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Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager, der eine Mehrzahl von im Wesentlichen rechteckigen, als Fischgrätmuster mit wellenförmiger Profilierung geformten Wärmeübertragungsplatten mit seitlich hochgezogenem Rand und mit in den Eckbereichen im Abstand vom Rand in einer niedrig oder hoch liegenden Plattenebene ausgebildeten Durchbrüchen zur Ausbildung einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung sowie randnah verlaufende Einprägungen umfasst, wobei die Wärmeübertragungsplatten jeweils um 180° zueinander gedreht aufeinander gestapelt und an den beiderseitigen Berührungsflächen abdichtend miteinander verbunden sind und die Einprägungen im Bereich der jeweils aneinander stoßenden, geschlossenen Durchbrüche einen Verbindungskanal zu dem zwischen den aneinander grenzenden Wärmeübertragungsplatten vorhandenen Strömungskanal für ein Wärmeaustauschmedium bilden.
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Plattenwärmeübertrager werden zur Wärmeübertragung von einem meist flüssigen Medium auf ein anderes meist flüssiges Medium, die - vorzugsweise im Gegenstrom - in benachbarten, zwischen zwei Wärmeübertragungsplatten gebildeten Strömungskanälen fließen, genutzt. Ein Plattenwärmeübertrager der eingangs erwähnten Art ist beispielsweise aus der
DE 199 59 780 A1 bekannt. Die benachbarten, jeweils um 180° gedrehten Wärmeübertragungsplatten sind an den Kontaktflächen zwischen den hochgezogenen Rändern, an den Berührungspunkten zwischen den sich kreuzenden Wellenbergen an der Ober- und der Unterseite der benachbarten Wärmeübertragungsplatten und an den die Durchbrüche ringförmig umgebenden, hoch und niedrig, das heißt in Höhe eines Wellenbergs oder eines Wellentals liegenden Plattenebenen durch Löten miteinander verbunden. Dadurch ist zum einen eine sichere Abdichtung des zwischen zwei Platten gebildeten Strömungskanals und zum anderen eine gegenseitige Abstützung der aus dünnem Blech geformten Platten gewährleistet. Zur besseren gegenseitigen Abstützung der jeweils aneinander grenzenden Wärmeübertragerplatten im Bereich der in den Eckbereichen für die Einführung des Mediums in den Strömungskanal vorgesehenen offenen Durchbrüche ist gemäß dem in der
DE 199 59 780 A1 beschriebenen Plattenwärmeübertrager in die die Durchbrüche umgebenden ringförmigen, in Höhe der Wellenberge auf der einen bzw. der anderen Plattenseite liegenden Plattenebenen eine sich im Eckbereich der Wärmeübertragungsplatte erstreckende, an deren hochgezogenen Rand angrenzende Vertiefung eingeformt. Die im Bereich der offenen Durchbrüche für die Zu- und Abführung des Mediums befindlichen Vertiefungen der beiden Wärmeübertragungsplatten stoßen aneinander und werden miteinander verlötet, so dass eine hohe Stabilität der Wärmeübertragungsplatten auch in diesem Bereich gewährleistet ist. Auf der anderen Seite münden die beiden Enden der Vertiefungen jeweils in einem Wellental, so dass an der randnahen Seite der geschlossenen Durchbrüche ein mit den Wellentälern im Fließspalt verbundener Kanal frei bleibt. Dadurch wird ein Stau und eine Ansammlung ruhenden Mediums im Bereich der aneinander stoßenden, geschlossenen Durchbrüche vermieden.
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Um eine möglichst große Länge des Fließspaltes zwischen den benachbarten Platten für den Wärmeaustausch nutzen zu können, sind die Ein- und Austrittsöffnungen (offene Durchbrüche) für das Medium an einer Längsseite des Strömungskanals in den Ecken angeordnet. Das ist jedoch insofern nachteilig, als der auf der anderen Plattenlängsseite liegende Bereich aufgrund der längeren Strömungswege schlechter durchströmt wird und somit die Strömung des Mediums nicht gleichmäßig über den gesamten Strömungskanal verteilt ist, das heißt die Wärmeaustauschkapazität des Plattenwärmeübertragers nicht optimal genutzt wird.
