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Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, insbesondere als Zwischenkühler einer Gasturbine, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers.
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Aufgrund des niedrigeren Temperaturniveaus kann als Zwischenkühler einer Gasturbine ein sogenannter Plattenwärmetauscher verwendet werden, bei dem die wärmetauschenden Fluide, insbesondere Druckluft, benachbarte Strömungskanäle durchströmen, die durch Platten definiert sind.
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Üblicherweise werden die einzelnen Platten mit ihren tiefgezogenen Rändern miteinander verlötet oder -schweißt. Diese Lötstellen stellen jedoch insbesondere unter der thermischen Beanspruchung Schwachstellen dar, welche zu einer Beeinträchtigung oder einem Versagen des Wärmetauschers führen können.
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Daher ist es beispielsweise aus der
EP 0 759 139 B1 bekannt, zur Erzeugung von ersten und gegenüberliegenden zweiten Wänden von Strömungskanälen ein Endlosband wechselseitig zu falten und so entsprechende Lötstellen einzusparen. Kanten dieser Wände werden stirnseitig durch getrennte Deckel oder Dichtmittel verschlossen, um so über Eck geschlossene Strömungskanäle zu definieren.
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Die
DE 24 20 920 A1 schlägt für diesen stirnseitigen Verschluss alternativ ein Verschlussband oder einen um 180° gebogenen Falz vor.
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Aus der
DE-PS 1 111 221 ist alternativ ein Verfahren zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei denn das Endlosband vor dem Falten an beiden Längskanten gegensinnig abgeknickt wird. Die dabei entstehenden Schrägen stoßen nach dem Falten aufeinander und werden durch Löten verbunden.
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Nachteilig erfahren die Schrägen, insbesondere im Bereich der Falten, komplexe Verformungen, die herstellungs- und dichtungstechnisch schwierig zu beherrschen sind, Schwachstellen des fertigen Wärmetauschers bilden und insbesondere keine unterschiedlichen Strömungskanalhöhen gestatten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen insbesondere als Zwischenkühler einer Gasturbine verwendbaren Plattenwärmetauscher zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einen Plattenwärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Anspruch 11 stellt eine Gasturbine mit einem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher unter Schutz, vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Zur Herstellung eines Plattenwärmetauschers wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zunächst ein Band, vorzugsweise als Endlosblech, wechselseitig, insbesondere mander- bzw. ziehharmonikaförmig, gebogen bzw. gefaltet. Die dabei gegenüberzuliegend kommenden Seiten definieren erste und, vorzugsweise zu diesen wenigstens im Wesentlichen parallele, zweite Wänden von Strömungskanälen.
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Erfindungsgemäß werden Kanten dieser ersten und zweiten Strömungskanalwände, die über Eck mit den solcherart gebildeten Bögen bzw. Biegefalten liegen, wechselseitig, i. e. abwechselnd auf unterschiedlichen Seiten der Biegefalten, aufeinander zu zusammengedrückt, bevor sie miteinander verbunden werden, um so zusammen mit den Biegefalten und den ersten und zweiten Strömungskanalwände wechselseitig über Eck geschlossene Strömungskanäle zu definieren.
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Im Gegensatz zu dem Vorab-Falzen der Kanten, wie es die
DE 24 20 920 A1 vorschlägt, und dem aus der
DE-PS 1 111 221 bekannten Vorab-Abkanten, kann das an seinen Kanten unverformte Band besser gebogen bzw. gefaltet werden. Das anschließende Zusammendrücken und Verbinden der Kanten ist fertigungs-, insbesondere füge- und dichtungstechnisch gut beherrschbar.
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In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden die Kanten stoffschlüssig miteinander verbunden, insbesondere miteinander verlötet, verschweißt oder verklebt. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, die Kanten formschlüssig miteinander zu verbinden, insbesondere zu vercrimpten, verstemmen oder umzubördeln.
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Ein Plattenwärmetauscher gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung mit einer Mehrzahl übereinander angeordneter Strömungskanäle, die durch ein gebogenes bzw. gefaltetes Band definiert sind, wobei jeweils eine Kante einer ersten und zweiten Wand der Strömungskanäle miteinander verbunden und hierzu vorzugsweise gemäß dem ersten Aspekt zuvor zusammengedrückt worden sind, weist einen konvergenten Zuströmkanal für ein erstes und/oder zweites Fluid auf. Im Gegensatz zu der Zuströmung normal oder tangential zur durch Bögen bzw. Biegefalten definierten Einströmebene, wie sie aus der
DE 24 20 920 A1 und
DE-PS 1 111 221 bekamt ist, bzw. einem divergenten Zuströmkanal, wie er in der
EP 0 759 139 B1 gezeigt ist, kann so die Strömungsführung optimiert werden.
