DE102018006461B4

DE102018006461B4 - Wärmetauscher mit ineinanderragenden spitzwinkligen oder spitzdachartigen Platinen

Info

Publication number: DE102018006461B4
Application number: DE102018006461.2A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2024-01-25
Anticipated expiration: 2038-08-11
Also published as: DE102018006461A1; WO2020030209A1; EP3833921A1; US20210318078A1; CN112601926A; CA3107045A1

Abstract

Wärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Platinen (1, 2, 5, 6) mit Dreieckprofil, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreiecke (D1, D2 sowie D3, D4) einer jeden Platine (1, 2) durch eine Basislinie (B) miteinander verbunden sind und die Dreiecke der beiden benachbarten Platinen (1, 2) mit ihren Spitzen jeweils zueinander zeigen und auf der Basislinie (B) der anderen Platine (1, 2) aufstehen und dass es einen Aufsitz (13) der aufeinanderstehenden Dreieckprofile gibt und dieser zur Verbesserung des Aufsitzes in seiner Aufsitzbreite (b) vergrößert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus dem Gebrauchsmuster DE 296 20 248 U1 und der Patentschrift DE 196 35 552 C1 ist ein Wärmetauscher mit einer Zickzackprofilform bekannt (19a).
Bei den hier betrachteten Wärmetauschern, sowohl bei dem Stand der Technik als auch bei dem neuartigen Wärmetauscher mit dem Grundprofil gemäß 2 und 5 handelt es sich generell um solche, bei denen die beidseitig der Wärmetauscher- Platten (bzw.- Platinen) befindlichen Wärmetauscher- Kanäle unterschiedliche Medien führen, beispielsweise einen kalten Luftstrom und einem warmen Luftstrom- siehe hierzu Patentschrift DE 196 35 552 C1 , dort Spalte 4, Zeile 32 bis 41 und 2: Kanäle mit und ohne Schraffur und beim neuartigen Profil: siehe 2 und 5: gepunktete Flächen und weiße Flächen.
Bekanntlich kann die Wärmetauschfläche durch eine kleine Profilbreite (s) erhöht werden. Dies stößt allerdings an Grenzen beim Tiefziehprozess.
Dieses Problem kann durch das Ineinanderstecken zweier unterschiedlicher Profile gelöst werden. Das erfindungsgemäße Grundprofil (1, 2) ist so gestaltet, dass zwei (vorwiegend gleichseitige) Dreiecke (D1 und D2) in eine Richtung zeigend durch eine ebene Basislinie (B) miteinander verbunden sind (1). In einer weiteren neuartigen Profilvariante wird das Dreieck (1, 2) durch eine Spitzdachform (5, 6) ersetzt (4a, b, 5).
Bei dem Wärmetauscher gemäß US 5 470 431 A , dort bei 3, erscheint es zunächst so, als würde es sich um ein ähnliches Wärmetauscherprinzip handeln. Hier unterliegt man aber einer optischen Täuschung. Aus 6 und dem Text (unter „Abstract“, Zeile 7 und 8) geht hervor, dass es sich hier um einen Kreuzstromwärmetauscher handelt. Gemäß 6 strömt das Medium durch die Rippen (2), d.h. quer (kreuzweise) zu den Kanälen 7, 7a, 1e und 1c.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist demgegenüber ein Gegenstromwärmetauscher mit parallel verlaufenden Kanälen.
Ein weiterer Unterschied zu US 5 470 431 A besteht darin, dass bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher viele profilierte Plattenpaare übereinandergestapelt sind. In der o.g. Druckschrift gibt es nur ein Plattenpaar bzw. zwei Reihen. Bereits die dritte Reihe fehlt ... und alle folgenden. An deren Stelle zeigt 6: ribs 2 = Rippen 2 (oder gewellte Leitflächen 2), d.h. hier liegt ein Rippenwärmetauscher vor, was bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher nicht der Fall ist.
Beim Profil gemäß US 5 470 431 A , 3, liegen die Berge eines jeden Rechtecks flach auf den Basislinien der benachbarten Profilplatte auf. Dies bedeutet Materialvergeudung und keinen direkten Wärmefluss zwischen den beiden Medien, da sich beidseitig der Doppelwandung das gleiche Medium befindet.
Ein weiterer ähnlicher Nachteil ergibt sich, wenn man beim Wärmetauscher gemäß der o.g. Druckschrift auf die ersten zwei Profilplatten eine dritte (und vierte und fünfte und ...) hinzufügen würde. Dann liegen auch jeweils die benachbarten Basislinien doppelt aufeinander.
