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Die Erfindung betrifft eine Plattenwärmeübertragervorrichtung und eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme.
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Ein Wärmeübertrager (allgemein auch als Wärmetauscher oder Wärmeaustauscher bezeichnet) dient dazu, thermische Energie, also Wärme, von einem ersten Fluid zu einem zweiten Fluid zu übertragen. Hierzu werden die beiden Fluide in einem Wärmeübertragungsbereich nebeneinander geführt, wobei sie mittels einer Separationswand voneinander getrennt sind. Die Führung der beiden Fluide kann beispielsweise im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in einer Kombination aus diesen Strömen erfolgen. Wärmeübertrager können eingesetzt werden, um eines der Fluide zu erwärmen oder abzukühlen. Insbesondere können sie als Verdampfungs- und/oder Kondensationsvorrichtungen eingesetzt werden.
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Eine Sonderform des Wärmeübertragers bildet ein Plattenwärmeübertrager. Dieser ist aus aufeinander gestapelten Wärmeübertragungsplatten so zusammengesetzt, dass jeweils in aufeinanderfolgenden Zwischenräumen des Plattenstapels abwechselnd einmal das erste Fluid und einmal das zweite Fluid strömt. Plattenwärmeübertrager haben den Vorteil, je nach Anwendungsgebiet auf unterschiedlichste Leistungsbereiche skalierbar zu sein. Um die Leistung des Plattenwärmeübertragers zu ändern, reicht es, die Größe und/oder die Anzahl der Wärmeübertragungsplatten im Plattenstapel entsprechend zu verändern.
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Das erste Fluid wird durch eine Eingangsöffnung in den Plattenwärmeübertrager eingeführt. Die Eingangsöffnung mündet in einen ersten Hohlbereich, welcher aus in den Wärmeübertragungsplatten gebildeten Durchbrüchen gebildet ist. Von diesem ersten Hohlbereich aus verteilt sich das erste Fluid auf durch die Zwischenräume ausgebildete erste Strömungskanäle. Die ersten Strömungskanäle münden wiederum in einen weiteren Hohlbereich, der ebenfalls aus in den Wärmeübertragungsplatten gebildeten Durchbrüchen gebildet ist. Dieser weitere Hohlbereich führt zu einer Ausgangsöffnung, aus der das erste Fluid wieder aus dem Plattenwärmeübertrager austritt. Entsprechend verläuft die Strömung des zweiten Fluids durch einen zweiten Hohlbereich über mittels der Zwischenräume zwischen den ersten Strömungskanälen gebildete zweite Strömungskanäle.
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Es kann nun vorkommen, dass die Übertragung von Wärme zwischen den beiden Fluiden nicht über alle Wärmeübertragungsplatten hinweg gleichmäßig erfolgt. Mit anderen Worten kommt es regelmäßig vor, dass die Wärmemenge, welche zwischen dem ersten und dem zweiten Fluid ausgetauscht wird, in einem ersten Bereich nahe von Endplatten des Plattenwärmeübertragers eine andere ist, als in einem zweiten Bereich nahe der Mitte des Plattenwärmeübertragers. Wenn mittels des Plattenwärmeübertrager ein Verdampfen des ersten Fluides erzielt werden soll, dann kann das beispielsweise dazu führen, dass das erste Fluid in der Mehrheit der ersten Strömungskanäle tatsächlich wie gewünscht verdampft, also in die Gasphase übergeht, aber in einigen der ersten Strömungskanäle zumindest nicht vollständig verdampft, sondern in flüssiger Form durch die Ausgangsöffnung austritt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Plattenwärmeübertragervorrichtung bereitzustellen, bei der eine gleichförmigere und effizientere Wärmeübertragung stattfindet.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch einen Plattenwärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Die Erfindung beruht auf der Überlegung, einen Plattenwärmeübertrager mit den eingangs beschriebenen Merkmalen derart zu modifizieren, dass in dem Plattenstapel zwei Plattenwärmeübertrager ausgebildet sind, welche miteinander in Reihe verbunden sind. Dies bedeutet, dass zumindest das erste Fluid nach dem Durchströmen der ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers in erste Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers einströmt, ohne den Plattenstapel zu verlassen. Dass die beiden Plattenwärmeübertrager bezüglich des ersten Fluides in Reihe verbunden sind bedeutet, dass der erste Plattenwärmeübertrager einen Ausgang für das erste Fluid aufweist, in den die ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers münden. Dieser Ausgang ist dann mit einem Eingang für das erste Fluid verbunden, in welchen wiederum die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers münden.
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Die Zusammenschaltung zweier Plattenwärmeübertrager in Reihe führt dazu, dass der Anteil des ersten Fluides, welches im oben beschriebenen Beispiel beim Durchströmen des ersten Plattenwärmeübertragers nicht verdampft ist, im zweiten Plattenwärmeübertrager die Möglichkeit hat, dies nachzuholen, um eine vollständige Verdampfung des ersten Fluides zu erreichen. Die Ausbildung des ersten und des zweiten Plattenwärmeübertragers ist ausschließlich über die Profilierung und entsprechende Anordnung der Wärmeübertragungsplatten übereinander bewerkstelligt. Die Reihenschaltung zweier Plattenwärmeübertrager in einer Plattenwärmeübertragervorrichtung, welche in einem einzelnen Plattenstapel verwirklicht ist, hat den Vorteil, dass Anschlüsse aus dem Plattenstapel heraus und wieder zu einem zweiten Plattenstapel vermieden werden und trotzdem die Strömungsrichtung erhalten bleibt. Damit entfallen die hiermit einhergehenden zusätzlichen Dichtungsvorkehrungen. Insgesamt erhöht sich die Verlässlichkeit der Plattenwärmeübertragervorrichtung, und die Kosten, insbesondere für den Montageaufwand beim Herstellen der Verbindungen, werden verringert.
