DE102018006436A1

DE102018006436A1 - Wärmetauscherplatine mit Rechteckprofil und Aufsitzecke

Info

Publication number: DE102018006436A1
Application number: DE102018006436.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-02-13

Abstract

Wärmetauscher aus übereinanderliegenden, mäanderförmig profilierten Wärmetauscherplatinen mit rechteckförmigem Profil, wobei sich die übereinanderliegenden Platinen an Aufsitzecken abstützen können. Das Ineinanderrutschen (insbesondere bei großen Profilhöhen) wird dadurch verhindert.Alternativ kann zur Arretierung der Platinen untereinander in einem gewissen Abstand C bei einem Profilsegment die Profilbreite von B auf B1 erweitert werden. Hierbei wird die Aufsitzbreite um die gleiche Differenz von A auf A1 verkleinert.Weiterhin ist ein (in Strömungsrichtung gesehener) zickzackförmiger Profilverlauf möglich, wobei die Profilstrukturen zueinander synchron, teilweise zueinander versetzt oder kreuzweise übereinanderliegend verlaufen können. Mit den beiden letzteren Varianten wird eine gegenseitige Abstützung erreicht. Der zickzackförmige Verlauf ermöglicht einen verbesserten Wärmeübergang und eine größere Wärmetauschfläche.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatinegemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs.
Aus DE10329153 ist eine Wärmeüberträgerplatine bekannt, deren paralleles Kanalprofil aus Rechteckformen gebildet ist, wobei die Platinen sich an den abgeflachten Schrägen (Rundungen) abstützen.
Bei größeren Profilhöhen ließe sich ein solches Wärmetauscherpaket zwar mit einer geringeren Platinen-Anzahl fertigen - also recht preisgünstig. Der dabei entstehende Nachteil besteht allerding darin, dass sich bei größeren Profilhöhen h die nach oben stehenden Stege (20) recht leicht nach rechts/links (21) bewegen lassen (15b). Außerdem wird bei einer größeren Profilhöhe h auch die Strecklänge beim Tiefziehprozess erhöht, was zum Ausdünnen des Materials (22) führt (15), woraus letztlich eine weitere Instabilität (21) des schlanken Rechteckprofils (20) resultiert. Dadurch wird es leicht möglich, dass die Profile, insbesondere an den abgeflachten Schrägen (23), ineinanderrutschen ( 15c).
Um dies zu vermeiden ist es sinnvoll, wenn man

a) Auflagepunkte vorsieht und
b) zumindest an einigen Punkten Stabilität schafft, die das Ineinanderrutschen der Platinen (1, 2) verhindert.

Dieses Problem lässt sich lösen, wenn

1) sich die Profile an Aufsitzecken (3, 3a, 3b, 3c, 4) gegenseitig abstützen können ( 1 bis 4) und
2) eine Arretierung der Platinen (F, F1, F2) zueinander eine Rechts-/Links-Verschiebung der Platinen verhindert (D1 = 0 bei F in 3 oder bei F1 in 4b oder bei F2 in 1a) oder zumindest soweit begrenzt (D<A und D1 < A1 in 3), dass die Platinen an den Aufsitzpunkten (3, 3a, 3b, 3c) nicht ineinander rutschen.

Diese Rechts- /Links-Verschiebung kann mit Hilfe von vier verschiedenen Maßnahmen erreicht werden.

