-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges Wärmeübertragermodul
in kompakter Bauweise, Wärmeübertrager, die mindestens
zwei Wärmeübertragermodule umfassen, sowie deren
Verwendung.
-
In
der Verfahrenstechnik sind Wärmeübertrager verschiedenster
Bauart allgemein bekannt. Die Bauart der Wärmeübertrager
richtet sich häufig nach den in den verschiedenen Strömungskanälen der
Wärmeübertrager zu fördernden Medien.
-
Weiter
allgemein bekannt ist, dass sich in den Strömungskanälen
solcher Wärmeübertrager Strömungsprofile
ausbilden, deren Ausgestaltung insbesondere von der Viskosität
der durch die Strömungskanäle zu fördernden
Fluide abhängig ist. In vielen Fällen bildet sich
hierbei insbesondere ein parabolisches Strömungsprofil
in den Strömungskanälen aus.
-
Eine
allgemein bekannte Ausführungsform der vorgenannten Wärmeübertrager
sind sogenannte Rohrbündelwärmeaustauscher, die
durch eine Vielzahl parallel angeordneter Wärmeübertragungsrohre
gekennzeichnet sind und die konstruktionsbedingt massive Rohrplatten
beträchtlicher Wandstärke zur Aufnahme der parallelen
Rohre umfassen.
-
Bei
der Anströmung der vorgenannten Rohrplatte zur Versorgung
der Rohre mit dem zu temperierenden Fluid stellt sich immer eine
ungleichmäßige Verteilung des Fluids auf die einzelnen
Rohre des Rohrbündels ein, da der Strömungsweg
von der Eintrittsöffnung der Vorrichtung zu jedem der einzelnen Rohre
im Rohrbündel unterschiedlich ist. Dies hat zur Folge,
dass etwa bei zentraler Anordnung der Eintrittsöffnung
die außen liegenden Rohre des Rohrbündels weniger
mit dem zu temperierenden Fluid beaufschlagt werden als die innen
liegenden; dadurch ist die Verweilzeit des zu temperierenden Fluids
in einer solchen Vorrichtung unterschiedlich für jedes
Rohr des Rohrbündels und es kommt zu einer uneinheitlichen
Temperierzeit des Fluids, abhängig von dem jeweiligen Rohr
des Rohrbündels, durch das das zu temperierende Fluid gefördert
wird.
-
Ebenfalls
kennzeichnend für vorstehende Rohrbündelwärmeaustauscher
sind große Volumeninhalte Räume zwischen Einlassöffnung
der Vorrichtung und der Rohrplatte zur Aufnahme der Rohre des Rohrbündels.
-
Eine
zweite allgemein bekannte Ausführungsform der vorgenannten
Wärmeübertrager sind sogenannte Plattenwärmeaustauscher,
die durch eine Vielzahl geprägter und aufeinander gestapelter Platten
gekennzeichnet sind und die konstruktionsbedingt zwei stabile Endplatten,
die mit Zugankern verspannt sind, umfassen, um den gebildeten Plattenstapel
zu fixieren und abzudichten.
-
Die
geprägten Platten stützen sich mindestens punktuell
gegeneinander ab, so dass auftretende Druckkräfte im Plattenwärmeaustauscher
zu den Endplatten weitergeleitet und von den Zugankern aufgenommen
werden. Üblicherweise sind die miteinander in Kontakt stehenden
Plattenränder der Platten des Plattenstapels verschweißt
oder verlötet. Es sind weiter auch Alternativen bekannt,
bei denen, insbesondere im Fall von geprägten Platten,
die Platten des Plattenstapels mit elastischen Materialien alleinig
und/oder zusätzlich abgedichtet sind.
-
In
der
DE 10 317 451 wird
eine Vorrichtung offenbart, die zur Ausführung von chemischen
Reaktionen verwendet werden kann, die dem Bauprinzip nach jedoch
als Plattenwärmeaustauscher gemäß vorstehender
Erklärung anzusehen ist.
-
Die
Vorrichtung ist aufgebaut aus Schichten geprägter Platten,
wobei durch die Prägung in den Platten jeweils eine Schar
von Kanälen gebildet wird. Um eine gleichmäßige
Durchströmung der vorgenannten Schar von Kanälen
zu erhalten, sind weiter Leitstege in den geprägten Platten
vorgesehen. Zu- und Ableitkammern sind durch Prägung ebenfalls
angeformt.
-
Die
offenbarte Vorrichtung weist zwei Arten Räume auf. Die
Räume sind zum einen Reaktionsräume und zum anderen
Wärmetransporträume, die insbesondere alternierend
durch die Platten gebildet werden. Die Strömungsbereiche
werden, wie zuvor beschrieben, mittels gestapelter Schichten der
Platten gebildet.
-
Über
irreversible Verbindungen und/oder Dichtungen sind Reaktionsräume
und Wärmetransporträume, sowie deren Zu- und Abläufe
abgedichtet. Die dargestellten irreversiblen Verbindungen sind Linienverbindungen
und ihre genaue Ausführungsform wird nicht offenbart. Sie
dienen offenbarungsgemäß vorwiegend der Dichtheit.
Es ist somit davon auszugehen, dass die gemäß der
DE 10 317 451 offenbarte
Möglichkeit der Ausführung von Verfahren unter hohem
Druck durch andere Mittel erreicht wird als durch die „irreversible
Verbindung”, da diese hohen Drücken, gemäß der
Offenbarung der
DE 10 317 451 nicht
standhalten könnte. Die obere Grenze des Druckes von 15
bar ist aber eher gering, so dass bis hierin gegebenenfalls ein
Verzicht auf andere Mittel zum Erhalt der notwendigen Druckkraft
möglich wäre. In anderen Fällen wäre
davon auszugehen, dass Halteplatten und Zuganker, gemäß vorstehender
Erläuterung in der Vorrichtung gemäß der
DE 10 317 451 , Verwendung
finden müssen.
-
Die
Offenbarung der
DE 10 317 451 ist
also hinsichtlich der Vorrichtung dahingehend limitiert, als dass
nur kleine wenig belastete Vorrichtungen mit geringen Kapazitäten
von mehreren Litern pro Stunde mit den offenbarten Merkmalen darstellbar
sind. Eine Vergrößerung der Volumenströme
auf mehreren Kubikmetern pro Stunde ist bei den offenbarten Vorrichtungen
der
DE 10 317 451 nicht
durchführbar.
-
Eine
Umsetzung der Offenbarung der
DE
10 317 451 auf betriebstechnische Großapparate
ist auch alleine deshalb ausgeschlossen, da aufgrund des auftretenden
Verzugs der Platten durch irreversible Verbindungen, wie zum Beispiel
das Schweißen oder Löten, sich große
Plattenpakete mit zum Beispiel 1000 Platten aus der gemeinsamen
Plattenachse verschieben würden.
