DE10212754B4 - Wärmeübertrager - Google Patents

Abstract

Wärmeübertrager mit einem als Metall-Hutprofil ausgebildeten geschlossenen Gehäuse, das durch zumindest einen längs des Gehäuseinnenraumes verlaufenden Mittelstreifen in zwei voneinander gasdicht getrennte Strömungskanäle aufgeteilt ist, mit einer in jedem Strömungskanal mündenden Eintrittsöffnung und auf der gegenüber liegenden Seite angeordneten Austrittsöffnung , mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsblechen, die unter Zwischenlagerung von Abstandsstreifen aufeinander gestapelt sind und jeweils einen Zwischenraum bilden, wobei die Wärmeübertragungsbleche von dem einen Strömungskanal durch den Mittelstreifen in den benachbarten Strömungskanal reichen, wodurch der Wärmetransport durch Wärmeleitung von dem wärmeren zu dem kälterem Medium erfolgt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf die Gestaltung eines Wärmeübertragers, bei dem die einzelnen Wärmeübertragungsbleche als Paket unter Zwischenlagerung von Abstandsstreifen in einem geschlossenen Gehäuse untergebracht sind. Dabei leiten die Wärmeübertragungsbleche die im wärmeren Durchströmungskanal durch Wärmeübertragung aufgenommmene Wärme durch die Wärmeleitung in den Blechen zum benachbarten kälteren Durchströmungskanal, wo die Wärme wieder durch Wärmeübertragung vom kälteren Medium aufgenommen wird. Die meisten der bekannten Wärmeübertrager sind dagegen so aufgebaut, daß die Wärme nach der Wärmeübertragung infolge Wärmedurchgang zum kälteren Durchströmungskanal transportiert wird, wo sie wieder durch Wärmeübertragung vom kälteren Medium aufgenommen werden muß. Diese Funtionsweise hat zwei Nachteile gegenüber der erfindungsgemäß gestalteten Wärmeleitungsmethode. Erstens sind für den Wärmedurchgang größere Temperatudifferenzen erforderlich als dies bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Fall ist und zweitens sind durch die wechselseitige Anordnung kälterer und wärmerer Durchströmungskanäle besonders bei unterschiedlichen und einseitig höheren Drücken bei welchen die Trennwände eine entsprechende Biege-Festigkeit besitzen müssen größere Materialmengen unabdingbar, wobei die gasdichte Trennung der beiden Medienströme an den Begrenzungsstellen durch Schweißung Pressung und Fügung kompliziertere Gestaltungs- und Abdichtungsmaßnahmen erfordert als dies bei der erfindungsgemäßen Gestaltung der Fall ist.
• Daraus ergibt sich die Aufgabe, die bei der Konzipierung der erfindungsgemäßen Gestaltung des Wärmeübertragers zu lösen war. Es müßten diese Nachteile beseitigt werden, um einen Wärmeübertrager zu erhalten, der bei geringerem Material- und Herstellungsaufwand auch für die Wärmeübertragung kleinerer Temperaturunterschiede zwischen zwei Medien auch unterschiedlicher Drücke besonders als Temperaturwechsler geeignet ist. Die bisher bekannten Ausführungen, welche ebenfalls die Wärmeübertragung zwischen zwei Medien unterschiedlicher Temperatur infolge Wärmeleitung bewerkstelligen, sind aus Rundmaterial gefertigte Stäbe, die entweder auf jeder Seite der medienführenden Durchströmungskanäle eingepreßt oder angeschweißt sind und nur geringfügig die Wärmeübertragungsflächen vergrößern oder reichen ebenfalls durch beide Medien hindurch, wobei die gasdichte Trennung beider Medienströme sowie die Ausführung der Trennwände zwischen beiden Medien in der Ausführung ebenfalls mit den weiter vorn beschriebenen Nachteilen behaftet ist. Deshalb sind solche Wärme – übertrager nur bei Vorliegen gleicher und niedriger Drücke in den beiden Medienströmen anwendbar und für den Wärmeaustausch in Lüftungsanlagen einsetzbar.
