DE102010030781A1

DE102010030781A1 - Wärmeübertragerplatte, damit versehener Plattenwärmeübertrager und Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmeübertragers

Info

Publication number: DE102010030781A1
Application number: DE102010030781A
Authority: DE
Inventors: Dr. Franz Marcus; Matthias Reitz
Original assignee: SGL Carbon SE
Current assignee: SGL Carbon SE
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-01-05
Also published as: WO2012000767A3; CA2803972A1; JP2013534608A; US20130327513A1; CN103026164A; CA2803972C; BR112012033628A2; WO2012000767A2; KR20130056279A; EP2588827A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte (1), deren Herstellung sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte (1) in einem Plattenwärmeübertrager (100). Ein vorgesehenes Plattensubstrat (10) wird zumindest auf seiner Oberseite (10o) mit einer eine Mehrzahl von Fließkanälen (20k) aufweisenden Fließkanalanordnung (20) ausgebildet, wobei ein Teil oder sämtliche der Fließkanäle (20k) vollständig oder abschnittsweise Kanalstäbe (20s) aufweisen, die Kanalwände (20w) bilden, welche eine Kanalrinne (20w) des jeweiligen Fließkanals (20k) begrenzen.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmeübertragerplatte, einen damit versehenen Plattenwärmeübertrager sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Plattenwärmeübertragers. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch einen Plattenwärmeübertrager mit keramischen Platten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei Wärmeübertragern oder Wärmetauschern zum Übertragen von Wärmemenge zwischen zwei Fluiden oder gasförmigen Medien, die nicht miteinander in Kontakt geraten und durchmischt werden dürfen, werden oft so genannte Plattenwärmeübertrager oder Plattenwärmetauscher verwendet, bei welchen der Bereich zum Übertragen der Wärme zwischen den beiden Medien gebildet wird von einer stapelförmigen Anordnung so genannter Wärmeübertragerplatten oder Wärmetauscherplatten, die nach Art eines Pakets aneinander oder übereinander liegen, wobei direkt benachbarte Wärmeübertragerplatten zwischen sich einen Strömungsraum bilden, direkt zueinander benachbarte Strömungsräume voneinander strömungsmäßig getrennt und jeweils einem der beiden Medien zugeordnet sind. Dabei werden also ungeradzahlig aufeinander folgende Strömungsräume im Stapel oder Paket von einem ersten Medium und geradzahlig aufeinander folgende Strömungsräume im Stapel oder Paket von einem zweiten Medium durchströmt, ohne dass es zu einer Durchmischung kommt. Der Wärmeübertrag erfolgt dabei über die jeweils die Strömungsräume begrenzenden und trennenden Wärmeübertragerplatten, die somit als Begrenzungswände der Strömungsräume dienen und gegeneinander durch Vorsehen entsprechender Dichtungen abgedichtet sind.
Bekannte Wärmeübertragerplatten werden z. B. metallisch ausgebildet, so dass ihre Anordnung aus einer Mehrzahl von Wärmeübertragerplatten geschweißt oder gelötet werden kann, so dass die Lotnaht oder Schweißnaht gleichzeitig auch als Dichtung fungiert.
Aufgrund der Herstellungskosten, ihres Gewichts und ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften sind metallische Wärmetauscherplatten manchmal nicht von Vorteil.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager, einen Plattenwärmeübertrager selbst sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte anzugeben, bei welchem mit besonders hoher Zuverlässigkeit und mechanischer Stabilität auf besonders wirkungsvolle Art und Weise eine Wärmeübertragung realisiert werden kann.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einer Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1, bei einem Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 17 und bei einem Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 18 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht also darin, anstelle eines üblicherweise vorgesehenen metallischen Materials ein keramisches Material und insbesondere ein SiC-Material oder ein Siliziumcarbidmaterial als Material für die Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager vorzusehen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einer derartigen Materialwahl die mechanische Stabilität der Wärmeübertragerplatte dadurch zu gewährleisten, dass ein Teil oder sämtliche der vorgesehenen Fließkanäle der Fließkanalanordnung teilweise oder vollständig Kanalstege aufweisen, die vollständig oder abschnittsweise Kanalrinnen begrenzende Kanalwände bilden. Diese Kanalstege stabilisieren die Fließkanäle der Fließkanalanordnung und damit das Plattensubstrat als Ganzes in mechanischer Art und Weise, insbesondere dann, wenn sie in Verwendung und beim Einbau in einem Plattenwärmeübertrager mit anderen Wärmeübertragerplatten zusammenwirken und ein Abstützen einer gegebenen Wärmeübertragerplatte an einer direkt benachbarten Wärmeübertragerplatte in im Wesentlichen flächiger Art und Weise ermöglichen, so dass durch die fließenden Medien aufgeprägte Drucke nicht zu Plattenbrüchen in dem zugrunde liegenden keramischen Material führen können.
Folgende Aspekte, die erfindungsgemäße realisierbar sind, seien herausgestellt:

– Das Plattensubstrat und somit die Wärmeübertragerplatte können beliebige, also auch gängige Formen und Maße aufweisen, so dass insbesondere eine Gesamthöhe und eine Gesamtbreite des Plattensubstrats und somit der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte nicht beschränkt sind.
– In Bezug auf vorzusehende Fließkanäle kann bei den erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten je nach Anwendungsgebiet eine minimale Kanaltiefe vorgegeben werden, z. B. auch im Bereich von etwa 0,2 mm bei so genannten Mikrowärmeübertragern oder Mikrowärmetauschern.
– Bei der Anwendung erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten bei einem Plattenwärmeübertrager kann eine Anordnung mit Dichtungen verwendet werden. Dies ist jedoch nicht zwingend, weil die gegenseitige Abdichtung auch allein durch direktes Aufeinanderliegen direkt benachbarter Wärmeübertragerplatten erfolgen kann, wobei sich die Wärmeübertragerplatten dabei gegenseitig abstützen, nämlich z. B. indem sich aufeinander folgend Plattenrückseiten und Plattenvorderseiten im Stapel berühren. Dabei können sich Stege auf Stegen abstützen, Rückseiten auf Stegen usw.
– Durch die geometrische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte und ihrer Fließkanäle sowie durch die Anordnung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten in einem Plattenwärmeübertrager ist eine Umlenkung des oder der Wärmeübertragungsmedien oder -fluide realisierbar, z. B. auch im Sinne eines Plattenwärmeübertragers mit mehrfachem Durchgang und/oder mit mehrfacher Umlenkung des oder der Wärmeübertragungsfluide.

Das Plattensubstrat kann mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial oder SSiC-Material ausgebildet sein. Diese Materialwahl hat den besonderen Vorteil der weiteren mechanischen Stabilisierung und gesteigerten chemischen Inertheit.
Es kann eine minimale Schichtstärke Dmin und/oder eine mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 4 mm liegen, insbesondere bei etwa 3 mm oder darunter, vorzugsweise bei etwa 2 mm. Aufgrund der ausgebildeten Kanalstege ist es möglich, die Schichtstärken der Wärmeübertragerplatten entsprechend zu reduzieren, ohne dass es zu einer mechanischen Destabilisierung kommt. Ohne die mechanische Stabilisierung durch Vorsehen der entsprechenden Stege der Fließkanäle wären weitaus höhere Schichtstärken zur Stabilisierung der Wärmeübertragerplatten nötig, sofern diese aus keramischen Materialien gefertigt würden. Dies hätte eine Gewichts- und Volumensteigerung zur Folge, so dass bei gleichem Wärmeübertrag größere Apparaturen nötig und höhere Kosten die Folge wären.