-
Alle
zuvor diskutierten Ausführungsformen von Wärmeübertragern,
wie sie allgemein bekannt sind, oder etwa in der
DE 10 317 451 offenbart werden, haben
aber den allgemeinen Nachteil, dass sie für die Durchführung
von Verfahren unter Beteiligung von hochviskosen und/oder temperaturempfindlichen Fluiden
nicht oder nur nachteilig verwendet werden können, da etwa
im Fall von Rohrbündelwärmeaustauschern die im
Rohr ausgebildete Fließgeschwindigkeit der viskosen Fluide
sehr niedrig ist und sich somit ein stark parabolisches Geschwindigkeitsprofil ausbildet,
was dazu führt, dass die mittlere Verweilzeit im Rohr sehr
lang und die Temperaturbelastung des viskosen Stoffes sehr hoch
ist. Somit kommt es zu einer thermischen Produktschädigung
oder zur Bildung von Nebenprodukten. Nebenprodukte führen zu
nicht gewollten Verunreinigungen, die durch nach geschaltete und
aufwendige Behandlungsverfahren isoliert werden müssen.
-
Plattenwärmeaustauscher
sind aufgrund der auftretenden Druckbelastungen, hervorgerufen durch
den Strömungswiderstand viskoser Stoffe in den engeren
Kanälen, nur begrenzt einsetzbar. Diese Wärmeaustauscher
werden nicht gleichmäßig durchströmt,
so dass es zu einer Produktschädigung aufgrund langer Verweil-
und Temperierzeiten kommt.
-
Ein
weiterer allgemeiner Nachteil der Plattenwärmeaustauscher
ist die schlechte Reinigungsmöglichkeit; verschweißte
und verlötete Apparaten können nur mit einem chemischen
Reinigungsverfahren gesäubert werden. Die Strömungskanäle
und Temperierbereiche der geprägten Platten sind nicht zugänglich.
-
Die
Verwendung der in der
DE 10
317 451 offenbarten Ausführungsformen als Wärmeaustauscher
im Zusammenhang mit hochviskosen Fluiden ist ebenfalls nicht möglich,
da die sehr kleinen Kanäle in den Strömungsebenen
durch schweiß- oder löttechnischen Verzug nicht
mehr zueinander fluchten; die erforderliche Verbindungsbreite und
somit die Stabilität verloren geht. Auch eine einfache
manuelle Reinigungsmöglichkeit ist nicht möglich,
da der Reaktor vollständig verschweißt und die
Kanäle nicht zugänglich sind.
-
Ausgehend
vom Stand der Technik besteht also die Aufgabe eine Vorrichtung
zur Verfügung zu stellen die eine gleichmäßige,
schonende Temperierung von flüssigen bis zu höher
viskosen und temperaturempfindlichen Fluiden in kurzer Zeit ermöglicht.
-
Die
in der Vorrichtung zu temperierenden Fluide sollen insbesondere
Viskositäten bis zu 1000 Pa·s aufweisen dürfen.
Aufgrund der hohen Zähigkeit der Stoffe und der dadurch
entstehenden Strömungsverluste in Form von Reibung soll
die Vorrichtung auch Drücken von bis zu 300 bar und Temperaturen bis
zu 800°C standhalten.
-
Weiter
soll eine kompakte und modulare Bauweise der Vorrichtung ermöglicht
werden, um insbesondere gegenüber den Nachteilen der vorstehend
diskutierten Rohrbündelwärmeaustauscher Verbesserungen
zu ermöglichen.
-
Überraschenderweise
wurde nun als erster Gegenstand der vorliegenden Erfindung gefunden, dass
ein neuartiges Wärmeübertragermodul in kompakter
Bauweise, dadurch gekennzeichnet, dass
- (i)
wenigstens zwei ebene Trennplatten (2) einer Höhenausdehnung
(H) und einer Breitenausdehnung (B) und wenigstens drei zwischen
den Trennplatten (2) befindliche, sich gegenseitig nicht
berührenden äußere (3) und innere
(3') Distanzplatten einer jeweils gleichen Tiefenausdehnung
(T) aber unterschiedlicher Breitenausdehnung (B) fest miteinander
verbunden sind, wobei die äußeren Distanzplatten
(3) in ihrer gesamten Höhenausdehnung (H) und
gesamten Breitenausdehnung (B) mit den Trennplatten (2)
in Kontakt stehen, aber nur auf einer Verbindungsfläche, mit
einer Breitenausdehnung von 10 bis 90% der Kontaktfläche
fest verbunden sind,
- (ii) wenigstens zwei Querplatten (5) mit den Trennplatten
(2) auf der jeweils den Distanzplatten (3, 3')
abgewandten Seite fest verbunden sind, wobei die Querplatten (5)
mit den Trennplatten (2) in ihrer gesamten Breitenausdehnung
(B) und gesamten Höhenausdehnung (H) in Kontakt stehen,
aber nur auf einer Verbindungsfläche, mit einer Höhenausdehnung
(H) von 10 bis 90% der Kontaktfläche fest verbunden sind,
- (iii) zwei äußere Begrenzungsplatten (6)
mit größerer Tiefenausdehnung (T) als jene der
Trennplatten (2), mit den jeweils äußeren
Querplatten (5) in gleicher Weise fest verbunden sind,
wie mit den Trennplatten (2), und
- (iv) wobei die miteinander fest verbundenen zwei Begrenzungsplatten
(6, 6'), zwei äußeren Distanzplatten
(3), wenigstens zwei Trennplatten (2) und mindestens
zwei Querplatten (5) zusammen mit den jeweiligen Verbindungsflächen
einen festen Rahmen (10) in Form eines integrierten Rahmens
ausbilden,
diese Aufgabe zu lösen vermag.
-
Die
vorgeschriebenen Breiten-, Höhen- und Tiefenausdehnungen
(B, H, T) bezeichnen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
die geometrischen Abmaße der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in drei Raumrichtungen.
-
Die
Tiefenausdehnung (T) bezeichnet hierbei jeweils die Raumrichtung,
die senkrecht zu den in der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Zwecke des Wärmeübertrags strömenden
ersten und zweiten Fluide orientiert ist.
-
Die
Breitenausdehnung (B) bezeichnet die Raumrichtung entlang der größten
geometrischen Ausdehnung der Querplatten (5), und die Höhenausdehnung
(H) die Raumrichtung entlang der größten geometrischen
Ausdehnung der Distanzplatten (3, 3').
-
Bei
den mindestens drei Distanzplatten (3, 3') ist
zwischen zwei äußeren Distanzplatten (3),
die in Breitenausdehnung (B) außen liegen und mindestens
einer innen liegenden Distanzplatte (3') zu unterscheiden.
-
Die
Verbindung der Querplatten (5) mit den Trennplatten (2)
und Begrenzungsplatten (6, 6') mit größerer
Tiefenausdehnung (T) auf einer Verbindungsfläche mit einer
Höhenausdehnung (H) von 10 bis 90% der Kontaktfläche
und die Verbindung der äußeren Distanzplatten
(3) mit den Trennplatten (2) auf einer Verbindungsfläche
mit Breitenausdehnung (B) von 10 bis 90% der Kontaktfläche,
führt gemäß der vorliegenden Erfindung
zur Ausbildung des festen Rahmens (10) in Form eines integrierten
Gehäuses.
-
Die
fest verbunden Verbindungsflächen der äußeren
Distanzplatten (3) mit den Trennplatten (2) und
der mindestens zwei Querplatten (5) sowie der Begrenzungsplatten
(6, 6') mit den Trennplatten (2) beträgt
bevorzugt von 30 bis 90%, besonders bevorzugt von 50 bis 90% der
Kontaktflächen.
