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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager mit zumindest zwei Platten, zwischen denen Strömungskanäle ausgebildet sind.
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Derartige Wärmeübertrager werden beispielsweise als Kühler in Klimaanlagensystemen von Fahrzeugen verwendet und weisen typischerweise an den kurzen Rändern der üblicherweise rechteckigen Platten einen exzentrischen Ein- bzw. Auslass auf. Wenn Ein- und Auslass zur gleichen Seite exzentrisch sind, besteht das Problem, dass die direkte Strömungsverbindung zwischen Ein- und Auslass besser mit Kühlmittel versorgt wird, als der Bereich „neben“ der Zone um die direkte Strömungsverbindung. Hierdurch wird die verfügbare Plattenfläche unzureichend zur Wärmeübertragung genutzt, und die Leistung des Wärmeübertragers insgesamt ist suboptimal.
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Stand der Technik
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Aus der
US 9 400 142 B1 ist ein Plattenwärmeübertrager für industrielle Anwendungen bekannt, bei denen zwischen zwei parallelen Platten mittels einer geeigneten Dichtung aus Kunststoff ein Strömungsweg definiert wird. Dieser wird unterstützt durch Sicken oder Rippen, die als Strömungsleitelemente dienen.
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Darstellung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Plattennwärmeübertrager zu schaffen, der im Hinblick auf die Leistungsausbeute angesichts der zur Verfügung stehenden Plattenfläche verbessert ist.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1.
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Demzufolge weist der erfindungsgemäße Wärmeübertrager zumindest einen exzentrischen Einlass auf, an dem jedoch zumindest eine im Wesentlichen quer zu einer direkten Strömungsverbindung zu einem Auslass verlaufende Strömungsbarriere ausgebildet ist. Die Strömungsbarriere kann als in den Strömungsquerschnitt ragende Rippe oder Sicke vorgesehen sein und verringert im Wesentlichen den zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitt im Bereich des Einlasses, so dass hier ein größerer Strömungswiderstand vorliegt, als neben der Strömungsbarriere. Der Winkel zur direkten Strömungsverbindung kann 90° +/-30°, bevorzugt +/-20° betragen. Auch bei derartigen Abweichungen von einer senkrechten Ausrichtung zur direkten Strömungsverbindung kann der erfindungsgemäße Effekt in zufriedenstellendem Umfang erreicht werden. Die Strömungskanäle müssen nicht voneinander abgegrenzt sein, sondern zwischen den Platten kann ein durchgehender Raum ausgebildet sein, in den Dimpel, wie unter Bezugnahme auf die Figuren genauer ausgeführt, ragen können.
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Demzufolge wird sich das Kühlmittel gleichmäßiger über die zwischen Ein- und Auslass zur Verfügung stehende Fläche verteilen, und die Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragers insgesamt wird verbessert. Hierbei kann die Strömungsbarriere in vorteilhafter Weise aus dem Plattenmaterial selbst ausgebildet sein, und die Platten des Wärmeübertragers sind typischerweise unmittelbar aneinandergelötet, so dass die beschriebene Beeinflussung der Strömung ohne separate Dichtungen oder dergleichen ermöglicht wird. In der Praxis hat sich beispielsweise ein Verhältnis zwischen dem Strömungsquerschnitt im Bereich des Einlasses zu dem Strömungsquerschnitt in dem Bereich „neben“ dem Einlass von 1:5 bis 1:6 als günstig erwiesen. Hierdurch konnte bei ersten Simulationen eine erheblich gleichmäßigere oder homogenere Verteilung des Kühlmittels über die Plattenoberfläche festgestellt werden, und in Abhängigkeit von der Menge an durchströmendem Kühlmittel hat sich eine Leistungsverbesserung von 4 % bis 11 % verglichen mit einem Plattenwärmeübertrager ohne Strömungsbarriere im Bereich des Einlasses ergeben.
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Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Der vorangehend beschriebene Effekt, nämlich gewissermaßen eine Umlenkung des Kühlmittels in Bereiche neben der Zone um die direkte Stromverbindung zwischen Ein- und Auslass kann dadurch unterstützt werden, dass auch im Bereich zumindest eines Auslasses zumindest eine im Wesentlichen quer zu einer direkten Strömungsverbindung zwischen Ein- und Auslass ausgebildete Strömungsbarriere ausgewählt ist.
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Insbesondere in dem Fall, dass ein einziger exzentrischer Ein- und/oder Auslass vorhanden ist, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Strömungsbarriere im Wesentlichen die Hälfte einer Breite einnimmt, die senkrecht zur direkten Strömungsverbindung zwischen Ein- und Auslass gemessen wird.