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Vorzugsweise wird zumindest das erste Fluid beim Übertritt vom ersten Plattenwärmeübertrager zum zweiten Plattenwärmeübertrager gemischt und neu auf die Plattenspalte verteilt. Insbesondere ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass zwischen dem ersten Plattenwärmeübertrager und dem zweiten Plattenwärmeübertrager ein Hohlraum angeordnet ist, in welchen die ersten Strömungskanäle derart münden, dass das die ersten Strömungskanäle durchströmende erste Fluid nach dem Austritt aus dem ersten Plattenwärmeübertrager und vor dem Eintritt in den zweiten Plattenwärmeübertrager durchmischt wird. Ein derartiger Hohlraum kann insbesondere aus Durchbrüchen bzw. Löchern gebildet sein, welche jeweils in den Wärmeübertragungsplatten gebildet sind.
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Nach dem Austritt aus dem Hohlraum kann das erste Fluid in die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers neu verteilt werden. Dieses Zwischen-Durchmischen der Teilmengen des ersten Fluides beim Übergang vom ersten in den zweiten Plattenwärmeübertrager hat den Vorteil, dass ungleichmäßige Wärmeübertragungen über die ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers hinweg nachträglich ausgeglichen werden können. Wenn beispielsweise das erste Fluid verdampft werden soll, dies jedoch innerhalb von einem oder wenigen der ersten Strömungskanäle nicht vollständig erfolgt ist, dann wird die sich in diesen ersten Strömungskanälen befindende Flüssigkeit im Hohlraum mit der bereits verdampften Teilmenge des ersten Fluides durchmischt und auf mehrere oder auf alle ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers verteilt. Dort kann dann die vollständige Verdampfung effizienter stattfinden.
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Entlang der Randbereiche des Hohlraums sind vorzugsweise Überlauföffnungen oder Überlaufschlitze gebildet, durch welche das erste Fluid erst dann in die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers fließen kann, wenn im Hohlraum eine bestimmte Füllhöhe erreicht bzw. überschritten wird. Hierdurch wird eine gleichmäßige Aufteilung des Fluidstromes in die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers erreicht.
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Bei dieser Ausführungsform ist also eine Überlauföffnung derart zwischen dem Hohlraum und jedem der ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers ausgebildet, dass bei einer betriebsgemäßen Orientierung des Plattenstapels das erste Fluid nur dann aus dem Hohlraum in die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers einströmt, wenn eine vorbestimmte Füllhöhe des ersten Fluides in dem Hohlraum erreicht oder überschritten ist. Dies führt dazu, dass eine Gleichverteilung des Fluides erreicht wird. Bei der betriebsgemäßen Orientierung des Plattenstapels sind die Wärmeübertragungsplatten vorzugsweise vertikal ausgerichtet.
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Der Hohlraum setzt sich vorzugsweise aus in jeder Wärmeübertragungsplatte gebildeten Hohlraumöffnungen zusammen. Die Hohlraumöffnung ist also ein Plattendurchbruch in jeder Wärmeübertragungsplatte und ist vorzugsweise kreisförmig oder oval ausgebildet. Benachbart zu der Hohlraumöffnung weist jede Wärmeübertragungsplatte abwechselnd entweder einen Wellenberg oder ein Wellental auf, welche zusammen im Plattenstapel eine Trennwand bilden. Die Überlauföffnung kann als Öffnung in dieser Trennwand ausgebildet sein. Hierzu weist das zugehörige Wellental einen ersten Öffnungsrand und der zugehörige, angrenzende Wellenberg einen zweiten Öffnungsrand auf. Diese beiden Öffnungsränder können aufgrund der senkrechten Orientierung der Wärmeübertragungsplatte als linker und rechter Öffnungsrand bezeichnet werden, welche zusammen die Überlauföffnung bilden.
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In betriebsgemäßer Orientierung des Plattenstapels bildet ein Abstand zwischen einem unterer Rand der Überlauföffnung und einem unteren Rand des Hohlraumes oder der Hohlraumöffnung eine Stauhöhe. Wenn diese Stauhöhe durch das sich in dem Hohlraum befindende Fluid überschritten wird, dann findet ein Überlauf in die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers statt. Da bei vorzugsweiser Orientierung des Stapels alle Überläufe auf der gleichen Höhe sind, tritt in jeden Plattenspalt die gleiche Fluidmenge ein.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der erste Plattenwärmeübertrager und der zweite Plattenwärmeübertrager mittels einer Trennwand voneinander getrennt sind, welche aus paarweise aufeinanderliegenden Profilbergen im Plattenstapel benachbarter Wärmeübertragungsplatten gebildet ist. Die aufeinanderliegenden Profilberge sind vorzugsweise miteinander verlötet, verklebt oder verschweißt oder anderswie miteinander permanent verbunden. Die aufeinander liegenden Profilberge trennen jeweils die ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers von den ersten Strömungskanälen des zweiten Plattenwärmeübertragers. Wenn also zwischen zwei Wärmeübertragungsplatten ein Strömungskanal des ersten Plattenwärmeübertragers und ein Strömungskanal des zweiten Plattenwärmeübertragers gebildet sind, dann werden mittels einer Trennwand diese beiden Strömungskanäle voneinander getrennt. Das bedeutete jedoch nicht, dass das erste Fluid nicht vom ersten Plattenwärmeübertrager in den zweiten Plattenwärmeübertragers strömen kann. Wenn zwischen den beiden Plattenwärmeübertragern ein Hohlraum angeordnet ist, dann zwingt die Trennwand das Fluid aus dem ersten Plattenwärmeübertrager durch den Hohlraum, bevor es in den zweiten Plattenwärmeübertrager strömen kann. Die Trennwand bildet vorzugsweise einen Teil der Begrenzung bzw. der Umwandung des Hohlraums.