• Eine Besonderheit bildet die unter der Publikationsnummer WO 99/ 51069 A beschriebene Ausführung, bei der aus Carbonfasern in besonderer Herstellung gefertigte und zu Rundprofilen geformte Bündel in die Medienströme reichen, wobei sich der Anschluß dieser Bündel an eine Spannungsquelle mittels des dabei erzeugten elektrischen Feldes bei Flüssigkeiten (Fluiden) für den Wärmeübergang unterstützend auswirkt. Demgegenüber liegt bei der erfindungsgemäßen Lösung eine einfache Ausführung dergestalt vor, daß die Wärmeübertragungsbleche abwechselnd unter Zwischenlegen der Abstandsstreifen, die den Strömungszwischenraum bilden einfach in die Nuten der Endblöcke an beiden Enden der Wärmeübertragungselemente eingelegt und anschließend durch einen aufschraub- oder aufklemmbaren Deckel mit Dichtung zusammengepreßt werden, wodurch gleichzeitig die gasdichte Trennung zwischen den beiden Medienströmen hergestellt wird. Da die in beide Medienströme ragenden Wärmeübertragungsbleche von beiden Seiten beaufschlagt werden, ist die Wärmeaufnahme doppelt so hoch als bei den sonst üblichen Ausführungen, da sich die Wärmeübertragungsfläche verdoppelt. Für die anschließende Wärmeleitung von der wärmeren zur kälteren Seite kann die Dicke der Wärmeübertragungsbleche die vornehmlich aus Aluminium gefertigt werden zu der in die. Medien hineinragenden Tiefe maßlich so aufeinander abgestimmt werden, daß Wärmeübertragung und Wärmeleitung annähernd gleich große Werte ergeben. Gemäß Anspruch 3 der Patentansprüche werden die Endblöcke die als Begrenzung der wahlweise 500 mm bzw. 1000 mm langen Elemente fungieren außer den eingefrästen Nuten beiderseits der Durchströmungskanäle mit länglichen Bohrungen versehen welche den Durchtritt der Medienströme zum anschließenden Element bzw. zum Ein- und Austritt erlauben. Dabei ist gemäß 1 zwischen den Endblöcken und der wirksamen Breite der Wärmeübertragungsbleche ein freier Raum in den Strömungskanälen von mindestens i 5 mm vorgesehen, und den strömenden Medien Platz zu lassen sich möglichst gleichmäßig über alle Strömungskanäle zu verteilen, was durch den Strömungswiderstand zwischen den Wärmeübertragungsblechen unterstützt wird. Ein und austrittsseitig sind an die Endblöcke vorgefertigte Übergangsstücke geschweißt, die von den länglichen Öffnungsquerschnitten in den Endblöcken auf einen runden Querschnitt überleiten und sich damit für die Aufnahme der Verschraubungsteile eignen welche für die Rohrleitungsanschlüsse erforderlich sind. Wenn für die Anordnung der einzelnen Wärmeübertragungs-Elemente entsprechend der Aufgabenstellung mehrere Elemente in Reihenschaltung erforderlich sind, entfallen diese Übergangsstücke und die Endblöcke werden ausgangsseitig, wie in 2 dargestellt, ebenfalls nur mit Nuten versehen, um eine direkte Verbindung der einzelnen Elemente zu ermöglichen. Die direkte Verbindung der Gehäuse kann wahlweise durch Schweißung oder Schraub- bzw. Klemmberbindungen erfolgen.
• 1 zeigt den Querschnitt durch ein Einzelelement des Wärmeübertragers. Die Umhüllung besteht aus einem Metall-Hutprofil 50 × 100 mm, s = 4 mm. Darin sind 55 Stück Alu-Bleche von 0,6 mm Dicke eingelagert. Ihr Abstand voneinander, hier 1,2 mm wird durch mittig zwischen gelegte Alu-Streifen 6,0 × 1,2 × L gewährleistet. Das ganze Paket wird durch einen auf das Hutprofil aufschraubbaren Deckel unter Zwischenlagerung einer Dichtung entsprechend stark zusammengepreßt, so daß beidseitig der Mittelstreifen Medien unterschiedlicher Drücke durchgeleitet werden können. An den Stirnseiten sind Endblöcke eingeschweißt, welche gleichzeitig die Mittelstreifen zentrieren und die ovalen Öffnungen für die Anschlußstutzen die von oval auf rund gestaltet werden tragen. Infolge des geringen Plattenabstandes stellt sich eine laminare Strömung ein, die auch bei leicht wellenförmiger Ausbildung der Bleche hauptsächlich beibehalten wird.
