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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest einem zwischen zumindest zwei Platten angeordneten Fluidkanal, welcher zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, die an zumindest einem der Platten vorgesehen sind, ausgebildet ist, insbesondere nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Wärmeübertrager sind im Stand der Technik in verschiedenster Ausgestaltung bekannt. Dabei sind beispielsweise Stapelscheibenwärmeübertrager bekannt, bei welchen Fluidkanäle zwischen jeweils benachbarten Stapelscheiben ausgebildet sind, wobei Fluidkanäle für verschiedene Fluide abwechselnd zueinander zwischen benachbarten Stapelscheiben angeordnet sind.
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Auch sind sogenannte Flachrohrwärmeübertrager bekannt geworden, bei welchen ein Fluid durch einen Sammelkasten einströmt, von dort auf eine Vielzahl von Flachrohren verteilt wird, durch diese Flachrohre hindurch strömt und an deren Ende in einen weiteren Sammelkasten einströmt und gesammelt wird, bevor es aus dem Sammelkasten wieder ausgelassen wird. Ein zweites, am Wärmetausch beteiligtes Fluid, kann dann beispielsweise durch Zwischenräume zwischen den Flachrohren strömen, um beispielsweise in einer Kreuzstrom-Korrelation Wärme zu übertragen.
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Diese Wärmetauscher sind jedoch nicht sehr kompakt bzw. bestehen aus einer Vielzahl von Bauteilen, so dass die Herstellung diesbezüglich aufwendig ist.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager mit zumindest einem zwischen zumindest zwei Platten angeordneten Fluidkanal, welcher zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, die an zumindest einem der Platten vorgesehen sind, ausgebildet ist, zu schaffen, der einfach in der Herstellung und hinsichtlich der verwendeten Bauteile kostengünstig ausgestaltet ist.
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Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1, wonach ein oben genannter Wärmeübertrager mit zumindest einem zwischen zumindest zwei Platten angeordneten Fluidkanal, der zwischen einem Fluideinlass und einem Fluidauslass, welche an zumindest einem der Platten vorgesehen sind, ausgebildet ist, wobei die Platten derart miteinander verbunden sind, dass der zumindest eine Fluidkanal abgedichtet ausgebildet ist, wobei die Platten insbesondere mit zumindest einer wärmeübertragungsfördernden und/oder turbulenzerzeugenden Lage versehen sind, wobei die Platten gemeinsam gegebenenfalls auch mit der Lage gerollt sind. Dabei kann der Wärmeübertrager mit einer solchen Lage versehen sein, eine solche Lage kann auch beiderseits der Platten angeordnet sein, oder bei einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann der Wärmeübertrager auch ohne eine solche Lage versehen sein.
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Das Aufrollen der Platten erfolgt derart, dass die Platten spiralförmig aufgerollt oder aufgewickelt werden, so dass zwischen den Wandbereichen der Platten, die sich jeweils gegenüberliegen, nach ein Raumbereich freibleibt, der für eine Durchströmung von einem zweiten Medium genutzt werden kann.
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Dabei ist es vorteilhaft, wenn in diese Zwischenräume eine wärmeübertragungsfördernde und/oder turbulenzerzeugende Lage angeordnet ist, die auch als Turbulenzeinlage oder Rippe, beispielsweise Wellrippe bezeichnet werden kann.
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Vorteilhaft ist dabei, wenn die Platten mit der zumindest einen Lage spiralförmig gerollt sind.
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Vorteilhaft ist auch, wenn in zumindest einzelnen der Plattenöffnungen oder Einprägungen eingebracht sind, welche zumindest ein Fluidkanal zwischen den Platten bilden.
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Vorteilhaft ist auch, wenn eine Mehrzahl von Platten vorgesehen ist, wobei die äußeren der Platten bevorzugt nur im Bereich von einem Fluideinlass und/oder von einem Fluidauslass mit Öffnungen versehen ist/sind. Dies bewirkt, dass die äußeren Platten als Abdichtung dienen, so dass zwischen diesen Platten sich die Fluidkanäle bzw. der Fluidkanal ausbilden kann. Zur Einleitung oder zur Ausleitung eines Fluides ist dann in einer der äußeren Platten ein diesbezüglicher Anschluss vorgesehen, der als Öffnung ausgebildet sein kann, es kann jedoch auch vorteilhaft sein, wenn an dieser Öffnung ein Stutzen angebracht, wie beispielsweise auch angeformt wird. Anformen kann dabei Tiefziehen oder anderweitig einstückig Ausbilden bedeuten, wobei auch durchaus eine Anbringung durch Kleben oder Löten eines Stutzens realisiert werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Platten derart miteinander verbunden sind, dass die Fluidkanäle nach außen abgedichtet ausgebildet sind. Dabei sind die Fluidkanäle beispielsweise dadurch nach außen abgedichtet, dass die Platten, die flächig aufeinander liegen, aufeinander flächig verbunden sind, wie beispielsweise geklebt oder gelötet sind, so dass lediglich in den Bereichen, in denen Öffnungen oder Einprägungen vorhanden sind, sich Fluidkanäle ausbilden können.