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Die Wärmeübertragungsplatten des Plattenstapels sind vorzugsweise aus einem Metallblech gepresst und/oder gestanzt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungsplatten des Plattenstapels identisch ausgebildet sind. Dies vereinfacht die Produktion und spart Kosten. Vorzugsweise ist dann jede zweite Wärmeübertragungsplatte in dem Plattenstapel gegenüber den benachbarten Wärmeübertragungsplatten in der Plattenebene um 180° gedreht. Alternativ kann der Plattenstapel aus zwei unterschiedlich ausgebildeten Wärmeübertragungsplatten zusammengesetzt sein, welche abwechselnd aufeinander angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungsplatten jeweils mit schräg zu einer Längsachse verlaufenden Wellenbergen und Wellentälern profiliert sind. Die Wellenberge und Wellentäler verlaufen vorzugsweise in einem Winkel zwischen 25° und 80°, bevorzugt zwischen 30° und 65°, zu einer Längsachse der Wärmeübertragungsplatten, welche parallel zu einem langen Rand der Wärmeübertragungsplatten verläuft. Vorteilhafterweise sind die Wärmeübertragungsplatten entlang der Längsachse im Wesentlichen spiegelsymmetrisch profiliert. Wenn die Wärmeübertragungsplatten dann abwechselnd um 180° in der Plattenebene gedreht aufeinander angeordnet werden, kommen an Kreuzungspunkten die Wellentäler einer Wärmeübertragungsplatte auf den Wellenbergen einer benachbarten Wärmeübertragungsplatte zu liegen und können dort verlötet werden.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Wärmeübertragungsplatten derart profiliert sind, dass der Plattenstapel einen dritten Plattenwärmeübertrager aufweist. Es können mittels geeigneter Profilstrukturen der Wärmeübertragungsplatten auch ein vierter und gegebenenfalls weitere Plattenwärmeübertrager in dem Plattenstapel gebildet sein. Der dritte und gegebenenfalls die weiteren Plattenwärmeübertrager sind vorzugsweise mit weiteren Trennwänden von dem ersten und dem zweiten Plattenwärmeübertrager getrennt. Es sind also in dieser Ausführungsform drei oder mehr Plattenwärmeübertrager in einem einzigen Plattenstapel integriert. Während der erste und der zweite Plattenwärmeübertrager bezüglich des ersten Fluides miteinander in Reihe verbunden sind, können der zweite und der dritte Plattenwärmeübertrager beispielsweise bezüglich des zweiten oder eines dritten Fluides miteinander in Reihe verbunden sein. Es können jedoch auch alle Plattenwärmeübertrager im Plattenstapel bezüglich des ersten Fluides und/oder bezüglich des zweiten Fluides miteinander in Reihe verbunden sein.
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Mittels einer Plattenwärmeübertragervorrichtung, bei der mehrere Plattenwärmeübertrager in einem einzigen Plattenstapel integriert sind, kann ein Fluidkreis verwirklicht werden, ohne zusätzliche eigenständige Plattenwärmeübertrager einsetzten zu müssen. Die benötigte Anzahl an externen Anschlüssen und Leitungen wird hierdurch verringert. Die Plattenwärmeübertrager im Plattenstapel können als Heizvorrichtung, insbesondere als Verdampfer, als Kondensatorvorrichtung und/oder als Rekuperator dienen. Jede dieser Komponenten kann zweistufig oder mehrstufig ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Plattenwärmeübertragervorrichtung als eine einzelne solche Komponente, also nur als ein zwei- oder mehrstufiger Verdampfer, Kondensator, Rekuperator, Absorber oder Generator ausgebildet und in einem Fluidkreis eingesetzt ist.
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Dementsprechend wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung eine Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme vorgeschlagen. Die Abwärme kann insbesondere von einer Wärmekraftmaschine zugeführt werden. Die Vorrichtung weist einen Fluidkreis mit einer Pumpe, einer Heizvorrichtung, einer Expansionsvorrichtung und einer Kondensatorvorrichtung auf. Der Fluidkreis ist vorzugsweise ein Clausius-Rankine-Kreis. Insbesondere kann es sich um einen organischen Rankine-Kreis (ORC – Organic Rankine Cycle) handeln. Die Heizvorrichtung und/oder die Kondensatorvorrichtung sind mittels eines oder zwei der Plattenwärmeübertrager der Plattenwärmeübertragervorrichtung verwirklicht. Die Vorrichtung ist zweckmäßigerweise Teil eines Kraftwerks, insbesondere eines Kohlekraftwerks, eines Kernkraftwerks, eines Gaskraftwerks und/oder eines Dampfkraftwerks oder Teil einer Anlage zur Abwärmenutzung, einer Verbrennungs- oder Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlag.
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Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass der Fluidkreis zusätzlich einen Rekuperator aufweist, welcher durch einen der Plattenwärmeübertrager verwirklicht ist. Der Rekuperator ist vorzugsweise zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator angeordnet. In dem Plattenstapel ist der Rekuperator vorzugsweise bezüglich des ersten Fluides mit dem Verdampfer in Reihe verbunden und/oder bezüglich des zweiten Fluides mit dem Kondensator in Reihe verbunden.
