DE1100056B - Verfahren zur Waermeuebertragung zwischen zwei zwischen gewellten Platten stroemenden Medien und Waermeaustauscher zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

• Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen zwei zwischen gewellten Platten strömenden Medien und Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen zwei strömenden Medien, :die jedes als Mediumstrom für sich durch nebeneinanderliegende, durch gewellte und parallel zueinander angeordnete Wärmeaustauschplatten begrenzte Kanäle geleitet werden, und wo ein Mediumstrom während des Durchströmens eines Kanals richtungsändernden Impulsen ausgesetzt wird, die über die Breite des Strömungskanals verteilt zu mehreren nebeneinander und über die Länge des Strömungskanals zu mehreren hintereinander von den Kanalwandungen ausgehenddem Mediumstrom mitgeteilt werden.
• Zur Erhöhung :der Wärmeübertragung zwischen den strömenden Medien ist es erwünscht, sie einer Turbulenz zu unterwerfen. Hierdurch soll vermieden werden, daß Teile eines Medi:umstromes den übrigen Teilen desselben voreilen. Die Erzeugung einer Turbulenz ist weiterhin zweckmäßig z. B. im Falle von Milch zur Verhinderung :des Anbrennens an den Platten.
• Da Wärmeaustauschplatten im allgemeinen aus kostbarem Material, meist aus rostfreiem Stahl, hergestellt werden, .gilt es weiterhin, :die verfügbare Wärmeaustauschfläche pro Platte unter gegebenen Verhältnissen so groß wie möglich zu ;gestalten, um wirtschaftlich zu sein.
• Es ist bekannt, die Turbulenz durch Maßnahmen zu erzeugen, welche gleichzeitig einen Druckverlust in den durch die Kanäle bewegten Mediumströmen zur Folge haben. Zweck der Erfindung ist es, anzugeben, wie eine optimale Wärmeübertragung unter gegebenen Verhältnissen erreichbar ist, also so, :daß eine größtmögliche Turbulenz bei Erhaltung einer größtmöglichen Austauschoberfläche und bei niedrigstem Druckverlust beim Durchströmen der Kanäle zwischen den Platten erreicht wird.
• Dieser Zweck wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Impulse je aus einer in Richtung :der Plattenebene und einer quer zur Plattenebene schwingenden Komponente zusammengesetzt sind und von entgegengesetzten Seiten der Kanalwandungen kommende Impulse in Richtungen wirken, die sich in Strömungsrichtung kreuzen, wobei die Größe der Querschnittsfläche des gesamten Mediumstromes durch einen Kanal an allen Stellen der Strömungslänge des Kanals im großen und ganzen konstant gehalten wird. Der betreffende Mediumstrom wird also während des Durchströmens seines Kanals kräftig durchwirbelt. Da schädliche Querschnittseinengungen nicht erfolgen, werden :Druckverluste beim Durchströmen des Kanals vermieden.
• Eine besonders wirksame und über .das :gesamte durchströmte Areal des Kanals gleichmäßig verteilbare Durchwirbelung des Mediumstromes kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, :daß die Impulse über die Länge des Strömungskanals für jede Kanalwandung gleichlaufenden Zickzacklinien folgen, wobei die Zickzacklinien für die von der einen Plattenwandung aus auf den Mediumstrom einwirkenden Impulse gegenläufig zu den Zickzacklinien für,die von der anderen Plattenwandung aus auf den Mediumstrom einwirkenden Impulse sind und sich mit ihnen über die Kanallänge in regelmäßiger Wiederholung zwischen jedem Wendepunkt kreuzen.
• Ein zur Durchführung :des genannten Verfahrens geeigneter Wärmeaustauscher besteht aus einer Anzahl untereinander parallel und mit gegenseitigem Abstand einander gegenüber angeordneten Platten, deren Oberflächen mit einer im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung verlaufenden wellenförmigen Faltengruppe versehen sind, und wo die Rücken der Falten einer Platte in die Rücken der Falten der Nachbarplatte eintreten, und der Erfindungszweck wird dadurch erreicht, daß den wellenförmigen Faltenbeider Platten eines Plattenpaares eine zweite Wellengruppe, die aus in Strömungsrichtung im Zickzack verlaufenden Falten gebildet ist, überlagert ist, wobei die Ziekzackfalten der einen Platte eines Plattenpaares die gegenüberliegenden der anderen Platte wiederholt kreuzen und,die Fläche des Kanalquerschnittes .an allen Stellen der Länge des Strömungskanals im wesentlichen ,gleiche Größe hat.