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Die vorteilhafte Verteilung des Kühlmittels in die Zone neben dem Bereich der direkten Strömungsverbindung zwischen Ein- und Auslass kann weiter dadurch unterstützt werden, dass in einem stromaufwärtigen Bereich und einem von dem Einlass entfernten Bereich, also gewissermaßen neben der Strömungsbarriere, zumindest ein Strömungsleitelement ausgebildet ist, das unter einem Winkel von ≥ 70 zu der Strömungsbarriere verläuft. Für einen derartigen Winkel konnte bei Simulationen festgestellt werden, dass sich eine besonders gleichmäßige Verteilung der Strömung ergibt. Ein oder mehrere Strömungsleitelemente können auch unter einem rechten Winkel zu der Strömungsbarriere verlaufen, jedoch sorgen verschiedene Winkel zwischen 70° und 90° für eine bessere Verteilung. Insbesondere gilt dies für Winkel, die umso kleiner werden, je weiter das zugehörige Strömungsleitelement vom Rand der Platte entfernt ist.
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Dies gilt insbesondere für diejenige bevorzugte Maßnahme, wonach mehrere Strömungsleitelemente mit unterschiedlichen Winkeln zur Strömungsbarriere ausgebildet sind. Die Strömungsleitelemente können ebenso wir die Strömungsbarriere(n) als Rippen, Sicken oder längliche Dimpel oder Vertiefungen ausgebildet sein.
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Besonders effizient lassen sich die Strömungsbarrieren und/oder Strömungsleitelemente vorsehen, wenn sie aus dem Plattenmaterial selbst gefertigt sind, beispielsweise in Form der bereits erwähnten Dimpel, Rippen oder Sicken.
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In ersten Simulationen haben sich zumindest vier Strömungsleitelemente als besonders günstig erwiesen.
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Die erfindungsgemäße Maßnahme entfaltet ihre Wirkung in besonderer Weise bei einem Wärmeübertrager, in dem zahlreiche Platten derart gestapelt sind, dass sich abwechselnd unterschiedliche Strömungsquerschnitte ergeben. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Plattenzwischenräume abwechselnd von Kältemittel und Kühlmittel durchströmt werden. Hierbei sind die Strömungsquerschnitte für das Kühlmittel in bestimmten Anwendungsfällen größer.
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Im Rahmen eines weitgehend kubischen Wärmeübertragers lässt sich dies besonders leicht durch unterschiedlich hohe Strömungsquerschnitte, in einer Richtung senkrecht zur Plattenoberfläche gemessen, realisieren.
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Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann jedoch auch durch eine Vielzahl identisch gestalteter Platten realisiert werden, die abwechselnd um 180° gedreht miteinander verbunden sind.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht einer Platte eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers;
- 2 eine Draufsicht auf einen Teil einer zweiten Platte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit einer angedeuteten, darunter befindlichen Platte;
- 3 eine Querschnittsansicht eines Strömungsquerschnitts des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers;
- 4 eine Draufsicht auf die Platte gemäß 1 ohne die erfindungsgemäße Strömungsbarriere mit einer Strömungssimulation;
- 5 eine Draufsicht auf die Platte gemäß 1 mit einer Strömungssimulation; und
- 6 ein Diagramm zur Darstellung der Leistungsvergrößerung der Platte von 5 verglichen mit derjenigen von 4.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Wie in 1 in der Draufsicht zu erkennen ist, sind die Platten 10 des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers im Wesentlichen rechteckig mit abgerundeten Ecken und weisen typischerweise an einer kurzen Kante einen exzentrisch ausgebildeten Einlass 12 und an der gegenüberliegenden kurzen Kante eine ebenfalls exzentrisch ausgebildeten Auslass 14 auf. Üblicherweise befindet sich der Ein- und/oder Auslass im Bereich einer (gemäß 1 der unteren) Plattenhälfte.
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Erfindungsgemäß ist im Bereich des Einlasses 12, also in derjenigen Hälfte, in der der Einlass 12 ausgebildet ist, eine Strömungsbarriere 16, die sich quer zu einer direkten Strömungsverbindung A zwischen Ein- 12 und Auslass 14 erstreckt. Wenn die kurze Kante der gezeigten, rechteckigen Platte 12 als Breite bezeichnet wird, nimmt die Störungsbarriere 16 im Wesentlichen die halbe Breite ein. Dies gilt gleichermaßen für eine ähnlich vorgesehene Strömungsbarriere 18 im Bereich des Auslasses 14.
