-
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatine gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs.Aus der Patentschrift
DE19635552 ist ein Wärmetauscher mit zickzackartig ausgebildeten Wärmetauschkanälen bekannt (
20a). Hier ist keine Lösung der Spitze-auf-Spitze stehenden Profile aufgezeigt. Dieses Problem tritt insbesondere bei (durch das Tiefziehen) sehr dünnem Kunststoff-Material auf.
-
Beim Gebrauchsmuster
DE29620248 ist dieses Problem dadurch gelöst, dass „eine Zacke in doppelter Höhe und Breite zu den übrigen ausgebildet ist, auf welcher sich dann eine Zacke der nächsten Platte abstützt“ (
20b). Die drei Probleme, die diese Lösung mit sich bringt, sind der Verlust an Wärmetauschfläche
- a) im Bereich des doppelt großen Zackens und
- b) dadurch, dass beim Aufsitz doppelt Material übereinander liegt sowie
- c) sich in diesem Bereich beidseitig das gleiche Medium (z. B. A - A, siehe 20b) befindet.
-
Das erfindungsgemäße Profil ist vergleichbar mit einer Sägezahn-Struktur, wobei das Profil der benachbarten Platinen (1, 2) ein spiegelbildliches Abbild darstellt (1).
-
Bei großen Profilhöhen (h) und gleichzeitig kleiner Profilbreite (s) wird beim Sägezahn-Profil (1, 2) der Winkel α allerdings recht klein. Dies führt im Bereich des spitzen Winkels zu einem sehr engen Strömungsquerschnitt (E) (2b). Durch die höhere Gleitreibung an der Wandung bezogen auf den engen Strömungsquerschnitt sinkt in diesem engen Querschnittsbereich die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Wärmeübertragungszahl; der Druckverlust steigt.
-
Zur Lösung dieses Problems wird ineiner zweitenneuartigen Profilvariante das (spitze) Dreieck (1) durch eine „Hausform mit Pultdach“ (11)(4a) ersetzt: Hier wird (der ehemals dreieckige Bereich (1 oder 4 und 4a: gestrichelte Linie 1a)) durch parallele Flanken (rechte und linke „Hauswand“) (4a: Linie 1b) oder durch leicht konische Flanken (4: Linie 1b) der Wärmetausch-Bereich in zwei parallele, schmale Zonen (4, 4a, 4b) aufgeteilt, die beidseitig jeweils einen guten Wärmefluss ermöglichen (kurzer Wärmestrom-Weg). Außerdem entfällt der spitze Winkel - er wird durch eine „Hausdach-Form“ ersetzt. Hierdurch wird es möglich, dass die Winkel (a = 45° oder 3 mal: α = 60°) deutlich bessere Strömungsverhältnisse zulassen (4c und 4d). Außerdem kann durch diese „Haus-Form“ die Wärmetauschfläche gegenüber der Dreieck-Form (dem Sägezahn-Profil (1)) gesteigert werden. Für beide neuartigen Profilvarianten (1, 4, 4b) gilt, dass die Summe beider Strömungs-Querschnittsflächen (A = B) identisch ist.
-
Für beide neuartigen Profile gilt auch, dass die obere Platine (1 bzw. 11) nach unten und die untere Platine (2 bzw. 12) nach oben offen sind (im dargestellten Segment-Bereich - 2a und 5). Dadurch schließen beide „Halbschalen“ einen Strömungsquerschnitt ein (z. B. bei A oder B - siehe 1, 4, und 4b).
-
Die zweite neuartige Profilform (Pultdach-Profil mit senkrechten „Hausflanken“ oder leicht konischen „Hausflanken“ (4, 5)) lässt sich durch verschiedene Variable in ganz unterschiedlichen Variationen darstellen:
- 1. Variable: Neigungswinkel β
Der Winkel β beschreibt beim Pultdach-Profil die Neigung der Schräge (a), d. h. die Abweichung von der Waagerechten (5, 6).
Der Neigungswinkel β sollte bei allen vier Schrägen (a, b, c, d) gleich groß sein (5) und 30° bis 45° betragen. Aus der Vergrößerung von β folgt:
- a) die Tiefzieh-Höhe (= Profilhöhe) h kann größer werden,
- b) die Wärmetauschfläche wird kleiner.
