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Die
Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher zum indirekten
Wärmeaustausch
zwischen mindestens zwei flüssigen
und/oder gasförmigen Medien
mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Grundkörper, Mitteln
zur Zu- und Abführung
der Medien (Headern, Stutzen) und eine Vielzahl im Wesentlichen
stapelförmig
angeordneten Passagen zum indirekten Wärmeaustausch zwischen jeweils
in benachbarten Passagen strömenden
Medien, wobei die Passagen durch voneinander beabstandete Trennbleche
gebildet werden, wobei die Trennbleche durch Abschlussleisten voneinander
beabstandet sind, die Passagen ein wellenförmiges Profil (Fins) aufweisen,
welches an seinen Wellenbergen und Wellentälern in wärmeleitfähigen Kontakt mit den Trennblechen
steht, und der Stapel durch Deckbleche abgeschlossen ist. Die Erfindung
wird am Beispiel eines Öl-
beziehungsweise Luftkühlers
beschrieben, ist aber prinzipiell für beliebige Plattenwärmetauscher
einsetzbar und daher nicht auf die beispielhaft beschriebene Anwendung
eingeschränkt.
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Plattenwärmetauscher
sind in zahlreichen Ausführungsformen
bekannt und für
den indirekten Wärmeaustausch
zwischen mindestens zwei flüssigen
und/oder gasförmigen
Medien ausgelegt. Die am Wärmeaustausch
beteiligten Medien strömen
dabei durch räumlich
getrennte Passagen im Wärmetauscher,
so dass der Wärmeaustausch
ausschließlich indirekt
erfolgt. Der indirekte Wärmeaustausch
erfolgt dabei über
die Strukturen, welche die jeweiligen Passagen voneinander trennen,
die so genannten Trennbleche.
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Die
Trennbleche sind in einem Plattenwärmetauscher stapelförmig angeordnet
und durch die Abschlussleisten voneinander beabstandet. Zwischen
den Trennblechen bilden sich so die Passagen, durch die die jeweils
am Wärmeaustausch
beteiligten Medien strömen.
Im Allgemeinen weisen die Trennbleche eine im Wesentlichen rechteckige
Form auf, so dass sich bei stapelweiser Anordnung ein annähernd quaderförmiger Plattenwärmetauscher
ergibt. An die im Wesentlichen quaderförmige Struktur werden nach
dem Stand der Technik Mittel zur Zu- und Abführung der jeweiligen Medien
in die unterschiedlichen Passagen angebracht.
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Nach
dem Stand der Technik weisen die Passagen ein wellenförmiges Profil,
die so genannten Fins auf. In die Passagen, die sich zwischen den Trennblechen
bilden, wird ein wellenförmiges
Profil eingebracht, welches an den jeweiligen Umkehrpunkten der
wellenförmigen
Struktur, den Wellenbergen und Wellentälern, in Wärmeleitkontakt mit den Trennblechen
steht. Das wellenförmige
Profil ist dabei senkrecht zur Strömungsrichtung des durch die Passage
strömenden
Mediums angeordnet. Durch den Wärmeleitkontakt
des wellenförmigen
Profils an den Umkehrpunkten mit den Trennbleche wird so der Wärmeaustausch
zwischen zwei, durch benachbarte Passagen strömenden, Medien verbessert.
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Bei
einer Anwendung eines derartigen Plattenwärmetauschers nach dem Stand
der Technik als Öl-
oder Luftkühler
sind die Mittel zur Zu- und Abführung
derart ausgebildet, dass jeweils Öl im Wechsel mit Luft als Kühlmedium
durch benachbarte Passagen fließt.
Werden die Kühler
in Kompressoren eingesetzt, sind die Plattenwärmetauscher häufigen Druck-
und Temperaturwechseln ausgesetzt. Derartige Druck- bzw. Temperaturwechsel
gehen mit hohen mechanischen Spannungen und Belastungen einher, was
zu einer hohen Materialbeanspruchung und schnellen Materialermüdung führt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmetauscher
der eingangs erwähnten
Art derart auszugestalten, dass die Geometrie des Plattenwärmetauschers
dahingehend optimiert wird, das Stabilität und Ermüdungsfestigkeit verbessert
werden.
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Die
gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Verhältnis zwischen
Breite des Trennbleches und dem Wiederholungsabstand gleicher Charakteristik
des wellenförmigen
Profils wie beispielsweise der Wiederholungsabstand zweier Wellenberge
(Wellenlänge)
einen Wert im Bereich zwischen 15 und 80 aufweist.