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In der „anderen“, somit gemäß 1 der oberen Hälfte befinden sich im gezeigten Fall sowohl im Bereich des Einlasses 12, gemäß 1 links, als auch im Bereich des Auslasses 14, gemäß 1 rechts, mehrere Strömungsleitelemente 20. Dadurch, dass diese Strömungsleitelemente 20 in einem stromaufwärtigen Bereich, gemäß 1 links, vorgesehen sind, sorgen sie für eine günstige Verteilung des Kühlmittels in denjenigen Bereich, der sich gemäß 1 oben oder, allgemein formuliert, „neben“ dem Bereich der direkten Strömungsverbindung A zwischen Ein- 12 und Auslass 14 befindet. Dieser Bereich der direkten Strömungsverbindung ist in derjenigen Hälfte der Platte 10 zu sehen, in denen sich Ein- 12 und Auslass 14 befinden. Durch die Pfeile C in 1 ist angedeutet, wie sich das Kühlmittel erfindungsgemäß gleichmäßiger über die Platte verteilt. Mit anderen Worten sorgt die Strömungsbarriere 16 für einen erhöhten Strömungswiderstand in diesem Bereich, während die Strömungsleitelemente 20 die Strömung im Bereich des Bypasses, gewissermaßen der Umgehung der Strömungsbarriere in günstiger Weise beeinflussen.
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Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel durch die Strömungsbarriere 16 in den oberen Bereich gemäß 1 verteilt, und die Strömungsleitelemente 20 tragen für eine günstige Verteilung speziell in diesem Bereich bei. Hierzu weisen die Strömungsleitelemente 20 unterschiedliche Winkel bezüglich der Strömungsbarriere 16 auf. Dieser kann insbesondere für das am nächsten zu der Strömungsbarriere 16 gelegene Strömungsleitelement 20 am geringsten, beispielsweise ca. 70° sein, und sich bis zu dem am Außenrand gelegenen Strömungsleitelement 20 auf 90° vergrößern. In dem gezeigten Beispiel sind entsprechende Strömungsleitelemente stromabwärts und im Bereich des Auslasses 14 vorgesehen. Die Strömungsbarrieren 16, 18 und die Strömungsleitelemente 20 sind im gezeigten Fall aus dem Plattenmaterial selbst ausgebildet und im Wesentlichen als Rippen, Sicken, längliche Vertiefungen, Einkerbungen oder Dimpel ausgebildet.
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Wie in
1 im mittleren Bereich zu erkennen ist, sind für eine gute Wärmeübertragung zahlreiche im Wesentlichen kreisförmige Vertiefungen oder Dimpel vorgesehen, zwischen denen kleinere Neben-Dimpel ausgebildet sind. In dieser Hinsicht entspricht die Gestaltung derjenigen gemäß der am 04. Februar 2020 von der Anmelderin eingereichten Patentanmeldung mit dem Titel „Dimple chiller with secondary dimples” mit dem Aktenzeichen
DE 10 2020 201 344.6 . Im Hinblick auf die Dimpel im mittleren Bereich der Platte wird die Offenbarung dieser bereits eingereichten Anmeldung vollständig zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht. Durch diese Gestaltung kann, in Verbindung mit der erfindungsgemäß erreichten, besonders gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels über die gesamte Platte, eine erhebliche Leistungssteigerung des damit ausgestatteten Wärmeübertragers erreicht werden. Es können jedoch auch lediglich die Haupt-Dimplel vorgesehen sein.
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In 2 ist insbesondere zu erkennen, wie die in 1 gezeigte Platte mit einer ähnlich gestalteten, zweiten Platte zusammenwirkt. Hierzu ist die Platte von 1 um eine horizontale Achse gedreht und von einer zweiten Platte abgedeckt. Die Rippen beider Platten, welche die Strömungsbarrieren und -Leitelemente bilden erstrecken sich sämtlich in Richtung des Betrachters. Die zweite Platte weist in diesem Fall ebenfalls vier Strömungsleitelemente 20 auf, die in diesem Fall jedoch im Wesentlichen senkrecht zu der darunter zu erkennenden Strömungsbarriere 16 verlaufen. Nachdem die Strömungsbarriere 16 im Wesentlichen die Höhe des eigentlich zwischen zwei gestapelten Platten vorgesehenen Strömungsquerschnitts aufweist, werden Strömungsverbindungen nur im Bereich der Strömungsleitelemente 20 ermöglicht. Im Gegensatz dazu bildet die in 2 unten zu erkennende Strömungsbarriere 16 in dem betrachteten Strömungsquerschnitt eine Erweiterung in Richtung des Betrachters, so dass hier der Strömungsquerschnitt vergleichsweise offen und groß ist, und durch die darunter zu erkennenden Strömungsleitelemente 20 beeinflusst wird. Demnach befindet sich in 2 der Einlass 12 im oberen Bereich, und in der Schnittdarstellung entlang der Linie B-B in 3 links.
