DE102022201289A1 - Strömungsoptimierter Plattenwärmetauscher - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher 10, wobei der Wärmetauscher 10 als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, wobei der Wärmetauscher 10 Trennwände 20 aufweist, wobei der Wärmetauscher 10 erste Bereiche 30 zwischen den Trennwänden 20 für ein erstes Medium und zweite Bereiche 40 zwischen den Trennwänden 20 für zweites Medium aufweist, wobei die ersten Bereiche 30 und die zweiten Bereiche 40 durch eine Mehrzahl von Trennwände 20 getrennt sind, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Trennwänden 20 alternierend erste Bereiche 30 und zweite Bereiche 40 angeordnet sind, wobei im ersten Bereich 30 zwischen den Trennwänden 20 Verbindungselemente 50 angeordnet sind

Description

• Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand.
• In nicht nuklear-betriebenen Unterseebooten werden derzeit zunehmend Brennstoffzellenvorrichtungen eingesetzt, um die Einsatzfähigkeit im getauchten Zustand zu steigern. Eine wichtige Form ist hierbei die Rezirkulationsbrennstoffzelle. Das Gas der Brennstoffzelle stammt beispielsweise und bevorzugt zum einen aus einem Tank für flüssigen Sauerstoff, zum anderen aus einem Metallhydridspeicher oder einem Reformer. In allen Fällen weist das zugeführte Gas praktisch keine Feuchtigkeit auf, was wiederum zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Membran führt. Daher erfolgt bevorzugt eine Befeuchtung der Eduktgase in einem Wärmetauscher.
• Hieraus ergeben sich einige Anforderungen an die unter diesen Bedingungen eingesetzten Wärmetauscher. Neben einer kompakten Bauweise ist auch eine hohe Effizienz bei möglichst geringem Strömungswiderstand notwendig. Weiter ist ein gewisses Maß an Modularität vorteilhaft, um bei der vergleichsweise geringen Stückzahl eine effiziente Ersatzteillagerung zu haben.
• Aus der US 2020/0064075 A1 ist ein Gegenflusswärmetauscher mit einem spiralförmigen Aufbau bekannt.
• Aus der US 10,434,575 B2 ist ein im additiven Fertigungsverfahren hergestellter Wärmetauscher bekannt, welcher eine Vielzahl an Fluiddurchlässen aufweist.
• Aus der US 2019/0063842 A1 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher bekannt.
• Aus der US 2019/023703A1 ist ein spiralförmiger Wärmetauscher bekannt.
• Aus der US 9,657,999 B2 ist ein Wärmetauscher mit alternierenden Kanälen bekannt.
• Aus der DE 10 2020 210 532 B3 ist ein Entfeuchter für einen Rezirkulationskreislauf einer Brennstoffzellenvorrichtung bekannt.
• Aus der DE 10 2020 210 310 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher bereitzustellen, der insbesondere in einem Befeuchter für die einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Eduktgase an Bord eines Unterseebootes einsetzbar ist.
• Gelöst wird diese Aufgabe durch den Wärmetauscher mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
• Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist als Plattenwärmetauscher ausgeführt. Der Wärmetauscher weist entsprechend Trennwände auf, durch welche erste Bereiche und zweite Bereiche getrennt werden. Der Wärmetauscher weist entsprechend erste Bereiche zwischen den Trennwänden für ein erstes Medium und zweite Bereiche zwischen den Trennwänden für zweites Medium auf. Im Wärmetauscher wird Wärme von dem ersten Medium auf das zweite Medium oder vom zweiten Medium auf das erste Medium übertragen. Die ersten Bereiche und die zweiten Bereiche sind somit durch eine Mehrzahl von Trennwände getrennt. Jeweils zwischen zwei benachbarten Trennwänden sind alternierend erste Bereiche und zweite Bereiche angeordnet. Dieses entspricht dem bekannten Aufbau eines Plattenwärmetauschers. Im ersten Bereich sind zwischen den Trennwänden Verbindungselemente angeordnet. Diese Verbindungselemente können mehrere Aufgaben übernehmen. Zum einen bewirken die Verbindungselemente eine mechanische Verbindung der Trennwände, wodurch eine mechanische Stabilisierung erreicht wird. Darüber hinaus dienen die Verbindungselemente als Kontaktfläche zum ersten Medium.
• Erfindungsgemäß weisen die Verbindungselemente einen länglichen Querschnitt auf. Die Verbindungselemente sind damit länger als diese breit sind. Die Verbindungselemente sind in Längsrichtung parallel zur Strömungsrichtung des ersten Mediums angeordnet. Die Verbindungselemente weisen einen Querschnitt parallel zu den Trennwänden auf.
• Der Querschnitt weist parallel zur Längsrichtung und senkrecht zu den Trennwänden eine Spiegelsymmetrie auf. Hierdurch wird verhindert, dass es gemäß dem Gesetz von Bernoulli zu einem Druckunterschied durch unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeit des umströmenden Gases und somit zu einer resultierenden Kraftwirkung auf das Verbindungselement kommt.
• Der Querschnitt weißt bevorzugt eine kontinuierliche Veränderung der Dicke auf, wobei die Dicke an den beiden Enden in Längsrichtung jeweils gegen null läuft. Die Veränderung der Dicke ist bevorzugt entlang der Längsrichtung stetig, An wenigstens einem Ende kann zwischen den beiden Seiten eine Unstetigkeit bestehen, das Verbindungselement kann also beispielsweise an einem Ende spitz zulaufen. Die Dicke des Querschnitts nimmt in Längsrichtung erst kontinuierlich zu bis zu einer größten Dicke und nimmt dann wieder kontinuierlich bis auf null ab. Der Punkt der größten Dicke liegt bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 0,4 der Länge in Richtung der Anströmung.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Querschnitt ein Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung von höchstens 0,5, bevorzugt von höchstens 0,35, weiter bevorzugt von 0,25, besonders bevorzugt von höchstens 0,15 auf.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung in Strömungsrichtung wenigstens das 0,05-fache, bevorzugt wenigstens das 0,1-fache, der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die größten Dicke senkrecht zur Längsrichtung in Strömungsrichtung höchstens das 0,4-fache, bevorzugt höchstens das 0,35-fache, der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weißt das Verbindungselement eine äußere Umrandung auf. Die äußere Umrandung hat eine Form, die sich dadurch beschreiben lässt, dass die Steigung der Tangente der Oberfläche des Verbindungselements der spiegelsymmetrischen Seiten in Längsrichtung (der Anströmung), bevorzugt stetig, abnimmt und die Seiten sich an dem einen Ende in einem stetigen Übergang treffen, am anderen Ende sich in einem unsteten Übergang treffen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Form der äußeren Umrandung des Querschnitts gegeben über die Formel: $$y=\pm 5\cdot d\cdot \left(\mathrm{0,2969}\sqrt{x}-\mathrm{0,1260}x-\mathrm{0,3516}{x}^2+\mathrm{0,2843}{x}^3-\mathrm{0,1015}{x}^4\right)$$