Die Schichtstärke Ds des Plattensubstrats kann im Bereich eines Kanalstegs größer sein als die minimale Schichtstärke Dmin des Plattensubstrats und/oder als die mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats, so dass etwa die Beziehung Ds ≥ Dmin bzw. etwa die Beziehung Ds ≥ Dm erfüllt ist.
Eine lokale Breite Bb des Bodens der Kanalrinne des Fließkanals und die lokale Breite Bsb einer Basis des Kanalstegs des Fließkanals auf der Höhe des Bodens der Kanalrinne des Fließkanals – jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals – kann ein Verhältnis Bb:Bsb von etwa 1:4 aufweisen, so dass etwa die Beziehung Bb:Bsb = 10:4 erfüllt ist.
Die lokale Breite Bb des Bodens der Kanalrinnen des Fließkanals und die lokale Breite Bsp eines Plateaus eines Kanalstegs eines Fließkanals auf der dem Boden der Kanalrinne des Fließkanals abgewandten Seite – jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals – kann ein Verhältnis Bb:Bsp im Bereich von etwa 10:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung 10:4 ≤ Bb:Bsp ≤ 10:2 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bb:Bsp = 10:3 erfüllt ist.
Die lokale Breite Bsb der Basis des Kanalstegs des Fließkanals auf der Höhe des Bodens der Kanalrinne des Fließkanals und die lokale Breite Bsp des Plateaus des Kanalstegs des Fließkanals auf der den Boden der Kanalrinne des Fließkanals abgewandten Seite – jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals – ein Verhältnis Bsb:Bsp im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 4:2, vorzugsweise von etwa 4:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung 4:2 ≤ Bsb:Bsp ≤ 1:1 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bsb:Bsp = 4:3 erfüllt ist.
Die Kanalwände eines Fließkanals mit der Normalen zum Boden der Kanalrinne des Fließkanals einen Winkel α einschließen, der im Bereich von mehr als 0° und weniger als 30°, vorzugsweise bei etwa 15° liegt, so dass etwa die Beziehung 0° < α ≤ 30° bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung α = 15° erfüllt ist.
Die lokale Breite Bb des Bodens der Kanalrinne des Fließkanals – gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals – und die Tiefe t der Kanalrinne des Fließkanals – gemessen senkrecht zum Boden der Kanalrinne des Fließkanals – ein Verhältnis Bb:t im Bereich von etwa 10:10 bis etwa 10:4, vorzugsweise etwa 10:4 aufweisen, so dass etwa die Beziehung 10:10 ≤ Bb:t ≤ 10:4 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bb:t = 10:4 erfüllt ist.
Die zuletzt beschriebenen Maßnahmen realisieren verschiedene geometrische Anordnungen bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte hinsichtlich der Kanalgeometrie in Bezug auf die Plattenstärke, wodurch besonders günstige mechanische Eigenschaften bei vergleichsweise geringem Volumen und/oder Gewicht erreicht werden.
Es können das Plattensubstrat von der Oberseite zur Unterseite durchdringende Zuführ- und Abführöffnungen zum Zuführen bzw. Abführen eines ersten Wärmeübertragungsfluids F1 zu bzw. von der Oberseite des Plattensubstrats vorgesehen sein, wobei die Fließkanalanordnung zum Transport des ersten Wärmeübertragungsfluids F1 von der Zuführöffnung zur Abführöffnung ausgebildet ist.
Fließkanäle der Fließkanalanordnung können vollständig oder abschnittsweise einen mehrfach undulierten Verlauf aufweisen.
Die Undulationsrichtung U kann in einer vom Plattensubstrat definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom jeweiligen Fließkanal lokal und/oder im Mittel definierten Fließrichtung verlaufen.
Die Form der Undulation eines jeweiligen Fließkanals kann eine Form aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen.
Auf der Rück- oder Unterseite des Plattensubstrats kann eine zweite Fließkanalanordnung für ein zweites Wärmeübertragungsfluid F2 mit einer Mehrzahl von entsprechenden Fließkanälen ausgebildet sein.
Das Plattensubstrat kann von der Oberseite zur Unterseite durchdringende zweite Zuführ- und Abführöffnungen zum Zuführen bzw. Abführen des zweiten Wärmeübertragungsfluids F2 zu bzw. von der Rück- oder Unterseite des Plattensubstrats vorgesehen sind und wobei die zweite Fließkanalanordnung zum Transport des zweiten Wärmeübertragungsfluids F2 von der zweiten Zuführöffnung zur zweiten Abführöffnung ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte kann in Bezug auf die Vorder- oder Oberseite und die Rück- oder Unterseite um 180° rotationssymmetrisch ausgebildet sein bezüglich einer im Plattensubstrat verlaufenden Symmetrieachse S.
Das Plattensubstrat kann im Wesentlichen eine Rechteckform besitzen.
Dabei können Zuführ- und/oder Abführöffnungen im Bereich an gegenüberliegenden ersten – vorzugsweise kürzeren – Seiten der Rechteckform ausgebildet sein, insbesondere in Bereichen der Ecken.
Die Fließrichtungen erster und/oder zweiter Wärmeübertragungsfluide F1, F2 und/oder Haupterstreckungsrichtungen von Fließkanälen können im Wesentlichen entlang von Erstreckungsrichtungen gegenüberliegender zweiter – vorzugsweise längerer – Seiten der Rechteckform ausgebildet sein.
Durch die zuvor beschriebenen Maßnahmen werden verschiedene Strömungsgeometrien beim Zusammenwirken, d. h. beim stapelartigen oder paketartigen Aneinanderreihen einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatte, realisierbar.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Plattenwärmeübertrager als solcher geschaffen, mit einer Mehrzahl von n erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten, wobei die Wärmeübertragerplatten derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Rück- oder Unterseite des Plattensubstrats einer jeweils vorangehenden Wärmetübertragerplatte j = 1, ..., n – 1 der Vorder- oder Oberseite des Plattensubstrats einer jeweils direkt nachfolgenden Wärmeübertragerplatte j + 1 mit j = 1, ..., n – 1 direkt gegenüberliegt und direkt oder insbesondere mit einer Dichtungsanordnung dazwischen an dieser anliegt, dass durch die Abfolge der Wärmeübertragerplatten j = 1, ..., n und/oder insbesondere durch die Ausbildung der Dichtungsanordnung voneinander direkt aufeinander folgender strömungsmäßig getrennte Durchströmungsräume R1, ..., Rn + 1 ausgebildet sind oder werden, dass direkt benachbarte Durchströmungsräume Rj, Rj + 1, j = 1, ..., n paarweise strömungsmäßig getrennt sind, und dass jeweils übernächst benachbarte Durchströmungsräume Rj, Rj + 2, j = 1, ..., n – 1 paarweise strömungsmäßig verbunden, jeweils einem Wärmeübertragungsfluid F1, F2 zugeordnet und zum Durchströmen von jeweils zugeordnetem Wärmeübertragungsfluid F1, F2 von der jeweiligen Zuführöffnung zur jeweiligen Abführöffnung hin ausgebildet sind.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte für einen Plattenwärmeübertrager, und zwar mit den Schritten Bereitstellen oder Ausbilden eines Plattensubstrats mit oder aus einem keramischen, SiC-Material oder einem Siliziumcarbidmaterial mit einer Vorder- oder Oberseite und einer Rück- oder Unterseite, Ausbilden einer Fließkanalanordnung mit einer Mehrzahl von Fließkanälen auf der Vorder- oder Oberseite des Plattensubstrats, wobei ein Teil oder sämtliche der Fließkanäle der Fließkanalanordnung vollständig oder abschnittsweise mit Kanalrinnen begrenzende Kanalwände bildenden Kanalstegen ausgebildet werden.