a) Zunächst, indem die Aufsitzecken (3) bei allen Platinen einseitig (also immer am Profilkopf links oder immer am Profilkopf rechts, wie in 1b) platziert sind. Bei einseitig und wechselseitig platzierten Aufsitzecken (3) (links, rechts, links... wie in 3, 4a) ist eine Arretierung möglich.
b) durch die Maßregel D < A - siehe Aufsitzecke (3a) in 3 und
c) dadurch, dass in einem gewissen Abstand C jeweils bei einem Profilkegel die Profilbreite von B auf B1 vergrößert wird (3, 4a). Hierbei wird die Breite der Aufsitzecke (3b) um die gleiche Differenz von A auf A1 verkleinert. Der Abstand C könnte je nach Kunststoffart und -dicke z. B. bei 3 bis 5 Perioden (P) liegen (4a). Erfolgt die Arretierung (F, F1, F2) an jedem Profilkegel, reduziert sich die Wärmetauschfläche. Die Arretierung (F) ist in 3 und 4a bei wechselseitig platzierten Aufsitzecken und die Arretierung (F2) in 1b bei einseitig platzierte Aufsitzecken dargestellt. Die Aufsitzecke (4) kann auch beidseitig vorgesehen werden (2).
d) Des Weiteren wird eine Arretierung (F1) so erreicht, indem die Profilkante (H) bei jeder zweiten Platine so verschoben wird, dass sich die Profilbreite von B auf B2 verringert bzw. sich die Kopfbreite von K auf K1 vergrößert (4b, 7a). Diese Arretierung (F1) wiederholt sich in einem Abstand (C). Erfolgt die Arretierung (F1) an jedem Profilsegment, reduziert sich die Wärmetauscherfläche geringfügig.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Profils mit Aufsitzecken besteht in der Vergrößerung der Wärmetauscherfläche um 2 bis 19 % (je nach Profilbreite und -höhe) - gegenüber einem Rechteckprofil ohne Aufsitzecke (bezogen auf die gleiche Höhe eines Wärmetauscher-Paketes).
Die Aufsitzecken (3, 3a, 3b, 3c, 4) und die Arretierungen (F, F1, F2) müssen sich nicht über die gesamte Länge des Profils erstrecken, sondern können sich auf einen gewissen Streckenabschnitt L begrenzen, ähnlich wie in 7a abgebildet. Damit wird die Wärmetauschfläche vergrößert, die Turbulenz verstärkt und somit der Wärmeübergang verbessert. Dieselben Effekte werden bei der Aufsitzform (4a, 4b) erreicht. In 7a ist diese Aufsitzform (als ein Ausführungsbeispiel) abgebildet, bei der innerhalb eines gewissen Streckenabschnittes L in der unteren Platine (1) im Bereich des Schnittes A-A ein Aufsitz (4a) bis zur Tiefe (G) eingearbeitet ist.
In die von oben eingesetzte Platine (2) wird ein Stempel (4b) über die Strecke (L) in die senkrechte Profilwandung eingeformt.
Bei der Arretierung (F1) wird (analog zu Anspruch 3) durch die Verschiebung der Profilkante (H) die Kopfbreite von K auf K1 vergrößert, hier aber nur über die Strecke (L). Damit wird eine Rechts-Links-Verschiebung der Aufsitzform (4a, 4b) und damit der Platinen (1, 2) vermieden.
Durch die Abrundung (5) oder Abflachung (5a) (5) der Ecken kann ein besserer Tiefzieh-Erfolg erreicht werden, d. h. Ausdünnen und Löcher im Tiefziehmaterial können weitgehend vermieden werden.
Durch einen (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen (6) oder sinuskurvenähnlichen (7) Verlauf der Profilstruktur (6, 7) lässt sich die Länge des Strömungsfadens und damit die Verweildauer und Wärmetauschdauer erhöhen, was zur Verbesserung der Wärmetauschleistung führt. Die Wärmetauschfläche vergrößert sich durch die Zickzackstruktur (6) um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste (R) im Randbereich (6b) einkalkuliert sind.
Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (6) wird die Wärmeübergangszahla durch Turbulenzen erhöht (6, 8, 9). Dabei können die übereinanderliegenden Profile synchron (9, 10) (8, 10a) oder kreuzweise (11) (9) verlaufen. Beim kreuzweisen Verlauf stützen sich die Profile an Auflagepunkten (11a) ab. Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen (20) (15a) auch der in größerer Profiltiefe befindliche Strömungsbereich E (9) verwirbelt, bewirkt durch die häufige Umlenkung an den Ecken (6, 12) (6, 9, 10).
Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber Profilstrukturen (24), deren Verlauf (in einem bestimmten Winkel α geneigt) quer über die Platine (von rechts nach links - und umgedreht) verlaufen (16 - Stand der Technik - siehe DE29916493 , DE29824920 ). Hier erfolgt an den Kreuzungspunkten (25) zwar eine Vermischung (ein Teil der Strömung „drillt“ in den Strömungskanal der nächsten Etage), aber nicht bis in die Profiltiefe (Bereich E - Totgebiet - 15a) hinein. Dies erfolgt lediglich in der Randzone (R1) (16c) beim Umlenken der Strömung in den benachbarten Strömungskanal.
Der Ein- und Austritt der Strömung in die Profilstruktur bei einem Gegenstrom-Wärmetauscher wird zwar in den o. g. beiden Patenten/Gebrauchsmustern nicht im Einzelnen beschrieben, aber in DD243091 und DE4333904 wird die Strömungsverteilung in die Profilstruktur (Kanalverteiler), wie sie ähnlich bei dem neuartigen Profil verwendet wird, näher erläutert.
Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (15, 17) erreicht werden (11, 12). Die V-förmige Ausbuchtung (15) kann bei allen übereinanderliegenden Platinen synchron verlaufen (14a). Bei den Varianten mit einem Längs- oder Querversatz der V-förmigen (oder U-förmigen) Ausbuchtung (14b bis d) wird außerdem eine gegenseitige Abstützung (18a) der übereinanderliegenden Profile erreicht. Dies kann man auch erzielen, indem nur jede zweite Platine einen solchen Versatz aufweist und die benachbarte Platine an dieser Stelle einen geraden Verlauf (18) nimmt - siehe Kreuzungspunkt (= Auflagefläche (18a)) in 13.
Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei auch bogenförmig (16) ausgeführt sein (U-Form) (11c). Eine gegenseitige Abstützung (12a) der übereinanderliegenden Profile wird auch erreicht, indem bei (sonst synchron (9, 10) verlaufendem) Zickzackprofil in jeder zweiten Ebene der Knickpunkt (12) um eine Periode (P) versetzt wird (10b, c).
Durch die oben beschriebenen gegenseitigen Abstützungen (11a, 12a, 18a) ist es möglich, dass die Aufsitzecken (3, 3a, 3b, 3c, 4) entfallen können.
In der Gebrauchsmusterschrift DE202005009948U1 wird ein Kanalprofil mit Rechteckstruktur beschrieben, das in Strömungsrichtung eine Wellenform beschreibt, hier aber nicht die Kanalprofile übereinander liegen, sondern durch glatte Platten (Zwischenlagen) getrennt werden und somit aufeinander stehen. Diese Zwischenlage liegt zu 50 % auf dem Kanalprofil glatt auf, was den Wärmefluss hindert und Materialverschwendung (Kostenfaktor!) bedeutet.
Bezugszeichenliste

