DE102012022046A1 - Heat exchanger installed in e.g. internal combustion engine of motor vehicle, has stack of plates in between which flow channels are arranged, while outlet channels are connected to outlet media - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der einen Stapel aus Platten aufweist, die örtlich begrenzte Ausformungen besitzen, die in zwischen den Platten angeordnete Strömungskanäle hineinragen, welche hydraulisch mit senkrecht durch den Plattenstapel sich erstreckenden und aus fluchtenden Löchern in den Platten gebildeten Ein- und Austrittskanälen verbunden sind.The invention relates to a heat exchanger having a stack of plates having localized formations which project into flow channels disposed between the plates which are hydraulically connected to inlet and outlet channels formed vertically through the plate stack and formed from aligned holes in the plates are.
Ein Wärmetauscher dieser Art ist beispielsweise aus dem
Aus dem
Es hat bestimmte Vorteile, als Arbeitsmedium in einer Energierückgewinnungsanlage reines Wasser zu verwenden, welches in einem thermodynamischen Kreisprozess durch die Anlage gefördert und dabei zyklisch verdampft und kondensiert wird. Reines Wasser, also Wasser ohne Gefrierschutzmittel, als Arbeitsmittel zu verwenden, hat bekanntlich auch einen wesentlichen Nachteil, der in der Eisbildung bei tieferen Temperaturen besteht. Als Folge davon können die Komponenten des Kreislaufs bzw. der Anlage zerstört werden.It has certain advantages to use pure water as a working medium in an energy recovery plant, which is conveyed in a thermodynamic cycle through the plant and thereby cycled and condensed. Pure water, ie water without antifreeze, to use as a working medium, is also known to have a significant drawback, which consists in the formation of ice at lower temperatures. As a result, the components of the circuit or plant can be destroyed.
Um hier Abhilfe zu schaffen, gibt es auch Vorschläge, die Anlage bei längeren Ruhepausen auf der Arbeitsmittelseite zu entleeren, um die Eisbildung zu vermeiden. Das gelingt oftmals aber nicht vollständig, da es sich um ein nach außen abgeschlossenes System handelt, und/oder es erfordert zu viel Aufwand.To remedy this situation, there are also suggestions to empty the system during longer rest periods on the working fluid side to avoid the formation of ice. Often this is not completely successful because it is an externally closed system and / or it requires too much effort.
Aus dem Stand der Technik sind außerdem Wärmetauscher bekannt, die eine Zerstörung derselben durch Eisbildung verhindern, jedenfalls innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen unterbinden sollen. Dabei werden oft flexible Trennwände oder dergleichen, die, wie in der
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Wärmetauschers, der eine gute Wärmetauscheffizienz und Innendruckstabilität erreichen soll und der die Gefahr der Zerstörung des Wärmetauschers durch Eisbildung reduziert.The object of the invention is the development of a heat exchanger, which is to achieve a good heat exchange efficiency and internal pressure stability and reduces the risk of destruction of the heat exchanger by ice formation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher gelöst, der die Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist.This object is achieved by a heat exchanger having the features of
Wesentliche Konstruktionsmerkmale des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß Patentanspruch 1 bestehen darin, dass erste der örtlichen Ausformungen sich in die Strömungskanäle für das eine der Medien hinein erstrecken, wo sie einen – bezogen auf die Plattenebenen – vertikalen Abstand, entweder voneinander oder zu einem gegenüberliegenden Plattenabschnitt, aufweisen und dass eine Schar aus zweiten örtlichen Ausformungen um die ersten örtlichen Ausformungen herum angeordnet ist, wobei entweder jeweils zwei der zweiten örtlichen Ausformungen diametral miteinander verbundenen sind oder jeweils eine der zweiten örtlichen Ausformungen mit einem diametralen Plattenabschnitt verbunden ist.Significant design features of the heat exchanger according to the invention according to
Eine nicht bevorzugte alternative Gestaltung des Wärmetauschers unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der bevorzugten Alternative, dass die ersten örtlichen Ausformungen – wie erwähnt – einen vertikalen Abstand zu einem benachbarten, Plattenabschnitt aufweisen. In der bevorzugten Alternative liegt der vertikale Abstand hingegen jeweils zwischen zwei in einen Strömungskanal weisenden ersten örtlichen Ausformungen vor.A non-preferred alternative design of the heat exchanger differs essentially from the preferred alternative in that the first local formations - as mentioned - have a vertical distance to an adjacent plate portion. In the preferred alternative, however, the vertical distance is in each case between two first local formations pointing in a flow channel.