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Die Bezeichnung „Fluid“ kann sowohl flüssige, als auch gasförmige Medien oder Gemische hiervon umfassen. Insbesondere können das erste, das zweite und/oder das dritte Fluid aus einem organischen Material sein.
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Neben der Reihenschaltung zweier Plattenwärmeübertrager bezüglich des ersten Fluides, kann es zweckmäßig sein, dass die beiden Plattenwärmeübertrager gemäß des zweiten Fluides in Reihe oder parallel geschaltet sind. Letzteres bedeutet, dass während das erste Fluid zuerst den ersten Plattenwärmeübertrager und danach den zweiten Plattenwärmeübertrager durchströmt, der Strom des zweiten Fluides in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen einer den ersten Plattenwärmeübertrager und der andere den zweiten Plattenwärmeübertrager durchströmt.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung kann die Trennwand so ausgebildet werden, dass sie nur die Plattenspalte eines Fluidstroms sperrt und den anderen Fluidstrom passieren lässt. Mit anderen Worten, wird in dem Plattenstapel nur jeder zweite Plattenzwischenspalt zwischen jeweils zwei aufeinander liegenden Wärmeübertragungsplatten durch die Trennwand voneinander getrennt. Es handelt sich in diesem Fall also nicht um eine durchgehende Trennwand, wenngleich eine durchgehende Trennwand eine vorteilhafte Ausführungsform darstellt.
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Bei Vorhandensein eines dritten und eventuelle weiterer Plattenwärmeübertrager kann es zweckmäßig sein, wenn der zweite und der dritte Plattenwärmeübertrager bezüglich eines dritten Fluides miteinander parallel oder in Reihe verbunden sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
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1 schematisch eine Draufsicht auf zwei Wärmeübertragungsplatten, welche in einem Plattenstapel aufeinander zu liegen kommen, um eine Plattenwärmeübertragervorrichtung mit zwei in Reihe verbundenen Plattenwärmeübertragern zu bilden;
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2 schematisch eine Draufsicht auf zwei Wärmeübertragungsplatten, welche in einem Plattenstapel aufeinander zu liegen kommen, um eine Plattenwärmeübertragervorrichtung mit vier in Reihe verbundenen Plattenwärmeübertragern zu bilden;
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3 eine schematische Explosionszeichnung einer Plattenwärmeübertragervorrichtung mit drei Plattenwärmeübertragern, wobei zur Veranschaulichung nur drei Wärmeübertragungsplatten dargestellt sind; und
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4 die Plattenwärmeübertragervorrichtung in einem Prozessdiagramm zur Veranschaulichung eines Fluidprozesses.
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5a–5c aufeinander liegende Wärmeübertragungsplatten, welche eine Überlauföffnung für einen Hohlraum gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bilden;
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6a–6c aufeinander liegende Wärmeübertragungsplatten, welche eine Überlauföffnung für einen Hohlraum gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bilden;
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7 eine schematische Explosionszeichnung einer Plattenwärmeübertragervorrichtung mit zwei Plattenwärmeübertragern, bei denen die Trennwand den einen Fluidstrom zum Hohlraum leitet, durch den er in den zweiten Plattenwärmeübertrager eintritt, während das zweite Fluid durch die in diesem Plattenkanal durchlässige Trennwand von einem in den anderen Plattenwärmeübertrager strömen kann; und
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8 eine schematische Explosionszeichnung einer alternativen Plattenwärmeübertragervorrichtung mit zwei Plattenwärmeübertragern, welche bezüglich eines Fluides in Reihe verbunden sind.
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In der 1 werden zwei Wärmeübertragungsplatten 2 schematisch dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine erste Wärmeübertragungsplatte 21 und eine zweite Wärmeübertragungsplatte 22, welche unterschiedlich ausgebildet sind. Die Wärmeübertragungsplatten 2 weisen Profilierungen auf, welche als zueinander parallel und schräg zu einer Längsachse 25 verlaufenden Wellenbergen 7 und dazwischen liegenden Wellentälern 8 ausgebildet sind. Die Wellenberge 7 und Wellentäler 8 verlaufen spiegelsymmetrisch zur Längsachse. Die beiden Wärmeübertragungsplatten 2 müssen aufeinander angeordnet werden, um zwischen ihnen Strömungskanäle auszubilden. Hierbei berühren sich die Wellenberge 7 einer der Wärmeübertragungsplatten 2 und die Wellentäler 8 der anderen der Wärmeübertragungsplatten 2 an Kreuzungspunkten, an denen die Wärmeübertragungsplatten 2 verlötet werden. In einem Plattenstapel (hier nicht dargestellt) werden erste Wärmeübertragungsplatten 21 und zweite Wärmeübertragungsplatten 22 abwechselnd aufeinander gestapelt, sodass sich zwischen den Wärmeübertragungsplatten 2 abwechselnd erste und zweite Strömungskanäle ausbilden.
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An den kurzen Enden der Wärmeübertragungsplatten 2 sind jeweils zwei Durchbrüche dargestellt, die sich im Plattenstapel zu Eingangs- und Ausgangsöffnungen für Fluide zusammensetzen. Durch eine erste Eingangsöffnung 241 kann dann ein erstes Fluid in die Plattenwärmeübertragervorrichtung einströmen, durch erste Strömungskanäle strömen und durch eine erste Ausgangsöffnung 242 die Plattenwärmeübertragervorrichtung wieder verlassen. Dementsprechend kann ein zweites Fluid durch eine zweite Eingangsöffnung 261 in die Plattenwärmeübertragervorrichtung einströmen, durch zweite Strömungskanäle in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Fluid strömen und durch eine zweite Ausgangsöffnung 262 die Plattenwärmeübertragervorrichtung wieder verlassen. Das erste und das zweite Fluid strömen also im Gegenstrom.