Das Plattensubstrat kann mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial oder SSiC-Material ausgebildet werden.
Fließkanäle der Fließkanalanordnung können vollständig oder abschnittsweise mit einem mehrfach undulierten Verlauf ausgebildet werden.
Die Undulationsrichtung U kann in einer vom Plattensubstrat definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom Fließkanal lokal oder im Mittel definierten Fließrichtung verlaufend ausgebildet werden.
Die Form der Undulation kann eine Form sein aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen.
Diese und weitere Aspekte werden auf der Grundlage der beigefügten Zeichnungen erläutert.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1A in schematischer Draufsicht die Vorderseite einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte.
1B zeigt in schematischer Draufsicht die Rückseite der in 1 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte.
2A, 2B zeigen analog zu den 1 und 2 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte, bei welcher die Hauptfließkanäle eine andere Geometrie besitzen.
3, 4 zeigen schematische Draufsichten auf die Vorderseite zweier Ausführungsformen erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten, die ähnlich zu den aus den 1A und 2A aufgebaut sind, wobei jedoch die Kanalstege der Zuführkanäle eine dazu unterschiedliche Geometrie aufweisen.
5, 6 zeigen Querschnittsansichten erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten zur Veranschaulichung der Querschnitte der Kanalgeometrien.
7 ist eine Explosionsdarstellung eines Stapels erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten, wie sie in einem Plattenwärmeübertrager vorgesehen sein können.
8A–8D zeigen schematische Seitenansichten des in 7 dargestellten Stapels oder Pakets erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten, wobei die Strömungsverhältnisse zweier vorgesehener Strömungsmedien veranschaulicht sind.
9 zeigt eine schematische Seitenansicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers, welcher einen Stapel oder ein Paket erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten aufweist.
10A, 10B zeigen in Draufsicht und in einer Querschnittsansicht in schematischer Art und Weise eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte.
DETAILBESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschreiben. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung und auch ihre technischen Merkmale und Eigenschaften können einzeln isoliert oder wahlfrei zusammengestellt miteinander beliebig und ohne Einschränkung kombiniert werden.
Strukturell und/oder funktionell gleiche, ähnliche oder gleich wirkende Merkmale oder Elemente werden nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall wird eine detaillierte Beschreibung dieser Merkmale oder Elemente wiederholt.
Zunächst wird auf die Zeichnungen im Allgemeinen Bezug genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch einen Plattenwärmeübertrager 100 oder Plattenwärmetauscher 100 mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1.
Dabei sind insbesondere monolithisch aufgebaute, keramische Werkstoffe zur Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten 1 vorgesehen.
Monolithische, keramische Werkstoffe sind stark empfindlich gegenüber Biegebelastungen. Daher verbietet sich bisher ihr Einsatz zur Ausgestaltung von Wärmeübertragerplatten 1 bei Plattenwärmeübertragern 100 weitestgehend, da unterschiedliche Konstruktionskonzepte von Strömungskammern bei keramischen Wärmeübertragerplatten und insbesondere bei SSiC-Wärmeübertragerplatten 1 keine Abstützung über großflächige Bereiche der Wärmeübertragerplatten 1 aufweisen. Dies führt bisher aufgrund von Biegebelastungen, die durch die Innendruckbelastungen beim Beaufschlagen der jeweiligen Strömungskammern mit Flüssigkeitsdruck entstehen, zu Plattenbrüchen.
Dem wird erfindungsgemäß dadurch begegnet, dass die Fließkanäle 20k mit so genannten Kanalstegen 20s ausgebildet werden, die Kanalwände 20w bilden, die ihrerseits die Kanalrinnen 20r der Fließkanäle 20k der Fließkanalanordnung 20 vollständig oder abschnittsweise begrenzen.
Es sind gerade die Kanalstege 20s, welche die Struktur der Wärmeübertragerplatte 1 aus einem keramischen Material und insbesondere aus einem SiC- oder einem SSiC-Material inhärent stabilisieren und insbesondere auch dadurch, dass sie einem Abstützen einer Anordnung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 in einem Plattenwärmeübertrager 100 gegeneinander dienen.
Nun wird im Detail auf die Zeichnungen Bezug genommen.
1 zeigt in schematischer Draufsicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 oder Wärmetauscherplatte 1.
Diese besteht im Wesentlichen aus einem Plattensubstrat 10, welches auch einfach als Substrat 10 für die Wärmeübertragerplatte 1 bezeichnet wird und mit oder aus mindestens einem keramischen Material 10', vorzugsweise einem SiC-Material oder Siliziumcarbidmaterial 10' und weiter vorzugsweise mit oder aus mindestens einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial 10' oder SSiC-Material 10' ausgebildet ist.
Das Substrat 10 für die Wärmeübertragerplatte 1 besitzt eine Plattenstruktur mit einer Vorderseite oder Oberseite 10o und einer Rückseite oder Unterseite 10u; diese können jedoch insbesondere gleichberechtigt sein, gerade im Hinblick auf eine jeweilige Anwendung, und sie können auch in ähnlicher Weise oder gar identisch strukturiert sein.
Nachfolgend wird zunächst die so genannte Vorderseite oder Oberseite 10o des Substrats der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 beschrieben.
Vorgesehen sind zunächst eine Zuführöffnung 2 für ein erstes Fluid F1, eine Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1, eine Zuführöffnung 2' für ein zweites Fluid F2 sowie eine Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2. Sämtliche Öffnungen 2, 2', 3, 3' sind an den Rand- oder Eckbereichen des Plattensubstrats 10 ausgebildet.
Die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 ist in der Ansicht der 1A in der oberen, linken Ecke ausgebildet. Die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 ist in der linken unteren Ecke ausgebildet. Es kann jedoch auch die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 der Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 diagonal gegenüberliegend ausgebildet sein, also in der in 1A gegebenen Ansicht in der unteren, rechten Ecke.
Bei der Ausführungsform der 1A ist die Zufuhröffnung 2' für das zweite Fluid F2 im Bereich der oberen, rechten Ecke ausgebildet, wogegen die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 im Bereich der unteren, rechte Ecke ausgebildet ist. Jedoch kann die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid auch der Zuführöffnung 2' für das zweite Fluid diagonal gegenüberliegend ausgebildet sein, also in der in 1A dargestellten Ansicht im Bereich der unteren, linken Ecke.