  

  Hierbei ist x entlang der Längsrichtung von 0 bis 1 und y ist senkrecht zu x. d ist das Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung.
• Diese Form hat sich als besonders strömungsgünstig für ein gasförmiges erstes Medium erwiesen. Somit kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher besonders effizient als Befeuchter verwendet werden und stellt hierbei einen geringen Strömungswiderstand dar.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Verbindungselement zwischen zwei Trennwänden ein zur Mitte zwischen den Trennwänden, also in z-Richtung, sich verjüngenden Querschnitt auf. Da sich damit das Verbindungselement in Längsrichtung verkürzt, hat sich als herausgestellt, dass bevorzugt die Verkürzung am hinteren Ende (x=1) stärker ausfällt als am vorderen Ende (x=0). Somit verschiebt der Mittelpunkt sich entlang der z-Richtung. Die Längsachse bleibt jedoch immer übereinander, sodass die Verjüngung in der Breite symmetrisch ausfallen.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Längserstreckung der Verbindungselemente geringer als die Trennwände, besonders bevorzugt ist die Länge der Verbindungselemente höchstens 10 % der Länge der Trennwände und mindestens 0,5 % der Trennwände, die es verbindet.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Verbindungselemente zeilenweise nebeneinander angeordnet.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind mehrere Verbindungselemente reihenweise fluchtend übereinander angeordnet.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Verbindungselemente derart angeordnet, dass der x-Wert entlang der Strömungsrichtung des ersten Mediums ansteigend ist. Dieses bedeutet, dass die Strömung zunächst auf den sich schneller verbreitenden Teil des Verbindungselements trifft und am lang auslaufenden Ende des Verbindungselements wieder strömungsgünstig zusammengeführt wird.
• Besonders bevorzugt wird der erfindungsgemäße Wärmetauscher mittels additiver Fertigung hergestellt.
• Bevorzugt wird dieser erfindungsgemäße Wärmetauscher als Befeuchter verwendet. Besonders bevorzugt wird der Befeuchter zur Befeuchtung der zu einer Brennstoffzellenvorrichtung zugeführten Eduktgase verwendet.
• Besonders bevorzugt wird die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Befeuchter an Bord eines Unterseeboots verwendet.
• In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden zwei erfindungsgemäße Wärmetauscher übereinander angeordnet, wobei das erste gasförmige Medium von unten einströmt und in dem ersten Wärmetauscher durch das zweite Medium abgekühlt, wodurch Wasser auskondensiert. Anschließend wird das erste Medium in den zweiten Wärmetauscher überführt und dort durch das zweite Medium wieder erwärmt. Vorzugsweise ist unter dem ersten Wärmetauscher ein Wasserablass angeordnet. Somit ergibt sich ein kompakter und effizienter Entfeuchter mit einem minimalen Strömungswiderstand.
• Bevorzugt wird dieser erfindungsgemäße Befeuchter im Rezirkulationskreis einer Brennstoffzellenvorrichtung verwendet.
• Besonders bevorzugt wird die Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Befeuchter an Bord eines Unterseeboots verwendet.
• Nachfolgend ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
• 1 Querschnitt eines Verbindungselements
• 2 Querschnitt des Wärmetauschers
• Die Figuren sind nur grob schematisch. Insbesondere geben die Verbindungselemente nicht die exakte erfindungsgemäße Form wieder, sondern sind nur eine grobe Annäherung.
• In 1 ist der Querschnitt eines Verbindungselements 50 gezeigt. x und y sind die Koordinaten parallel zu den Trennwänden 20. L ist die Länge, auch Akkord genannt. D ist die maximale Dicke. Somit ergibt sich d = D / L. Das Verbindungselements 50 beginnt links am Koordinatenpunkt [0;0] und endet rechts am Koordinatenpunkt [1 ;0]. d liegt bevorzugt zwischen 0,1 und 0,2.
• 2 zeigt einen Querschnitt des Wärmetauschers 10. Durch Trennwände 20 werden erste Bereiche 30 und zweite Bereiche 40 abwechselnd getrennt. Durch die ersten Bereiche strömt ein erstes Medium, beispielsweise das rezirkulierte Gas einer Brennstoffzelle. Durch die zweiten Bereiche strömt beispielsweise als zweites Medium Wasser als Wärmetauschmedium. Innerhalb der ersten Bereiche 30 sind Verbindungselemente 50 reihen- und zeilenweise angeordnet. Die Verbindungselemente 50 weisen eine hier angedeutete Verjüngung zwischen den Trennwänden 20 auf. Im gezeigten Fall würde das erste Medium bevorzugt von oben nach unten strömen. Für die Anordnung in einem Entfeuchter würde man den Wärmetauscher 10 entsprechend bevorzugt umdrehen, damit das Medium von unten nach oben strömen kann.
• Bezugszeichenliste