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Überraschenderweise
hat sich durch intensive experimentelle und numerische Untersuchungen mit
Finite-Elemente-Methoden gezeigt, dass die mechanische Stabilität deutlich
verbessert und die Ermüdungsfestigkeit
eines Plattenwärmetauschers deutlich
erhöht
werden kann, wenn die Geometrie des Plattenwärmetauschers gemäß der Erfindung verändert wird.
Durch die erfindungsgemäße Einstellung
des Verhältnisses
der Breite des Trennbleches zur Wellenlänge auf einen Wert im Bereich
zwischen 15 und 80 lässt
sich sowohl Stabilität
als auch Ermüdungsfestigkeit
eines Wärmetauschers
deutlich verbessern. Simulationen eines Plattenwärmetauschers, welcher als Ölkühler eingesetzt
wird, zeigen eine Verbesserung der Ermüdungsfestigkeit im statistischen
Mittel um einen Faktor 10 bei erfindungsgemäßer Ausführung, bevor es zu einem Ermüdungsbruch
kommt.
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Der
Grundgedanke der Erfindung ist die Erhöhung der Stabilität durch
die geeignete Abstimmung geometrischer Parameter des Plattenwärmetauschers
aufeinander. Gemäß der Erfindung
werden nicht bloß alle
Teile des Plattenwärmetauschers
massiver ausgeführt,
um seine Stabilität
zu erhöhen,
sondern das Verhältnis
zwischen Wellenlänge
und Breite des Trennbleches optimiert. Gemäß der Erfindung wird die Teilung,
wie viele wellenförmige
Strukturen (Fins) sich auf einem Trennblech gegebener Breite befindet,
durch die Einstellung des Verhältnisses Breite
des Trennbleches zu Wellenlänge
derart gewählt,
dass die optimale Stabilität
und Ermüdungsfestigkeit
des Plattenwärmetauschers
erreicht werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verhältnis zwischen
Breite des Trennbleches und Wellenlänge einen Wert im Bereich zwischen
20 und 60, bevorzugt 28 und 50, besonders bevorzugt 29 und 43, auf.
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Zweckmäßigerweise
ist das Verhältnis
zwischen Breite und Dicke des Trennbleches kleiner als 150. In einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Verhältnis zwischen
Breite und Dicke des Trennbleches einen Wert im Bereich zwischen 50
und 150, bevorzugt 75 und 115, besonders bevorzugt zwischen 80 und
105, auf. Durch die zusätzliche Optimierung
von Trennblechbreite zu Trennblechdicke wird eine weitere Verbesserung
von Stabilität
und Ermüdungsfestigkeit
erreicht.
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Vorteilhafterweise
ist das Verhältnis
des Höhenunterschiedes
zwischen höchsten
Punkt eines Wellenberg und tiefsten Punkt eines Wellentals (Finhöhe) zu der
Materialdicke des wellenförmigen
Profils (Findicke), bei Passagen durch die Öl als Medium strömt, im Bereich
zwischen 7 und 80. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das
Verhältnis
zwischen Finhöhe
und Findicke bei Passagen, durch die Öl als Medium strömt, im Bereich
zwischen 8 und 20, bevorzugt 10 und 15. Es hat sich im Rahmen der
Erfindung als günstig
erwiesen, bei Passagen des Wärmetauschers
durch die heißes,
abzukühlendes Öl geführt wird,
die Fins derart auszuführen,
dass das Verhältnis
zwischen Finhöhe
und Findicke immer zwischen einem Wert von 7 und 80 liegt.
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Als
ebenso günstig
erweist sich die Ausführung
der Abschlussleiste derart, dass die Abschlussleisten eine Grundseite
und drei dazu senkrecht stehende Lamellen aufweist, wobei die drei
Lamellen derart orientiert sind, dass sie in das Innere des quaderförmigen Grundkörpers zeigen,
und die mittlere der drei Lamellen länger als die äußeren beiden
Lamellen ist. Eine derartige erfindungsgemäße Abschlussleiste kann dabei
sowohl eine als auch mehrere Öffnungen
oder Aussparungen aufweisen, durch welche das/die jeweiligen Medium/Medien
in die Passagen geführt
wird/werden. Bevorzugt sind alle Abstände zwischen zwei Trennblechen
an den zwei kürzeren
Seiten der Trennbleche durch jeweils eine solche Abschlussleiste
abgeschlossen. Durch die Ausführung
mit den drei senkrecht stehenden Lamellen auf der Grundseite kann
die Masse der Abschlussleiste reduziert werden, ohne dabei mechanische
Stabilität
einzubüßen. Bei
einer Anwendung als Ölkühler werden
die zwei längeren
Seiten Vorteilhafterweise ohne Abschlussleiste ausgeführt und
sind dadurch für
die Umgebungsluft als Kühlmedium durchströmbar.