Die zwei ersten örtlichen Ausformungen bilden ein Paar. Auch die zweiten örtlichen Ausformungen sind vorzugsweise in Paaren angeordnet. Sie sind im Unterschied zu den ersten örtlichen Ausformungen miteinander verbunden.The first two local formations form a pair. The second local formations are preferably arranged in pairs. They are in contrast to the first local forms connected.
Beide Alternativen sind auch an einem einzigen Wärmetauscher realisierbar, was bedeuten soll, dass die beiden Alternativen miteinander mischbar sind.Both alternatives can also be realized on a single heat exchanger, which means that the two alternatives are miscible with each other.
Im Betriebszustand der Anlage, die den erfindungsgemäßen Wärmetauscher enthält, ist der erwähnte vertikale Abstand zwischen den ersten örtlichen Ausformungen bzw. zwischen den ersten örtlichen Ausformungen und dem benachbarten Plattenbodenabschnitt vorhanden.In the operating condition of the plant containing the heat exchanger according to the invention, the mentioned vertical distance between the first local formations or between the first local formations and the adjacent plate bottom portion is present.
Bei einer Eisbildung, die sich im Ruhezustand der Anlage bei entsprechend niedrigen Temperaturen einstellt, liegen die ersten Ausformungen diametral aneinander oder an einem ebenen Plattenbodenabschnitt der benachbarten Platte an und ermöglichen somit, gemeinsam mit der Schar von miteinander verbundenen zweiten örtlichen Ausformungen, die gerade notwendige Raumausdehnung in den Strömungskanälen, wodurch die Zerstörung des Wärmetauschers verhindert wird. In the case of ice formation, which occurs at a correspondingly low temperature when the system is at rest, the first formations lie diametrically opposite one another or on a flat plate bottom section of the adjacent plate and thus, together with the group of interconnected second local formations, allow the space expansion just required in the flow channels, whereby the destruction of the heat exchanger is prevented.
Die ersten örtlichen Ausformungen und auch die Schar von zweiten örtlichen Ausformungen, die um die ersten örtlichen Ausformungen herum angeordnet ist, wirken als Turbulenzerzeuger in den Strömungskanälen. Deshalb ist der Wärmetauscher auch dort vorteilhaft einsetzbar, wo es nicht um die Lösung vorstehender Aufgabenstellung geht sondern andere Probleme im Vordergrund stehen.The first localized formations as well as the flock of second localized formations disposed around the first localized formations act as turbulence generators in the flow channels. Therefore, the heat exchanger is also advantageously used where it is not the solution of the above task but other problems are in the foreground.
Bei einem Plattenkondensator handelt es sich bei dem einen Medium um ein Kühlmittel, beispielsweise um die Kühlflüssigkeit einer Brennkraftmaschine und bei dem anderen Medium um ein zu kondensierendes Arbeitsmittel, beispielsweise um Wasser, welches im Wesentlichen als Dampf in den Kondensator eintritt und als Wasser den Kondensator verlässt.In a plate capacitor, the one medium is a coolant, for example the coolant of an internal combustion engine and the other medium is a working fluid to be condensed, for example water, which essentially enters the condenser as vapor and leaves the condenser as water ,
Bei einem Verdampfer tritt bekanntlich entsprechend Wasser ein welches als Dampf austritt. Das eine Medium ist in diesem Fall kein Kühlmittel, sondern heiße Abgase, beispielsweise diejenigen einer Brennkraftmaschine.In an evaporator, it is known that corresponding to water which exits as vapor. The one medium is in this case no coolant, but hot exhaust gases, such as those of an internal combustion engine.