- 2. Variable: Strecke f
Die Streckenlänge (f) entspricht der Strecke (e), auf die Waagerechte projiziert (6, links oben)
Die Strecke (f) kann bis auf maximal die halbe Profilbreite (s/2) vergrößert werden - dann entspricht f der Spaltbreite (s1) - die Flanken des Pultdach-Profils verlaufen dann senkrecht (Linie 1b in 4a) und parallel zueinander (4b, 7, 9 - 12). Die aus der Variation der ersten beiden Variablen β und f resultierenden möglichen Profilkanten sind auf 6 ersichtlich: es sind in den Feldern A bis F sechs Möglichkeiten dargestellt, die sich mit den vielen Möglichkeiten kombinieren lassen, welche sich aus der 3. Variablen ergeben:
- 3. Variable: Neigungsrichtung
Die vier Schrägen (a, b, c, d) kann man in ihrer Neigungsrichtung beliebig festlegen:
- - von links nach rechts: steigend oder
- - von links nach rechts: fallend
Die sich ergebenden Neigungsvarianten sind in 7 dargestellt:
- - in den Feldern 1 bis 4: vier Möglichkeiten für die ober Platine (11)
- - in den Feldern 5 bis 8: vier Möglichkeiten für die untere Platine (12)
-
Die 16 Kombinations-Möglichkeiten (jedes Feld aus Feld 1 bis 4 kombiniert mit jedem Feld 5 bis 8) sind auf 8 ersichtlich. In den 9 bis 12 sind die 16 verschiedenen ProfilVarianten dargestellt, wobei die genauere Betrachtung ergibt, dass sich alle Profile auf 8 Primär-Variationen (8, 9, 10) zurückführen lassen.
-
Um den Aufsitz der aufeinanderstehenden Spitzen (beim Sägezahn- und Pultdach-Profil) sicherer zu gestalten, kann eine der zwei aufeinander stehenden Spitzen in eine flache Ebene (7) oder eine Wölbung (8) oder eine „Negativ-Spitze“ (9) oder eine schräge Ebene (10) gewandelt werden (3a bis 3d). Beim Pultdach-Profil kann neben den genannten Aufsitzvarianten ein Aufsitz derart gestaltet werden, indem die Schräge (b) in eine Gerade (17) und die Schräge (c) in ein gleichförmiges (18) oder ungleichförmiges (18a) Spitzdach umgewandelt wird (13a bis d, 21b). Auch eine Verbreiterung (19) der Pultdach-Spitze (6a) ist als Aufsitz möglich (14). Die o. g Aufsitz-Varianten können sich in einem Abstand C (z. B. nach 4 Perioden (P)) wiederholen (3a). Die oben erwähnten Varianten für einen sicheren Aufsitz (7, 8, 9, 10, 18, 18a, 19) müssen sich nicht über die gesamte Länge des Profils erstrecken, sondern können sich auf einen gewissen Streckenabschnitt I begrenzen (Beispiel in 13c und 14). Durch den Aufsitz (19) (mit der Verbreiterung der Pultdach-Spitze) ist eine „Ausbauchung“ (k) in den offenen Strömungsquerschnitt hinein verbunden. Um dort eineQuerschnitts-Verengung zu vermeiden,wird in gleicher Höhe bei der benachbarten Wandung eine „Einbuchtung“ (k1) vorgesehen (14a); im Abstand x (in Strömungsrichtung gesehen) kann sich diese Aufsitz-Vorrichtung (wie auch jede andere vorgenannte Aufsitzform) wiederholen. Eine derartige Ausgestaltung der Aufsitz-Form hat außerdem den Vorteil der Turbulenz-Erzeugung und Wärmetauschflächen-Vergrößerung. Durch die Abrundung oder Abflachung 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 (20) oder sinuskurvenähnlichen Verlauf der Profilstruktur (15a, 15b, 16) 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 um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste im Randbereich (R) ( 15b) einkalkuliert sind.
-
Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (20) wird die Wärmeübergangszahlα durch Turbulenzen erhöht (15a bis 16). Dabei können die übereinanderliegenden Profile synchron (11, 12) (15a) oder kreuzweise (16) verlaufen. Beim kreuzweisen Verlauf stützen sich die Profile an Auflagepunkten ab. Bei einer weiteren Variante verlaufen die Profile jeweils zweier benachbarter Platinen synchron - das benachbarte Profilpaar hat dann aber einen kreuzweisen Verlauf der Zickzackstruktur zum ersten Paar.Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen auch der in größerer Profiltiefe befindliche Strömungsbereich E (2b, 4) verwirbelt, bewirkt durch die häufige Umlenkung an den Ecken (20) (15a bis 16).