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Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Platten miteinander verlötet oder verklebt sind. Dabei kann eine Platte mit Lot und/oder mit Flussmittel beschichtet sein, bevor die Platten miteinander gefügt werden. Auch können die Platten mit einem Kleber versehen sein, um benachbarte Platten miteinander zu verbinden.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, wenn zumindest einzelne oder alle der Platten an einer seitlichen Kante durch einen Falz miteinander verbunden sind.
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Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, wenn die Platten konfektioniert, wie zugeschnitten und/oder gelocht und/oder geprägt und/oder gefräst und/oder geätzt werden, anschließend die Platten aufeinander positioniert werden, anschließend die Platten miteinander verbunden werden und danach die Platten gerollt werden. Das Konfektionieren bedeutet dabei den Zuschnitt und die Einbringung von Öffnungen und/oder Prägungen, so dass sich die Fluidkanäle zwischen diesen nach Aufeinanderlegen verschiedener Platten ausbilden können.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn vor dem Rollen und/oder vor dem Verbinden zumindest eine wärmeübertragungsfördernde und/oder turbulenzerzeugende Lage vorgesehen und aufgebracht wird.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn beiderseits des Plattenstapels zumindest eine wärmeübertragungsfördernde und/oder turbulenzerzeugende Lage aufgebracht wird, bevor der Plattenstapel mit der Lage oder den Lagen gerollt wird. Das Aufbringen kann ebenso mit einem Lötprozess erfolgen oder mit einer Heftverbindung oder mit einem Klebeprozess.
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Vorteilhaft ist, wenn die Platten gestapelt werden, diese zumindest an Stellen miteinander geheftet werden, beispielsweise durch eine Punktschweißung, anschließend eine eventuelle Lage aufgebracht wird, danach die Platten gerollt werden und nach dem Rollen die Platten mit den gegebenenfalls vorhandenen Lagen gelötet werden. Im Falle des Klebens ist es vorteilhaft, wenn die Platten mit der Lage erst geklebt werden und dann gerollt werden. Alternativ kann auf den Platten mit der Lage erst der Klebstoff appliziert werden, bevor diese dann gerollt werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in gerollter Form,
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2a eine Platte mit zwei Anschlussöffnungen und Falz,
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2b eine Platte mit Öffnungen und Falz,
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2c eine Platte mit Öffnungen und Falz,
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2d eine Platte ohne Öffnungen, mit Falz.
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3a eine Platte eines weiteren Ausführungsbeispiels mit Anschlussöffnungen und Falz,
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3b eine Platte eines weiteren Ausführungsbeispiels mit Einprägungen bzw. Öffnungen, mit Falz,
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3c eine Platte eines weiteren Ausführungsbeispiels mit Falz, und
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4 eine Ansicht eines Wärmeübertragers in gerollter Ausführung.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt einen Wärmeübertrager 1 mit zumindest einem zwischen zumindest zwei Platten angeordneten Fluidkanal 2, der in der 1 nur mit unterbrochener Linie gekennzeichnet ist. Der Fluidkanal 2 ist zwischen zwei Platten 3 angeordnet, wobei er alternativ auch zwischen einer Mehrzahl von Platten 3 angeordnet sein kann. An den Platten 3 ist ein Fluideinlass 4 und ein Fluidauslass 5 vorgesehen, die jeweils als Öffnungen oder Stutzen ausgebildet sein können. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist der Fluideinlass und der Fluidauslass jeweils als Stutzen ausgebildet, der jeweils mit den Platten 3 verbindbar ist.
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Weiterhin sind die Platten mit einer turbulenzerzeugenden Lage 6 bzw. mit einer wärmeübertragungsfördernden Lage 6 versehen, die im gerollten Zustand bevorzugt auch den Abstand zwischen zwei Windungen des gerollten Wärmeübertragers definiert.