Bei dem neuartigen Profil werden die beiden oben geschilderten Nachteile in Vorteile umgekehrt, sowohl durch die punktuelle Auflage der Profilspitze auf der Basislinie (B) des benachbarten Profils als auch durch die punktuelle Auflage der jeweils benachbarten Basislinien (B).
Ziel der Erfindung ist es, dem Wärmetauscherprofil eine Form zu geben, die materialsparend ist und gleichzeitig einen allseitigen, direkten Wärmefluss zwischen den beiden Medien ermöglicht.
Um dies zu erreichen, wird erfindungsgemäß eine Profilform gewählt, bei der die Spitze auf einer Basislinie (B) punkförmig aufsitzt.
Dieser Vorteil wird auch deutlich beim Vergleich des erfindungsgemäßen Profils mit EP 0 935 115 A2 . Dort liegen rechteckförmige Erhebungen vor, die durch eine Basislinie verbunden sind. Die Basislinien liegen hier über eine größere Strecke flach übereinander, das heißt, es gibt eine Doppelwand (siehe dort 4, 5 und 19), was materialökonomisch und thermodynamisch nachteilig ist, da sich beidseitig der Doppelwand das gleiche Medium (im Querstrom (A2)- siehe 19) befindet.
Der Aufbau dieses Wärmetauschers ist auch dahingehend anders, als dass die Erhebungen die Form eines Rechtecks (19) oder Trapezes (5) haben und somit keine Spitze vorhanden ist. Außerdem ragen diese Profile nicht ineinander. Sie sind durch eine gewisse Distanz voneinander beabstandet, haben also keinen Aufsitzt auf der Basislinie. Die Abstützung der Wärmetauscherplatinen zueinander erfolgt dort durch „spacers 43“, siehe 25 und im Text Spalte 12, Zeile 24.
Das hausdachförmige Profil wird auch in WO 2018/ 106 102 A1 verwendet, dort aber in einer grundsätzlich anderen Weise. Die Unterschiede sind folgende: Es gibt dort keine Basislinie (B). Die Hausprofilformen innerhalb einer Platine liegen dort direkt nebeneinander angeordnet, wobei die Spitzen abwechselnd nach unten und oben zeigen. Beim erfindungsgemäßen Profil zeigen innerhalb einer Platine alle Profilspitzen in eine Richtung, wobei jeweils zwei hausdachähnliche Profilformen über eine Basislinie (B) miteinander verbunden sind. Die jeweils benachbarten Platinen haben unterschfedliche Formen (5,6) (siehe 5), die ineinander gesteckt sind und dabei die Profilspitzen im zumindest überwiegenden Teil der Wärmetauscherplatine eine punktförmige Berührung (Aufsitz bei (7) und (8)) mit der Basislinie (B) der benachbarten Platine haben. Durch das Ineinanderstecken zweier profilierter Platinen (1,2 sowie 5,6) ist das Medium im Zwischenraum dieser beiden Platinen durch die Basislinie (B) jeweils abgedeckelt bzw. eingeschlossen (2 und 5). Das eingeschlossene Medium hat folglich keine Verbindung in die darüber liegende Profilebene. Es gibt keine Kanalverbindung zwischen beiden Ebenen wie bei WO 2018/ 106 102 A1 .
Alle 6 Charakteristika (eine Basislinie, Richtung der Spitzen innerhalb einer Platine gleich, Formen-Unterschied benachbarter Platinen, Ineinanderstecken der Profile, punktförmige Berührung und die Profilebenen sind zueinander geschlossen ohne Kanalverbindung) sind bei WO 2018/ 106 102 A1 nicht anzutreffen. Durch das Ineinanderstecken der beiden unterschiedlich geformten Platinen sind die Kanalteile nach oben und unten nicht offen wie bei WO 2018/ 106 102 A1 , sondern durch die Basislinie (B) geschlossen. Durch den geschlossenen Bereich entsteht mehr Wärmetauschfläche bei dem erfindungsgemäßen Profil, was sich vorteilhaft auf die Wärmeübertragung auswirkt. Bei der Profilform nach WO 2018/ 106 102 A1 gibt es ein häufigeres Auf und Ab, das heißt, beim Tiefziehen entstehen mehr Berührungspunkte mit dem Tiefziehwerkzeug, wobei die Berührungspunkte mit dem Nachteil verknüpft sind, dass dort die Kunststoff-Folie dicker bleiben wird und in deutlich geringerem Maße tiefgezogen werden kann als bei geraden Strecken. Aus der häufigeren ungleichmäßigen Materialverdickung resultiert eine stärkere Materialausdünnung an den anderen Materialabschnitten und damit eine höhere Lochgefahr und eine höhere Profilinstabilität. Damit lässt sich in der Praxis auch nur eine geringere maximale Profilhöhe (h) erreichen.
