampfphase – wird der freie Strömungsquerschnitt angepasst. Eine Möglichkeit besteht in einer Kanalverzweigung und der Zunahme der parallel geführten Arbeitsmittelkanäle in Stapelrichtung. Dies gelingt durch eine Gestaltung des Überlapps zur Realisierung der Verzweigung und einer Erhöhung der Anzahl der Durchgangsöffnungen, die dem zweiten Kanalsystem 7 zugeordnet sind. Alternativ kann der freie Querschnitt des zweiten Kanalsystems 7 mit einer Anpassung der Querabmessungen der einzelnen Arbeitsmittelkanäle eingestellt werden, was wiederum durch eine entsprechende Dimensionierung der Durchgangsöffnungen gelingt. Demnach sind in jenem Bereich, in dem im Normalbetrieb die Verdampfung des Arbeitsmittels eintritt, sowie in Stapelrichtung nachfolgend, vergrößerte Durchgangsöffnungen zur Ausbildung des zweiten Kanalsystems 7 vorgesehen.
  • Eine einfache Skalierung des Dampfsammelabschnitts ist durch eine Anpassung der Plattenanzahl und damit die Anpassung des Volumens eines Dampfsammelraums 14 gegeben. Entsprechend kann eine Leistungsanpassung des Wärmetauscherabschnitts 2 durch die Wahl der für dessen Aufbau verwendeten Plattenanzahl vorgenommen werden. Außerdem können die Querabmessungen der Dampfsammelräume 14 festgelegt werden.
  • Des Weiteren besteht die Möglichkeit, durch die Einstellung des Querversatzes der Platten 4.14.n bzw. des darin angelegten Musters der Durchgangsöffnungen 5.15.n den freien Querschnitt der Strömungskanäle des ersten Kanalsystems 6 anzupassen. Hierzu wird die Anzahl der Verzweigungen 8 der Strömungskanäle sowie das Volumen von Durchmischungsräumen 15 festgelegt. Nachfolgend wird dies exemplarisch anhand der 611 erläutert.
  • 6 zeigt für ein vereinfachtes Ausgestaltungsbeispiel eine erste Platte 4.4 mit einem ersten Muster für die Durchgangsöffnungen 5.15.n. Beispielhaft sind mit 5.1, 5.2, 5.3 Durchgangsöffnungen bezeichnet, die dem ersten Kanalsystem 6 zur Führung des Wärmeträgermediums zugeordnet sind, während exemplarisch mit 5.7, 5.8, 5.9 Durchgangsöffnungen für das zweite Kanalsystem 7 zur Aufnahme des Arbeitsmittels bezeichnet werden. Dargestellt ist eine Anordnung der Durchgangsöffnungen 5.15.n in Form mehrerer parallel verlaufender Linien, die jeweils in eine vorgegebene Anordnungsrichtung 10 orientiert sind. Vorliegend verläuft die Anordnungsrichtung 10 längs zu einer Seitenkante der Platte 4.4.
  • 7 zeigt als Draufsicht eine weitere Platte 4.5, die in der Stapelabfolge benachbart zur Platte 4.4 aus 6 angeordnet wird. Das Muster der Durchgangsöffnungen 5.45.m ist gegenüber jenem der in 6 dargestellten Platte 4.1 mit einem Querversatz 9 in die Anordnungsrichtung 10 versehen. Ansonsten stimmt die Dimensionierung der Durchgangsöffnungen 5.15.n der beiden Platten 4.4 und 4.5 überein, sodass bei fluchtender, flächiger Anlage der Platten 4.4 und 4.5, die in 8 gezeigt ist, ein Teil des ersten Kanalsystems 6 und des zweiten Kanalsystems 7 resultiert.