• 2 zeigt einen Wärmeübertrager in Batterieform bestehend aus 5 Stück nebeneinander liegenden Elementen. Seine nutzbare Übertragungslänge betrage 2500 mm. Die Gesamtabmessung ergibt sich zu 258 × 120 × 2620 mm. Er besitzt eine Wärmeübertragungsfläche von 5 × 55 × 2 × 0,022 × 2,5 m² 30,25 m². Die Hutprofile sind beidseitig um je 20 mm länger als die Wärmeübertragungsbleche. Der Deckel erhält bei höheren Drücken alle 250 mm Versteifungsriegel aus Winkelstahl. Der ganze Wärmeübertrager wird allseitig je nach Höhe der Temperaturen mit 40 bis 80 mm starker Wärmedämmung versehen.
• Die wärmetechnische Berechnung des WÜ erfolgt an Hand des in einem Modellversuch ermittelten x- Wertes von 86 W/m² K bei v = 5,67 m/s, Medium Luft + 50 °C, p = 1,013 bar Mit Hilfe der Ähnlichkeitskriterien nach Reynolds, Grashof, Nusselt und Prandtl sowie auf Grund der geometrischen Ähnlichkeit können mit den Ergebnissen des Modellversuches die α- Werte bei anderen Verhältnissen berechnet werden wobei die Dichten, Wärmeleitfähigkeiten, kinematischen Zähigkeiten, Strömungsgeschwindigkeiten und spezifischen Wärmekapazitäten zu berücksichtigen sind.
• Bei höheren Temperaturen und größeren Drücken als im Modellversuch nehmen die Wärmeübergangskoeffizienten stark zu. So ist beispielsweise bei Luft von +480 °C und p = 5 bar α = rund 260 W/m² K . Infolge des Temperaturverlaufes während des Wärmeaustausches müssen die unterschiedlichen Dichten , unterschiedlichen Geschwindigkeiten und anderen Parameter zwischen Anfang und Ende des WÜ auf beiden Seiten berücksichtigt werden.
• Die genaue Berechnung ist nicht Gegenstand der Patenterteilung und wird deshalb hier nicht dargestellt.

Claims (4)

1. Wärmeübertrager mit einem als Metall-Hutprofil ausgebildeten geschlossenen Gehäuse, das durch zumindest einen längs des Gehäuseinnenraumes verlaufenden Mittelstreifen in zwei voneinander gasdicht getrennte Strömungskanäle aufgeteilt ist, mit einer in jedem Strömungskanal mündenden Eintrittsöffnung und auf der gegenüber liegenden Seite angeordneten Austrittsöffnung , mit einer Vielzahl von Wärmeübertragungsblechen, die unter Zwischenlagerung von Abstandsstreifen aufeinander gestapelt sind und jeweils einen Zwischenraum bilden, wobei die Wärmeübertragungsbleche von dem einen Strömungskanal durch den Mittelstreifen in den benachbarten Strömungskanal reichen, wodurch der Wärmetransport durch Wärmeleitung von dem wärmeren zu dem kälterem Medium erfolgt.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die in dem Metall-Hutprofil aufeinander gestapelten Wärmeübertragungsbleche und Abstandsstreifen mittels auf das Hutprofil aufschraubbaren oder aufklemmbaren Deckel mit untergelegter elastischer Dichtung so zusammengepreßt werden, daß sich dadurch die gasdichte Trennung der Strömungskanäle ergibt.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsbleche und Abstandsstreifen an beiden Enden durch in die Hutprofile eingepreßte Endblöcke mit eingefrästen Nuten zentriert werden und die Endblöcke mit länglichen Bohrungen versehen sind , die die Eintritts- und Austrittsöffnungen bilden, an welchen sich angeschweißte Übergangsstücke von ovalen auf runden übergehenden Querschnitt befinden, welche die Verschraubungsteile für die Rohrleitungsanschlüsse erhalten.
4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erforderliche Anzahl der Wärmeübertragungseinheiten entsprechend den gestellten Anforderungen in mehreren Parallel- und Reihenschaltungen angeordnet sind.