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Entlang der Längsachse 25 etwa mittig angeordnet, verläuft auf jeder Wärmeübertragungsplatte 21, 22 quer zur Längsachse 25 eine Profilierung 5, welche sich im gesamten Plattenstapel zu einer Trennwand 5 zusammensetzt. Die Trennwand 5 trennt den Plattenstapel in einen ersten Plattenwärmeübertrager 11 und einen zweiten Plattenwärmeübertrager 12. In jedem Zwischenraum zwischen der ersten Wärmeübertragungsplatte 21 und der zweiten Wärmeübertragungsplatte 22 werden hierbei die (ersten oder zweiten) Strömungskanäle in (erste oder zweite) Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11 und (erste oder zweite) Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 getrennt.
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In den Wärmeübertragungsplatten 2 sind zudem zwei weitere Durchbrüche gebildet, welche sich im Plattenstapel zu Hohlräumen 6 zusammensetzen. Die ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11 und des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 münden in einem ersten Hohlraum 61 auf einer Seite der Trennwand 5. Das bedeutet, der erste Hohlraum verbindet die ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11 mit den ersten Strömungskanälen des zweiten Plattenwärmeübertragers 12. Das erste Fluid tritt also nach dem Durchströmen der ersten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11 in den ersten Hohlraum 61 ein und verteilt sich von dort aus auf die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers 12.
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Auf der anderen Seite der Trennwand 5 ist ein zweiter Hohlraum 62 angeordnet, in welchen die zweiten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11 und des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 münden. Der zweite Hohlraum verbindet also die zweiten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11 mit den zweiten Strömungskanälen des zweiten Plattenwärmeübertragers 12. Das zweite Fluid tritt nach dem Durchströmen der zweiten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 in den zweiten Hohlraum 62 ein und verteilt sich von dort aus auf die zweiten Strömungskanäle des ersten Plattenwärmeübertragers 11.
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Der erste Hohlraum 61 dient dazu, das erste Fluid zu sammeln und in den zweiten Plattenwärmeübertrager 12 neu zu verteilen, so dass eine homogenere Verteilung des ersten Fluides auf die ersten Strömungskanäle des zweiten Plattenwärmeübertrager 12 erfolgt. Entsprechend dient der zweite Hohlraum 62 dazu, das zweite Fluid zu sammeln und in den ersten Plattenwärmeübertrager 11 neu zu verteilen. Eine aus einer Mehrzahl an Paaren an Wärmeübertragungsplatten 2 gemäß 1 zusammengesetzte Plattenwärmeübertragervorrichtung weist also zwei Plattenwärmeübertrager 11, 12 auf, welche bezüglich des ersten und des zweiten Fluides in Reihe geschaltete sind.
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2 zeigt schematisch zwei Wärmeübertragungsplatten 2 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Wie die beiden Wärmeübertragungsplatten 2 aus der 1, sind auch mehrere Paare dieser Wärmeübertragungsplatten 2 abwechselnd zu einem Plattenstapel aufeinander zu setzen, um eine Plattenwärmeübertragervorrichtung zu bilden. Während die aus den in 1 gezeigten Wärmeübertragungsplatten 2 zusammensetzbare Plattenwärmeübertragervorrichtung zwei in Reihe verbundene Plattenwärmeübertrager 11, 12 aufweist, wird die Plattenwärmeübertragervorrichtung, welche aus den in 2 gezeigten Wärmeübertragungsplatten 2 zusammengesetzt wird, vier Plattenwärmeübertrager 11, 12, 13, 14 aufweisen. Die Wellenberge und Wellentäler der profilierten Wärmeübertragungsplatten 2 werden in der 2 nicht dargestellt.
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Ein erstes Fluid kann dann über die erste Eingangsöffnung 241 in den ersten Plattenwärmeübertrager 11 eintreten. Es wird nach dem Durchströmen des ersten Plattenwärmeübertragers 11 in einem der ersten Hohlräume 61 gesammelt und in den zweiten Plattenwärmeübertrager 12 neu verteilt. Nach dem Durchströmen des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 wird das Fluid in einem weiteren ersten Hohlraum 61 gesammelt und in einen dritten Plattenwärmeübertrager 13 neu verteilt. Schließlich erreicht das Fluid über einen weiteren Hohlraum 61 einen vierten Plattenwärmeübertrager 14, nach dessen Durchströmen es die Plattenwärmeübertragervorrichtung über die erste Ausgangsöffnung 242 verlässt. Entsprechend durchströmt das zweite Fluid die Plattenwärmeübertragervorrichtung in entgegengesetzter Strömungsrichtung zum ersten Fluid durch den vierten 14, dritten 13, zweiten 12 und ersten Plattenwärmeübertrager 11 und jeweils über die zweiten Hohlräume 62.