Örtliche Ausformungen im Sinne des Vorschlags sind örtlich begrenzte Vertiefungen und/oder örtlich begrenzte Erhebungen in den Platten, die – im Unterschied zu vollständig gewellten Platten – von ebenen, also von nicht verformten, Plattenabschnitten umgeben sind.Local formations within the meaning of the proposal are localized depressions and / or localized elevations in the plates, which - in contrast to fully corrugated plates - are surrounded by flat, ie non-deformed, plate sections.
Die örtlichen Ausformungen können kreisrunde Noppen sein oder jede beliebige mehreckige Gestaltung besitzen.The local formations may be circular knobs or have any polygonal shape.
Die mit dem vertikalen Abstand voneinander angeordneten ersten örtlichen Ausformungen sowie die zweiten örtlichen Ausformungen können gleicher oder unterschiedlicher Gestalt sein. Idealerweise aber nicht notwendigerweise liegen die ersten örtlichen Ausformungen und auch die zweiten örtlichen Ausformungen deckungsgleich übereinander. Ein gewisser Versatz ist jedoch zulässig. Idealerweise besitzen die ersten Ausformungen und auch die zweiten Ausformungen einen identischen Querschnitt.The first local formations arranged with the vertical distance as well as the second local formations can be of the same or different shape. Ideally, but not necessarily, the first local formations and also the second local formations are congruently superimposed. However, some offset is allowed. Ideally, the first formations and also the second formations have an identical cross section.
Eine zulässige Raumausdehnung liegt bei etwa 9%. Sie soll im elastischen Bereich liegen, sie soll sich also wieder zurückbilden können. Die Richtung der Raumausdehnung geht senkrecht zu den Ebenen der Platten. Als Werkstoff kommt ein Metall in Betracht beispielsweise Aluminium oder ein geeigneter Edelstahl.A permissible room size is about 9%. It should be in the elastic range, so it should be able to regress again. The direction of spatial expansion is perpendicular to the planes of the plates. As a material is a metal into consideration, for example, aluminum or a suitable stainless steel.
Die Gefahr der Vereisung auf der Kühlmittelseite ist in dem hier eine Rolle spielenden Temperaturbereich an sich nicht gegeben, da es sich bei dem Kühlmittel beispielsweise um die Kühlflüssigkeit eines Verbrennungsmotors handelt, welche bekannte Zusatzstoffe enthält, die eine Eisbildung verhindern.The risk of icing on the coolant side is not given in the here play a role temperature range per se, since it is the coolant, for example, the cooling liquid of an internal combustion engine, which contains known additives that prevent ice formation.
Die Erfindung stellt in ihrer bevorzugten Ausführung – als einen von mehreren Unterschieden zum einleitend beschriebenen Stand der Technik – einen Plattenwärmetauscher zur Verfügung, bei dem sämtliche Platten des Plattenstapels örtlich begrenzte erste und zweite Ausformungen besitzen, die als örtlich begrenzte Vertiefungen und als örtlich begrenzte Erhebungen in Erscheinung treten. Das
Eine andere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass einige der Platten örtlich begrenzte Erhebungen aufweisen und andere der Platten örtlich begrenzte Vertiefungen, wobei sich im Plattenstapel die Platten mit den Vertiefungen und die Platten mit den Erhebungen abwechseln. Das genannte EP'499 weist hingegen Platten mit Vertiefungen und mit Erhebungen auf, wie oben bereits erwähnt, sowie weitere Platten, die nur Vertiefungen besitzen.Another preferred embodiment of the invention provides that some of the plates have localized elevations and others of the plates have localized depressions, with the plates in the plate stack alternating with the depressions and the plates with the elevations. The said EP'499, however, has plates with recesses and elevations, as already mentioned above, as well as other plates which have only depressions.
Die Erfindung stellt mit einfachen konstruktiven Merkmalen für das Arbeitsmittel eine begrenzte Raumausdehnung zulasten einer begrenzten Raumreduzierung auf der Kühlmittelseite zur Verfügung. Das Kühlmittel wird durch die Raumreduzierung in den Kreislauf zurückgedrückt. Das Arbeitsmittel kann also bei tieferen Temperaturen gefrieren und sich dabei naturgemäß ausdehnen, ohne jedoch den Wärmetauscher zu zerstören.The invention provides with simple structural features for the working fluid a limited space expansion at the expense of a limited space reduction on the coolant side. The coolant is pushed back into the circuit by the space reduction. The working fluid can therefore freeze at lower temperatures and thereby naturally expand, but without destroying the heat exchanger.