In der Druckschrift DE 103 29 153 A1 wird ein Wärmetauscher mit solchen Platinen beschrieben, "... die beim Übereinanderlegen gewellte, rechteckförmige, oder zickzackförmige Kanäle bilden ..." (siehe dort die 1 bis 3).
Auch in DE 196 355 52 C1 (siehe dort 2) wird ein Wärmetauscher mit zickzackartig ausgeprägten Platten beschrieben.
In CA 2 290 230 A1 wird ein Wärmetauscher mit rechteckförmige Kanälen erwähnt.
Bei dem erfindungsgemäßen Grundprofil sind die Dreiecke (D1, D2) in der unteren Platine gegenüber den Dreiecken in der oberen Platine seitlich so versetzt, dass sie ineinandergesteckt werden können (1, 2). Die Dreiecke (D1, D2 sowie D3, D4) der beiden Platinen (1, 2) zeigen mit ihren Spitzen zueinander, wobei jeweils die Dreieck-Spitze (3, 4) einer Platine auf der Basislinie (B) der anderen Platine aufsteht. Dadurch werden beide Profile zueinander fixiert und gehalten. Der Vorteil gegenüber dem Zickzackprofil besteht in der besseren Tiefziehfähigkeit (durch die Basislinie (B)).
Der wärmetechnische Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht in den kurzen Wärmestromwegen (a) zwischen den parallel verlaufenden Dreieck-Kanten (3 und 19b). Der eingeschlossene Winkel (α) kann dabei beliebig groß sein in den Grenzen von: 0° <α< 180°, sollte aber möglichst einen spitzen Winkel ergeben, um eine zu hohe Platinenanzahl zu vermeiden (teuer!).
Der wärmetechnische Vorteil der weiteren erfindungsgemäßen Profilvariante ist, dass das Dreieck (D2) (mit längeren Wärmestromwegen) in eine schmale Zone mit parallelen Flanken (rechte und linke „Hauswand“) verwandelt wird - mit einem „Dachspitz“ (8) versehen (4a). Gleichzeitig wird die Wärmetauschfläche gegenüber dem Dreieck vergrößert. Im „Dachspitz“ kann an Stelle von 1 × 90° und 2 × 45° eine gleichmäßige Winkelverteilung: 3 × 60° vorteilhaft sein (Strömung im Winkelbereich) - verringert aber etwas die Wärmetauschfläche (Detail Y, 5, 6). Zur Verbesserung des Aufsitzes der aufeinander stehenden Profile kann entweder die Aufsitzbreite (b) vergrößert werden, indem der Winkel β von 45° (Detail X) auf z. B. 60° bis 90° vergrößert wird (5a, b, c,) oder es wird ein rechteckförmiger Aufsitz (13) (Detail Z, 14a) vorgesehen. Alle Aufsitzformen sollten sich vorteilhafterweise nur über eine kurze Länge (l) erstrecken (in Strömungsrichtung gesehen). Zur besseren Entformung beim Tiefziehen können die parallelen Flanken des Spitzdach-Profils leicht konisch (5b, 6b) gestaltet werden (7). 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. Zur Verbesserung des Wärmerückgewinnungsgrades und des Druckverlustes sowie zur Minderung der Einfriergefahr ist ein gutes Abfließen des Kondensats im Wärmetauscher-Profil vorteilhaft. Zu diesem Zweck kann das erfindungsgemäße Profil derart abgewandelt werden, dass die mit der Spitze nach unten gerichteten Profilelemente (y) nicht bis in die „Kondensatwanne“ (x) hineinragen, sondern durch eine Verkürzung der Profilhöhe um Δ h (8) die Profilspitze (y) über der „Kondensatwanne“ (x) schwebt. Beim Stand der Technik kann das Kondensat im Bereich des spitzen Winkels α (19a) des Zickzackprofils hingegen nur erschwert abfließen (größere Adhäsionskräfte). Bei Wärmetauschern mit senkrecht angeordnetem Profil ist es sinnvoll, beidseitig (also „unten“ und „oben“) eine „Kondensatwanne“ vorzusehen (10 und 11). Daher wird die Δ h-Verkürzung auch bei der nach „oben“ zeigenden Profilspitze (z) vorgenommen (10). Die damit verbundene Verringerung der Wärmetauschfläche ist geringer als der Gewinn an effektiver Wärmetauschfläche durch besser abfließendes Kondensat und damit freiwerdender Wärmetauschfläche. Dies gilt für eine solche Konstruktion, bei der die Δ h-Verkürzung der Profilspitzen nur auf diesen Streckenabschnitt am Ende des Wärmetauschers (in Strömungsrichtung des auskondensierenden Luftstromes) begrenzt ist, bei dem Kondensation (It. Berechnung oder Test) zu erwarten ist. Eine weitere Erhöhung der Wärmetauschfläche kann dadurch erreicht werden, wenn die verkürzte Spitze in ein Rechteck (7a, 8a) gewandelt wird (9 bis 11). Zur Arretierung der profilierten Platinen ist im erforderlichen Abstand C ein Aufsitz (w) zur benachbarten Platine hin erforderlich (10 und 11). Die beiden zum Aufsitz (w) benachbarten Profilelemente (u1, u2) sind vorteilhafterweise verkürzt (z. B. um Δ h), um nicht (wegen des Aufsitzes (w)) die Tiefziehhöhe vergrößern zu müssen.