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In der 3 werden schematisch drei Wärmeübertragungsplatten 2 teilweise überlappend dargestellt, um ein Aufeinanderstapeln dieser Wärmeübertragungsplatten 2 zu einem Plattenstapel anzudeuten. Der Übersicht halber sind keine weiteren Wärmeübertragungsplatten 2 dargestellt, wenngleich eine Plattenwärmeübertragervorrichtung natürlich aus einer Vielzahl an abwechselnd aufeinander angeordneten ersten Wärmeübertragungsplatten 21 und zweiten Wärmeübertragungsplatten 22 gebildet wird. Eine in 3 dargestellte dritte Wärmeübertragungsplatte 23 ist identisch zu der ersten Wärmeübertragungsplatte 21 aufgebaut und orientiert. Auch in der 3, wie nachfolgend auch in der 4, werden die noch in der 1 angedeuteten Wellenberge und Wellentäler nicht dargestellt. Die erste Wärmeübertragungsplatte 21 und die zweite Wärmeübertragungsplatte 22 können identisch profiliert und lediglich um 180° in der Plattenebene gegeneinander gedreht sein.
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Die in 3 veranschaulichte Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 weist einen ersten Plattenwärmeübertrager 11, einen zweiten Plattenwärmeübertrager 12 und einen dritten Plattenwärmeübertrager 13 auf. Mittels Pfeilen sind die Strömungen unterschiedlicher Fluide 41, 42, 43, 44 in den Zwischenräumen zwischen den Wärmeübertragungsplatten 2 veranschaulicht. Durch eine erste Eingangsöffnung 241 tritt das erste Fluid 41 in den zweiten Plattenwärmeübertrager 12 ein. Dort strömt es zu einem ersten Hohlraum 61. In dem ersten Hohlraum 61 wird das erste Fluid durchmischt und auf erste Strömungskanäle 31 des ersten Plattenwärmeübertragers 11 verteilt, die zwischen der ersten Wärmeübertragungsplatte 21 und der zweiten Wärmeübertragungsplatte 22, und entsprechend zwischen der dritten Wärmeübertragungsplatte 23 und einer weiteren, hier nicht mehr dargestellten Wärmeübertragungsplatte des Plattenstapels ausgebildet sind. Der erste Plattenwärmeübertrager 11 und der zweite Plattenwärmeübertrager 12 sind also bezüglich des ersten Fluides 41 in Reihe verbunden. Durch eine erste Ausgangsöffnung 242 verlässt das erste Fluid 41 wieder die Plattenwärmeübertragervorrichtung 1.
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Ein zweites Fluid 42 tritt durch eine zweite Eingangsöffnung 261 in den ersten Plattenwärmeübertrager 11 und durchströmt zweite Strömungskanäle 32, bevor es durch eine zweite Ausgangsöffnung 262 wieder aus dem Plattenwärmeübertrager 11 und aus der Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 insgesamt austritt. Dabei wird zwischen dem ersten Fluid 41 und dem zweiten Fluid 42 in dem ersten Plattenwärmeübertrager Wärme ausgetauscht. Eine Trennwand 5 trennt den ersten Plattenwärmeübertrager 11 von dem zweiten Plattenwärmeübertrager 12 so, dass diese bezüglich des zweiten Fluides 42 nicht in Reihe verbunden sind. Stattdessen strömt durch die zweiten Strömungskanäle 32, also auf der gleichen Ebene zwischen der ersten Wärmeübertragungsplatte 21 und der zweiten Wärmeübertragungsplatte 22 wie das zweite Fluid 42, im Bereich des zweiten Plattenwärmeübertrager 12 ein drittes Fluid 43, welches durch eine dritte Eingangsöffnung 271 ein- und durch eine dritte Ausgangsöffnung 272 austritt. Das dritte Fluid 43 strömt über einen zweiten Hohlraum 43 von dem zweiten Plattenwärmeübertrager 12 in den dritten Plattenwärmeübertrager 13. Diese beiden Plattenwärmeübertrager 12, 13 sind also bezüglich des dritten Fluides 43 in Reihe geschaltet. In den zweiten Plattenwärmeübertrager 12 erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid 41 und dem dritten Fluid 43.
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Schließlich weist der dritte Plattenwärmeübertrager 13 eine vierte Eingangsöffnung 281 und eine vierte Ausgangsöffnung 282 auf, durch die ein viertes Fluid 44 ein- und wieder austritt. In dem dritten Plattenwärmeübertrager 13 findet ein Wärmeaustausch zwischen diesem vierten Fluid 44 und dem dritten Fluid 43 statt.
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In der 4 wird die Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 aus der 3 schematisch in einem Fluidkreis 100 dargestellt. Es handelt sich insbesondere um einen Clausius-Rankine-Kreis mit einer Pumpe 110 und einer Expansionsvorrichtung 130. Bei der Expansionsvorrichtung 130 handelt es sich speziell um eine Turbine. Die anderen Komponenten des Fluidkreises 100 werden durch die drei Plattenwärmeübertrager 11, 12, 13 der Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 verwirklicht. Der erste Plattenwärmeübertrager 11 dient als Heizvorrichtung 120, während der zweite Plattenwärmeübertrager 12 als Rekuperator 150 und der dritte Plattenwärmeübertrager 13 als Kondensatorvorrichtung 140 fungieren.
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Das Kreislauffluid wird mittels der Pumpe 110 in die erste Eingangsöffnung 241 eingeführt, von wo es als erstes Fluid 41 den Rekuperator 150 und anschließend, ohne den Plattenstapel zu verlassen, die Heizvorrichtung 120 durchströmt. Durch die erste Ausgangsöffnung 242 verlässt das Kreislauffluid die Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 und passiert die Expansionsvorrichtung 130. Daraufhin tritt es durch die dritte Eingangsöffnung 271 wieder in den Rekuperator 150, diesmal als drittes Fluid 43 im zweiten Plattenwärmeübertrager 12. Von dort strömt das Kreislauffluid ohne den Plattenstapel zu verlassen durch die Kondensatorvorrichtung 140 und durch die dritte Ausgangsöffnung 272 aus der Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 wieder raus und zur Pumpe 110, von wo aus der Kreislauf von neuem beginnt.