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Dabei wird unter einem konvergenten Zuströmkanal insbesondere ein sich stromabwärts verringender Querschnitt in einer Ebene parallel zu den Strömungskanälen im Plattenwärmetauscher, insbesondere in einer zu einer ersten bzw. zweiten Kanalwand parallelen Schnittebene verstanden.
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Um einen solchen zu erzeugen, sind in einer bevorzugten Ausführung Biegefalten des wechselseitig gefalteten Bandes und miteinander verbundene Kanten gegeneinander geneigt, so dass sich in der oben erläuterten Schnittebene kein rechteckförmiger, sondern ein parallelogrammförmiger Querschnitt ergibt, die Matrix des Plattenwärmetauschers also keine Quaderform aufweist, sondern die Form eines schiefen Parallelepipeds.
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Vorzugsweise sind beidseitig erste Gehäusewände, die gegen eine durch Biegefalten definierte Einströmebene des gefalteten Bandes geneigt sind, mit dem gefalteten Band verbunden, um die konvergenten Zuströmkanäle zu definieren. Zusammen mit zweiten Gehäusewänden, die vorzugsweise rechtwinklig zu den ersten Gehäusewänden orientiert und/oder gegenüber dem gefalteten Band beweglich und dichtend an Kanten des gefalteten Bandes angeordnet sind und jeweils eine Abströmöffnung definieren, kann so ein quaderförmiges Außengehäuse dargestellt werden, dass zusammen mit der darin aufgenommenen parallelepipedförmigen Matrix, die durch das gefalteten und an Kanten wechselseitig verbundene Band gebildet ist, die konvergenten Zuströmkanäle definiert.
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In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weisen benachbarte Strömungskanäle unterschiedliche Kanalhöhen auf, um den Plattenwärmetauscher strömungs- und/oder wärmetechnisch zu optimieren. Zu diesem Zweck kann zusätzlich oder alternativ in einzelnen oder allen Strömungskanälen eine Struktur ausgebildet sein, indem beispielsweise das Band vor oder nach dem Falten mit einem entsprechenden Profil versehen wird, etwa durch Eindrücken, Tiefziehen oder dergleichen. Zusätzlich oder alternativ kann zur Optimierung der Wärmeübertragung in einzelnen oder allen Strömungskanälen auch eine Struktur, etwa eine Gittereinlage oder dergleichen, angeordnet und vorzugsweise fest, beispielsweise formschlüssig, etwa durch Löten, mit dem Band verbunden sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
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1 eine Seitenansicht auf einen Plattenwärmetauscher gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
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2, 3 Schnitte längs der Linien II-II bzw. III-III in 1.
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1 zeigt einen Plattenwärmetauscher gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, der als Zwischenkühler einer Gasturbine (nicht dargestellt) verwendet wird.
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Zur Herstellung seiner Matrix wird zunächst, wie insbesondere aus 3 ersichtlich, ein Endlosblech 1 wechselseitig gebogen bzw. gefaltet, so dass übereinander angeordnete, im Wesentlichen parallele Strömungskanäle 10, 20 entstehen, die einerseits durch erste und zweite Kanalwände 41 bis 43 und andererseits durch die Bögen bzw. Biegefalten 11, 21 definiert sind.
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Dann werden, wie insbesondere in 2 erkennbar, Kanten 12, 22 dieser ersten und zweiten Strömungskanalwände, die über Eck mit den solcherart gebildeten Biegefalten 11, 21 liegen, wechselseitig, i. e. abwechselnd auf unterschiedlichen Seiten der Biegefalten, aufeinander zu zusammengedrückt, so dass sie einander berühren, und dann miteinander verlötet, um so die Strömungskanäle 10, 20 auf einer mit den Biegefalten 11, 21 über Eck liegenden Seite zu verschließen.