• Ist der Wärmeaustauscher derjenigen Art, in der die Faltung der Oberflächen der Platten eines Plattenpaares in Strömungsrichtung gesehen sich periodisch wiederholt, so daß die geometrische Querschnittform des durch die Platten begrenzten Kanals indessen Durchströmungsrichtung ,gesehen periodisch ihr Aussehen von einer Grenzform zu einer anderen Grenzform ändert, dann ist es erfindungsgemäß zweckmäßig, daß die Platten mit Faltenrücken .aneinander an Stellen anliegen, an .denen der Querschnittdes Kanals eine seiner Grenzformen hat, wodurch eine gut abgesteifte Konstruktion erreicht wird.
• Zur Durchführung des Erfindungsgedankens ist es weiterhin zweckmäßig, daß die in Strömungsrichtung verlaufenden Falten beider Platten eines Plattenpaares gleiche Tiefe :besitzen. Eine intensive und dichte Durchwirbelung ist erfindungsgemäß besonders dann erreichbar, wenn die Wendepunkte der Zickzacklinien der in Strömungsrichtung verlaufenden Falten der Platten abwechselnd auf den Rücken und in den Tälern der überlagerten Querfalten der Platten liegen.
• Bei einem Vergleichsversuch zwischen einem solchen Wärmeaustauscher ünd einem Wärmeaustauscher, dessen Kanäle durch .bekannte Wärmeaustauschplatten begrenzt sind, die lediglich in Querrichtung der Platten verlaufende wellenförmige Faltengruppen haben, hat es sich gezeigt, -daß der Druckverlust in dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher 20 bis 25 % geringer war als in dem anderen Wärmeaustauscher. Es sei bemerkt, daß die Versuchsbedingungen in beiden Fällen die gleichen waren, .da in beiden Wärmeaustauschern die ,gleiche Anzahl Platten verwendet wurden und die Rohranschlüsse dergestalt angebracht waren, daß die beiden Wärmeaustauscher unter genau den gleichen Bedingungen arbeiteten.
• Der erwähnte verminderte Druckverlust beim erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher .ermöglichte eine Vergrößerung der Menge des durchströmenden Mediums. Die dadurch erzielte Vergrößerung der Wärmeübertragung gegenüber der Wärmeübertragung bei der bekannten Konstruktion war 10 bis 12 %.
• Die Versuche, die obige Resultate ergaben, wurden mit Mediummengen normaler Größe durchgeführt. Die Versuche wurden danach erweitert dergestalt, daß sie auch kleine Mediummengen umfaßten. Bei diesen Versuchen hat es sich gezeigt, daß die Ergebnisse mit dem beschriebenen erfindungsgemäß hergestellten Wärmeaustauscher noch günstiger im Versgleich zu den Ergebnissen mit dem bekannten Wärmeaustauscher waren .als in dem Fall, wo mit Mediummengen normaler Größe gearbeitet wurde.
• Letztgenannte Wirkung ist besonders vorteilhaft in Fällen, wo der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmeaustauscher zur Pasteurisierung von Sahne verwendet wird, also als Apparat mit geringer Leistung gebaut wird, da solche Apparate nicht nur geringe Kapazität halben, sondern gleichzeitig Arbeitsbedingungen ausgesetzt sind, bei denen die Leistung oft bis zu 50 % schwanken kann.
• Sofern eine entsprechend :gute Wärmeübertragung mit Hilfe von lediglich in einer Richtung der Platten verlaufenden wellenförmigen Faltengruppen erreicht werden soll, wird es notwendig, zur Erzielung einer passenden D.urchwirbelung die Faltengruppen dergestalt auszubilden, daß wesentliche Einschnürungen in der lichten Durchströmfläche des Kanals die Folge sind, was zu wesentlichen Druckverlusten im Mediumstrom führen kann. In einer so gestalteten bekannten Konstruktion ist es zur Erzielung einer ausreichenden Turbulenz somit erforderlich, -daß sich die Größe der Durchströmfläche im Verhältnis 1:4 ändert.
• Die Erfindung soll unter Hinweis auf die Zeichnung näher beschrieben werden.
• Fig. 1 zeigt perspektivisch Teile zweier gleich ausgebildeter, übereinandergelegter Wärmeaustauschplatten, die beide sowohl in Strömungs- bzw. Längsrichtung wie in Querrichtung verlaufende, einander überlagernde wellenförmige Faltengruppen haben, von denen die in Strömungs- bzw. Längsrichtung verlaufenden Falten zickzackförmig, und zwar von Platte zu Platte, gegenläufig verlaufen.
• Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II in Fig. 3, Fig. 3 einen Teil eines Plattenpaares gemäß Fig. 1, von oben gesehen, Fig. 4 einen Schnitt nach Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt nach Linie V-V in Fig. 3, Fig. 6 einen Schnitt nach Linie VI-VI in Fig. 3, Fig. 7 einen Schnitt nach Linie VII-VII in Fig. 3, Fig. 8 einen Schnitt nach Linie VIII-VIII in Fig. 3, Fig. 9 einen Schnitt nach Linie IX-IX in Fig. 3 und Fig. 10 einen Schnitt nach Linie X-X in Fig. 3. Fig. 1 zeigt Teile von zwei Wärmeaustauschplatten 21 und 22, die zur Bildung von Strömungskanälen übereinandergelegt sind. Jede Platte ist mit einer Gruppe in Querrichtung der Platte verlaufender, dicht nebeneinanderliegender, wellenförmiger Falten 23 und einer Gruppe in Strömungs- bzw. Längsrichtung der Platte verlaufender, .dicht nebeneinanderliegend:er, wellenförmiger Falten 24 versehen. Die Falten in jeder Gruppe verlaufen parallel zueinander. Die Falten 24 jeder Platte verlaufen in ihrer Längsrichtung weiterhin zickzackförmig und überlagern die Falten 23, wobei die Endpunkte der Zickzacklinie abwechselnd: auf Aden oberen und den unteren Partien der Falten 23 liegen. Der Zickzackverlamf der Längsfalten 24 ist von Platte zu Platte gegenläufig dergestalt, daß sich die Längsfalten 24 der einen Platte wiederholt mit den Längsfalten der Nachbarplatte kreuzen. Im übrigen treten die Rücken der Querfalten 23 einer Platte in die durch die Querfalten 23 in der Nachbarplatte gebildeten Rücken ein. Die Falten 24 beider Platten haben gleiche Tiefe.
• Mit Hilfe dieser Anordnung wird erreicht, daß der untere Teil einer jeden, auf der oberen Platte 21 ausgebildeten Zickzackfaltenwelle, die aus zwei langgestreckten, .einen Winkel miteinander bildenden Faltenabschnitten 25 und 26 gebildet wird, .auf Kämmen einer entsprechenden Zickzackfaltenwelle auf der unteren Platte 22 liegt, so daß jede Zickzackfaltenwelle 25, 26 an vier Punkten auf der unterliegenden Platte gestützt ist (vgl. Fig. 3), wo die Stützpunkte von Zickzackfaltenwellen in der Platte 21 mit S bezeichnet sind. Die Kopfpunkte der Zickzackfaltenwellen sind mit T bezeichnet. Dank ihres Eingreifens ineinander ziehen sich die Platten des Wärmeaustauschers während des Zusammenspannens, in Längsrichtung der Platten gesehen, selbst auf ihre Plätze. Mit anderen Worten sind -die Platten, was ihre Stellung zueinander anbetrifft, in Längsrichtung der Medienströmung selbsteinstellend. In der gezeigten Anordnung liegen die Köpfe der Zickzackfaltenwellen der aufeinandergelegten Platten übereinander. Eine gegenseitige Verschiebung der Platten quer zur Durchströmrichtung hat lediglich eine Veränderung,der gegenseitigen Lage dieser Köpfe von Platte zu Platte zur Folge, ohne daß der Abstand der Platten voneinander dabei eine Änderung erfährt.
• Die Durchströinrichtung in den Schnittbildern Fig. 2 und 4 bis 6 ist senkrecht zur Zeichnungsebene, während die Durchströmrichtung in den Schnittbildern Fig. 3 und 7 bis 9 durch Pfeile angezeigt ist.
• Der in Fig. 6 gezeigte Schnitt geht durch eine Reihe von StützpunktenS. Der in Fig. 4 gezeigte Schnitt liegt in der Mitte zwischen zwei Stützpunktreihen, während der in Fig. 5 gezeigte Schnitt zwischen den Schnitten .gemäß Fig. 4 und Fig. 6 liegt. Die zwischen den Platten gebildeten Kanäle haben in allen Schnitten praktisch eine gleich große Querschnittsfläche. Dagegen ändert sich die geometrische Form des Kanalquerschnittes von Fig. 4 bis 6 und umgekehrt. Die geometrischen Ouerschnittsformen des durch die Platten begrenzten Kanals ändern in Strömungsrichtung periodisch ihr Aussehen von einer Grenzform zu einer anderen Grenzform. Die Faltengruppen jeder der gezeigten Platten suchen jede für sich dem strömenden Medium richtungsändernde Impulse mitzuteilen, und aus der Zeichnung geht hervor, daß die Impulse je aus einer in Richtung der Plattenebene und einer quer zur Plattenebene schwingenden Komponente zusammengesetzt sind und von entgegengesetzten Seiten der Kanalwandung kommende Impulse in Richtungen wirken, die sich in Strömungsrichtung kreuzen, wodurch eine Durchwirbelung erreicht wird, ohne daß es hierzu einer Veränderung der Größe der Ouerschnittsfläche des gesamten Mediumstromes durch den Kanal oder der Strömungsgeschwindigkeit des Mediums bedarf. Die Durchwirbelung ergreift den gesamten Mediumstrom, wodurch ein schädliches Voreilen einer Mediumschicht vor einer anderen verhindert wird.