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Für den Betrieb der Heizvorrichtung 120 muss ein Heizfluid als zweites Fluid 42 über die zweite Eingangsöffnung 261 in den ersten Plattenwärmeübertrager 11 eingebracht und über die zweite Ausgangsöffnung 262 wieder entnommen werden. Ebenso bedarf es eines zusätzlichen Kühlmittels, welches als viertes Fluid 44 durch die vierte Eingangsöffnung 281 in den dritten Plattenwärmeübertrager 13 eingeführt und durch die vierte Ausgangsöffnung 282 wieder entnommen wird, um die Kondensatorvorrichtung 140 zu betreiben.
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Die Integration der drei Komponenten, nämlich der Heizvorrichtung 120, der Kondensatorvorrichtung 140 und des Rekuperators 150 in einem Plattenstapel der Plattenwärmeübertragervorrichtung 1 hat vielerlei Vorteile. Gegenüber einer Realisierung des Fluidkreises mit separaten Komponenten entfallen Bauteile, welche für die Ausleitung, Umlenkung und wieder Einleitung des Kreislauffluids zwischen den Komponenten notwendig wären. Zudem wird der Montageaufwand verringert. Darüber hinaus wird der für die Umsetzung notwendige Bauraum verringert.
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Die 5 und 6 zeigen im Detail den Aufbau unterschiedlich großer Überlauföffnungen 9. Während in den 5a bis 5c eine kleine Überlauföffnung 9 veranschaulicht wird, ist die in den 6a bis 6c gezeigte Überlauföffnung 9 wesentlich größer.
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Die 5a zeigt einen Detailausschnitt einer ersten Wärmeübertragungsplatte 21. Der Verlauf eines Wellenbergs 7 auf der ersten Wärmeübertragungsplatte 21 wird mittels gestrichelter Linien dargestellt, während ein Wellental 8 mittels zweier durchgezogener Linien dargestellt ist. Andere Wellenberge und Wellentäler, insbesondere jene, die für das Bilden der Strömungskanäle verantwortlich sind, werden in den 5 und 6 der Übersicht halber nicht dargestellt. Die erste Wärmeübertragungsplatte 21 weist eine Bohrung, nämlich eine Hohlraumöffnung 611 auf. Die 5b zeigt einen zu dem Detailausschnitt der 5a gehörenden Detailausschnitt einer zweiten Wärmeübertragungsplatte 22. Auch hier sind der Wellenberg 7 mittels gestrichelter Linien und der Wellental 8 mittels durchgezogener Linien dargestellt.
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In dem Wellental 8 der ersten Wärmeübertragungsplatte 21 und in dem Wellenberg 7 der zweiten Wärmeübertragungsplatte 22 ist jeweils eine Ausnehmung gebildet, welche sich zusammen zu einer Überlauföffnung 9 zusammenfügen, wenn die beiden Wärmeübertragungsplatten 21, 22 aufeinander gelegt und miteinander verbunden werden. An der Überlauföffnung 9 bilden also das Wellental 8 einen linken Öffnungsrand 92 und der Wellenberg 7 einen rechten Öffnungsrand 93, während Wellenberg 7 und Wellental 8 zusammen die Trennwand 5 bilden, welches den Hohlraum 6 teilweise begrenzt.
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Die 6a, 6b und 6c zeigen analog zu den 5a, 5b und 5c Wärmeübertragungsplatten 21, 22, die jedoch so profiliert sind, dass die Überlauföffnung 9 hier größer ist. In beiden Fällen ist die Stauhöhe 91 die gleiche. Das bedeutet, der untere Rand der Hohlraumöffnung 611 und der untere Rand der Überlauföffnung 9 weisen in beiden Fällen gemäß 5c und 6c den gleichen Abstand auf. Es ist zu beachten, dass bei allen sechs 5a bis 6c die Stauhöhe 91 bei betriebsgemäßer Orientierung des Plattenstapels den untersten Randpunkt der Überlauföffnung 9 bildet und die in den Figuren eingezeichnete Linie 91 parallel zur Erdoberfläche verläuft.
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7 zeigt eine schematische Explosionszeichnung, ähnlich wie bereits in der 3 eingesetzt. Es werden auch hier lediglich drei Wärmeübertragungsplatten 21, 22, 23 abgebildet, wobei der Plattenstapel üblicherweise weit mehr Wärmeübertragungsplatten aufweist. Anders als in der 3 wird jedoch in der 7 eine Plattenwärmeübertragervorrichtung mit zwei Plattenwärmeübertragern dargestellt, nämlich mit einem ersten Plattenwärmeübertrager 11 und einem zweiten Plattenwärmeübertrager 12. Das erste Fluid 41 wird durch die erste Eingangsöffnung 241 in die ersten Strömungskanäle 31 des ersten Plattenwärmeübertragers 11 eingeführt. Im ersten Plattenwärmeübertrager 11 findet ein Wärmeaustausch zwischen dem ersten Fluid 41 und dem zweiten Fluid 42 satt, das in den zweiten Strömungskanälen 32 strömt.