Um jedoch eine Raumausdehnung in beiden Strömungskanälen, also in den Strömungskanälen für das eine und in den Strömungskanälen für das andere Medium zu gestatten, kann auch vorgesehen werden, dass die Paare erster örtlicher Ausformungen wenigstens ein Paar umfassen, das aus einer Vertiefung in der einen Platte und einer Erhebung in der anderen Platte besteht und wenigstens ein weiteres Paar, das aus einer Erhebung in derselben einen Platte und einer Vertiefung in der derselben anderen Platte gebildet ist. Auch diese Vertiefungen und Erhebungen weisen den erwähnten vertikalen Abstand voneinander auf. Die Paare liegen auch – in Richtung der Plattenebenen gesehen – relativ dicht beieinander und bilden das Zentrum für die Schar zweiter örtlicher Ausformungen.However, in order to allow a space expansion in both flow channels, ie in the flow channels for the one and in the flow channels for the other medium, it can also be provided that the pairs of first local formations comprise at least one pair consisting of a recess in the one plate and a protrusion in the other plate, and at least one further pair formed from a protrusion in the same one plate and a recess in the same other plate. These depressions and elevations have the mentioned vertical distance from each other. The pairs are also relatively close to each other, as viewed in the direction of the plate planes, and form the center for the flock of second local formations.
Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, die als an dieser Stelle detailliert aufgeführt anzusehen sind. Further features of the invention are the subject of the dependent claims, which are to be regarded as detailed here at this point.
Außerdem ergeben sich sämtliche Merkmale und deren Wirkungen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die anhand der beigefügten Zeichnungen vorgenommen wird.In addition, all features and their effects will become apparent from the following description of embodiments made with reference to the accompanying drawings.
FigurenkurzbeschreibungBrief Description
Die
Die nachfolgende Beschreibung der Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Wärmetauscher, erfolgt am Beispiel eines Kondensators, der ein Bestandteil einer nicht näher dargestellten Energierückgewinnungsanlage ist. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist jedoch nicht darauf beschränkt. Er kann in anderen Anlagen bzw. Kreisläufen und für beliebige andere Zwecke als Wärmetauscher eingesetzt und dazu, falls erforderlich, auch entsprechend modifiziert werden.The following description of the embodiments heat exchanger according to the invention, takes place using the example of a capacitor which is a part of an energy recovery system, not shown. However, the heat exchanger according to the invention is not limited thereto. It can be used in other systems or circuits and for any other purposes than heat exchangers and, if necessary, also be modified accordingly.
Beispielsweise kann es sich auch um einen Kondensator (oder Verdampfer) in einer Klimaanlage handeln, in dem ein Kältemittel und beispielsweise die Kühlflüssigkeit eines Verbrennungsmotors im Wärmeaustausch sind. Ebenso ist der Einsatz des Wärmetauschers als Ölkühler und auch für noch andere Applikationen möglich.For example, it may also be a condenser (or evaporator) in an air conditioning system in which a refrigerant and, for example, the cooling liquid of an internal combustion engine are in heat exchange. Likewise, the use of the heat exchanger as oil cooler and also for other applications is possible.