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Wie zu erkennen ist, ist der Wärmeübertrager mit seinen Platten 3 spiralförmig gerollt bzw. gewickelt, so dass beispielsweise Luft in Pfeilrichtung des Pfeils 7 durch die Zwischenräume zwischen den Windungen des Wärmeübertragers strömen kann.
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Die 2a bis 2d zeigen jeweils Platten 10, 11, 12, 13 die miteinander gestapelt werden können, um den Wärmeübertrager zu bilden, der danach noch gerollt werden muss.
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Es ist zu erkennen, dass in 2a die Platte 10 zwei Öffnungen 14, 15 aufweist, die an einer kurzen Endseite bzw. an einem kurzen Endbereich der Platte 10 angeordnet sind. Die Öffnungen 14 und 15 sind dabei etwa in den Ecken der Platte angeordnet. Dabei können bei einem anderen Ausführungsbeispiel die Öffnungen auch an einer anderen Position auf der äußeren Mantelfläche platziert sein. Auf der gegenüberliegenden Seite, von der Seite der Öffnungen abgewandt, ist an einer kurzen Seite ein Falz 16 angeordnet, der in etwa um 90 Grad gegenüber der Ebene der Platte abgewinkelt ist. Auch kann der Falz anderweitig ausgestaltet und/oder abgewinkelt sein.
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Die 2b zeigt eine Platte 11, die von den Dimensionen her der Platte der 2a etwa entspricht, wobei in der Fläche bzw. in der Ebene der Platte 11 verschiedene Öffnungen 17 eingebracht sind, die zur Durchströmung eines Fluides dienen und einen Fluidkanal zumindest teilweise bilden. Weiterhin weist auch die Platte der 2b einen Falz 18 auf, der sich bevorzugt neben den Falz der Platte 10 anlegen kann, wenn die Platten benachbart angeordnet werden.
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Die 2c zeigt wiederum eine Platte 12, die wiederum mit Öffnungen 19 versehen ist und auch einen Falz 20 aufweist. Die Öffnungen 19 dienen der Ausbildung des Fluidkanals und der Falz 20 legt sich an den Falz 18 der Platte 11 an.
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Die 2d zeigt eine Abschlussplatte 13, die ohne Öffnung ausgebildet ist wobei die Platte 13 jedoch auch einen Falz 21 aufweist der sich an den Falz 20 der Platte 12 anlegt. Werden die Platten entsprechend der Reihenfolge der 2a und 2d aufeinander gestapelt, bilden sich zwischen den äußersten beiden Platten im Inneren ein oder mehrere Fluidkanäle aus, die im Falle der dichten Verbindung der Platten nach außen abgedichtet sind und lediglich über die Öffnungen 14, 15 nach außen fluidverbindbar sind.
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Die Platten der 2a bis 2d sind im gezeigten Ausführungsbeispiel rechteckig ausgebildet, sie können jedoch auch eine andere flächige Kontur aufweisen.
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Die 3a bis 3c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel von erfindungsgemäßen Platten, die im Ausführungsbeispiel der 3a bis 3d etwa trapezförmig oder trichterförmig ausgestaltet sind.
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Die 3a zeigt eine Platte 30, die zwei Öffnungen 31, 32 und einen Falz 33 aufweist. Die Öffnungen 31 und 32 sind an der langen Seite des Trapezes angeordnet, wobei der Falz 33 an der kurzen Seite des Trapezes angeordnet ist.
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Die 3b zeigt wiederum eine Platte 34, die wiederum trapezförmig ausgestaltet ist und die Öffnungen oder Einprägungen 35 aufweist Ausbildung eines Fluidkanals. Der Fluidkanal 35 besteht dabei aus Bereichen, die miteinander verbunden sind um einen zweidimensionalen Fluidkanal auszubilden. Im Ausführungsbeispiel der 3b ist der Fluidkanal durch gerade Kanalstücke gebildet, die rechtwinklig zueinander angeordnet sind. Dadurch wird ein etwa rinnenförmiger Verlauf erzeugt. Der Falz 36 ist wiederum an der kurzen Seite des Trapezes angeordnet.
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Die 3c zeigt wiederum eine Platte 37 mit einem Falz 38, die trapezförmig ausgebildet ist und die auch an der kurzen Seite des Falz 38 aufweist. Öffnungen sind in diesem Ausführungsbeispiel der 3c nicht der Platte 37 enthalten.