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Weiterhin ist aus der
WO 2005/057118 A1 ein Plattenwärmeaustauscher bekannt, der aus mit einer Fischgrätmusterprofilierung versehenen Wärmeaustauschplatten ausgebildet ist. Der Plattenwärmeaustauscher weist einen die Einlassöffnung für das Hochtemperaturfluid von beiden Seiten mit dem Kühlfluid umfließenden, aus einem ersten Kanal und einem zweiten Kanal gebildeten Kühlkanal mit einer Eintrittsseite und einer Austrittsseite auf, um durch hohe Temperaturunterschiede bedingte Schäden an den metallischen und durch Löten verbundenen Wärmeübertragern zu verhindern und deren Lebensdauer zu erhöhen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Plattenwärmeübertrager der eingangs erwähnten Art so auszubilden, dass das Wärmeaustauschmedium gleichmäßig verteilt über die gesamte Breite und Länge des zwischen den Wärmeübertragerplatten vorhandenen Strömungskanals fließt und an möglichst allen Wärmeübertragungsflächen eine hohe Effizienz der Wärmeübertragung gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Plattenwärmeübertrager gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Merkmale und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Ausbildung von im Eckbereich des Wärmeübertragers um die geschlossenen Durchbrüche zwischen zwei Wärmeübertragungsplatten geschaffenen Verbindungskanälen, über die auf der Eintrittsseite ein Teil des Mediums abgezogen und mit geringem Druckverlust wieder in den Strömungskanal eingeführt und auf der Austrittsseite beschleunigt der Austrittsöffnung des Strömungskanals zugeführt wird. Dadurch gelingt es, im Wesentlichen über den gesamten zwischen zwei Wärmeübertragungsplatten gebildeten Strömungskanal einen gleichmäßig großen Volumenstrom mit entsprechend hoher Geschwindigkeit zu leiten, so dass eine hohe Wärmeübertragung und eine effiziente Nutzung der Wärmeübertragungsflächen gewährleistet ist. Die Verbindungskanäle zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit und zur Erzielung eines weitgehend vollflächigen Wärmeaustausches sind als Diffusor und/oder als Düse ausgebildet. Der zwischen einer Strömungsachse und einer Begrenzungswand des Diffusors vorhandene Öffnungswinkel beträgt maximal 4°. Die Düse ist vorzugsweise entsprechend der Form und Größe des Diffusors ausgebildet.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung fungiert der im Eintrittsbereich des Strömungskanals befindliche Verbindungskanal als Diffusor und der im Austrittsbereich des Strömungskanals befindliche Verbindungskanal als Düse.
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In Ausgestaltung der Erfindung ist der im Eintrittsbereich des Strömungskanals befindliche Verbindungskanal sowohl eintrittsseitig als auch austrittsseitig als Diffusor und der im Austrittsbereich des Strömungskanals befindliche Verbindungskanal sowohl eintrittsseitig als auch austrittsseitig als Düse ausgebildet.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bilden die beiden Verbindungskanäle jeweils eine Kombination aus einer Düse und einem in Strömungsrichtung an diese anschließenden Diffusor, so dass das Wärmeaustauschmedium zunächst beschleunigt und danach unter geringem Druckverlust von der Eintrittsöffnung in den Strömungskanal bzw. vom Ende des Strömungskanals zur Austrittsöffnung geleitet wird.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung sind die aneinander grenzenden Wärmeübertragungsplatten an den Berührungsstellen zwischen ihren Rändern, ihren wellenförmigen Profilierungen und ihren aneinanderstoßenden Plattenebenen sowie Einprägungen durch Löten miteinander verbunden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen waagerechten Schnitt einer ersten Ausführungsform eines Wärmeübertragers mit dem Strömungsverlauf des Mediums in einem mit einer aufliegenden identischen, jedoch um 180° gedrehten weiteren Wärmeübertragungsplatte gebildeten Strömungskanal; und
- 2 eine Darstellung gemäß 1, jedoch in einer zweiten Ausführungsform der Wärmeübertragerplatten.