1: Wärmetauscher-Platine mit Rechteckprofil - übereinanderliegend (1, 9, 13, 14)
2: Wärmetauscher-Platine mit Rechteckprofil - übereinanderliegend (1, 9, 13, 14)
2', 2a = 1: Wärmetauscher-Platine mit Rechteckprofil - übereinanderliegend (13, 14c)
3: Aufsitzecke (1)
3a: größere Aufsitzecke außerhalb des Arretierungspunktes (F) (3)
3b: kleinere Aufsitzecke am Arretierungspunkt (F) (3)
3c: Aufsitzecke (4b)
4: Aufsitzecke - beidseitig (2)
4a: Aufsitz bei der Aufsitzform über die Strecke L (7a)
4b: Stempel bei der Aufsitzform über die Strecke L, in die senkrechte Profilwandung nach innen ragend geformt (7a)
5: Abrundung an Ecken (5a, b)
5a: Abflachung an Ecken (5c)
6: zickzackförmiger (-ähnlicher) Verlauf der Profilstruktur (6a, 8, 9)
7: sinuskurvenähnlicher Verlauf der Profilstruktur (7)
8: normale Ecke (keine Aufsitzecke) bei Rechteck-Profil (6, 8, 9)
9, 10: synchron verlaufendes Profil bei den übereinanderliegenden Platinen (8) - verschiedene Profile möglich, z. B. wie in 1a bis 5
11: kreuzförmig verlaufendes Profil bei den übereinanderliegenden Platinen (9) -verschiedene Profile möglich, z. B. wie in 1a bis 5
11a: Kreuzungspunkt, Abstützpunkt bei übereinanderliegendem Profil (11) (9)
12: Knickpunkt (Ecke) bei übereinanderliegendem Zickzackprofil (9, 10) um eine Periode (P) versetzt (10)
12a: Kreuzungspunkt, Abstützpunkt bei übereinanderliegendem Profil (10b, c)
13: Aufsitzecke beim Profil mit V-förmiger Ausbuchtung (15) (11a)
14: keine Aufsitzecke beim Profil mit V-förmiger Ausbuchtung (15) (11b ,11c)
15: V-förmige Ausbuchtung bei (ansonsten) geradem Profilverlauf (11a, b)
15a: V-förmige Ausbuchtung (wie (15)), in der benachbarten Profil-Ebene, aber spiegelbildlich (rechts/links) versetzt (14c)
16: Abrundung an der U-förmigen Ausbuchtung, bogenförmig (U-Form) (11c)
17: V-förmige (oder U-förmige) Ausbuchtung bei zickzackförmigem Profilverlauf (12)
18: gerader Profilverlauf (ohne Ausbuchtung) (13)
18a: Kreuzungspunkt (Abstützpunkt = Auflagefläche) der Ausbuchtung zum Profil in der benachbarten Profil-Ebene (13, 14)
19: V-förmige Ausbuchtung (wie (15)) in der benachbarten Profilebene, die rechts/links gespiegelt und um den Abstand Y versetzt liegt (14d)
20: gestauchtes und schlankes Rechteckprofil (15a)
21: Instabilität (Bewegung) des schlanken Profil-Steges (15b)
22: dünnes Material (durch Tiefziehen) (15b)
23: abgeflachte Schrägen an den Aufsitzpunkten der übereinanderliegenden Rechteck-Profile - Stand der Technik (15c)
24: Profil-Struktur quer (von links nach rechts - und umgedreht) über die Breite der profilierten Platine verlaufend - Stand der Technik (16)
25: Kreuzungspunkt - Strömung „drillt“ hierzu einem gewissen Teil in den benachbarten Strömungskanal (16c)
A: Aufsitzbreite (3, 4a)
A1: kleinere Aufsitzbreite (bei vergrößerter Profilbreite B1) (3, 4a)
B: Profilbreite (1b, 3, 4a, 4b)
B1: größere Profilbreite (bei verkleinerter Aufsitzbreite A1) (1b, 3, 4a)
B2: verkleinerte Profilbreite (4b)
C: Abstand von einer Profilbreite B1 bis zur nächsten Profilbreite B1 - z. B. nach 4 Perioden (P) (1b, 4)
D: Lücke (lichter Abstand) zwischen „Berg“ und „Tal“ zweier übereinanderliegender Rechteckprofile (3)
D1: Lücke (lichter Abstand) zwischen „Berg“ und „Tal“ zweier übereinanderliegender Rechteckprofile im Bereich (F) der Arretierung (2,3)
E: Teil des Strömungsquerschnitts, der bei größerer Profiltiefe im hinteren Bereich liegt (9, 15a)
F, F1: Bereich der Arretierung gegen Rechts-/Links-Verschiebung (2 bis 4, 7a)
F2: Arretierungsbereich, leicht versetzt übereinander (1b)
G: Eintauchtiefe beim Aufsitzen der Profile (1, 7a)
H: Profilkante im Rechteckprofil, die zur Arretierung so verschoben wird, dass sich die Profilbreite von B auf B2 verkleinert bzw. sich die Kopfbreite von K auf K1 vergrößert (4b, 7a)
K: Breite des Profilkopfes (F1) (4b, 7a)
K1: vergrößerte Breite des Profilkopfes im Arretierungsbereich (F1) (4b, 7a)
L: Streckenabschnitt für einen sicheren Aufsitz (4c)
P: eine Periode (1b, 4, 10)
R: Randbereich der profilierten Platine (6b) mit Flächenverlust im hochstehenden Profil
R1: Umlenkpunkt für die Strömung in den benachbarten Strömungskanal (im Randbereich) (16c)
X, Y: Abstand der Ausbuchtungen der benachbarten Profilebenen (14)
h: Profilhöhe (15a)
α: Neigungswinkel der schräg verlaufenden Profilstruktur (16)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 10329153 [0002]
DE 29916493 [0014]
DE 29824920 [0014]
DD 243091 [0015]
DE 4333904 [0015]
DE 202005009948 U1 [0019]