  • Für die Darstellung in 8 wird die Platte 4.4 aus 6 mit durchgezogenen Linien dargestellt, während die Platte 4.5 aus 7 als gestrichelte Kontur kenntlich gemacht ist. Ersichtlich ist, dass sich die beiden Muster für die Durchgangsöffnungen 5.15.n partiell überdecken. Dabei bilden die Durchgangsöffnungen 5.1, 5.2 und 5.3 der Platte 4.4 aus 6 zusammen mit den Durchgangsöffnungen 5.4, 5.5 und 5.6 der Platte 4.5 aus 7 einen Einzelkanal für das Wärmeträgermedium, der Teil eines Strömungskanals des ersten Kanalsystems 6 ist. Hiervon hydraulisch getrennt bilden die Durchgangsöffnungen 5.7, 5.8, 5.9 der Platte 4.4 aus 6 und die Durchgangsöffnungen 5.10, 5.11, 5.12 der Platte 4.5 aus 7 nebeneinander liegende, separate Teile von Arbeitsmittelkanälen 12.
  • Die sich bei der Überlagerung der Platten des Wärmetauscherabschnitts 2 ergebenden Strömungskanäle des ersten Kanalsystems 6 und des zweiten Kanalsystems 7 sind für das vorliegende vereinfachte Beispiel in den Schnittansichten der 9 und 10 dargestellt. Dabei geht 9 von einem Schnitt A-A in 8 aus, wobei zur Verdeutlichung zusätzlich zu den Platten 4.4 und 4.5 zwei weitere entsprechend alternierend angelegte Platten 4.6 und 4.7 hinzugenommen werden sowie die angrenzenden Platten 4.8 und 4.9 des Arbeitsmitteleinlassabschnitts 1 und des Dampfsammelabschnitts 3 dargestellt sind.
  • Aus 9 ist ersichtlich, dass im dargestellten Kanal für das Wärmeträgermedium 15, der Teil des ersten Kanalsystems 6 ist, ein Einlass für das Wärmeträgermedium 16 auf einer ersten Stirnseite des Wärmetauscherabschnitts 2 sowie ein Auslass 17 für das Wärmeträgermedium 17 an der gegenüberliegenden Stirnseite vorgesehen sind. Entlang des Strömungskanals liegt eine Vielzahl von Verzweigungen 8 vor, die jeweils von einem Durchmischungsraum 13 ausgehen und in einen solchen münden. Die dargestellte Struktur des Strömungskanals entsteht durch die Dimensionierung und Anordnung der zugehörigen Durchgangsöffnungen. Exemplarisch sind die in den 6 und 7 angegeben Durchgangsöffnungen 5.1, 5.4, 5.2, 5.5, 5.3 und 5.6 bezeichnet, die in der angegebenen Reihenfolge aufgereiht sind. Aus 6 ist ersichtlich, dass in Anordnungsrichtung 10 gesehen die Stege 11 zwischen den Durchgangsöffnungen 5.15.n eine Breite b aufweisen, die kleiner ist als die Erstreckung der Durchgangsöffnungen a in Anordnungsrichtung 10. Durch die Wahl des Querversatzes 9 folgt ein sich ständig verzweigender und wiederholt in einem Durchmischungsraum 13 zusammengeführter Strömungspfad entsprechend der Darstellung von 9. Dieser wird gegenüber dem zweiten Kanalsystem 7 mittels der Platten 4.8 und 4.9 verschlossen.
  • In 10 wird ausgehend vom Schnitt B-B aus 8 für die Platten 4.4 und 4.5 ergänzt durch die entsprechend alternierend angeordneten Platten 4.6 und 4.7 und die angrenzenden Platten 4.8 und 4.9 des Arbeitsmitteleinlassabschnitts 1 und des Dampfsammelabschnitts 3 ein Teil des zweiten Kanalsystems 7 für das Arbeitsmittel gezeigt. Ersichtlich ist, dass mehrere parallele, mäandrierende Arbeitsmittelkanäle 12 vorliegen, die den Wärmetauscherabschnitt 2 durchqueren und die benachbart und kreuzend zu dem in 9 dargestellten Kanal für das Wärmeträgermedium 15 des ersten Kanalsystems 6 angeordnet sind. Exemplarisch sind die in den 6 und 7 bezeichneten Durchgangsöffnungen 5.75.12 angegeben.