Der Aufsitz (w) kann auch auf einen kurzen Streckenabschnitt begrenzt sein.
Die Profil-Varianten mit der Profilhöhen-Verkürzung (Δ h) sind neben des verbesserten Kondensatabflusses auch sinnvoll hinsichtlich der Vergrößerung des Abstandes (h) (Abstand der profilierten Platinen), wodurch die Anzahl an Platinen für einen Wärmetauscher reduziert werden kann (wirtschaftlicher Vorteil). Durch einen in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen (11) oder sinuskurvenähnlichen (12) Verlauf der Profilstruktur (12, 13) lässt sich die Länge des Strömungspfades und damit die Verweildauer und Wärmetauschdauer erhöhen, was zur Verbesserung der Wärmetauschleistung führt. Die Wärmetauschfläche vergrößert sich durch die Zickzackstruktur (12) um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste im Randbereich (R) (12b) einkalkuliert sind. Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (11) wird die Wärmeübergangszahl α durch Turbulenzen erhöht. Dabei verlaufen die übereinanderliegenden Profile synchron (5, 5a) (14). Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen auch der in größerer Profiltiefe befindliche Strömungsbereich E (5, 12a) verwirbelt, bewirkt durch die häufige Umlenkung an den Ecken ( 12b). Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (14) erreicht werden (15). Die V-förmigen Ausbuchtungen (14) verlaufen bei allen übereinanderliegenden Platinen synchron. Die V-förmige Ausbuchtung (14) kann auch bei einem zickzackförmigen Profilverlauf eingebaut sein (17). Die V-förmigen Ausbuchtungen können auch bogenförmig (15) ausgeführt sein und eine U-Form haben (16).
Die Verteilung der Medien in die Profile (Kanalverteiler) wird in 18a und b dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: obere Platine mit Dreieck-Profil
2: untere Platine mit Dreieck-Profil
3: Spitze der oberen Platine nach unten zeigend
4: Spitze der unteren Platine nach oben zeigend
5: obere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 1
6: untere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 1
5a: obere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 2
6a: untere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 2
5b, 6b: Spitzdach-Profil mit leicht konischen Flanken
7: Spitze am Spitzdach - nach unten zeigend
7a: Rechteck an Stelle der Spitzdach-Spitze, nach unten zeigend
8: Spitze am Spitzdach - nach oben zeigend
8a: Rechteck an Stelle der Spitzdach-Spitze, nach oben zeigend
9: Rechteck mit abgeschrägten Ecken, nach unten zeigend
10: Rechteck mit abgeschrägten Ecken, nach oben zeigend
11: zickzackförmiger Verlauf der Profilstruktur
12: sinuskurvenähnlicher Verlauf der Profilstruktur
13: Aufsitz, rechteckförmig
14: V-förmige Ausbuchtung
15: U-förmige Ausbuchtung
B: Basislinie
C: seitlicher Abstand innerhalb einer Platinen-Breite, nach der sich der Aufsitz wiederholt
D1, D2: zwei benachbarte Dreiecke in der unteren Platine, durch die Basislinie (B) verbunden
D3, D4: zwei benachbarte Dreiecke in der oberen Platine, durch die Basislinie (B) verbunden
E: Teil des Strömungsquerschnitts, der bei größerer Profiltiefe im hinteren Bereich liegt
F: Strömungsquerschnitt im spitzen Winkel-Bereich
G: Profilbereich
P: eine Periode
R: Randbereich der profilierten Platine
a: Spaltbreite
b: Aufsitz-Breite
h: Profilhöhe
l: Länge des Aufsitzes
s: Profilbreite
u1, u2: neben dem Aufsitz (w) beidseitig benachbarte Profilelemente (verkürzt wegen Tiefziehhöhe)
w: Aufsitz-Arretierung zur benachbarten Platine
x: Kondensatwanne
y: Spitze am Spitzdach, nach unten zeigend, um Δ h verkürzt, über der „Kondensatwanne“ (x) schwebend
z: Spitze am Spitzdach, nach oben zeigend, um Δ h verkürzt
α: eingeschlossener Winkel des Dreiecks