Die jeweiligen Zuführöffnungen und Abführöffnungen für ein jeweiliges Fluid liegen sich in Bezug auf die Längsausrichtung des Plattensubstrats 10 jeweils gegenüber. Bei der in 1A dargestellten Anordnung sind sie darüber hinaus jeweils beide auf der linken Seite oder auf der rechten Seite des Plattensubstrats 10 in Bezug auf die kurze Kante k angeordnet. Außerdem liegen sich die beiden Zuführöffnungen 2, 2' einerseits und die beiden Abführöffnungen 3, 3' andererseits in Bezug auf die Längskante l oder lange Kante l des Plattensubstrats 10 gegenüber, so dass insbesondere bei Kombination einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 10 in einem Plattenwärmetauscher 100 ein Gegenstromverfahren realisiert wird; dies wird weiter unten noch weiter verdeutlicht.
Die Zuführöffnung 2 und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid werden auf der Oberseite 10a des Plattensubstrats 10 von einer Hauptdichtung 6 für die Vorderseite 10o und für das erste Fluid F1 umgeben oder umrahmt, so dass außerhalb der Hauptdichtung 6 für die Oberseite 10o die Zufuhröffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 liegen.
Innerhalb der Hauptdichtung 6 für die Vorderseite 10o ist neben der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 eine Anordnung 20 für Fließkanäle 20k vorgesehen, die auch als Kanalanordnung 20 oder Fließkanalanordnung 20 bezeichnet wird. Die bei dieser Kanalanordnung 20 vorgesehene Mehrzahl von Fließkanälen 20k erstreckt sich an der Oberfläche oder Oberseite 10o des Substrats 10, indem nämlich die einzelnen Kanäle 20k in einer Mehrzahl eine Art Relief auf der Oberseite 10o des Plattensubstrats 10 innerhalb der Hauptdichtung 6 für die Oberseite 10o bilden. Die Kanäle 20k erstrecken sich im Wesentlichen zwischen der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1.
Die gesamte Kanalanordnung 20 ist unterteilt in eine Hauptkanalanordnung 21 oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21, die sich in der Mitte zwischen der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid und ein wenig von diesen beabstandet befindet und von Hauptkanälen 21k oder Hauptwärmeübertragungskanälen 21k gebildet wird. Direkt benachbart zur Zuführöffnung 2 und zur Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und mit der Hauptkanalanordnung 21 direkt verbunden und/oder an diese angrenzend sind eine Zuführ- oder Verteilungskanalanordnung 22 mit Verteilungskanälen 22k oder Verteilungskanälen 22k bzw. eine Bündelungs-, Zusammenführ- oder Abführkanalanordnung 23 mit einer Mehrzahl von Bündelungs-, Zusammenführ-, oder Abführkanälen 23k.
Im Betrieb wird über die Zuführöffnung 2 das erste Fluid F1 zugeführt und praktisch auf die Oberseite 10o des Plattensubstrats 10 eingeleitet und dort verteilt. Die Verteilung wird durch die Verteilungskanäle 22k der sich an die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 anschließenden Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22 übernommen.
Die Verteilungskanäle 22k der Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22 führen das erste Fluid F1 in die Hauptkanäle 21k oder Hauptwärmeübertragungskanäle 21k der Hauptkanalanordnung 21 oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21 über. Die Hauptkanäle 21k und die Hauptkanalanordnung 21 sind vergleichsweise länger ausgebildet als die Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22, so dass sich dort eine längere Verweildauer des in den Kanälen 20k strömenden ersten Fluids F1 ergibt und sich mithin ein stärkerer Wärmeübertrag an das Plattensubstrat 10 einstellt.
Die Hauptkanäle 21k führen dann über in die so genannten Bündelungskanäle 23k, die auch als Abführkanäle 23k oder Zusammenführkanäle 23k bezeichnet werden können und die das erste Fluid F1 aus den Hauptkanälen 21k aufnehmen und der Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 zuführen, durch welche dann das erste Fluid F1 nach Durchströmen der Kanäle 20k der gesamten Kanalanordnung 20, ausgehend von der Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1, die Kanalanordnung 20 und mithin die Oberseite 10o des Substrats 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 wieder verlässt.
Aufgrund der Hauptdichtung 6 für das erste Fluid F1 und für die Oberseite 10o erreicht das erste Fluid F1 beim Durchströmen von der Zuführöffnung 2 zur Abführöffnung 3 den Außenbereich außerhalb der Hauptdichtung 6 und mithin die Bereiche der Zuführöffnung 2' und der Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 nicht. Darüber hinaus weisen die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid erste und zweie Nebendichtungen 4-1 bzw. 4-2 auf, welche die Zuführöffnung 2' bzw. die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 für sich noch einmal abdichten, indem sie die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 in deren Randbereich von außen umgeben. Insgesamt sind somit die Zuführöffnung 2 und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 strömungsmäßig von einander getrennt oder isoliert ausgebildet, so dass sich das erste und das zweite Fluid F1 bzw. F2 auf der Oberseite 10o des Plattensubstrats 10 nicht mischen.
Die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 und die Zuführ- und Verteilungskanalanordnung 22 mit den Verteilungskanälen 22k oder Zuführkanälen 22k bilden zusammen den Zuführ- oder Verteilungsbereich 7 für die Vorderseite 10o des Substrats 10 oder für das erste Fluid F1.
Die Hauptkanalanordnung 21 oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21 mit ihren Hauptkanälen 21k oder Hauptwärmeübertragungskanälen 21k bildet den Hauptwärmeübertragungsbereich oder Hauptwärmetauschbereich 9 auf der Oberseite 10o des Plattensubstrats 10 oder des ersten Fluids F1 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1.
Entsprechend bilden die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und die Bündelungs- und Abführkanalanordnung mit ihren Bündelungskanälen 23k, Zusammenführkanälen 23k oder Abführkanälen 23k den so genanten Bündelungs- und Abführbereich 8 für die Vorderseite 10o des Plattensubstrats 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 oder das erste Fluid.
Die in Draufsicht gezeigte Anordnung gemäß 1A ist bezüglich der eingezeichneten Symmetrieachse x strikt achsensymmetrisch. Hinsichtlich der ebenfalls eingezeichneten Symmetrieachse y sind zumindest die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 einerseits und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 und die Zuführöffnung 2' für das zweite Fluid F2 strikt achsensymmetrisch angeordnet. Die äußere Gestalt des Substrats 10 ist bezüglich beider Achsen x und y strikt achsensymmetrisch angeordnet und besitzt im Wesentlichen die Form eines in die Länge gezogenen Rechtecks mit abgerundeten Ecken und einem Seitenverhältnis für die lange Kante l und die kurze Kante k im Bereich von etwa 2:1.
Bei der in 1A dargestellten Anordnung gehen die Zuführkanäle 22k oder Verteilungskanäle 22k direkt in einer 1-zu-1-Anordnung oder -Zuordnung in die Hauptkanäle 21k und diese wiederum in einer 1-zu-1-Anordnung in die Bündelungskanäle 23k oder Abführkanäle 23k über. In der Figur sind die Kanalhohlräume 20r oder Kanalrinnen 20r weiß oder hell dargestellt, wogegen die die Kanalwände 20w bildenden Kanalstege 20s schwarz oder dunkel dargestellt sind.