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Der Wärmetauscher 1 weist zwei erste, seitliche Gehäusewände 3A, 3B auf (vertikal in 1). Die Blechmatrix ist derart zwischen den beiden seitlichen Gehäusewänden 3A, 3B angeordnet, dass die in 1 linken Bögen 11 und 31 zur in 1 linken seitlichen Gehäusewand 3A in einem Winkel α1 geneigt sind. Die in 1 rechten Bögen sind zur in 1 rechten seitlichen Gehäusewand 3B in einem Winkel α2 geneigt. Beide Winkel α1, α2 können betragsmäßig den gleichen Wert aufweisen.
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Der Wärmetauscher 1 weist eine zweite Gehäusewand 4B, die einen Boden bildet, und eine weitere zweite Gehäusewand 4A, die einen Deckel bildet, auf, die in 1 senkrecht zwischen den seitlichen Gehäusewänden angeordnet sind. Der Boden 4A ist mit den oberen zusammengedrückten Kanten 12, 32 abdichtend verbunden, wobei der Boden nicht über die gesamte Breite der oberen zusammengedrückten Kanten verläuft, sondern im in 1 rechten oberen Bereich der Blechmatrix offen bleibt und eine obere Abströmöffnung 51 definiert. Entsprechendes gilt für den Deckel 4B mit den unten zusammengedrückten Kanten 22, wobei sich der offene Bereich in 1 links unten befindet und dort eine Abströmöffnung 52 definiert.
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Die ersten, seitlichen Gehäusewände 3A, 3B und die zweiten, einen Boden 4B bzw. Deckel 4A bildenden Gehäusewände bilden ein quaderförmiges Gehäuse. Dieses definiert zusammen mit dem darin aufgenommenen schiefen Parallelepiped der Matrix konvergente Zuströmkanäle in die Matrix. Zur Verdeutlichung sind durchgezogen bzw. strich-doppelpunktiert die Strömungen eines ersten und eines zweiten Fluids, beispielsweise Druckluft der Gasturbine, angedeutet. Man erkennt, dass das erste Fluid (durchgezogene Pfeile) in der Ebene der 1 von links oben einströmt. Durch die um den Winkel α1 gegen die Einströmebene der Matrix geneigte linke, erste Gehäusewand 3A ergibt sich ein konvergenter Zuströmkanal, aus dem das Fluid strömungstechnisch günstig in die Strömungskanäle 10 der Matrix eintritt und nach deren Durchströmen aus der in 1 oberen Abströmöffnung 51 abströmt.
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In Gegenstromführung, aber im übrigen in analoger Weise strömt das zweite Fluid (strichdoppelpunktierte Pfeile) in 1 von rechts unten in den konvergenten Zuströmkanal zwischen der ersten Gehäusewand 3B und der gegen diese um den Winkel α2 geneigten Einströmebene des Bogens bzw. der Biegefalten 21, aus diesem in die Strömungskanäle 20 und aus diesen durch die Abströmöffnung der zweiten Gehäusewand 4B ab. Durch den sich in 1 von oben nach unten verringernden, i. e. konvergenten Zuströmkanal für das erste bzw. den sich in 1 von unten nach oben verringernden, durch die Einströmebene des Bogens bzw. der Biegefalten 21 und die rechte, erste Gehäusewand 3B definierten Zuströmkanal für das zweite Fluid wird die Strömungsverteilung, -umlenkung und -beschleunigung optimiert.
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In den 2, 3 erkennt man gut die größere Kanalhöhe der ersten Strömungskanäle 10 und die kleinere Kanalhöhe der hierzu benachbarten zweiten Strömungskanäle 20. Deren Herstellung ist durch das erfindungsgemäße Biegen bzw. Falten des Endlosbleches 1 und anschließende Zusammendrücken der Kanten 12, 22 fertigungstechnisch gut umzusetzen.
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In den Strömungskanälen 10, 20 ist eine Struktur ausgebildet bzw. angeordnet (nicht dargestellt), um den Wärmetausch zu verbessern und als tragende Struktur Druckdifferenzen zwischen erstem und zweitem Fluid zu kompensieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- gebogenes bzw. gefaltetes Endlosblech (Band)
- 3A, 3B
- erste, seitliche Gehäusewand
- 4A, 4B
- zweite Gehäusewand (Deckel, Boden)
- 10
- erster Strömungskanal
- 11, 21, 31
- Bogen bzw. Biegefalte
- 20
- zweiter Strömungskanal
- 12, 22, 32
- zusammengedrückte Kante
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0759139 B1 [0004, 0014]
- DE 2420920 A1 [0005, 0012, 0014]
- DE 1111221 [0006, 0012, 0014]