-
Dieser
feste Rahmen (10) in Form eines integrierten Gehäuses
bestehend aus der Abfolge der mindestens zwei Trennplatten (2),
den äußeren Distanzplatten (3) und Querplatten
(5), sowie Begrenzungsplatten (6, 6')
mit größerer Tiefenausdehnung (T), führt
dazu, dass ein das Wärmeübertragermodul umschließendes
Gehäuse nicht mehr notwendig und damit die Fertigung des
Wärmeübertragermoduls einfacher ausführbar
ist. Dies gilt insbesondere, wenn die fest verbunden Verbindungsflächen
der äußeren Distanzplatten (3) mit den
Trennplatten (2) und der mindestens zwei Querplatten (5)
sowie der Begrenzungsplatten (6, 6') mit den Trennplatten
(2) von 30% bis 90% oder besser noch von 50% bis 90% der Kontaktflächen
betragen.
-
Mit
den Begrenzungsplatten (6, 6') und den Kanten
des festen Rahmens (10) in Form eines integrierten Gehäuses
können wiederum Zu-/Abführungen (12)
für ein erstes fluides Medium, sowie Zu-/Abführungen
(13) für ein zweites fluides Medium fest verbunden
werden, ohne dass die Notwendigkeit eines das Wärmeübertragermodul
allseitig umschließenden Gehäuses entsteht.
-
Durch
die zwischen den mindestens zwei Trennplatten (2) befindlichen
Distanzplatten (3, 3'), wird in dem erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermodul mindestens eine Kanalreihe
(1), bestehend aus mindestens zwei Kanälen (4)
geschaffen, wobei die Kanäle (4) rechteckig ausgestaltet
sind und durch diese ein erster Strömungsbereich für
ein erstes Fluid erzeugt wird.
-
Durch
die wenigstens zwei Querplatten (5) auf den mindestens
zwei Trennplatten (2) und die Begrenzungsplatten (6, 6')
wird mindestens ein Querkanal (7) geschaffen, der wiederum
rechteckig ausgestaltet ist und durch den ein zweiter Strömungsbereich
für ein zweites Fluid erzeugt wird, wobei die Kanäle
(4) und der mindestens eine Querkanal (7) in zwei
alternierenden, parallelen Raumebenen liegen.
-
Fest
verbunden bezeichnet im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung,
dass die Verbindung hergestellt ist mittels eines Verfahrens ausgewählt
aus der Liste bestehend aus Löten, Schweißen und
Kleben.
-
Bevorzugt
ist Schweißen.
-
Besonders
bevorzugt ist ein Schweißverfahren ausgewählt
aus der Liste bestehend aus Diffusions-, Laser- und Elektronenstrahlschweißen,
ganz besonders bevorzugt ist Laserschweißen.
-
Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist die Vorrichtung jeweils an ihren Verbindungsstellen durch Laserschweißen fest
verbunden.
-
Die
Trenn-, Quer- und Distanzplatten gemäß der vorliegenden
Erfindung sind üblicherweise aus einem Material ausgewählt
aus der Liste bestehend aus Stahl, Chrom-Nickel-Legierungen, Nickellegierungen,
Titan, Aluminium, Graphit, Kupfer Keramik und Kunststoff. Die Trenn-,
Quer- und Distanzplatten können hierbei jeweils aus unterschiedlichen
Materialien aus der vorstehenden Liste bestehen. Bevorzugt bestehen
die Trenn-, Quer- und Distanzplatten aber alle aus dem gleichen
Material.
-
Das
erfindungsgemäße Wärmeübertragermodul
ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, weil sie durch die
Begrenzungsplatten (6) mit einer größeren
Tiefenausdehnung (T) als jener der Trennplatten (2), eine
erhöhte mechanische Stabilität aufweist und somit
auch in Verfahren unter größerem Druck eingesetzt
werden kann. Zusammen mit der zuvor dargelegten vorteilhaften Stabilisierung
im Sinne eines gebildeten Rahmens, ergibt sich eine sehr stabile
Bauform des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls.
-
Eine
erste bevorzugte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermoduls ist dadurch gekennzeichnet,
dass die wenigstens zwei Trennplatten (2) und die mindestens
eine innen liegende Distanzplatte (3') aus einem metallischen
Material bestehen und durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen
dergestalt miteinander verbunden sind, dass eine die erste Trennplatte
(2) und innen liegende Distanzplatte (3') in Tiefenausdehnung
(T) vollständig durchlaufende, die zweite Trennplatte (2)
in Tiefenausdehnung (T) nicht vollständig durchlaufende
Schweißstelle mit einer Breitenausdehnung (B) von 10 bis
90% der Kontaktfläche zwischen Trennplatten (2)
und innen liegender Distanzplatte (3') ausgebildet ist.
-
Eine
alternative Ausführungsform dieser ersten bevorzugten Weiterentwicklung
des erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls
ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei innen liegende Distanzplatten
(3') und eine Trennplatte (2) aus einem metallischen
Material bestehen und durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen
dergestalt miteinander verbunden sind, dass eine entlang der Kante
in Höhenausdehnung (H), die in Kontakt mit der Trennplatte
(2) ist, der ersten innen liegenden Distanzplatte (3')
in einem Winkel durch die gesamte Tiefenausdehnung der Trennplatte
(2) bis in die zweite innen liegende Distanzplatte (3'),
in der zweiten innen liegenden Distanzplatte (3') spitz
zulaufende und diese nicht durchlaufende Schweißstelle
ausgebildet ist, die die erste innen liegende Distanzplatte (3')
an deren Kante in gesamter Höhenausdehnung (H) mit der
Trennplatte (2) und die Trennplatte (2) mit der
zweiten innen liegenden Distanzplatte (3') mit einer Breitenausdehnung
(B) von 10 bis 90% der Kontaktfläche zwischen Trennplatten (2)
und zweiter innen liegenden Distanzplatte (3') verbindet.
-
Diese
erste bevorzugte Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermoduls ist besonders vorteilhaft,
weil die durch die oben genannte Ausbildung eines festen Rahmens
(10) in Form eines integrierten Gehäuses stabilisierte
Struktur des Wärmeübertragermoduls damit im Inneren noch
einmal eine zusätzliche Stabilisierung erfährt, die
insbesondere fertigungstechnisch einfach darstellbar ist, da das
Bauteil nur von einer Seite geschweißt werden muss.
-
Die
Distanzplatten (3, 3') und Querplatten (5) des
erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls weisen üblicherweise
eine Tiefenausdehnung (T) von 0,1 mm bis 100 mm, bevorzugt von 0,5
mm bis 8 mm, und besonders bevorzugt von 0,5 mm bis 5 mm auf.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
weisen die in der Breitenausdehnung (B) äußeren
Distanzplatten (3) der erfindungsgemäßen
Vorrichtung eine größere Breitenausdehnung (B)
auf als die übrigen, inneren Distanzplatten (3').
-
In
dieser bevorzugten Ausführungsform weisen die äußeren
Distanzplatten (3) bevorzugt eine doppelt so große
Breitenausdehnung (B) wie die übrigen Distanzplatten (3')
auf, besonders bevorzugt beträgt die Breitenausdehnung
der äußeren Distanzplatten (3) bis zum
zwanzigfachen der Breitenausdehnung der übrigen, inneren
Distanzplatten (3').