β: Winkel an der Abschrägung (Aufsitzkante)
y: Winkel zwischen „Spitzdach“ und Basislinie (B)
Δ h: Maß für die Profilhöhen-Verkürzung

Claims

Wärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Platinen (1, 2, 5, 6) mit Dreieckprofil, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreiecke (D1, D2 sowie D3, D4) einer jeden Platine (1, 2) durch eine Basislinie (B) miteinander verbunden sind und die Dreiecke der beiden benachbarten Platinen (1, 2) mit ihren Spitzen jeweils zueinander zeigen und auf der Basislinie (B) der anderen Platine (1, 2) aufstehen und dass es einen Aufsitz (13) der aufeinanderstehenden Dreieckprofile gibt und dieser zur Verbesserung des Aufsitzes in seiner Aufsitzbreite (b) vergrößert werden kann.
Wärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Platinen (1, 2, 5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Profilform verwendet wird, die wie eine Hausform mit Spitzdach gestaltet ist mit der Spitze (7,8) nach oben und unten zeigend, also die Spitzen (7,8) beider ineinandergesteckter Profile in gegenläufige Richtung zeigen und dabei die Spitze (7) einer Platine (5, 6) auf der Basislinie (B) der anderen Platine (5, 6) aufsteht, wobei jeweils benachbarte „Hausformen“ mit Spitzdach (8) durch eine Basislinie (B) so miteinander verbunden sind, dass ein nach unten bzw. nach oben zeigendes Rechteck (9,10) mit abgeschrägten Ecken entsteht und die Platinen (5, 6) bei einem Aufsitz (13) aufeinander stehen und dort zur Verbesserung des Aufsitzes der Winkel der Abschrägungen des Rechtecks (9,10) von einem Winkel β = 45° auf einen beliebigen Winkel in den Grenzen 45° < β ≤ 90° vergrößert wird, oder an der Abschrägung wird ein rechteckförmiger Aufsitz (13) vorgesehen.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken und Spitzen der Profile abgerundet oder abgeflacht sind zur Verbesserung der Tiefziehfähigkeit und/oder zu gleichem Zweck die parallelen Flanken des Spitzdach-Profils leicht konisch (5b, 6b) gestaltet werden.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch sich gekennzeichnet, dass die Aufsitze (13) sich nur über eine kurze Länge (l) erstrecken.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in dem Streckenabschnitt des Wärmetauschers, in dem eine Kondensatbildung zu erwarten ist, zur Verbesserung des Kondensatablaufes die Profilspitzen (y, z) nicht an der benachbarten Platine (1, 2, 5, 6) anstoßen, sondern durch einen Abstand Δ h einen ausreichenden Abstand zur benachbarten Platine (1, 2, 5, 6) aufweisen, wodurch zur Verbesserung des Kondensatablaufes Platz zum an der benachbarten Platine (1, 2, 5, 6) ablaufenden Kondensat in der „Kondensatwanne“ (x) gegeben ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem beidseitig ausgebildeten Δh- Abstand eine Aufsitz-Arretierung (w) im Abstand C zur Arretierung der Wärmetauscherplatinen zueinander vorgesehen ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aufsitz-Arretierung (w) nur über einen kurzen Streckenabschnitt des Wärmetauschers erstreckt, wobei die zur Aufsitz-Arretierung (w) jeweils benachbarten Profilelemente (u1, u2) gekürzt sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur der Platinen (1, 2, 5, 6) in Strömungsrichtung gesehen einen zickzackförmigen (11) oder sinuskurvenähnlichen (12) Verlauf nimmt, wobei die Profilstruktur bei allen übereinanderliegenden Platinen (1, 2, 5, 6) synchron verläuft.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen, sowohl bei ansonsten geradem Profilverlauf als auch beim Zickzackprofil eine immer wiederkehrende V-förmige Ausbuchtung (14) aufweist, wobei die V-förmigen Ausbuchtungen (14) dabei an den Kanten auch abgerundet (15) sein können und eine U-Form bilden.