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Die
Erfindung betrifft einen Verdampfer für ein Abwärmenutzungssystem,
insbesondere für den Betrieb eines Dampfmotors zur Abwärmenutzung
einer Verbrennungskraftmaschine.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im
Zusammenhang mit Figurendarstellungen beschrieben, in denen im Einzelnen Folgendes
dargestellt ist:
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1 zeigt
den Aufbau eines erfindungsgemäßen Verdampfers
in Explosionsdarstellung.
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2 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt aus 1,
der den Arbeitsmitteleinlassabschnitt und den Wärmetauscherabschnitt
darstellt.
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3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt von 1,
der den Wärmetauscherabschnitt und den Dampfsammelabschnitt
darstellt.
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4a–4e zeigen
die für die Ausgestaltung nach 1–3 verwendeten
Plattentypen.
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5 zeigt
den komplettierten Plattenstapel eines erfindungsgemäßen
Verdampfers.
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6 zeigt
ein vereinfachtes Beispiel für eine erste, den Wärmetauscherabschnitt
bildende Platte des Verdampfers.
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7 zeigt
eine schematisch vereinfachte, zweite, den Wärmetauscherabschnitt
bildende Platte des Verdampfers.
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8 zeigt
die Überlagerung der Platten aus den 6 und 7.
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9 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A aus 8.
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10 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie B-B aus 8.
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11 zeigt
die Querschnittsansicht des Wärmetauscherabschnitts aus
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10 ergänzt
durch die Schnittdarstellungen des Arbeitsmitteleinlassabschnitts
und des Dampfsammelabschnitts.
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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 4.1–4.n,
die jeweils Durchgangsöffnungen 5.1–5.n aufweisen.
Vorliegend wird als Durchgangsöffnung 5.1–5.n ein
Durchbruch in der jeweiligen Plattenfläche bezeichnet,
die eine fluidische Verbindung zwischen der vorderseitigen und der
rückseitigen Fläche einer Platte erzeugt.
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Durch
die Wahl der Größe, der Form und der Anordnung
der Durchgangsöffnungen 5.1–5.n und der
relativen Positionierung benachbarter Platten 4.1–4.n quer
zur Stapelrichtung entsteht durch einen teilweisen Überlapp
der Durchgangsöffnungen 5.1–5.n aufeinander
folgender Platten 4.1–4.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.
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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.
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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.
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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, 5.9–5.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 5.7–5.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.
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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.
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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 5.1–5.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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Des
Weiteren besteht die Möglichkeit, durch die Einstellung
des Querversatzes der Platten 4.1–4.n bzw.
des darin angelegten Musters der Durchgangsöffnungen 5.1–5.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 6–11 erläutert.
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6 zeigt
für ein vereinfachtes Ausgestaltungsbeispiel eine erste
Platte 4.4 mit einem ersten Muster für die Durchgangsöffnungen 5.1–5.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 5.1–5.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.
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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 5.4–5.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 5.1–5.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.
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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 5.1–5.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.
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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.
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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 5.1–5.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.
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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 5.7–5.12 angegeben.
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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.
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In 11 ist
die Querschnittsdarstellung aus 10 durch
zusätzliche Platten 4.10–4.15 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 4.4–4.7 des Wärmetauscherabschnitts 2 mit
alternierend angeordneten, einen Querversatz bildenden Durchgangsöffnungen 5.1–5.n.
An diese schließen sich in Stapelrichtung die Platten 4.9, 4.12–4.15 des
Dampfsammelabschnitts 3 an.
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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 4.1–4.n aufzubauen.
Insbesondere kann das Muster der Durchgangsöffnungen 5.1–5.n für
aufeinander folgende Platten 4.1–4.n des
jeweiligen Abschnitts bis auf einen Querversatz 9 wiederholt
werden. Für komplexer angelegte Strömungskanäle
können mehrere unterschiedliche Arten von Platten 4.1–4.n in
variierender Sequenz die Stapelfolge des Verdampfers bilden.
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- 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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- - GB 1084292
A [0004]
- - DE 19991048222 [0005]