-
Dies
ist insbesondere vorteilhaft, da hierdurch der feste Rahmen (10)
in Form eines integrierten Gehäuses besonders stabil wird
und des Weiteren damit eine Materialstärke aufweist, die
im Zuge späterer bevorzugter Weiterentwicklungen der vorliegenden
Erfindung das Ausarbeiten von Ausformungen nicht nur an Seiten der
Begrenzungsplatten (6, 6') des Wärmeübertragermoduls,
sondern auch an den übrigen vier Seiten und an allen Kanten
des Wärmeübertragermoduls ermöglicht.
-
In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist das Wärmeübertragermodul
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den mindestens zwei Trennplatten
(2) drei bis 51 Distanzplatten (3, 3')
und zwischen Trennplatten (2) und/oder Begrenzungsplatten (6)
zwei bis 21 Querplatten (5) vorhanden sind; bevorzugt sind
bis zu fünftausendeinhundert Distanzplatten (3, 3')
und wenigstens zweitausendeinhunderteinundzwanzig Querplatten (5)
im gesamten Wärmeübertragermodul vorhanden.
-
Da
die Tiefenausdehnung (T) der Distanzplatten (3, 3')
zwischen den mindestens zwei Trennplatten (2) zur Bildung
einer Kanalreihe (1) konstant ist, sind Kanäle
(4) einer Kanalreihe (1) in der Tiefenausdehnung
(T) ebenfalls absolut gleich und es liegen damit konstante Strömungsbedingungen
in jedem Kanal (4) vor.
-
Der
Abstand der Distanzplatten (3, 3') zueinander
in einer Kanalreihe (1) beschreibt die Breite eines Kanals
(4) in seiner Breitenausdehnung (B).
-
In
einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermoduls sind in Querkanäle
(7) Umlenkbleche (26) eingeschoben.
-
Der
gemäß der vorstehenden erfindungsgemäßen
und bevorzugten Ausführungsformen offenbarte Aufbau des
erfindungsgemäßen Wärmeübertragermoduls
bietet eine hohe Flexibilität hinsichtlich der Dimensionierung
von Verbindungsstellen, so dass eine Kanalreihe (1) des
ersten Strömungsbereichs wenigstens zwei kleinste druckstabile
Zellen hat.
-
Insbesondere
bei Wärmeübertragern und Reaktoren sind die verschiedenen
fluiden Strömungsbereiche häufig mit unterschiedlichen
Drücken beaufschlagt, so dass Kanäle mit geometrisch
geringen Querschnitten schon bei kleinen Wanddicken hoch belastbar
sind.
-
In
einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermoduls sind ebenso viele Kanäle
(4) in einer Kanalreihe (1) durch Distanzplatten
(3, 3') ausgebildet, wie Querkanäle (7) durch
Querplatten (5) und die Distanzplatten (3, 3') und
Querplatten (5) sind hinsichtlich Ihrer Dimension mit größter
Raumausdehnung in die gleiche Raumrichtung orientiert angeordnet,
so dass parallele Kanäle (4) und Querkanäle
(7) entstehen.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermoduls sind die Kanäle
(4) und Querkanäle (7) durch die Distanzplatten
(3, 3') und Querplatten (5) so ausgestaltet,
dass diese jeweils identische Querschnittsflächen zwischen
den Trennplatten (2) und/oder Begrenzungsplatten (6)
aufweisen.
-
In
einer Kombination der gerade ausgeführten bevorzugten Ausführungsform
mit der alternativen Ausführungsform einer Orientierung
in gleicher Raumrichtung ist das erfindungsgemäße
Wärmeübertragermodul dadurch gekennzeichnet, dass
die durch Distanzplatten (3, 3') und Querplatten
(5) zwischen Trennplatten (2) und/oder Begrenzungsplatten (6)
ausgestalteten Kanäle (4) und Querkanäle
(7) zueinander parallel, aber versetzt verlaufen.
-
Die
weiteren, innen liegenden Distanzplatten (3') können
wirtschaftlich mittels Ziehverfahren hergestellt werden, so dass
es vorteilhaft sein kann, dass diese Distanzplatten (3')
verschiedene Querschnitte haben können. Die Querschnittsformen
der Distanzplatten (3') sind vier- oder rechteckig, es
können aber auch die Schmalseiten der Distanzplatten (3')
mit einem Radius (28) geformt sein. Spezielle Ausführungen
haben keilförmige Ecken, um zum Beispiel eine federnde
Spitze (29) auszubilden.
-
In
einer bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung weisen
die Begrenzungsplatten (6, 6') auf der den Querplatten
(5) abgewandten Seite mindestens eine Ausformung auf und
es sind mindestens zwei erfindungsgemäße Wärmeübertragermodule
durch diese Ausformungen der Begrenzungsplatten (6, 6')
formschlüssig miteinander verbunden.
-
In
einer gleichermaßen bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden
Erfindung weisen auch die in Höhenausdehnung (H) außen
liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10)
in Form eines Gehäuses Ausformungen auf.
-
In
noch einer gleichermaßen bevorzugten Weiterentwicklung
der vorliegenden Erfindung weisen auch die in Breitenausdehnung
(B) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens
(10) in Form eines Gehäuses Ausformungen auf,
wobei diese Ausformungen üblicherweise an den Kanten der
in Breitenausdehnung (B) außen liegenden Seiten ausgebildet
sind.
-
Gemäß der
bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung weisen die Begrenzungsplatten
(6, 6'), sowie die in Höhenausdehnung
(H) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens
(10) und die in Breitenausdehnung (B) außen liegenden
Seiten des ausgebildeten festen Rahmens (10) in Form eines
Gehäuses positive und/oder negative Ausformungen (14, 15)
auf, die eine formschlüssige Verbindung ermöglichen.
-
Die
gerade beschriebenen bevorzugten Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermodule sind besonders vorteilhaft,
weil somit die erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule
in einfacher Weise mehrfach durch Zusammenstecken von korrespondierenden
Ausformungen in allen drei Raumrichtungen miteinander formschlüssig
verbunden werden können, so dass ein Wärmeübertrager
aus diesen erhalten wird.
-
Ein
aus mindestens zwei, bevorzugt mindestens vier, besonders bevorzugt
mindestens acht über die jeweiligen Ausformungen in drei
Raumrichtungen formschlüssig miteinander verbundenen Wärmübertragemodulen
zusammengesetzter Wärmeübtrager ist somit ebenfalls
Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
-
Bevorzugt
ist die Tiefenausdehnung (T) der hervorstehenden positiven Ausformung
(14) kleiner als die Tiefenausdehnung (T) der versenkten
negativen Ausformung (15).
-
Ein
ebenfalls positiver Effekt, resultierend aus den positiven/negativen
Ausformungen der Begrenzungsplatten (6, 6'), der
in Höhenausdehnung (H) außen liegenden Seiten
des ausgebildeten festen Rahmens (10) und der in Breitenausdehnung
(B) außen liegenden Seiten des ausgebildeten festen Rahmens
(10) in Form eines Gehäuses ist, dass sich die über
diese Ausformungen (14, 15) formschlüssig
miteinander verbundenen Begrenzungsplatten (6, 6') der mindestens
zwei erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule
gegeneinander mechanisch stabilisieren.