Die Kanäle 20k insgesamt werden bei der Anordnung der 1A also gebildet von einem jeweiligen Zuführkanal 22k, einem direkt zugeordneten Hauptkanal 21k und einem daran direkt zugeordneten Abführkanal 23k. Die Hauptkanäle 21k haben hier die Form eines Sägezahns oder einer Zickzacklinie mit dreiecksförmigem Grundmuster. Denkbar sind jedoch auch andere Ausführungsformen.
Maßgeblich ist bei der Anordnung aus 1A, dass die Kanalanordnung 20 insgesamt und die Kanäle 20k im Speziellen mit so genannten Kanalstegen 20s, welche die Kanalwände 20w der Kanalrinne 20r formen, ausgebildet sind. Diese Kanalstege 20s führen zu der besonderen mechanischen Stabilität, gerade in hydrodynamischer oder fluidodynamischer Hinsicht im Bereich der Zuführöffnungen 2 für das erste Fluid F1.
Einerseits wird die mechanische Stabilität des an sich flächenartig ausgebildeten Plattensubstrats 10 durch die Abfolge von Vertiefung oder Rille 20r und Steg 20s an sich stabilisiert. Darüber hinaus ergibt sich aber im Zusammenwirken einer Mehrzahl von Plattensubstraten 10 von in einem Stapel angeordneten erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten 1 in einer Plattenwärmeübertrager 100 ein Effekt des sich gegenseitigen Abstützens direkt benachbarter Substrate 10 auf den Bereichen der Kanalstege 20s. Aufgrund dieser doppelten mechanischen Stabilisierung oder Verstärkung ist es möglich, erfindungsgemäß das an sich unter Biegebelastungen wenig stark belastbare keramische Substratmaterial 10' der Plattensubstrate 10 zu verwenden, insbesondere in der Form so genannter Siliziumcarbidmaterialien oder SiC-Materialien und insbesondere in Form gesinterter Siliziumcarbidmaterialien oder SSIC-Materialien, ohne dass eine Steigerung der Plattenstärke oder Schichtstärke DS des Plattensubstarts 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 nötig wäre, da durch die Stegstruktur, d. h. die Abfolge von Vertiefungen der durch die Rillen 20r der Kanäle 20k und der Stege 20s der Kanäle 20k und des gegenseitigen Abstützens durch Aufliegen der Stege 20s der Kanäle 20k direkt im Plattenstapel benachbarter Wärmeübertragerplatten 1 eine höhere Versteifung und Stabilisierung gegeneinander erreicht werden, so dass auch beim Einleiten des ersten Fluids F1 durch die Zuführöffnung 2 für das erste Fluid F1 und die damit einhergehenden hohen Drucke die Biegebeanspruchung des Plattensubstrats 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 das mögliche Höchstmaß nicht überschreitet.
Die 1B zeigt aus Blickrichtung von der Oberseite 10o des Substrats 10 aus der Anordnung der 1A aus – quasi in Durchsicht – die Struktur der Rückseite 10u oder Unterseite 10u desselben Substrats 10. Sämtliche Strukturen sind daher gepunktet oder gestrichelt dargestellt.
Die Anordnung der hier vorgesehenen Hauptdichtung 6' für das zweite Fluid F2 für die Rückseite 10u sowie der ersten und zweiten Nebendichtungen 4-1' und 4-2' für die Zuführöffnung 2 bzw. für die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 in Bezug auf die Rückseite 10u ist zur Symmetrieachse x strikt achsen- oder spiegelsymmetrisch und erscheint im Vergleich zu der in 1A dargestellten entsprechenden Anordnung bezüglich der Hauptdichtung 6 für das erste Fluid F1 und die Nebendichtungen 4-1 und 4-2 für das zweite Fluid in Bezug auf die Vorderseite 10o zur Symmetrieachse y strikt achsen- oder spiegelsymmetrisch.
Hier umgibt die Hauptdichtung 6' die Zuführöffnung 2' und die Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2, trennt strömungsmäßig nach außen hin die Zuführöffnung 2 und die Abführöffnung 3 für das erste Fluid F1 mit den entsprechenden ersten und zweiten Nebendichtungen 4-1' und 4-2' und weist in ihrem Inneren die Kanalanordnung 20' oder Fließkanalanordnung 20' für das zweite Fluid F2 auf der Rückseite 10u des Plattensubstrats 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 auf.
Somit entspricht die in 1B dargestellte Anordnung für die Rückseite 10u oder Unterseite 10u des Plattensubstrats 10 im Wesentlichen der für die Vorderseite 10o des Plattensubstrats 10, welche in der 1A dargestellt ist.
Demgemäß werden ein Zuführbereich 7' oder Verteilungsbereich 7', ein Bündelungsbereich 8' oder Abführbereich 8' und dazwischen ein Hauptwärmeübertragungsbereich 9' oder Hauptwärmetauschbereich 9' für die Rückseite 10u oder das zweite Fluid F2 ausgebildet, und zwar durch Zusammenwirken der Zuführöffnung 2' für das zweite Fluid F2 und der Zuführkanalanordnung 22' oder Verteilungskanalanordnung 22' mit den Zuführkanälen 22k' oder Verteilungskanälen 22k' für das zweite Fluid F2, durch die Hauptkanalanordnung 21' oder Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21' mit den Hauptkanälen 21k' oder Hauptwärmeübertragungskanälen 21k' für das zweite Fluid F2 bzw. durch Zusammenwirken der Abführöffnung 3' für das zweite Fluid F2 mit der Bündelungskanalanordnung 23', Zusammenführkanalanordnung 22' oder Abführkanalanordnung 23' mit dem Bündelungs-, Zusammenführ- oder Abführkanälen 23k' für das zweite Fluid F2 auf der Rückseite 10u des Plattensubstrats 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1.
Ansonsten gilt das für die Vorderseite 10o gemäß 1A Gesagte in entsprechender Weise.
Die in den 2A und 2B dargestellten Anordnungen entsprechen denjenigen aus den 1A und 1B, außer dass in den 1A und 1B die Hauptkanäle 21k für das erste Fluid F1 und 21k' für das zweite Fluid F2 und die entsprechenden Stege 20s, 20s' eine Sägezahnform oder eine Zickzackform aufweisen, wogegen bei der Ausführungsform gemäß den 2A und 2B eine Wellenform vorliegt, insbesondere nach Art eines sinusförmigen Verlaufs.
Grundsätzlich sind sämtliche Kanalformen denkbar, d. h. z. B. mit beliebiger lateraler, d. h. in der Ebene der Oberseite 10o oder der Unterseite 10u des Substrats 10 verlaufender Undulation mit Undulationsrichtung U in der XY-Ebene der Vorderseite 10o und/oder der Rückseite 10u des Plattensubstrats 10 der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1.
Die Undulation selbst führt jeweils zu einer längeren Verweildauer des im Kanal 20k, 20k' fließenden oder strömenden Fluids F1, F2 und somit zu einem innigeren Wärmeaustausch mit dem Material 10' des Substrats 10.
Die 3 und 4 zeigen Draufsichten auf Oberseiten 10o von Substraten 10 zweier anderer Ausführungsformen für die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1. Dabei entsprechen die Hauptkanäle 21k, 21k' der Kanäle 20k, 20k' von ihrer Struktur her im Wesentlichen den Kanälen der Anordnungen der 1A, B einerseits und 2A, B andererseits, d. h. sie besitzen eine Sägezahn- bzw. eine Wellenform.