Manche der beigefügten Darstellungen können nur zur Erläuterung des Wesentlichen dienen. Beispielsweise zeigen die
Der Kondensator weist einen Stapel
Es gibt erste örtliche Ausformungen
Es kann sich auch um mehrere Paare P solcher erster örtlicher Ausformungen
In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel liegen keine Paare P erster örtlicher Ausformungen vor. Jedoch liegt ebenfalls der vertikale Abstand
Ferner gibt es eine Schar (6 Stück im Ausführungsbeispiel gemäß
Jedes Paar P2 besteht auch hier aus einer örtlichen Vertiefung
Auch hier ist es möglich, keine Paare P2 vorzusehen, sondern lediglich jeweils eine zweite örtliche Ausformung
Die zweiten örtlichen Ausformungen
Wie aus
Wie ferner ersichtlich und verständlich ist, handelt es sich bei den ausdehnbaren Räumen
Wenn man die vorgeschlagene Konstruktion als Architektur ansehen und sich auf eine virtuelle Reise durch die Strömungskanäle
Insbesondere mit Blick auf die vorne angesprochene Eignung des Wärmetauschers auch für andere Zwecke (Ölkühler, Ladeluftkühler, Abgaskühler oder Zwischenkühler in Kreisprozessen etc.), soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass es möglich und sogar bevorzugt sein kann, in den im vorstehenden Absatz angesprochenen ebenen Boden – und Deckenpartien der Säulenhallen – also in den ebenen Plattenabschnitten – in den Zeichnungen nicht gezeigte weitere örtliche Ausformungen als Turbulenzerzeuger auszubilden. Diese Turbulenzerzeuger sind nicht diametral miteinander verbunden. Vorzugsweise weisen sie ebenfalls einen vertikalen Abstand zueinander auf. Die Raumausdehnung kann bei entsprechender Gestaltung der Turbulenzerzeuger sogar verbessert werden, weil die Dehnung oder die Elastizität in den Platten
Die zulässige Raumausdehnung liegt maximal bei etwa 9%. Sie soll im elastischen Bereich liegen, jedenfalls nicht zu plastischen Verformungen führen. In der Darstellung
Es ist von Vorteil, wenn die Schar beispielsweise etwa kreisförmig oder leicht oval um jeweils mindestens ein Paar P der ersten örtlichen Ausformungen
Um die Anzahl zweiter örtlicher Ausformungen
Weil die zweiten örtlichen Ausformungen
Die Höhe der die Paare P bildenden ersten örtlichen Ausformungen
Korrelierend damit ist die Höhe der zweiten örtlichen Ausformungen
Wie die
Gemäß dem Ausführungsbeispiel welches in den
Wie hingegen die
Wie die
Die
Eine weitere in der
Die
Um trotz der mit diesem Vorschlag angestrebten Elastizität auch die notwendige Stabilität in allen Strömungskanälen
Es ist jedoch auch möglich, benachbarte zweite Ausformungen
Die
Die
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Plattenstapelplate stack
- 22
- Plattenplates
- 33
- Strömungskanäleflow channels
- 44
- andere Strömungskanäleother flow channels
- 5–85-8
- Ein- und AustrittskanäleInlet and outlet channels
- 99
- kompressibles Element (Gummi, Luftsack, etc.)compressible element (rubber, airbag, etc.)
- 1010
- ausdehnbare Räume (Zonen)expandable spaces (zones)
- 1111
-
vertikaler Abstand zwischen zwei (ein Paar) Ausformungen
21 vertical distance between two (one pair)formations 21 - 1212
-
definierter Abstand zwischen Ausformungen
21 und23 defined distance betweenformations 21 and23 - 1313
- Deckplattecover plate
- 1414
- Öffnungopening
- 1515
- Zwischenplatteintermediate plate
- 1616
- Auswölbungbulge
- 2020
- Plattenbödentrays
- 2121
- erste örtliche Ausformungenfirst local formations
- 21.121.1
- Erhebungensurveys
- 21.221.2
- Vertiefungenwells
- 2222
- Löcherholes
- 2323
- zweite örtliche Ausformungensecond local formations
- 23.123.1
- Erhebungensurveys
- 23.223.2
- Vertiefungenwells
- 2424
- weitere Ausformungenfurther formations
- 2525
- Plattenränderplate edges
- KK
- Kreisecircles
- PP
- Paarepairs
- P1P1
- andere Paareother couples
- P2P2
- weitere Paaremore couples
- ZZ
- Zentrumcenter
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1612499 A2 [0002, 0023] EP 1612499 A2 [0002, 0023]
- JP 2001-099588 A [0003] JP 2001-099588 A [0003]
- DE 3227206 C2 [0006] DE 3227206 C2 [0006]
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