-
Innerhalb
der bevorzugten Weiterentwicklung können die über
die Ausformungen formschlüssig miteinander verbundenen
erfindungsgemäßen Wärmeübertragermodule
zusätzlich auch noch auf den Kontaktflächen miteinander
fest verbunden werden. Bevorzugt werden mindestens die über
Ausformungen (14, 15) miteinander formschlüssig
verbundenen Begrenzungsplatten (6, 6') auch noch
auf ihren Kontaktflächen fest miteinander verbunden.
-
In
einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung
kann ein Wärmeübertrager mit einem Rahmengehäuse
(16), aufgebaut aus zwei Gehäuseplatten (17),
die eine größere Breiten- (B) und Höhenausdehnung
(H) aufweisen als die benachbarten Begrenzungsplatten (6, 6'), hergestellt
sein, wobei die Gehäuseplatten (17) korrespondierende
passende Konturen (14, 15) zu den Begrenzungsplatten
(6, 6') mindestens eines eingebrachten Wärmeübertragermoduls
besitzen und wobei zwischen den Gehäuseplatten (17)
in Tiefenausdehnung (T) wenigstens zwei obere und zwei untere mit
dem mindestens einem erfindungemäßen Wärmeübertragermodul
und den inneren Flächen der Gehäuseplatten (17)
verbundene Formstäbe (18) vorgesehen sind.
-
Innerhalb
dieser weiteren bevorzugten Weiterentwicklung ist die Querschnittsform
der Formstäbe (18) rechteckig oder quadratisch
und die außen liegenden Flächen der Formstäbe
(18) sind an die maximalen Ausdehnungen der Gehäuseplatten
(17) angepasst und mit den Gehäuseplatten (17)
und dem mindestens einen erfindungemäßen Wärmeübertragermodul
fest verbunden.
-
Durch
die vorstehend beschriebene Ausführungsform können
zuleitende und ableitende Fluidbereiche des ersten und zweiten Strömungsbereichs getrennt
werden und ein geschlossenes Rahmengehäuse (16)
mit ebenen Außenflächen bei größtmöglicher
Zugänglichkeit der Kanäle (4) und Querkanäle (7)
entsteht, wobei das Rahmengehäuse (16) mit weiteren
lösbaren und oder festen Zu-/Abführungen (12, 13)
geschlossen werden kann.
-
Wärmeübertrager
werden durch Strömungsverluste von zum Beispiel hochviskosen
Stoffen vorwiegend mit einseitigem Druck in Hauptströmungsrichtung
belastet, so dass eine Druckbeanspruchung auf formschlüssige
Verbindungen eine Scherbelastung hervorruft. Die vorgenannten formschlüssigen Verbindungen
nehmen überwiegend Druckkräfte über Scherbelastungen
auf.
-
Die
gerade beschriebenen bevorzugten Weiterentwicklungen eignen sich
somit in besonders vorteilhafter Weise für den Bau eines
keramischen Wärmeübertragers, da die wesentlichen
Kräfte durch die formschlüssige Verbindung aufgenommen
werden, so dass die kontaktierenden keramischen Flächen nur
verklebt werden müssen. Keramische Platten können
mit geeigneten Kleberstoffen verbunden und gleichzeitig gedichtet
werden, um einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager
herzustellen.
-
Innerhalb
der vorstehend beschriebenen weiteren bevorzugten Weiterentwicklung
sind bevorzugt korrespondierende positive und negative Ausformungen
(14, 15) an Begrenzungsplatten (6, 6') und
Gehäuseplatten (17) vorgesehen und wenigstens
eine positive und/oder negative Ausformung nimmt in Summe einen
Flächenanteil von bis zu 90%, bevorzugt einen Anteil bis
zu 50% und besonders bevorzugt einen Flächenanteil bis
zu 33%, bezogen auf die jeweilige Grundfläche der Begrenzungsplatte
(6, 6'), einer Gehäuseplatte (17)
oder eines Rahmengehäuses (16), ein.
-
Hierbei
ist zu berücksichtigen, dass die Gehäuseplatten
(17) eine größere Flächenausdehnung aufweisen,
als die Begrenzungsplatten (6, 6'), so dass sich
die jeweiligen Flächenanteile der Ausformungen für
diese Gehäuseplatten (17) gemäß der Flächenverhältnisse
zwischen Gehäuseplatten (17) und Begrenzungsplatten
(6, 6') verringern.
-
Weiter
bevorzugt ist die formschlüssige Verbindung der Begrenzungsplatten
(6, 6') und der korrespondierenden benachbarten
Gehäuseplatten (17), dadurch gekennzeichnet, dass
Begrenzungsplatten (6, 6') und Gehäuseplatten
(17) auf gemeinsamer Achse wenigstens eine Vertiefung in
Ausgestaltung einer negativen Ausformung (15) aufweisen, und
zwei benachbarte korrespondierende Ausformungen (15) zusammen
einen Hohlraum bilden, der eine Scheibe (19) aufnehmen
kann, der Hohlraum durch die Scheibe (19) gefüllt
ist.
-
Somit
kann diese Scheibe in einfacher Weise als loses oder festes formschlüssiges
Verbindungselement dienen.
-
Somit
formschlüssig verbundene erfindungsgemäße
Wärmeübertragermodule und Gehäuseplatten
(17) werden bevorzugt am äußeren Umfang
der Kontaktflächen zusätzlich fest miteinander
verbunden.
-
Eine
solche weitere äußere umlaufende feste Verbindung
hat zusätzlich vorteilhafte dichtende Eigenschaften.
-
Die
Verwendung der Scheiben (19) zur formschlüssigen
Verbindung bietet insbesondere Vorteile, da Begrenzungsplatten (6, 6')
miteinander oder mit den Gehäuseplatten (17) dicht
und fest verbunden sind, und eingesetzte Scheiben (19)
vollständig eingeschlossen und vom Fluid isoliert sind.
Das Einschließen entspricht einem Versiegeln, daher können die
Scheiben (19) auch aus artfremden Werkstoffen mit höheren
mechanischen Festigkeiten als die der Grundwerkstoffe, eingesetzt
werden. Durch das vollständige Einschließen der
Scheibe (19) ist zum Beispiel ein Korrosionsangriff ausgeschlossen.
-
Die
Formstäbe (18) dienen der Trennung der Strömungsbereiche
und vermögen des Weiteren die erfindungsgemäßen
Wärmeübertragermodule zu stützen und
auftretende Kräfte aufzunehmen.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn Formstäbe (18) und Gehäuseplatten
(17) formschlüssig miteinander verbunden sind
und die festen Verbindungen nur eine Dichtfunktion übernehmen.
-
Die
Formstäbe (18) können auch als Winkelformstäbe
(20) ausgeführt sein.
-
Bevorzugt
sind solche Winkelformstäbe (20), dadurch gekennzeichnet,
dass diese die Querschnittsfläche eines Winkels aufweisen.
Besonders bevorzugt sind die Schenkellängen und Schenkeldicken
der Winkelformstäbe (20) unterschiedlich ausgebildet.