Im Gegensatz zu den Anordnungen der 1A bis 2B weisen die Anordnungen der 3 und 4 Zuführkanäle 22k, 22k' und Abführkanäle 23k, 23k' auf, die nicht mehr in 1-zu-1-Korrespondenz mit den Hauptkanälen 21k, 21k' stehen. Vielmehr sind hier die Kanalstege 20s, 20s' – insbesondere 22s, 22s', 23s, 23s' – stark verbreitert ausgebildet, so dass insgesamt die Anzahl der Zuführkanäle 22k, 22k' und der Abführkanäle 23k, 23k' geringer ist als die Anzahl der Hauptkanäle 21k, 21k'. Aufgrund der Verbreiterung der Stege 20s, 20s' 22s, 22s', 23s, 23s' ist jedoch hier die mechanische Stabilität im Bereich der Zuführöffnung 2 und der Abführöffnung 3 für das erste Medium – und entsprechend für die Zuführöffnung 2' und 3' für das zweite Medium auf der Rückseite 10u – weiter gesteigert.
Die 5 und 6 zeigen geschnittene Teilansichten durch ein Substrat 10 zweier Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1, und zwar – wenn man die Anordnungen der 1A bis 4 zugrunde legt – in der Richtung Y betrachtet.
Aus den in 5 und 6 gezeigten Anordnung erkennt man die verschiedenen Ausgestaltungsmöglichkeiten des Querschnitts der Kanäle 20k, 20k', insbesondere der Hauptwärmeübertragungskanalanordnung 21, 21', also der Hauptkanäle 21k, 21k'.
Bei der in 5 dargestellten Anordnung besitzen die jeweilige Kanalrinne 20r, 20r' und der jeweilige Kanalsteg 20s, 20s' des jeweiligen Kanals 20k, 20k' in etwa eine rechteckige oder quadratische Form und sind zueinander im Wesentlichen gleich ausgestaltet. Der jeweilige Kanalboden 20b, 20b' bildet dabei z. B. das Niveau der minimalen Schichtstärke Dmin des zugrunde liegenden Substrats 10. Darauf aufgesetzt sind die Stege oder Kanalstege 20s, 20s' mit einer Höhe, welche die Tiefe t der Kanalrinne 20r, 20r' bildet, welche der Breite Bb des Bodens 20b, 20b' der Kanalrinne 20r des Fließkanals 20k, 20k' aber auch der Breite Bsb des Kanalstegs 20s, 20s' auf der Höhe des Bodens 20b, 20b' und auch der lokalen Breite Bsp des Plateaus 20sp, 20sp des Stegs 20s, 20s' entspricht.
Aufgrund der Geometrie der Kanäle 20l, 20k' sind die Kanalwände 20w, 20w' senkrecht ausgebildet. Die Basis des jeweiligen Kanalstegs 20s, 20s' und das Plateau 20sp, 20sp' des Kanalstegs 20s, 20s' sind in ihrer Breite gleich gewählt, es gilt Bsp = Bsb.
Bei der Ausführungsform gemäß 6 sind dagegen die Basis des Kanalstegs 20s, 20s' und die Plateaus 20sp, 20sp' der Kanalstege 20s, 20s' derart gewählt, dass sich die Kanalstege 20s, 20s' zur vom Kanalboden 20b, 20b' hin abgewandten Seite ein verjüngender Verlauf ergibt, wobei der Neigungswinkel α der jeweiligen Kanalwand 20w, 20w' von 0° verschieden ist, es gilt mithin: Bsb > Bsp.
Die 7 zeigt in schematischer und perspektivischer Explosionsdarstellung eine Anordnung 100' für einen Plattenwärmeübertrager 100 mit einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ..., n, die einander deckend oder kongruent nach Art eines Stapels 110 angeordnet werden und alternierend Strömungsräume R1, R3, R5, ... für das erste Fluid F1 bzw. R2, R4, R6, ... und das zweite Fluid F2 bilden. Angedeutet ist auch die Zuordnung der Zwischenräume oder Strömungsräume R1, R2, R3, ... direkt benachbarter erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ..., n zu den entsprechenden ersten und zweiten Fluiden F1, F2. Die Pfeile deuten die Strömungsverhältnisse bezüglich Hin- und Rückfluss, also von Ein- und Ausstrom an. Die jeweiligen Dichtungen 6, 4-1, 4-2 und die verschiedenen Kanalanordnungen 20, 20' sind in dieser Darstellung nicht angegeben.
Die 8A bis 8D zeigen in geschnittenen Seiten- und Draufsichten in schematischer Art und Weise die in der Anordnung 100' der 7 vorliegenden Strömungsverhältnisse bezüglich der ersten und zweiten Fluide F1 und F2. Hierbei sind ausschließlich die ersten und zweiten Nebendichtungen 4-1, 4-2, 4-1', 4-2' für die ersten und zweiten Fluide F1, F2 dargestellt.
Aus den Angaben zu den 7 bis 8D ergibt sich, dass die Aneinanderreihung und Zusammenschaltung einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ..., n eine Abfolge alternierender Strömungsräume für die ersten und zweiten Fluide F1 und F2 liefert, wobei aufeinander folgende ungeradzahlige Zwischenräume R1, R3, R5, ... zwischen direkt aufeinander folgenden Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ..., n Strömungsräume R1, R3, R5, ... für das erste Fluid F1 und geradzahlige Zwischenräume R2, R4, R6, ... aufeinander folgender Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, n Strömungsräume R2, R4, R4, ... für das zweite Fluid F2 bilden.
Die Darstellungen der 8A bis 8D sind hier nicht maßstabsgetreu, da die Hauptdichtungen 6, 6' und die Nebendichtungen 4-1, 4-2, 4-1', 4-2' in ihrer Stärke zu stark ausgelegt sind; dies dient jedoch der Verdeutlichung der geometrischen und Strömungsverhältnisse.
9 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine realistischere Darstellung der Anordnung 100' eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers 100 mit einer Mehrzahl zu einem Stapel 110 zusammengefasster erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ... n.
Dabei ist der Stapel 110 der Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ..., n zwischen zwei Spannplatten 120 oder Spanneinrichtungen 120 über eine entsprechende Verschraubung 130 eingespannt, so dass sich insgesamt im Zusammenwirken der einzelnen erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten 1 oder 1j, j = 1, ..., n die in den vorangehenden Figuren beschriebenen Verhältnisse einstellen.
Die 10A und 10B beschreiben eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatte 1 mit oder aus einem keramischen Substrat 10.
Hier besitzt die erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte 1 ebenfalls eine im Wesentlichen rechteckförmige Ausgestaltung, jedoch mit einem Kantenverhältnis der langen und der kurzen kanten l bzw. k von etwa 4:1. Ansonsten liegen die im Zusammenhang mit den 2A, 2B und 4 sowie 6 beschriebenen Verhältnisse vor. Das bedeutet, dass die eigentlichen Hauptwärmeübertragungskanäle 21k, 21k' in etwa wellenförmig ausgebildet sind, dass keine 1-zu-1-Korrespondenz oder -Zuordnung zwischen den Zuführ- und Abführkanälen 22k, 22k', 23k, 23k' einerseits und den Hauptwärmeübertragungskanälen 21k, 21k' vorliegt und dass die Stege 20s, 20s' – insbesondere also 22s, 22s', 23s, 23s' – der zugrunde liegenden Strömungskanäle 20k, 20k' im Querschnitt eine Trapezgestalt besitzen, mit vom jeweiligen Kanalboden 20b, 20b' abgewandt verjüngendem Verlauf.