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In
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der
erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher
als Öl-
oder Luftkühler
verwendet, wobei insbesondere heißes Öl im Wärmeaustausch mit Luft abgekühlt wird.
Bei einer derartigen Verwendung ist der Plattenwärmetauscher durch die anwendungsbedingten
häufigen
Wechsel von Temperatur und/oder Druck des abzukühlenden Öles besonders hohen mechanischen
Beanspruchungen ausgesetzt. Die erfindungsgemäß erreichte hohe mechanische Stabilität und Ermüdungsfestigkeit
wirkt sich bei einem derartigen Einsatz besonders vorteilhaft aus.
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Mit
der vorliegenden Erfindung gelingt es insbesondere einen Plattenwärmetauscher
der eingangs erwähnten
Art derart auszugestalten, dass die mechanische Stabilität und die
Ermüdungsfestigkeit des
Plattenwärmetauschers,
insbesondere bei einem Einsatz unter permanenten Wechsel der Druck-
und Temperaturverhältnisse,
deutlich gegenüber
dem Stand der Technik zu erhöhen.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines in den Figuren näher erläuterten
Ausführungsbeispieles
der Erfindung näher
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 schematisch,
perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers
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2 gleiche
Darstellung wie 1 ohne Anbauten
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3a schematisch,
perspektivische Darstellung einer Passage des Plattenwärmetauschers aus
den 1 und 2
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3b Ausschnitt
aus dem Querschnitt einer Passage nach 3a
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4 schematisch,
perspektivische Darstellung einer Explosionszeichnung einer zweiten
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Plattenwärmetauschers
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1 zeigt
einen Plattenwärmetauscher
von außen.
Der Plattenwärmetauscher
weist einen zentralen Quader 8 mit einer Länge L von
1,1 m und einer Breite B bzw. Höhe
H von jeweils 11 cm auf. Oben auf dem Quader 8, an dessen
Seiten und unterhalb desselben erkennt man aufgesetzte halbzylinderförmige Kästen 6 und 6a (Header).
Unterhalb des Quaders 8 und auf der der abgebildeten Seite
abgewandten Seite befinden sich auch solche aufgesetzten Kästen. Diese
sind jedoch teilweise verdeckt. Durch Stutzen 7 können dem
Plattenwärmetauscher
Fluide, hier Luft und Öl,
zugeführt
bzw. diesem wieder entnommen werden. Die Header 6 und 6a dienen
zur Verteilung der durch die Stutzen 7 eingebrachten Medien
bzw. zum Sammeln und zur Konzentration der aus dem Plattenwärmetauscher
zu entnehmenden Medien und weisen eine (Wand-)Stärke von 8 mm (Header 6)
bzw. 6 mm (Header 6a) auf.
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Der
in 1 gezeigt Plattenwärmetauscher ist dazu ausgelegt,
mehr als zwei Fluidströme
in getrennten Passagen zum Wärmeaustausch
aneinander vorbeizuführen.
Ein Teil der Ströme
kann gegensinnig aneinander vorbeigeführt werden, ein anderer Teil über Kreuz.
Zur Erläuterung
der Erfindung wird die einfache Situation betrachtet, dass ein Luft-
und ein Ölstrom
in getrennten, sich abwechselnden Passagen über Kreuz aneinander vorbeiströmen. Größere Zahlen
von Fluidströmen
werfen im Rahmen der Erfindung keine zusätzlichen qualitativen Aspekte auf.
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In 2 kann
man erkennen, wie der Plattenwärmetauscher
aus 1 im Inneren aufgebaut ist. Im Wesentlichen ist
der Quader 8 aus Trennblechen 1 und wellenförmigen Profilen 2 (Fins),
bzw. Verteilerprofilen 3 aufgebaut. Trennbleche 1 und
Profile 2 bzw. 3 aufweisende Schichten wechseln
sich ab. Ein Zwischenraum zwischen Trennblechen 1, welcher
dazu ausgelegt ist, von einem Fluid durchströmt zu werden und hier Profile 2 und 3 aufweist, wird
Passage 14 genannt (eine solche Passage ist in 3a und 3b gezeigt
und wird unten beschrieben).