-
Hierdurch
lässt sich einfacher Weise eine Anpassung an die funktionellen
Aufgaben vorsehen und eine besonders vorteilhafte Stützfunktion
der Winkelformstäbe entsteht.
-
Die
Formstäbe (18) und/oder Winkelformstäbe
(20) können auch beidseitig Ausformungen in Form
von Zapfen und/oder Zylindern (21) aufweisen, die in vorgesehene Öffnungen
oder Bohrungen (22) der Gehäuseplatten (17)
teilweise oder vorzugsweise vollständig hineinragen.
-
Hierdurch
entsteht wiederum eine vorteilhafte formschlüssige Verbindung
mit den Gehäuseplatten (17).
-
Die
Querschnittsform der Zapfen und/oder Zylinder (21) kann
rund oder mit Kanten versehen sein. Vorzugsweise ist sie aber vier-
oder rechteckig.
-
Die
vier- oder rechteckige Ausführung ist besonders vorteilhaft,
weil damit die Formstäbe (18) und/oder Winkelformstäbe
(20) verdrehsicher eingebaut sind.
-
In
einer weitere bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfasst der Wärmeübertrager mehrere einzelne Wärmeübertragermodule
mit Begrenzungsplatten (6, 6'), die Ausformungen
(14, 15) aufweisen und mit denen Füllstücke
(23) formschlüssig verbunden sind, womit die Vorrichtung
in ein umschließendes Rohrgehäuse (24)
eingebaut ist.
-
Hierbei
wird bevorzugt ein erster Strömungs- und Druckbereich mit
einer oberen und unteren Randplatte (25) im Innenraum des
Rohrgehäuses (24) abgetrennt.
-
In
einer letzten bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung sind in
den Kanälen (4) und/oder Querkanälen
(7) mindestens ein fester oder lösbarer Einsatze
(28) eingebracht.
-
Die
Einsätze (28) erzeugen in vorteilhafter Weise
eine zwangsgeführte Strömung und gleichzeitig
erhöhte Turbulenz und führen somit zu einem besseren
Wärmeübergang.
-
Solche
Einsätze können für die Ausführung von
chemischen Reaktionen auch einen Katalysator umfassen. Beispielsweise
können diese mit einem Katalysator beschichtet sein oder
gänzlich aus einem Katalysatormaterial bestehen.
-
In
alternativen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
ist es auch möglich, dass einzelne Bestandteile, wie etwa
die Distanzplatten (3, 3'), Querplatten (5)
und/oder Trennplatten (2) aus einem, für eine
in dem Wärmeübertragermodul ausgeführte chemische
Reaktion, aus katalytischem Material bestehen oder mit einem solchen
beschichtet sind.
-
Allgemein
kann aufgrund der erfinderischen formschlüssigen Konturen
sowie den speziellen festen Verbindungen, auf einfache und wirtschaftliche Weise
eine wesentliche Versteifung und hohe Druckbeständigkeit
des aus mindestens einem Wärmeübertragermodul
erhaltenen Wärmeübertragers erzielt werden, so
dass der Einsatzbereich bei Drücken bis größer
300 bar und hohen Temperaturen bis zu 800°C möglich
ist.
-
Das
erfindungsgemäße Wärmeübertragermodul
und die aus diesen erhaltenen Wärmeübertrager
können zur Ausführung aller Wärmeübertragungsverfahren
verwendet werden.
-
Bevorzugt
findet der erfindungsgemäße Wärmeübertrager
Verwendung als Reaktor für Verfahren, in denen aufgrund
stark exothermer oder endothermer Reaktionen schnell Wärme
abgeführt oder zugeführt werden soll.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und
Beispielen näher erläutert, ohne sie jedoch hierauf
zu beschränken.
-
Bezugszeichenliste
-
- H
- Höhenausdehnung
- B
- Breitenausdehnung
- T
- Tiefenausdehnung
- 1
- Kanalreihe
- 2
- Trennplatte
- 3,
3'
- Distanzplatte
- 4
- Kanäle
- 5
- Querplatte
- 6,
6'
- Begrenzungsplatte
- 7
- Querkanal
- 8
- Kontaktbreite
- 9
- Verbindungsbreite
parallel zur Kontaktfläche
- 9'
- Verbindungsbreite
durch die Plattendicke
- 10
- fester
Rahmen in Form eines integrierten Gehäuses
- 11
- Wärmeübertrager
- 12
- Zuführung/Abführung
für den zweiten Strömungsbereich
- 13
- Zuführung/Abführung
für den ersten Strömungsbereich
- 14
- Erhabene
positive Ausformung
- 15
- Versenkte
negative Ausformung
- 16
- Rahmengehäuse
- 17
- Gehäuseplatten
- 18
- Unterer
und oberer Formstab
- 19
- Scheibe
- 20
- Winkelformstab
- 21
- Zapfen
- 22
- Öffnungen
der Gehäuseplatten
- 23
- Füllstücke
- 24
- Rohrgehäuse
- 25
- Randplatte
- 26
- Umlenkblech
- 27
- Einsätze
für Kanal und Querkanal
- 28
- Radius
- 29
- Federnde
Spitze der Distanzplatten
-
Die
Figuren zeigen:
-
1 Teilweise
Darstellung einer Kanalreihe mit Querkanal und Gehäuseplatte
-
2 Wärmeübertrager
in Schnittdarstellung mit integriertem Gehäuse
-
2a Wärmeübertragermodul
in Teilansicht mit Querkanälen in Schnittdarstellung
-
2b Einzelner Kanal
-
3 Wärmeübertrager
mit Wärmeübertragermodul in Rahmengehäuse
mit Zuführung/Abführung
-
3a Schnittdarstellung
zweier Wärmeübertragermodule und Gehäuseplatten
mit positiven und negativen Ausformungen
-
4 Formstab
mit rechtwinkeliger Querschnittsfläche
-
4a, 4b Teilansicht
der formschlüssigen Verbindung zwischen Formstab mit Zapfen
und Gehäuseplatte
-
5, 5a Verschiedene
formschlüssige Verbindungen der einzelnen Wärmeübertragermodule
-
6, 6a, 6b Unterschiedliche
Formen der Distanzplatten
-
7 Spezielle
Formen der Distanzplatte mit federnder Kantenspitze
-
8, 8a Wärmeübertrager
mit Wärmeübertragermodul in Rohrgehäuse
-
Beispiele:
-
Beispiel 1
-
In
den 1, 2, 2a und 2b wird der Aufbau eines Wärmeübertragermoduls
(11) dargestellt. In der 1 ist eine
perspektivische Teildarstellung gewählt, um die Position
der einzelnen Platten, insbesondere von der Kanalreihe (1)
zu zeigen. In der 2 ist ein Wärmeübertragermodul
(11) in einer Schnittdarstellung gezeigt, so dass verschiedene Strömungsbereiche
gut zu erkennen sind. Des Weiteren sind die Verbindungsstellen durch
unterschiedliche Verbindungstiefen gezeigt, um unabhängige Strömungs-
und Druckbereiche zu bilden. Die 2a ist
eine Schnittdarstellung aus der 2 und zeigt
im Wesentlichen eine halbe Höhenausdehnung (H) des Wärmeübertragermoduls
(11) und die Querkanäle (7) in Form von
schlitzartigen vertikalen Kanälen.