  • Aufgrund der benachbarten und kreuzenden Anordnung der Arbeitsmittelkanäle 12 und der Kanäle für das Wärmeträgermedium 15 besteht ein guter Wärmeübergangskoeffizient vom Wärmeträgermedium zum Arbeitsmittel. Dabei verdampft das Arbeitsmittel in den Arbeitsmittelkanälen 12 des zweiten Kanalsystems 7 und tritt dampfförmig in Dampfsammelräume 14 im Dampfsammelabschnitt 3 ein.
  • In 11 ist die Querschnittsdarstellung aus 10 durch zusätzliche Platten 4.104.15 ergänzt, die den Plattenstapel des Verdampfers komplettieren. Jeder der Arbeitsmittelkanäle 12 geht dabei vom Arbeitsmitteleinlassabschnitt 1 aus. Dieser wird von den Platten 4.8, 4.10 und 4.11 für die vorliegend dargestellte vereinfachte Gestaltung gebildet. Dann folgen in die Platten 4.44.7 des Wärmetauscherabschnitts 2 mit alternierend angeordneten, einen Querversatz bildenden Durchgangsöffnungen 5.15.n. An diese schließen sich in Stapelrichtung die Platten 4.9, 4.124.15 des Dampfsammelabschnitts 3 an.
  • Aus 11 ist ferner ersichtlich, dass die einzelnen Bereiche des Verdampfers durch eine Festlegung der Anzahl der aufeinander gestapelten Platten und der darin ausgebildeten Durchgangsöffnungen an die jeweilige Verwendung angepasst werden können. Dies betrifft die Strömungsquerschnitte, die Details der Strömungsführung, das für die Dampfphase zur Verfügung stehende Volumen und die Relativlage der Strömungswege des ersten Kanalsystems 6 und des zweiten Kanalsystems 7. Dabei ist es möglich, einen erfindungsgemäßen Verdampfer aus einer begrenzten Anzahl unterschiedlicher Platten 4.14.n aufzubauen. Insbesondere kann das Muster der Durchgangsöffnungen 5.15.n für aufeinander folgende Platten 4.14.n des jeweiligen Abschnitts bis auf einen Querversatz 9 wiederholt werden. Für komplexer angelegte Strömungskanäle können mehrere unterschiedliche Arten von Platten 4.14.n in variierender Sequenz die Stapelfolge des Verdampfers bilden.
  • 1
    Arbeitsmitteleinlassabschnitt
    2
    Wärmetauscherabschnitt
    3
    Dampfsammelabschnitt
    4.1–4.q
    Platten
    5.1–5.n
    Durchgangsöffnungen
    6
    erstes Kanalsystem
    7
    zweites Kanalsystem
    8
    Verzweigung
    9
    Querversatz
    10
    Anordnungsrichtung
    11
    Steg
    12
    Arbeitsmittelkanal
    13
    Durchmischungsraum
    14
    Dampfsammelraum
    15
    Kanal für Wärmeträgermedium
    16
    Einlass für das Wärmeträgermedium
    17
    Auslass für das Wärmeträgermedium
    18
    Arbeitsmitteleinlass
    19
    Arbeitsmittelreservoir
    20.1, 20.2
    Traggerüst
    21
    Dampfauslassbereich
    22
    Dampfauslassöffnung
    a
    Erstreckung der Durchgangsöffnung in Anordnungsrichtung
    b
    Breite eines Stegs
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - DE 19991048222 [0005]

Claims (13)

  1. Verdampfer für ein Arbeitsmittel zum Betrieb eines Dampfkreisprozesses, umfassend 1.1 einen Arbeitsmitteleinlassabschnitt (1), einen Wärmetauscherabschnitt (2) und einen Dampfsammelabschnitt (3) für das verdampfte Arbeitsmittel, die als Stapelfolge aus einer Vielzahl stoffschlüssig verbundener, Durchgangsöffnungen (5.15.n) aufweisender Platten (4.14.n) aufgebaut sind; 1.2 wobei im Wärmetauscherabschnitt (2) ein erstes Kanalsystem (6) zur Führung des Wärmeträgermediums und ein zweites Kanalsystem (7) zur Führung des Arbeitsmittels, das vom ersten Kanalsystem (6) hydraulisch getrennt ist, angelegt sind; und 1.3 wobei das erste Kanalsystem (6) und das zweite Kanalsystem (7) jeweils durch einen teilweisen Überlapp der Durchgangsöffnungen (5.15.n) benachbarter Platten (4.14.n) ausgebildet werden.