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Der
Quader 8 weist abwechselnd parallel zu den Strömungsrichtungen
liegende Passagen 14 und Trennbleche 1 auf. Sowohl
die Trennbleche 1 als auch die Passagen 14, das
heißt
die Profile 2 und 3, sind aus Aluminium gefertigt.
Die Trennbleche 1 weisen eine Stärke von 1,1 mm auf. Zu ihren
Seiten sind die Passagen 14 durch Abschlussbalken 4a aus
Aluminium abgeschlossen, sodass durch die Stapelbauweise mit den
Trennblechen 1 eine Seitenwand ausgebildet wird. Die Abschlussbalken 4a weisen
eine Breite entlang der Trennbleche 1 von 10 mm auf. Die gestapelten
Trennbleche 1 des Quaders 8 sind durch parallel
zu den Trennblechen 1 liegende Deckbleche 5 aus
Aluminium mit einer Stärke
von 6 mm abgeschlossen. An ihren Stirnseiten sind die Passagen 14 durch
Abschlussleisten 4b aus Aluminium mit einer Stärke entlang
der Trennbleche von 5,5 mm abgeschlossen.
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Der
Quader 8 ist durch Aufbringen eines Lots auf die Flächen der
Trennbleche 1 und anschließendes abwechselndes Aufeinanderstapeln
der Trennbleche 1 und der Passagen 14 hergestellt
worden. Die Deckbleche 5 decken den Stapel 8 nach
oben oder unten ab. Anschließend
ist der Stapel 8 durch Erhitzen in einem den Stapel 8 umfassenden
Ofen verlötet
worden.
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An
den Seiten des Plattenwärmetauschers weisen
die Verteilerprofile 3 Verteilerprofilzugänge 9 auf
(vgl. auch 2, Aussparungen in den Abschlussbalken 4a und
Abschlussleisten 4b). Durch diese können von außen die Fluide in die zugehörigen Passagen 14 über die
Header 6 und 6a und Stutzen 7 eingebracht
bzw. auch wieder entnommen werden. Die in 2 gezeigten
Verteilerprofilzugänge 9 werden
in 1 durch die Header 6 und 6a verdeckt.
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3a zeigt
eine der Passagen 14 des in den 1 und 2 gezeigten
Plattenwärmetauschers.
Die Strömungsrichtung
des Fluids ist durch Pfeile gekennzeichnet. An dem einen Verteilerprofilzugang 9 strömt das Fluid
ein, um in dem zugehörigen
Verteilerprofil 3 auf die gesamte Breite der Passage 14 verteilt
zu werden. Anschließend
strömt
das Fluid durch das wellenförmige
Wärmeaustauschprofil 2 und
wird nach erfolgtem Wärmeaustausch
von dem anderen Verteilerprofil 3 auf den ausgangsseitigen Verteilerprofilzugang 9 konzentriert.
An ihren seitlichen Seiten und Stirnseiten ist die Passage 14 eingegrenzt
durch die Abschlussbalken 4a und die Abschlussleisten 4b.
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3b zeigt
einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch das wellenförmige Wärmeaustauschprofil 2 in 3a.
Das Profil 2 hat eine Höhe HP
von 4 mm und eine Profilstärke
SP von 0,8 mm. Der wellenförmige
Verlauf des Profils 2 wiederholt sich innerhalb einer Wellenlänge LP von
1,6 mm. Das erfindungsgemäße Verhältnis von
Trennblechbreite B zu Wellenlänge
LP beträgt
somit 69.
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In 4 sind
vier Passagen eines Luft-Öl-Plattenwärmetauscher
in einer Explosionszeichnung ohne Anbauten dargestellt.
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Ein
Quader 30 aus Trennblechen 22 und Profilen 23 bzw. 25 wird
nach oben durch ein Deckblech 21 abgeschlossen. Zu den
Ausmaßen
des Quaders 30 und des Deckblechs 21 und Trennbleche 22 bzw.
für deren
Materialien gilt das in den 1 und 2 Gesagte
hier entsprechend. Die zuoberst liegende Passage 27 ist
für durchströmende Luft
ausgelegt, die darunter befindliche Passage 28 ist für durchströmendes Öl ausgelegt.