10

Wärmetauscher

20

Trennwand

30

erster Bereich

40

zweiter Bereich

50

Verbindungselement

• 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
• US 2020/0064075 A1 [0004]
• US 10434575 B2 [0005]
• US 2019/0063842 A1 [0006]
• US 2019023703 A1 [0007]
• US 9657999 B2 [0008]
• DE 102020210532 B3 [0009]
• DE 102020210310 [0010]

Claims (9)

1. Wärmetauscher (10), wobei der Wärmetauscher (10) als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, wobei der Wärmetauscher (10) Trennwände (20) aufweist, wobei der Wärmetauscher (10) erste Bereiche (30) zwischen den Trennwänden (20) für ein erstes Medium und zweite Bereiche (40) zwischen den Trennwänden (20) für zweites Medium aufweist, wobei die ersten Bereiche (30) und die zweiten Bereiche (40) durch eine Mehrzahl von Trennwände (20) getrennt sind, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Trennwänden (20) alternierend erste Bereiche (30) und zweite Bereiche (40) angeordnet sind, wobei im ersten Bereich (30) zwischen den Trennwänden (20) Verbindungselemente (50) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) einen länglichen Querschnitt aufweisen, wobei die Verbindungselemente (50) in Längsrichtung parallel zur Strömungsrichtung des ersten Mediums angeordnet sind, wobei die Verbindungselemente (50) einen Querschnitt parallel zu den Trennwänden (20) aufweisen, wobei der Querschnitt parallel zur Längsrichtung und senkrecht zu den Trennwänden (20) eine Spiegelsymmetrie aufweist.
2. Wärmetauscher (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt ein Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung von höchstens 0,5, bevorzugt von höchstens 0,35, weiter bevorzugt von 0,25, besonders bevorzugt von höchstens 0,15 aufweist.
3. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung in Strömungsrichtung wenigstens das 0,05-fache der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt ist.
4. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung in Strömungsrichtung höchstens das 0,35-fache der Länge in Längsrichtung von der in Strömungsrichtung vordersten Position in Längsrichtung entfernt ist.
5. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt gegeben ist über die Formel: $$y=\pm 5\cdot d\cdot \left(\mathrm{0,2969}\sqrt{x}-\mathrm{0,1260}x-\mathrm{0,3516}{x}^2+\mathrm{0,2843}{x}^3+-\mathrm{0,1015}{x}^4\right)$$

   

   wobei x entlang der Längsrichtung von 0 bis 1 ist, wobei y senkrecht zu x ist, wobei d das Verhältnis zwischen der größten Dicke senkrecht zu Längsrichtung geteilt durch die Länge in Längsrichtung ist.
6. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (50) zwischen zwei Trennwänden (20) ein zur Mitte zwischen den Trennwänden (20) sich verjüngenden Querschnitt aufweist.
7. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (50) zeilenweise nebeneinander angeordnet sind.
8. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verbindungselemente (50) reihenweise fluchtend übereinander angeordnet sind.
9. Wärmetauscher (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (50) derart angeordnet sind, dass der X-Wert entlang der Strömungsrichtung des ersten Mediums ansteigend ist.

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