  2. Verdampfer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (6) und das zweite Kanalsystem (7) jeweils mäandrierende Strömungskanäle umfasst, wobei das erste Kanalsystem (6) das Wärmetauschermedium im Wärmetauscherabschnitt (2) im Wesentlichen quer zu den Platten (4.14.n) führt und das zweite Kanalsystem (7) das Arbeitsmittel vom Arbeitsmitteleinlassabschnitt (1) zum Dampfsammelabschnitt (3) durch die Platten (4.14.n) des Wärmetauscherabschnitts (2) hindurchfährt.
  3. Verdampfer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Kanalsystem (6) und/oder das zweite Kanalsystem (7) eine Vielzahl von Verzweigungen aufweisen, die durch einen Querversatz (9) der Durchgangsöffnungen (5.15.n) in den Platten (4.14.n) des Wärmetauscherabschnitts (2) gebildet werden.
  4. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscherabschnitt (2) wenigstens zwei Arten von Platten (4.14.n) umfasst, die sich bezüglich der Anordnung der Durchgangsöffnungen (5.15.n) unterscheiden.
  5. Verdampfer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelfolge der Platten (4.14.n) des Wärmetauscherabschnitts (2) einen alternierenden Querversatz (9) aufweist.
  6. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wärmetauscherabschnitt (2) bildenden Platten (4.14.n) eine Vielzahl entlang einer vorgegebenen Anordnungsrichtung (10) aufgereihter Durchgangsöffnungen (5.15.n) mit zwischenliegenden Stegen (11) aufweisen, wobei die Breiten der Stege (b) kleiner als die Erstreckung der Durchgangsöffnungen (a) in Anordnungsrichtung (10) sind.
  7. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arbeitsmittelkanal (12) des zweiten Kanalsystems (7) im Wärmetauscherabschnitt (2) zur Führung des Arbeitsmittels in einen Durchmischungsraum (13) mündet, der von wenigstens einer Durchgangsöffnung (5.15.n) in einer Platte (4.14.n) gebildet wird, die Teil des Dampfsammelabschnitts (3) ist.
  8. Verdampfer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Durchmischungsraums (13) durch die Dicke und die Anzahl der aufeinander gestapelten, den Dampfsammelabschnitt (3) bildenden Platten (4.14.n) festgelegt wird, deren Durchgangsöffnungen (5.15.n) miteinander fluchten.
  9. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt im zweiten Kanalsystem (7) zur Führung des Arbeitsmittels im Wärmetauscherabschnitt (2) zunimmt.
  10. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Querschnitt im zweiten Kanalsystem (7) zur Führung des Arbeitsmittels an die im Normalbetrieb vorliegende örtliche Zuordnung für das Vorwärmen, das Verdampfen und die Überhitzung des Arbeitsmittels angepasst ist.
  11. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (4.14.n) Blechplatten bevorzugt aus Edelstahl sind.
  12. Verdampfer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur stoffschlüssigen Verbindung der Platten (4.14.n) eine Lötverbindung, bevorzugt mittels eines Ni-Lots oder eines Cu-Lots, hergestellt wird.
  13. Verdampfer nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Wandungen des ersten Kanalsystems (6) und/oder des zweiten Kanalsystems (7) mit einer Beschichtung versehen sind.
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