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Die 4 zeigt einen Wärmeübertrager 40 der mit einem Plattenstapel gemäß der 3a bis 3c gebildet ist, wobei wiederum zwischen den Windungen 41, 42 des Wärmeübertragers eine turbulenzerzeugende oder den Wärmeübergang verbessernde Lage, wie insbesondere eine Rippe angeordnet ist. Zum Einlass ist eine Öffnung 43 und zum Auslass eine Öffnung 44 vorgesehen, so dass ein Medium oder Fluid in den Wärmetauscher eingelassen und ihn durchströmen kann, so dass es nach der durchströmung an der Öffnung 44 wieder ausgelassen werden kann.
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Bevorzugt besteht der Wärmeübertrager aus Platten und aus Rippenmaterialien, die sowohl aus gleichem Material oder auch aus ungleichem Material bzw. aus einer Materialpaarung gebildet sein können. Dabei können im Inneren des Wärmetauschers durchaus verschiedene Verschaltungen, wie beispielsweise eine Gleichstromverschaltung verschiedener Fluidkanäle oder eine Gegenstromverschaltung, einzelner Fluidkanäle realisiert sein.
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Für das Herstellungsverfahren eignen sich dabei Metallplatten, so dass diese beispielsweise durch Schweißen geheftet werden, bevor die Platten in einem Lötverfahren abgedichtet werden können. Das Heften bewirkt, dass der Rollprozess durchgeführt werden kann, ohne dass die Platten sich relativ zueinander bewegen bzw. entfernen.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn zumindest zwei oder auch mehr als zwei Platten, wie beispielsweise Bleche, mit einer entsprechenden Matrix perforiert werden, wobei durch die Perforation der Platten sich der Fluidkanal zwischen den Platten ausbildet.
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Die Gestaltung der Außenkontur der Platten kann rechteckig oder quadratisch sein, sie kann jedoch auch eine andere Form annehmen, wie beispielsweise trapezförmig oder trichterförmig.
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Bei der Verwendung von mehreren perforierten Platten oder Blechen kann sich durch das aufeinander Legen der perforierten bzw. gelochten Platten oder Bleche eine Verschaltung ergeben, bei welcher der Fluidstrom durch den Fluidkanal fließt, wobei dieser von einer Platte zur nächsten Platte wechseln kann. Auch können durch diese Gestaltung mehrere Fluidkanäle erzeugt werden, die voneinander getrennt sind, so dass beispielsweise auch mehrere Medien durch verschiedene Fluidkanäle strömen können.
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Vorteilhaft ist der Abschluss bzw. die äußerste Platte ohne Perforierung, wobei sie durchaus mit Prägungen oder tiefgezogenen Bereichen gestaltet sein kann. Dabei ist es wesentlich, dass die äußerste Platte bevorzugt die Abdichtung der Fluidkanäle zumindest bereichsweise übernimmt. Sie dient auch vorteilhaft als Abschlussblech, wobei sie dabei mit Öffnungen oder Stutzen für einen Fluideintritt und einen Austritt versehen sein können.
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Die Platten werden im Herstellungsprozess aufeinander positioniert und kassettiert und beispielsweise durch einen Fügeprozess, wie beispielsweise Punktschweißen, an geeigneten Stellen geheftet bzw. miteinander verbunden bzw. relativ zueinander positioniert und fixiert. Der so aufgebaute Wärmetauscherbereich oder die so aufgebaute Lage von Wärmetauscherplatten wird dann bevorzugt einseitig oder auch beidseitig an den Außenseiten mit wärmeübertragungsfördenden Rippen versehen und anschließend wird der Wärmetauscher gerollt bzw. aufgewickelt. Dazu kann der der vorgesehene Falz, der beispielsweise ein Blechfalz sein kann, verwendet um die Plattenanordnung beispielsweise in eine Aufnahme für eine Wickelvorrichtung einzuspannen, die den Wickelvorgang durchführt. Anschließend wird nach der Wicklung der Wärmeübertrager einem Fügeprozess zugefügt. Dieser kann beispielsweise durch Löten gestaltet sein.
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Alternativ kann der Wärmeübertrager nach dem Rollen auch erst mit den Rippen versehen werden, die in die spiralförmigen Bereiche zwischen den Platten eingefügt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann auch eine Platte, wie beispielsweise ein Blech, verwendet werden bei dem mindestens eine kanalbildende Struktur geprägt, geätzt, gefräst und/oder gezogen, wie tiefgezogen, ist. Eine entsprechende Matrix solcher Strukturen kann ebenso in die Platte geprägt sein, so dass durch die Prägung sich ein vorgegebener Fluidstrompfad bzw. eine Mehrzahl davon gebildet werden. Dabei wird zum Abdichten dieser Kanäle eine weitere Platte aufgelegt, die ebenfalls geprägt sein kann, so dass durch Zusammenfügen zumindest zweier Platten die zwischen den Platten gebildeten Kanäle abdichtbar sind.