-
In 1 und 2 ist
die Kanalreihe (1) deutlich zu erkennen, die in Breitenausdehnung
(B) verläuft. Die Kanalreihe (1) setzt sich zusammen
aus zwei parallel angeordneten Trennplatten (2), die durch
Distanzplatten (3, 3') auf Abstand gebracht sind
und mit einer beispielsweise Laserschweißnaht mit der Verbindungsbreite
(9') im Innern verbunden sind. Die Verbindungsbreite (9')
ist in 2 dargestellt und als Schweißnaht so
gelegt, dass sie durch die Materialdicke der zwei Trennplatten (2)
und der dazwischen liegenden Distanzplatten (3, 3')
verläuft, ohne jedoch im Tiefpunkt der Schweißnaht
aus der Blechdicke der Trennplatte (2) herauszutreten.
Die Verbindungsbreite (9') verläuft über
die vollständige Höhenausdehnung (H) und Länge
der Distanzplatten (3, 3').
-
In
der 2 ist gezeigt, dass die Breitenausdehnung (B)
der Trennplatten (2) so ausgeprägt ist, dass die
entstehende Lücke zwischen einer linken und rechten auf
Abstand gebrachten Distanzplatte (3, 3') einen
Kanal (4) bildet, der durch die Wandstärke der
Trennplatten (2) und jeweils halber zugehöriger
linker und rechter Distanzplatte (3, 3') eine
umlaufende konstante Materialstärke beschreibt.
-
In 2b ist der gebildete druckstabile Kanal (4)
dargestellt, so dass in Folge alle Kanäle (4)
einer Kanalreihe (1) den auftretenden Strömungs-
und Druckbelastungen standhalten. Insbesondere ist die Verbindungsbreite
der Distanzplatte (3') gezeichnet, dabei ist erkennbar,
dass die halbe Breite der Distanzplatte (3') zum linken
Kanal und die andere Hälfte der Distanzplattenbreite zum
rechten Kanal gehört.
-
Bei
sehr hohen Druckbelastungen im Kanal, können aufgrund der
insbesondere geringen Kanalbreiten die Dicke der Trennplatten (2)
und die Breiten der Distanzplatten (3, 3') verändert
werden, so dass Kanäle (4) und Kanalreihe (1)
den prozessspezifischen Belastungen standhalten. Der Strömungsbereich
der Kanäle ist der erste Strömungs- und Druckbereich.
-
In
der Höhenausdehnung (H) beider Trennplatten (2)
sind im oberen und unteren Abschnitt Querplatten (5) positioniert,
so dass in der gezeigten 1 in der Tiefenausdehnung (T)
rechts eine dicke Begrenzungsplatte (6) positioniert ist
und ein Querkanal (7) gebildet wird. Auch auf der linken
Seite der Kanalreihe (1) sind Querplatten (5)
befestigt, so dass links zur Tiefenausdehnung eine weitere Kanalreihe (1),
in der 1 nicht dargestellt, angesetzt werden kann, um
auch den linken Querkanal (7) zu schließen.
-
Die
Kontaktstellen der Trennplatten (2) und Querplatten (5)
sind in 2 und 2a dargestellt, sie
haben eine flächige Kontaktbreite (8) und werden mit
der kleineren Verbindungsbreite (9) direkt im Kontaktbereich
der Platten schweißtechnisch verbunden, wobei die Verbindungen
eine Länge haben, die der vollständigen Breitenausdehnung
(B) entspricht. Gleiches Verbindungsvorgehen erfolgt an den Kontaktstellen
zwischen außen liegender Distanzplatte (3) und
den linken und rechten Trennplatten (2) über die
vollständige Höhenausdehnung (H) der Platten.
-
Im
Zusammenhang, 1 und 2, der Positionierung
einer Vielzahl von Trenn- (2), Distanz- (3), Quer-
(5) und Begrenzungsplatten (6, 6'), sowie den
Verbindungsflächen und insbesondere den dickeren äußeren
Begrenzungsplatten (6, 6') ist es möglich
einen Rahmen in Form eines integrierten Gehäuse (10)
für das Wärmeübertragermodul (11) bereitzustellen,
das aus den Einzelbestandteilen gebildet wird.
-
In
der 2 ist zu erkennen, dass die Verbindungsbreite
(9) der Dicke der Begrenzungsplatte (6) entspricht,
und in der 2a die Verbindungsbreite zwischen
Querkanal (5) und äußeren Trennplatten (2)
der Kanalreihe (1) ebenfalls der Dicke der Begrenzungsplatte
(6) entspricht, so dass bei der räumlichen Betrachtung
des Wärmeübertragermoduls (11) auf allen
sechs Seiten mit einer homogenen gleichmäßigen
dicken Wandstärke gerechnet werden kann und ein integriertes
Gehäuse (10) entstanden ist.
-
Daher
ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn Verbindungsverfahren gewählt
werden, die keine zusätzlichen Schweißzusatzstoffe
benötigen, so dass auch an den Verbindungsstellen gleichartiges
Material mit konstanten Festigkeitswerten vorhanden ist.
-
In 2 ist
aufgrund des festen Rahmens in Form eines integrierten Gehäuses
(10) des Wärmeübertragermoduls (11)
beispielhaft und stellvertretend eine einzelne Zuführung
(12) dargestellt, die in der 2 den zuführenden
Abschnitt des zweiten Strömungs- und Druckbereichs verschließt.
Es ist vorstellbar, dass alle vier Seiten des Wärmeübertragermoduls
(11) mit lösbaren oder festen Zu-/Abführungen
ausgestattet sind, um eine Wärmeübertragung zwischen
zwei Fluiden zu ermöglichen. Werden grundsätzlich
lösbare Zu-/Abführungen (12, 13)
verwendet, so sind alle fluidführenden Kanäle
zugänglich.
-
In 3 und 3a ist
die weitere Ausgestaltung der Wärmeübertragermodule
(11) dargestellt. In 3a ist
zu erkennen, dass die Begrenzungsplatten (6) mit erhabenen
positiven Konturen (14) und die Begrenzungsplatte (6')
mit versenkten negativen Konturen (15) versehen sind. Die
Konturen (14, 15) befinden sich auf einer gedachten,
nicht eingezeichneten gemeinsamen Achse, so dass zwei Wärmeübertragermodule
direkt aneinander gesetzt werden können, die Konturen (14, 15)
der Begrenzungsplatten (6, 6') ineinander greifen
und eine formschlüssige Verbindung schaffen.
-
Durch
die formschlüssige Verbindung können hohe Querkräfte
aufgenommen werden, so dass mehrere nebeneinander positionierte
Wärmeübertragermodule (11) große
Anströmflächen mit einer großen Anzahl
von kleinen Kanälen (4) und kleinen Querkanälen
(7) für die Durchströmung mit Fluiden bieten
können. Insbesondere wird die Aufnahme von Querkräften
erhöht, wenn sich auf jeder Fläche der Begrenzungsplatten
(6, 6') mehrere positive und oder negative Konturen
(14, 15) befinden.
-
Der
systematische Aufbau eines größeren Wärmeübertragers
wird möglich, wenn an vielen Außenflächen
der Wärmeübertragermodule (11) Konturen
(14, 15) für eine zweidimensionale und
oder dreidimensionale Vergrößerung vorgesehen
sind.