Darunter folgt wieder eine für
durchströmende
Luft ausgelegte Passage und so weiter. In diesem Plattenwärmetauscher
wird die Luft quer zur Längsrichtung
geführt
und das Öl entlang
der Längsrichtung
des Quaders 30. Die Abschlussleisten 24 der luftführenden
Passagen 27 weisen ein Profil in der Form eines großen ”E” auf, wobei
die Zinken des großen ”E” in das
Innere des Plattenwärmetauschers
weisen. Diese stirnseitigen Abschlussleisten 24 weisen
eine Stärke
entlang der Trennbleche 22 von 5,5 mm auf. Die ölführenden Passagen 28 sind
durch seitliche Abschlussbalken 26 abgeschlossen, welche
eine Breite von 12 mm entlang der Trennbleche 22 aufweisen.
Die Profile 23 in den luftführenden Passagen 27 sind
anders ausgelegt als die Profile 25 in den ölführenden
Passagen 28. In den luftführenden Passagen 27 weisen
die Profile 23 eine Höhe
von 6 mm auf, die Strukturen wiederholen sich mit einer Wellenlänge von
3,5 mm und das Profil weist eine Stärke von 0,8 mm auf. In den ölführenden
Passagen 28 beträgt
die Profilhöhe 3,5
mm und die Strukturen wiederholen sich mit einer Wellenlänge von
1,5 mm. Die Profilstärke
beträgt auch
in den ölführenden
Passagen 28 0,8 mm. In einer anderen Ausgestaltung der
Erfindung beträgt
die Profilhöhe
5 mm bei einer Profilstärke
von 0,5 mm in den ölführenden
Passagen.
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Die
anhand der vorangehenden Zeichnungen beschriebenen Plattenwärmetauscher
werden so betrieben, dass der Fluiddruck und die Temperatur in den
Plattenwärmetauschern
80 bar und 70°C
nicht überschreiten.
Weiter werden in diesen Plattenwärmetauschern
die Fluide so zugeführt,
dass Druckschwankungen kleiner als 50% des Auslegungsdrucks bleiben
und der Volumenstrom in jeder Passage während des Wärmeaustausches 10 l/min beträgt.
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Auch
wenn gerade kein Wärmeaustausch zwischen Öl und Luft
erfolgt, wird der Plattenwärmetauscher
weiter von Öl
durchströmt,
mit einem verringerten Volumenstrom von 0,5 l/min. Dies geschieht, damit
der Plattenwärmetauscher
auf einer erhöhten Temperatur
bleibt.
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Für ein drittes
Ausführungsbeispiel
(nicht gezeigt) werden weitgehend die Eigenschaften des Plattenwärmetauschers
aus den 1 und 2 übernommen.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weisen nur die
untersten zwei Trennbleche und die obersten zwei Trennbleche eine
Stärke
von 1,1 mm auf. Die inneren Trennbleche weisen lediglich eine Stärke von
0,8 mm auf. Weiter weisen nur das oberste und das unterste Profil
die zu 3b angegebenen Werte auf. Im
Inneren liegende Profile weisen eine größere Höhe, eine geringere Profilstärke und
eine größere Wellenlänge der
Profilstruktur auf. In dieser Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Profilhöhe 5 mm
bei einer Profilstärke
von 0,5 mm in den ölführenden
Passagen. Die Wellenlänge
LP beträgt
in dieser Ausgestaltung 2,5 mm bei einer Trennblechbreite B von
11 cm.
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- 1
- Trennblech
- 2
- Wärmeaustauschprofil
- 3
- Verteilerprofil
- 4a
- Abschlussbalken
- 4b
- Abschlussleiste
- 5
- Deckblech
- 6,
6a
- Kästen
- 7
- Stutzen
- 8
- Quader
- 9
- Verteilerprofilzugang
- 14
- Passage
- 21
- Deckblech
- 22
- Trennblech
- 23,
25
- Profile
- 24
- Abschlussleiste
- 26
- Abschlussbalken
- 27
- Luftführende Passage
- 28
- Ölführende Passage
- 30
- Quader
- SP
- Profilstärke
- LP
- Wellenlänge
- HP
- Passagenhöhe
- B
- Quaderbreite
- H
- Quaderhöhe
- L
- Quaderlänge