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In den 1 und 2 ist jeweils die untere Wärmeübertragungsplatte 1 mit den fischgrätartig verlaufenden wellenförmigen Profilierungen 2 erkennbar und die mit dieser durch Löten verbundene obere - um 180° gedreht angeordnete - Wärmeübertragungsplatte durch deren wellenförmige Profilierungen 3 angedeutet.
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Die rechteckförmigen, durch einen hochgezogenen Rand 4 schüsselförmig ausgeführten Wärmeübertragungsplatten 1 weisen in den abgerundeten Eckbereichen 5 jeweils einen kreisförmigen Durchbruch 6 bis 9 auf. Die Durchbrüche 6 und 9 liegen in einer unteren Plattenebene 10, 11 und die Durchbrüche 7 und 8 befinden sich in einer - mit den Wellenbergen der wellenförmigen Profilierungen 2 fluchtenden - oberen Plattenebene 12, 13. In die unteren Plattenebenen 10, 11 sind von der Unterseite der Wärmeübertragungsplatten 1 ausgehende Einprägungen 14, 15 und in die oberen Plattenebenen 12, 13 sind von der Oberseite der Wärmeübertragungsplatte 1 ausgehende Einprägungen 16, 17 eingeformt. Gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform haben die Einprägungen an der Schmalseite der Wärmeübertragungsplatte 1 eine gleichbleibende Breite, die sich an der Längsseite bis zu den wellenförmigen Profilierungen 2 hin stetig erweitert. (Alternativ kann der hier in gleichbleibender Breite ausgeführte Kanalabschnitt eintrittseitig auch als Diffusor bzw. austrittsseitig auch als Düse ausgeführt sein.) Die auf der unteren Wärmeübertragungsplatte 1 aufliegende obere Wärmeübertragungsplatte ist - wie alle weiteren Platten - identisch ausgebildet, aber um 180° gedreht zur unteren Wärmeübertragungsplatte 1 angeordnet, so dass sich - auf der in der Zeichnung linken Seite - die Einprägungen 14 und 17 sowie 15 und 16 der beiden Wärmeübertragungsplatten aufeinander abstützen und miteinander verlötet sind, während - auf der in der Zeichnung rechten Seite - die übereinander liegenden Einprägungen 15 und 16 sowie 14 und 17 der beiden Wärmeübertragungsplatten einen an den Enden offenen - durch den Pfeil gekennzeichneten - Verbindungskanal 20 bilden. Der Verbindungskanal 20 ist an der Längsseite der aufeinander liegenden Wärmeübertragerplatten 1 in einem Winkel von 4° erweitert und umfasst somit einen als Diffusor 18 bzw. Düse 19 fungierenden erweiterten Kanalabschnitt und einen geraden Kanalabschnitt 21.
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Der in 2 dargestellte Wärmeübertrager unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen Wärmeübertrager lediglich durch die Ausbildung der Einprägungen 14 bis 17, die hier so geformt sind, dass der Verbindungskanal 20' in Fließrichtung, und zwar jeweils im Winkel von 4°, zunächst einen sich verengenden Abschnitt aufweist und anschließend erweitert ist. Das heißt, der Verbindungskanal 20' ist eingangsseitig als Düse 19 und ausgangsseitig als Diffusor 18 ausgebildet.