-
Werden
mehrere Wärmeübertragermodule (11) mit
formschlüssigen Konturen (14, 15) zum
Bau eines großen Wärmeübertragers verwendet
ist ein Rahmengehäuse (16) notwendig. Das Rahmengehäuse
(16) setzt sich aus flächenmäßig
vergrößerten Gehäuseplatten (17)
und aus verbindenden unteren und oberen Formstäben (18)
zusammen.
-
Zwei
untere und zwei obere Formstäbe sind mit den beiden Gehäuseplatten
(17) fest verbunden, die Verbindungen erstrecken sich auch
auf die Begrenzungsplatten (6, 6') und auf die
in Tiefenausdehnung (T) unteren und oberen Kanten der Wärmeübertragermodule
(11), so dass ein Rahmengehäuse (16)
entsteht und gleichzeitig unterschiedliche Strömungs- und
Druckbereiche getrennt werden. Die Verbindungsstellen der Formstäbe
(18) zum Wärmeübertragermodul (11)
sind in 3 und die Verbindungsstellen
der Formstäbe (18) zu den Gehäuseplatten
(17) sind in einem Teilschnitt der 3a gezeigt.
-
In
beiden Figuren ist zu erkennen, dass die Kanäle (4)
und Querkanäle (7) der zuführenden und ableitenden
Strömungs- und Druckbereiche vollständig frei
und somit zugänglich sind, wenn lösbare Adapter
(12, 13) mit dem Rahmengehäuse (16)
verbunden werden.
-
In
der 3 sind Querkanäle nicht zu erkennen,
jedoch sind Querplatten (5) im oberen und unteren Kanalabschnitt
gestrichelt eingezeichnet, so dass der Querkanal (7) angedeutet
ist.
-
Beispiel 2
-
In 4 ist
der Querschnitt eines Winkelformstabes (20) dargestellt,
dessen Querschnittsfläche rechtwinklig und die Schenkellänge
unterschiedlich lang ist, um ein Wärmeübertragermodul
(11) über die Tiefenausdehnung (T), insbesondere
an den äußeren Distanzplatten (3) teilweise
zu umschließen und dadurch eine Stützfunktion
der Wärmeübertragermodule (11) zu übernehmen.
Die örtlichen Verbindungen zwischen Winkelformstab (20)
und Kanten des Wärmeübertragermoduls (11),
hier dargestellt mit der Distanzplatte (3), können
vergrößert werden.
-
In
der 4a und 4b, ist
der Winkelformstab (20) beidseitig mit einem Zapfen (21)
verlängert, so dass der Zapfen formschlüssig in
eine Öffnung (22) der Gehäuseplatte ragt.
In 4b ragt der Zapfen (21) vollständig
in die Gehäuseplatte (17) des Gehäuses
(16) und ist beispielsweise außerhalb mit der
Gehäuseplatte fest verbunden.
-
Beispiel 3
-
In
der 5 und 5a sind
formschlüssige Verbindungen über die Ausformungen
(14, 15) der Begrenzungsplatten (6, 6')
untereinander dargestellt. Die formschlüssige Verbindungstechnik
lässt sich auf Bauteile des Gehäuses mit übertragen.
Eine Variante ist in 5a gezeichnet, dort erfolgt
die formschlüssige Verbindung durch das Einsetzen von beispielsweise
einer Scheibe (19), so dass alle Begrenzungsplatten eines
Wärmeübertragermoduls (11) gleich sind.
-
Beispiel 4
-
In
den 6 und 6b sind
beispielhaft unterschiedliche Querschnittsformen der Distanzplatten
(3, 3') dargestellt, wobei im Vergleich die Dicke
der Distanzplatten konstant gehalten ist. Die speziellen Querschnitte
der Distanzplatten, insbesondere die in 6a und 6b dargstellten,
mit beidseitigem oder einseitigem Radius (28), können
durch wirtschaftliche Ziehverfahren sehr genau gefertigt werden.
-
In 7 ist
eine weitere spezielle Ausgestaltung der Distanzplatten dargestellt,
insbesondere sind an den kanalseitigen Kanten der Distanzplatten federnde
Spitzen (29) angeformt, so dass beim Zusammenpressen der
Platten der Kanalreihe die federnden Spitzen sich besonders gut
an die Oberfläche der Trennplatte (2) legt und
eine hohe Dichtfunktion ausübt.
-
Beispiel 5
-
Eine
andere beispielhafte Ausführung ist in den 8 und 8a dargestellt,
hier ist die Ausführung eines Wärmeübertragers
mit Rohrgehäuse (24) gezeigt. In 8 ist
beispielsweise ein Wärmeübertragermodul (11)
mit geöffnetem Querkanal (7) gezeichnet. Das Wärmeübertragermodul
(11) ist oberhalb und unterhalb mittels Randplatten (25)
gehalten, dazu sind die Randplatten im Zentrum geöffnet,
um den ersten Strömungs- und Druckbereich zugänglich zu
machen. Wärmeübertragermodule (11) in
Rohrgehäusen (24) benötigen Füllstücke
(23), die beispielhaft wie dargestellt mit positiven und
negativen Konturen (14, 15) versehen sind, um
eine fortlaufende formschlüssige Verbindungstechnik bis
zur inneren Wand des Rohrgehäuses (24) und damit
eine Kraftübertragung zu ermöglichen. Wärmeübertragermodul (11),
Randplatten (25) und Rohrgehäuse (24)
sind miteinander unlösbar durch beispielsweise manuelle Schweißung
verbunden. Das Rohrgehäuse ist beispielsweise in der Höhenausdehnung
für die Zuführung und Ableitung der Fluide des
zweiten Strömungs- und Druckbereichs mit zwei seitlichen
Zuführungen (12) ausgestattet. Oberhalb und unterhalb des
Rohrgehäuses sind lösbare Abführungen
(13) für den ersten Strömungsbereich
angeordnet. Die Kanalreihe (1) mit Kanälen (4)
sind gestrichelt in vollständiger Höhenausdehnung
dargestellt. Wenn die Kanäle (4) des Wärmeübertragermoduls
in Durchströmrichtung sehr lang sind, so kann im Querkanal (7)
bzw. in allen Querkanälen eines Wärmeübertragers
beispielsweise ein gemeinsames Umlenkblech (26) eingesetzt
werden, so dass das Fluid den Querkanal in wechselnder Richtung
durchströmt und aus Sicht der Kanalströmung eine
Gegenstromfahrweise möglich wird.
-
8a zeigt
eine Schnittdarstellung des Wärmeübertragers mit
Rohrgehäuse, es ist das Wärmeübertragermodul
(11) mit Kanälen (4) und die beiden Füllstücke
(23) mit positiver und negativer Kontur zum Wärmeübertragermodul
und gerundeter Außenform zum Rundgehäuse zu erkennen.
Des Weiteren ist das Umlenkblech (26) mit den Kammzähnen
zu erkennen, die durch den Querkanal (7) verlaufen und leicht über
den Wärmeübertrager ragen.
-
In 9 und 9a sind
unterschiedliche Formen von Umlenkblechen (26) mit dargestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10317451 [0009, 0012, 0012, 0012, 0013, 0013, 0014, 0015, 0018]