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Nach dem Durchströme des ersten Plattenwärmeübertragers 11 mündet das erste Fluid 41 aus allen Plattenzwischenräumen in den Hohlraum 6, der aus in den Wärmeübertragungsplatten 21, 22, 23 geschnittenen Hohlraumöffnungen 611 gebildet ist. Ein Wellenberg 7 in der profilierten ersten Wärmeübertragungsplatte 21 bildet zusammen mit einem Wellental einer hierauf angeordneten Wärmeübertragungsplatte (nicht dargestellt) eine Trennwand zwischen den ersten Strömungskanälen 31 des ersten Plattenwärmeübertragers 11 und den ersten Strömungskanälen 31 des zweiten Plattenwärmeübertragers 12. In dieser Trennwand ist eine Überlauföffnung 9 gebildet. Wenn sich der Hohlraum 6 bis zur Stauhöhe, vorliegend bis etwa zur Hälfte, mit dem ersten Fluid 41 gefüllt hat, dann strömt das erste Fluid 41 durch die Überlauföffnung 9 in die ersten Strömungskanäle 31 des zweiten Plattenwärmeübertragers 12. Es sollte hierbei darauf hingewiesen werden, dass für die korrekte Funktion der Überlauföffnung 9 der Plattenstapel wie in der 7 abgebildet hochkant orientiert sein muss, so dass die Pfeile 41, welche die Strömung des ersten Fluides 41 in den ersten Strömungskanälen 31 darstellen nach unten zur Erde gerichtet sind.
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In dem Hohlraum 6 findet vor dem Durchströmen der Überlauföffnung 9 eine Durchmischung des ersten Fluides 41 aus allen Plattenzwischenräumen statt, so dass das erste Fluid 41 in die ersten Strömungskanäle 31 des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 neu verteilt wird. Das erste Fluid 41 durchströmt dann die ersten Strömungskanäle 31 des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 und tritt durch die erste Ausgangsöffnung 242 aus der Plattenwärmeübertragervorrichtung aus. Die beiden Plattenwärmeübertrager 12 sind bezüglich des ersten Fluides 41 in Reihe geschaltet.
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In entsprechender Weise tritt das zweite Fluid 42 durch eine zweite Eingangsöffnung 261 in den zweiten Plattenwärmeübertrager 12, und durchströmt dort die zweiten Strömungskanäle 32. Für das zweite Fluid 42 ist kein Hohlraum vorgesehen. Stattdessen strömt das zweite Fluid 42 ungehindert von den zweiten Strömungskanälen 32 des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 in die zweiten Strömungskanäle 32 des ersten Plattenwärmeübertragers 11. Aus dem ersten Plattenwärmeübertrager 11 tritt das zweite Fluid 42 durch die zweite Ausgangsöffnung 262 aus. Bezüglich des zweiten Fluides 42 sind die beiden Plattenwärmeübertrager 11, 12 also ebenfalls in Reihe verbunden, allerdings wird das zweite Fluid nicht gemischt und neu verteilt.
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Die 8 zeigt eine schematische Explosionszeichnung einer weiteren Plattenwärmeübertragervorrichtung mit zwei Plattenwärmeübertragern 11, 12.
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Die Plattenwärmeübertragervorrichtung ist hinsichtlich der vom ersten Fluid 41 durchströmten Komponenten, also insbesondere hinsichtlich der ersten Strömungskanäle 31 und des Hohlraumes 6, identisch zu der in 7 dargestellten Plattenwärmeübertragervorrichtung aufgebaut. Ein Unterschied besteht lediglich darin, dass das zweite Fluid 42 nach dem Durchströmen der zweiten Strömungskanäle 32 des zweiten Plattenwärmeübertragers 12 durch die zweite Ausgangsöffnung 262 die Plattenwärmeübertragervorrichtung wieder verlässt, ohne in den ersten Plattenwärmeübertrager 11 zu gelangen. Stattdessen wird ein drittes Fluid 43 durch eine dritte Eingangsöffnung 271 in die zweiten Strömungskanäle 32 des ersten Plattenwärmeübertragers 11 eingeführt, und verlässt diesen durch eine dritte Ausgangsöffnung 272.
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Die zweite Ausgangsöffnung 262 und die dritte Eingangsöffnung 271 befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten einer Trennwand, welche zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsplatten 2 durch einen Wellenberg 7 eines der beiden Wärmeübertragungsplatten 2 und ein Wellental 8 der anderen der Wärmeübertragungsplatten 2 gebildet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Plattenwärmeübertragervorrichtung
- 11, 12, 13, 14
- erster, zweiter, dritter, vierter Plattenwärmeübertrager
- 2
- Wärmeübertragungsplatten
- 21, 22, 23
- erste, zweite, dritte Wärmeübertragungsplatte
- 241
- erste Eingangsöffnung
- 242
- erste Ausgangsöffnung
- 25
- Längsachse
- 261
- zweite Eingangsöffnung
- 262
- zweite Ausgangsöffnung
- 271
- dritte Eingangsöffnung
- 272
- dritte Ausgangsöffnung
- 281
- vierte Eingangsöffnung
- 282
- vierte Ausgangsöffnung
- 31
- erste Strömungskanäle
- 32
- zweite Strömungskanäle
- 41, 42, 43
- erstes, zweites, drittes Fluid
- 5
- Trennwand
- 6, 61
- erster Hohlraum
- 611
- Hohlraumöffnung
- 62
- zweiter Hohlraum
- 7
- Wellenberg
- 8
- Wellental
- 9
- Überlauföffnung
- 91
- Stauhöhe
- 92
- linker Öffnungsrand
- 93
- rechter Öffnungsrand
- 100
- Fluidkreis
- 110
- Pumpe
- 120
- Heizvorrichtung
- 130
- Expansionsvorrichtung
- 140
- Kondensatorvorrichtung
- 150
- Rekuperator