Claims

Wärmetauscher aus übereinander angeordneten profiliertenWärmetauscherplatinen, wobei die übereinander angeordneten Platinen durch ihren mäanderförmigen Verlauf parallele Strömungskanäle bilden und die Platinen von einer rechteckförmigen oder rechteckähnlichen Strukturen geprägt sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Platinen durch Ausitzecken (3) sicher abstützen können, wobei die Aufsitzecken von Ebene zu Ebene ihre Rechts-/Links-Platzierung wechseln können oder die Aufsitzecken werden nur einseitig (also nur rechts oder nur links) platziert. Die Aufsitzecken sind aber auch beidseitig, also durch zwei Aufsitzecken (4) realisierbar.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei allen Rechtecken oder nur bei solchen Rechtecken, die zueinander einen bestimmten Abstand C haben, z. B. nach 4 Perioden (P), der Luftspalt (D) kleiner als die Breite (A) der Aufsitzecke gestaltet ist oder sich die Profilbreite von B auf B1 verbreitert und um die gleiche Differenz die Aufsitz-Breite auf A1 verkleinert wird, wodurch eine Arretierung, d.h. eine Rechts-/Links-Verschiebung, vermieden (D1 = 0) oder zumindest so weit verhindert wird, dass die Platinen nicht ineinander rutschen können (D1 < A1, D < A). Der Bereich der Arretierung (F, F2) kann sich auch über zwei (oder mehrere) Perioden (P) erstrecken, um ein Verschieben der benachbarten Profilberge zu vermeiden. Die Arretierungsbereiche liegen bei den übereinandergestapelten Platinen senkrecht (F) oder leicht versetzt (F2) übereinander.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilkante (H) bei jeder zweiten Platine so verschoben wird, dass sich die Profilbreite von B auf B2 verringert bzw. sich die Kopfbreite von K auf K1 vergrößert und durch diese Arretierung (F1) eine Rechts-/Links-Verschiebung verhindert wird und ein stabiler Aufsitz (3c) möglich ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Arretierungen (F, F1, F2), die Aufsitzecken (3, 3a, 3b, 3c, 4) und die Aufsitzform (4a, 4b) nicht über die gesamte Länge des Profils erstrecken, sondern sich deren Verlauf auf einen gewissen Streckenabschnitt (L) begrenzt, wobei bei der Aufsitzform der Aufsitz (4a) bis zur Tiefe (G) über die Strecke (L) in die Platine (1) eingearbeitet ist und in der von oben eingesetzten Platine (2) der Stempel (4b) über die Strecke (L) in die senkrechte Profilwandung nach innen ragend geformt ist. Bei der Arretierung (F1) wird (analog zu Anspruch 3) durch die Verschiebung der Profilkante (H) die Kopfbreite von K auf K1 vergrößert, hier aber nur über die Strecke (L).
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken der Profile alternativ abgerundet (5) oder abgeflacht (5a) sind zur Verbesserung der Tiefziehfähigkeit.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen zickzackförmigen (6) oder sinuskurvenähnlichen (7) Verlauf nimmt, sowohl mit Aufsitzecke (3) als auch ohne (8), wobei die Profilstruktur bei allen übereinanderliegenden Platinen synchron (9, 10) verlaufen kann oder sich die Profilstrukturen (mit oder ohne Aufsitzecke (3, 4, 8)) von Platine zu Platine kreuzen (11) und damit an Abstützpunkten (11a) aneinander aufliegen, wobei die sich berührenden Flächen (11a) bei Profilen mit Aufsitzecke kleiner sind als ohne Aufsitzecke.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen zickzackförmigen (6) oder sinuskurvenähnlichen (7) Verlauf nimmt, sowohl mit Aufsitzecke (3, 4) als auch ohne (8), wobei die Profilstrukturen bei allen übereinanderliegenden Platinen im Wesentlichen synchron verlaufen, wobei allerdings an den Knickpunkten jeweils bei jeder zweiten Lage (Ebene) die Knickpunkte (12) um eine Periode (P) versetzt sind, wodurch sich Kreuzungspunkte bzw. Abstützpunkte (12a) ergeben.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur (mit Aufsitzecke (13) oder ohne (14)) in Strömungsrichtung gesehen einen V-förmig ausgebauchten Verlauf (15, 17) nimmt, sowohl bei (ansonsten) geradem Profilverlauf (15) als auch bei Zickzackprofil (6, 17). Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei an den Kanten auch abgerundet (16) sein (U-Form).
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die V-förmige (U-förmige) Ausbuchtung bei den übereinanderliegenden Platinen nur in jeder zweiten Ebene realisiert wird und in der jeweils anderen Ebene das Profil gerade (18) verläuft, wodurch sich ein Kreuzungspunkt (18a) bzw. Auflagepunkt ergibt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die V-(U)förmigen Ausbuchtungen bei den übereinanderliegenden Platinen a) formgleich (15) übereinander liegen oder b) um den Abstand X zu der jeweils benachbarten Platine versetzt liegen oder c) spiegelbildlich (rechts/links) versetzt (15a) liegen oder d) die Ausbuchtung (19) rechts/links gespiegelt und um den Abstand Y versetzt liegt (eine Kombination aus b) und c)). Die o. g. Varianten b) bis d) ergeben bei den übereinanderliegenden Platinen Abstützpunkte, an denen die Profile aneinander aufliegen.