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Vorteilhaft kann sein, wenn mindestens zwei geprägte Platten verwendet werden, wobei eine entsprechende Matrix für Kanäle in die Platten geprägt sind, um Fluidkanäle auszubilden.
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Die Außenkontur der Platten kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel rechteckig oder quadratisch sein, sie kann aber auch eine andere Kontur annehmen, wie beispielsweise eine Trichterform oder Trapezform. Alternativ konnte auch eine dreieckige oder runde Form verwendbar sein.
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Für die Herstellung werden die Platten aufeinander positioniert und durch einen Heftprozess, wie beispielsweise ein Punktschweißprozess miteinander verbunden, so dass die Platten vorfixiert sind. Nach dem Vorfixieren kann ein Abdichtprozess durch Löten oder Kleben oder anderweitig realisiert werden, bevor der Wärmetauscher gewickelt wird. Alternativ kann auch erst der vorfixierte Plattenstapel gewickelt werden, bevor er durch einen Löt- oder Klebeprozess oder einen anderen Prozess abgedichtet wird.
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Alternativ können zu den Prägungen oder Perforationen nicht materialdurchgängige Aussparungen, wie beispielsweise Sacklöcher oder Nuten oder ähnliches eingebracht werden, die die medienführenden Platten gestalten.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel können Platten mit Prägungen, mit Perforationen und/oder mit nichtdurchgängigen und/oder geprägten Medienführungen vorgesehen sein, die miteinander kombiniert werden, um ein Plattenstapel zu schaffen, der anschließend kanalbildende Strukturen aufweist.
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Die Vorgehensweise beim Fügen einzelner Platten und gegebenenfalls Rippen erfolgt durch Kassettieren der Platten und gegebenenfalls Rippen, die je nach Bedarf einseitig oder beidseitig belotet sein können. Dies kann bereits durch Aufbringen einer Lotplattierung auf das Rohrplattenmaterial erfolgen oder durch eine Belotung durch pastöses Lot, durch Folienlot, durch amorphes Folienlot oder durch sog. Lottape auch Lotband, genannt. Auch können andere Möglichkeiten der Belotung vorgesehen sein.
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Direkt nach dem Wickeln des Wärmeübertragers wird dieser zum Loten lötgerecht verspannt, so dass beispielsweise ein Spannband verwendbar ist, das um den gewickelten Wärmetauscher, die Wärmetauscherrolle, herumgelegt ist.
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Durch den Lötprozess stellt sich dann eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den Platen ein und das Material wird durch den Temperatureinfluss des Fügeprozesses gekühlt, so dass sich die Fügeänderungen innerhalb des Fügeprozesses erzielen lassen.
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Neben dem Löten kann alternativ auch ein Fügeprozess mittels verkleben der relevanten sich gegenüberliegenden Flächen der Platten mit Klebstoff erfolgen. Dabei wird der Klebstoff mittels eines Auftrageverfahrens auf die Platten und/oder Rippen aufgetragen, beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren, bevor die Platten und/oder die Rippen kassettiert sind.
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Anschließend wird der Wärmeübertrager wie bereits oben beschrieben kassettiert und weiter gefertigt.
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Als Klebstoff kann eine der nachfolgenden Materialien bzw. Gruppen von Materialien verwendbar sein.
- 1. Epoxidharzklebstoff, einkomponentig, zweikomponentig oder auch mehrkomponentig,
- 2. reaktive Epoxidharz-Schmelzstoffe
- 3. Polyuethan-(PUR)-Klebstoffe, einkomponentig, zweikomponentig, lösungsmittelfrei, reaktive Polyurethan-Schmelzklebstoffe, beispielsweise lösungsmittelfrei Polyurethan-Lösungsmittelklebstoffe einkomponentig, Polyurethanlösungsmittelklebstoffe zweikomponentig, Polyurethan-Dispersionsklebstoffe
- 4. Acrylatklebstoffe wie Cyanacrylatklebstoffe, strahlungshärtende Klebstoffe, Methacrylatklebstoffe, anaerobe Klebstoffe
- 5. ungesättigte Polyesterharze (UP-Harze)
- 6. Phenolharzklebstoffe
- 7. Silikone
- 8. Klebstofffolien
- 9. andere Klebstoffe