-
Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber Profilstrukturen, deren Verlauf (in einem bestimmten Winkel geneigt) quer über die Platine (von rechts nach links - und umgedreht) verlaufen (Stand der Technik - siehe
DE29916493 ,
DE29824920 ). Hier erfolgt an den Kreuzungspunkten zwar eine Vermischung (ein Teil der Strömung „drillt“ in den Strömungskanal der nächsten Etage), aber nicht bis in die Profiltiefe (Bereich E - Totgebiet -
2b und
4) hinein. Dies erfolgt lediglich in der Randzone beim Umlenken der Strömung in den benachbarten Strömungskanal.
-
Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (21) erreicht werden (18, 19). Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei auf bogenförmig ausgeführt sein (U-Form).
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmetauscherplatine mit Sägezahn-Profil, obere Platine
- 1a
- Schräge im Sägezahn-Profil (Hypotenuse des Dreiecks)
- 1b
- Verbindung zwischen den beiden Schrägen a und b beim Pultdach-Profil
- 2
- Wärmetauscherplatine mit Sägezahn-Profil, untere Platine
- 3
- untere Spitze des Sägezahn-Profils, obere Platine
- 3a
- untere Spitze des Pultdach-Profils, obere Platine
- 4
- obere Spitze des Sägezahn-Profils, obere Platine
- 4a
- obere Spitze des Pultdach-Profils, obere Platine
- 5
- untere Spitze des Sägezahn-Profils, untere Platine
- 5a
- untere Spitze des Pultdach-Profils, untere Platine
- 6
- obere Spitze des Sägezahn-Profils, untere Platine
- 6a
- obere Spitze des Pultdach-Profils, untere Platine
- 7
- flacher ebener Aufsitz
- 8
- gewölbter Aufsitz
- 9
- „Negativ-Spitze“ als Aufsitz
- 10
- schräge Ebene als Aufsitz - durch die gegenläufige Neigung (nach Abstand C) wird das Rechts-/Links-Verschieben verhindert
- 11
- Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil, obere Platine
- 12
- Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil, untere Platine
- 13
- Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑥ (7, 8, 9), obere Platine
- 14
- Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑥ (7, 8, 9), untere Platine
- 15
- Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑤ (7, 8, 9), obere Platine
- 16
- Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑤ (7, 8, 9), untere Platine
- 17
- flacher ebener Aufsitz beim Pultdach-Profil
- 18
- Spitzdach-Aufsitz beim Pultdach-Profil
- 18a
- ungleichförmiger Spitzdach-Aufsitz beim Pultdach-Profil
- 19
- ebener Aufsitz beim Pultdach-Profil über die Strecke I
- 20
- zickzackförmiger Verlauf der Profilstruktur
- 21
- V-förmige Ausbuchtung
- 21a
- V-förmige Ausbuchtung bei zickzackförmigem Profilverlauf (20)
- A
- Medium A
- B
- Medium B
- C
- seitlicher Abstand innerhalb einer Platinen-Breite, nach der sich der Aufsitz wiederholt
- P
- eine Periode
- a
- obere Schräge beim Pultdach-Profil - obere Platine
- b
- untere Schräge beim Pultdach-Profil - obere Platine
- c
- obere Schräge beim Pultdach-Profil - untere Platine
- d
- untere Schräge beim Pultdach-Profil - untere Platine
- e
- Länge der Schräge beim Pultdach-Profil
- f
- Strecke der Länge (e), auf die Waagerechte projiziert
- h
- Profilhöhe
- k
- Breite der „Ausbauchung“ für Aufsitz (19) in den offenen Strömungsquerschnitt hinein
- k1
- Breite der „Einbuchtung“ in Höhe der benachbarten „Ausbauchung“ (k)
- I
- Strecke des Aufsitzes (in Strömungsrichtung gesehen)
- s
- Profilbreite
- s1
- Spaltbreite
- x
- Abstand zwischen den Aufsitzformen (in Strömungsrichtung gesehen)
- α
- eingeschlossener Winkel des Dreiecks beim Sägezahn-Profil bzw: der spitze Winkel beim Pultdach-Profil
- β
- Neigungswinkel der Strecke (1a) (beim Dreieck des Sägezahn-Profils) bzw. der Schräge (a) am Pultdach-Profil
-
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 19635552 [0001]
- DE 29620248 [0002]
- DE 29916493 [0012]
- DE 29824920 [0012]