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Wie in 3 links zu erkennen ist, verbleiben in diesem Bereich am Einlass 12 lediglich vergleichsweise kleine Strömungskanäle, die im Wesentlichen durch die Strömungsleitelemente 20 gebildet werden, während in dem danebenliegenden Bereich, in 3 rechts, ein vergleichsweise großer Strömungsquerschnitt mit einer Strömungsleitelementwirkung durch die dort ausgebildeten Strömungsleitelemente 20 verbleibt.
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Zurückkommend auf 2 ist die Platte hier im Bereich der oberen Strömungsleitelemente 20 und der unteren Strömungsbarriere 16 in Richtung des Betrachters vertieft. Dies gilt gleichermaßen im Hinblick auf die darunterliegende Platte mit der im oberen Bereich ausgebildeten Strömungsbarriere 16 und der im unteren Bereich ausgebildeten Strömungsleitelemente 20. Folglich ist der Strömungsquerschnitt im oberen Bereich gemäß 2 infolge der in den zwischen den Platten ausgebildeten Strömungsquerschnitt ragenden Strömungsbarriere 16 erheblich verkleinert, wie in 3 links erkennbar, während im unteren Bereich von 2 sich die Strömungsbarriere 16 der oberen Platte ebenfalls in Richtung des Betrachters erstreckt und somit einen vergleichsweise großen Strömungsquerschnitt zu der darunterliegenden Platte, in der die Strömungsleitelemente 20 ausgebildet sind, freigibt. Die Platten sind üblicherweise miteinander verlötet. Bei dem gezeigten Beispiel sind die beiden Platten unterschiedlich gestaltet, es ist jedoch zu erkennen, dass identische Platten verwendet werden könnten, wenn diese abwechselnd um 180° um eine Achse senkrecht zur Plattenebene gedreht verwendet werden. Wenn nämlich die in 1 gezeigte Platte um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene um 180° gedreht mit der Platte gemäß 1 kombiniert wird, kommen (in diesem Fall identische) Strömungsbarrieren und Strömungsleitelemente aufeinander wie in 2 gezeigt zu liegen. Die Darstellung von 2 müsste lediglich um eine horizontale Achse gespiegelt werden, um der zuletzt beschriebenen Situation zu entsprechen.
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4 zeigt eine Simulation der Strömung von Kühlmittel auf einer Platte gemäß 1, jedoch ohne die erfindungsgemäße Strömungsbarriere. Die Strömung verläuft in den 4 und 5 von unten nach oben und basiert auf einem Kältemitteldurchsatz von 750 1/Std. und bei einer Temperatur von 17,5°C. Die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten, nämlich etwa 0,5 m/Sek. werden unmittelbar an den Einlass 12 anschließend, und kurz vor dem Auslass 14 erreicht, wo sich die Strömung aufteilt bzw. wieder zusammengeführt wird. Die niedrigsten Strömungsgeschwindigkeiten werden im Bereich des gemäß 4 rechten Außenrandes erreicht.
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Demgegenüber sorgt die erfindungsgemäße Strömungsbarriere, deren Effekt sich aus 5 ergibt für eine erhebliche Vergleichmäßigung der Strömung. Insbesondere konnte festgestellt werden, dass die Strömung in der gemäß 5 linken Hälfte nur noch geringfügig umfangreicher, nämlich 50,8 % der Gesamtströmung, ist, als in der rechten Hälfte (49,2 %). Die höchsten Strömungsgeschwindigkeiten, auch hier bis zu 0,5 m/Sek., werden auch hier im Bereich des Ein- 12 und Auslasses 14 erreicht, auch bis in den Bereich der gemäß 5 rechten Hälfte der Platte. Demgegenüber wird die Strömung in der linken Hälfte, wo sich die Strömungsbarriere befindet, begrenzt, so dass sich die beschriebene Vergleichmäßigung ergibt.
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In 6 ist der erfindungsgemäße Effekt verdeutlicht. Es ergibt sich nämlich eine Leistungsverbesserung zwischen 4,0 und 11,3 %, in Abhängigkeit des Kühlmitteldurchsatzes.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 9400142 B1 [0003]
- DE 102020201344 [0023]