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Die Funktion der in dem zwischen zwei an den Berührungsstellen miteinander verlöteten Wärmeübertragungsplatten 1 ausgebildeten Strömungskanal angeordneten düsen- und/oder diffusorartigen Verbindungskanäle 20, 20' wird wie folgt beschrieben:
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Das Wärmeaustauschmedium tritt am Durchbruch 6 (Eintrittsöffnung 23) in den zwischen den miteinander verlöteten Wärmeübertragungsplatten 1 gebildeten Strömungskanal, der durch die Fließrichtung des Mediums gemäß den Pfeilen 22 angedeutet ist. Über den Durchbruch 9 (Austrittsöffnung 24) gelangt das Medium in einen weiteren Strömungskanal. Im Bereich der Durchbrüche 7 und 8 sind die beiden übereinander liegenden Wärmeübertragungsplatten 1 miteinander verlötet, das heißt, diese Durchbrüche sind geschlossen. Das Medium fließt - verteilt über die Breite des Strömungskanals gemäß den Pfeilen 22 zur gegenüberliegenden Seite und verlässt den Strömungskanal an der Austrittsöffnung 24 (Durchbruch 9). Ein Teil des in den Strömungskanal eintretenden Mediums gelangt über den zwischen den Durchbrüchen 6 und 7 liegenden Strömungskanalbereich 25 und über den als Diffusor 18 wirkenden Verbindungskanal 20 zurück in den Strömungskanal. Aufgrund der Ausbildung des Verbindungskanals als Diffusor ist der Druckverlust im Verbindungskanal 20 so gering, dass über den Verbindungskanal 20 ein großer Volumenstrom in den randnahen Bereich des Strömungskanals geleitet wird und das Medium somit über dessen gesamte Breite zur gegenüberliegenden Seite fließen kann. Aufgrund der für die Durchströmung des Verbindungskanals benötigten geringen Druckdifferenz steht eine größere Druckdifferenz für den Transport des Mediums im Strömungskanal zur Verfügung, so dass die Fließgeschwindigkeit erhöht und der Wärmeübergang verbessert wird. Auf der gegenüberliegenden Austrittsseite des Mediums ist der im Eckbereich 5 entlang des geschlossenen Durchbruchs 8 verlaufende Verbindungskanal 20 als Düse 19 mit anschließendem geradem Kanalabschnitt 21 ausgebildet, so dass der dort ankommende Volumenstrom beschleunigt wird und über den zwischen den Durchbrüchen 8 und 9 vorhandenen Strömungskanalbereich 26 - in entgegengesetzter Richtung zur Hauptfließrichtung - zur Austrittsöffnung 24 abfließen kann. Aufgrund der düsen- bzw. diffusorartigen Ausbildung der Verbindungskanäle 20 fließt das Medium vollflächig und mit hoher Geschwindigkeit durch den Strömungskanal, so dass die Wärmeübertragung auf das in einem angrenzenden Strömungskanal (nicht dargestellt) fließende Medium verbessert wird. Da der zwischen der Strömungsachse und der Begrenzungswand gemessene Öffnungswinkel des Diffusors 18 4° nicht überschreitet, treten keine Strömungsablösungen im Diffusor auf. Vorteilhafterweise entspricht die Form der Düse 19 der Form des Diffusors 18.
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Gemäß der anhand der 2 beschriebenen Ausführungsform sind beide Verbindungskanäle 20' eintrittsseitig als Düse 19 und austrittsseitig als Diffusor 18 ausgebildet. Das heißt, das Medium wird in beiden Verbindungskanälen 20' zunächst beschleunigt und danach mit geringem Druckverlust in den Randbereich des Strömungskanals bzw. in den zwischen den Durchbrüchen 8 und 9 liegenden Strömungskanalbereich 26 zur Austrittsöffnung geleitet, so dass auch in dieser Ausführungsvariante des Wärmeübertragers ein über den gesamten Strömungskanal gleichmäßig verteilter Volumenstrom und eine gleichmäßige Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden und somit ein hocheffizienter Wärmeaustausch zwischen den in aneinandergrenzenden Strömungskanälen fließenden Medien gewährleistet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmeübertragerplatte
- 2
- wellenf. Profilierung (untere Platte)
- 3
- wellenf. Profilierung (obere Platte)
- 4
- hochgezogener Rand
- 5
- abgerundeter Eckbereich
- 6 bis 9
- kreisförmige Durchbrüche
- 10, 11
- untere Plattenebene
- 12, 13
- obere Plattenebene
- 14, 15
- Einprägungen in 10, 11
- 16, 17
- Einprägungen in 12, 13
- 18
- Diffusor
- 19
- Düse
- 20, 20'
- Verbindungskanal
- 21
- gerader Kanalabschnitt von 20
- 22
- Pfeil, andeutend eine Fließrichtung im Strömungskanal
- 23
- Eintrittsöffnung
- 24
- Austrittsöffnung
- 25, 26
- Strömungskanalbereich zw. 6, 7 bzw. 8, 9