Bezugszeichenliste

1: erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte, Wärmetauscherplatte
1j: erfindungsgemäße Wärmeübertragerplatte, Wärmetauscherplatte bei einer Anordnung einer Mehrzahl von j = 1, ..., n erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten, Wärmetauscherplatten
2: Zuführöffnung (erstes Fluid F1)
2': Zuführöffnung (zweites Fluid F2)
3: Abführöffnung (erstes Fluid F1)
3': Abführöffnung (zweites Fluid F2)
4-1: erste Nebendichtung (Vorderseite 10o/für Zuführöffnung zweites Fluid F2)
4-1': erste Nebendichtung (Rückseite 10u/für Zuführöffnung erstes Fluid F1)
4-2: zweite Nebendichtung (Vorderseite 10o/für Abführöffnung zweites Fluid F2)
4-2': zweite Nebendichtung (Rückseite 10u/für Abführöffnung erstes Fluid F1)
6: Hauptdichtung (Vorderseite 10o/erstes Fluid F1)
6': Hauptdichtung (Rückseite 10u/zweites Fluid F2)
7: Zuführbereich/Verteilungsbereich (Vorderseite 10o/erstes Fluid F1)
7': Zuführbereich/Verteilungsbereich (Rückseite 10u/zweites Fluid F2)
8: Bündelungsbereich/Abführbereich (Vorderseite 10o/erstes Fluid F1)
8': Bündelungsbereich/Abführbereich (Rückseite 10u/zweites Fluid F2)
9: Hauptwärmeübertragungsbereich/Hauptwärmetauschbereich (Vorderseite 10o/erstes Fluid F1)
9': Hauptwärmeübertragungsbereich/Hauptwärmetauschbereich (Rückseite 10u/zweites Fluid F2)
10: Substrat der Wärmeübertragerplatte 10, Plattensubstrat
10': Material des Plattensubstrats, keramisches Material, SiC- oder SSiC-Material
10o: Oberseite/Vorderseite des Substrats 10
10u: Unterseite/Rückseite des Substrats 10
20: Kanalanordnung/Fließkanalanordnung (Vorderseite 10o/erstes Fluid F1)
20': Kanalanordnung/Fließkanalanordnung (Rückseite 10u/zweites Fluid F2)
20b, 20b': Kanalboden
20k, 20k': Fließkanal, Kanal, Wärmeübertragungskanal
20p, 20p': Kanalplateau
20r, 20r': Kanalrinne
20s, 20s': Kanalsteg
20w, 20w': Kanalwand
21, 21': Hauptwärmeübertragungskanalanordnung, Hauptkanalanordnung
21b, 21b': Kanalboden
21k, 21k': Hauptwärmeübertragungskanal, Hauptkanal
21p, 21p': Kanalplateau
21r, 21r': Kanalrinne
21s, 21s': Kanalsteg
21w, 21w': Kanalwand
22, 22': Zuführkanalanordnung/Verteilungskanalanordnung
22b, 22b': Kanalboden
22k, 22k': Verteilungskanal
22p, 22p': Kanalplateau
22r, 22r': Kanalrinne
22s, 22s': Kanalsteg
22w, 22w': Kanalwand
23, 23': Bündelungsanordnung/Abführkanalanordnung
23b, 23b': Kanalboden
23k, 23k': Bündelungskanal, Zusammenführkanal, Abführkanal
23p, 23p': Kanalplateau
23r, 23r': Kanalrinne
23s, 23s': Kanalsteg
23w, 23w': Kanalwand
100: erfindungsgemäßer Plattenwärmeübertrager oder Plattenwärmetauscher
100': Anordnung für einen erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager 100 oder Plattenwärmetauscher 100
110: Stapel einer Mehrzahl erfindungsgemäßer Wärmeübertragerplatten 1 oder Wärmetauscherplatten 1
120: Spannplatte, Spanneinrichtung
130: Schraubeinrichtung, Verschraubung, Spannschraube
F1: erstes Fluid, erstes Wärmeübertragungsfluid
F2: zweites Fluid, zweites Wärmeübertragungsfluid
k: kurze Kante des Plattensubstrats 10
l: lange Kante des Plattensubstrats 10
t: Tiefe des Kanals 20k, 20k' oder der Kanalrinne 20r, 20r'
U: Undulationsrichtung

Claims

Wärmeübertragerplatte (1) für einen Plattenwärmeübertrager (100), – mit einem Plattensubstrat (10), welches mit oder aus einem SiC-Material (10') oder einem Siliziumcarbidmaterial (10') ausgebildet ist und welches eine Vorder- oder Oberseite (10o) und eine Rück- oder Unterseite (10u) aufweist, – wobei zumindest die Vorder- oder Oberseite (10o) des Plattensubstrats (10) mit einer Fließkanalanordnung (20) mit einer Mehrzahl von Fließkanälen (20k) ausgebildet ist und – wobei ein Teil oder sämtliche der Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise Kanalrinnen (20r) begrenzende Kanalwände (20w) bildende Kanalstege (20s) aufweisen.
Wärmeübertragerplatte (1) nach Anspruch 1, wobei das Plattensubstrat (10) mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial (10') oder SSiC-Material (10) ausgebildet ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine minimale Schichtstärke Dmin und/oder eine mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats (10) im Bereich von etwa 2 mm bis etwa 4 mm liegen, insbesondere bei etwa 3 mm oder darunter, vorzugsweise bei etwa 2 mm.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schichtstärke Ds des Plattensubstrats (10) im Bereich eines Kanalstegs (20s) größer ist als die minimale Schichtstärke Dmin des Plattensubstrats (10) und/oder als die mittlere Schichtstärke Dm des Plattensubstrats (10), so dass etwa die Beziehung Ds ≥ Dmin bzw. etwa die Beziehung Ds ≥ Dm erfüllt ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine lokale Breite Bb des Bodens (20b) der Kanalrinne (20w) des Fließkanals (20k) und die lokale Breite Bsb einer Basis des Kanalstegs (20s) des Fließkanals (20k) auf der Höhe des Bodens (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) – jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) – ein Verhältnis Bb:Bsb von etwa 1:4 aufweisen, so dass etwa die Beziehung Bb:Bsb = 10:4 erfüllt ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Breite Bb des Bodens (20b) der Kanalrinnen (20r) des Fließkanals (20k) und die lokale Breite Bsp eines Plateaus (20sp) eines Kanalstegs (20s) eines Fließkanals (20k) auf der dem Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) abgewandten Seite – jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) – ein Verhältnis Bb:Bsp im Bereich von etwa 10:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung 10:4 ≤ Bb:Bsp ≤ 10:2 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bb:Bsp = 10:3 erfüllt ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Breite Bsb der Basis (20sb) des Kanalstegs (20s) des Fließkanals (20k) auf der Höhe des Bodens (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) und die lokale Breite Bsp des Plateaus (20sp) des Kanalstegs (20s) des Fließkanals (20k) auf der den Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) abgewandten Seite – jeweils gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) – ein Verhältnis Bsb:Bsp im Bereich von etwa 1:1 bis etwa 4:2, vorzugsweise von etwa 4:3 aufweisen, so dass etwa die Beziehung 4:2 ≤ Bsb:Bsp ≤ 1:1 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bsb:Bsp = 4:3 erfüllt ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kanalwände (20w) eines Fließkanals (20k) mit der Normalen zum Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) einen Winkel α einschließen, der im Bereich von mehr als 0° und weniger als 30°, vorzugsweise bei etwa 15° liegt, so dass etwa die Beziehung 0° < α ≤ 30° bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung α = 15° erfüllt ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die lokale Breite Bb des Bodens (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) – gemessen senkrecht zur lokalen Verlaufsrichtung des Fließkanals (20k) – und die Tiefe t der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) – gemessen senkrecht zum Boden (20b) der Kanalrinne (20r) des Fließkanals (20k) – ein Verhältnis Bb:t im Bereich von etwa 10:10 bis etwa 10:4, vorzugsweise etwa 10:4 aufweisen, so dass etwa die Beziehung 10:10 ≤ Bb:t ≤ 10:4 bzw. vorzugsweise etwa die Beziehung Bb:t = 10:4 erfüllt ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – wobei das Plattensubstrat (10) von der Oberseite (10o) zur Unterseite (10u) durchdringende Zuführ- und Abführöffnungen (2, 3) zum Zuführen bzw. Abführen eines ersten Wärmeübertragungsfluids (F1) zu bzw. von der Oberseite (10o) des Plattensubstrats (10) vorgesehen sind, und – wobei die Fließkanalanordnung (20) zum Transport des ersten Wärmeübertragungsfluids (F1) von der Zuführöffnung (2) zur Abführöffnung (3) ausgebildet ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – wobei Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise einen mehrfach undulierten Verlauf aufweisen und – wobei die Undulationsrichtung (U) in einer vom Plattensubstrat (10) definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom jeweiligen Fließkanal (20k) lokal und/oder im Mittel definierten Fließrichtung verläuft.
Wärmeübertragerplatte (1) nach Anspruch 11, wobei die Form der Undulation eines jeweiligen Fließkanals (20k) eine Form aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf der Rück- oder Unterseite (1u) des Plattensubstrats (1) eine zweite Fließkanalanordnung (20') für ein zweites Wärmeübertragungsfluid (F2) mit einer Mehrzahl von entsprechenden Fließkanälen (20k') ausgebildet ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach Anspruch 13, – wobei das Plattensubstrat (10) von der Oberseite (10o) zur Unterseite (10u) durchdringende zweite Zuführ- und Abführöffnungen (2', 3') zum Zuführen bzw. Abführen des zweiten Wärmeübertragungsfluids (F2) zu bzw. von der Rück- oder Unterseite (10u) des Plattensubstrats (10) vorgesehen sind und – wobei die zweite Fließkanalanordnung (20') zum Transport des zweiten Wärmeübertragungsfluids (F2) von der zweiten Zuführöffnung (2') zur zweiten Abführöffnung (3') ausgebildet ist.
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, welche in Bezug auf die Vorder- oder Oberseite (10o) und die Rück- oder Unterseite (10u) um 180° rotationssymmetrisch ausgebildet ist bezüglich einer im Plattensubstrat (10) verlaufenden Symmetrieachse (S).
Wärmeübertragerplatte (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, – wobei das Plattensubstrat (10) im Wesentlichen eine Rechteckform besitzt, – wobei Zuführ- und/oder Abführöffnungen (2, 2', 3, 3') im Bereich an gegenüberliegenden ersten – vorzugsweise kürzeren – Seiten der Rechteckform ausgebildet sind und – wobei Fließrichtungen erster und/oder zweiter Wärmeübertragungsfluide (F1, F2) und/oder Haupterstreckungsrichtungen von Fließkanälen (20k, 20k') im Wesentlichen entlang von Erstreckungsrichtungen gegenüberliegender zweiter – vorzugsweise längerer – Seiten der Rechteckform ausgebildet sind.
Plattenwärmeübertrager (100), – mit einer Mehrzahl Wärmeübertragerplatten (1; 1j, j = 1, ..., n) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, – wobei die Wärmeübertragerplatten (1; 1j, j = 1, ..., n) derart ausgebildet und angeordnet sind: – dass die Rück- oder Unterseite (10u) des Plattensubstrats (1) einer jeweils vorangehenden Wärmetübertragerplatte (1; 1j, j = 1, ..., n – 1) der Vorder- oder Oberseite (10o) des Plattensubstrats (1) einer jeweils direkt nachfolgenden Wärmeübertragerplatte (1; 1j + 1, j = 1, ..., n – 1) direkt gegenüberliegt und direkt oder mit einer Dichtungsanordnung (6, 4-1, 4-2) dazwischen an dieser anliegt, – dass durch die Abfolge der Wärmeübertragerplatten (1, 1j, j = 1, ..., n) und/oder insbesondere durch die Ausbildung der Dichtungsanordnung (6, 4-1, 4-2) voneinander direkt aufeinander folgender strömungsmäßig getrennte Durchströmungsräume (R1, ..., Rn + 1) ausgebildet sind, – dass direkt benachbarte Durchströmungsräume (Rj, Rj + 1, j = 1, ..., n) paarweise strömungsmäßig getrennt sind, und – dass jeweils übernächst benachbarte Durchströmungsräume (Rj, Rj + 2, j = 1, ..., n – 1) paarweise strömungsmäßig verbunden, jeweils einem Wärmeübertragungsfluid (F1, F2) zugeordnet und zum Durchströmen von jeweils zugeordnetem Wärmeübertragungsfluid (F1, F2) von der jeweiligen Zuführöffnung (2, 2') zur jeweiligen Abführöffnung (3, 3') hin ausgebildet sind.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragerplatte (1) für einen Plattenwärmeübertrager (100), mit den Schritten: – Bereitstellen oder Ausbilden eines Plattensubstrats (10) mit oder aus einem SiC-Material (10') oder einem Siliziumcarbidmaterial (10') mit einer Vorder- oder Oberseite (10o) und einer Rück- oder Unterseite (10u), – Ausbilden einer Fließkanalanordnung (20) mit einer Mehrzahl von Fließkanälen (20k) auf der Vorder- oder Oberseite (10o) des Plattensubstrats (10), – wobei ein Teil oder sämtliche der Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise mit Kanalrinnen (20r) begrenzende Kanalwände (20w) bildenden Kanalstegen (20s) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Plattensubstrat (10) mit oder aus einem gesinterten Siliziumcarbidmaterial (10) oder SSiC-Material (10') ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 18 oder 19, – wobei Fließkanäle (20k) der Fließkanalanordnung (20) vollständig oder abschnittsweise mit einem mehrfach undulierten Verlauf ausgebildet werden, – wobei die Undulationsrichtung (U) in einer vom Plattensubstrat (10) definierten Fläche oder Ebene und/oder senkrecht zur vom Fließkanal (20k) lokal oder im Mittel definierten Fließrichtung verlaufend ausgebildet wird und – wobei insbesondere die Form der Undulation eine Form aus der Gruppe von Formen ist, die aufweist Sägezahnformen, alternierende Stufenformen, Wellenformen, Sinusformen und deren Kombinationen.