• Die Veränderung der Querschnittsform z. B. von der in Fig. 4 zu der in Fig. 6 gezeigten Form und zurück zur Form gemäß Fig. 4 erfolgt viermal, wenn sich die Flüssigkeit von einem Wellenkopf T zum nächsten Wellenkopf bewegt. Bei einem Ausführungsbeispiel der gezeigten Platten kann die Wellenbreite der Querwellen 2340 mm sein. Bei normaler Durchströmungsgeschwindigkeit von etwa 0,5 m/Sek. geht die periodische Änderung der Querschnittsform also mit einer Frequenz von etwa 50 Perioden/Sek. vor sich. Die Periodenzahl für die Schwingungen, die von den zickzackförmigen Längsfalten 24 herrühren, sind etwa 12 Perioden/Sek. Vermutlich ist es die Möglichkeit der Erzielung einer hohen Periodenzahl, die eine kräftige Turbulenzwirkung auch bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten herbeiführt.
• Sofern die Lage der Platten einander gegenüber dergestalt geändert wird, daß die eine Platte quer zur anderen Platte verschoben wird, ändert sich .die Lage der in Fig. 4 bis 6 gezeigten Schnitte, jedoch bleiben sie im übrigen unverändert.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Wärmeübertragung zwischen zwei strömenden Medien, die jedes als Mediumstrom für sich durch nebeneinanderliegende, durch gewellte und parallel zueinander angeordnete Wärmeaustauschplatten begrenzte Kanäle geleitet werden, und wo ein Mediumstrom während des Durchströmens eines Kanals richtungsändernden Impulsen ausgesetzt wird, die über die Breite des Strömungskanals verteilt zu mehreren nebeneinander und über die Länge des Strömungskanals zu mehreren hintereinander von den Kanalwandungen ausgehend dem Mediumstrom mitgeteilt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse je aus einer in Richtung der Plattenebene und einer quer zur Plattenebene schwingenden Komponente zusammengesetzt sind und von entgegengesetzten Seiten der Kanalwandungen kommende Impulse in Richtungen wirken, die sich in Strömungsrichtung kreuzen, wobei die Größe der Ouerschnittsfläche des gesamten Mediumstromes durch einen Kanal an allen Stellen der Strömungslänge des Kanals im großen und ganzen konstant gehalten wird.
2. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse über die Länge des Strömungskanals für jede Kanalwandung gleichlaufenden Zickzacklinien folgen, wobei die Zickzacklinien für die von der einen Plattenwandung aus auf den Mediumstrom einwirkenden Impulse gegenläufig zu den Zickzacklinien für die von der anderen Plattenwandung aus auf den Mediumstrom einwirkenden Impulse sind und sich mit ihnen über die Kanallänge in regelmäßiger Wiederholung zwischen jedem Wendepunkt kreuzen.
3. 3. Wärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer Anzahl untereinander parallel und mit gegenseitigem Abstand einander gegenüber angeordneten Platten, deren Oberflächen mit einer im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung verlaufenden wellenförmigen Faltengruppe versehen sind, und wo die Rücken der Falten einer Platte in die Rücken der Falten der Nachbarplatte eintreten, dadurch gekennzeichnet, daß den wellenförmigen- Falten beider Platten eines Plattenpaares eine zweite Wellengruppe, die aus in Strömungsrichtung im Zickzack verlaufenden Falten gebildet ist, überlagert ist, wobei die Zickzackfalten der einen Platte eines Plattenpaares die gegenüberliegenden der anderen Platte wiederholt kreuzen und die Fläche des Kanalquerschnittes an allen Stellen der Länge des Strömungskanals im wesentlichen gleiche Größe hat.
4. 4. Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 3, in dem die Faltung der Oberflächen der Platten eines Plattenpaares in Strömungsrichtung gesehen sich periodisch wiederholt, so daß die geometrische Ouer schnittsform des durch die Platten begrenzten Kanals in dessenDurchströmungsrichtung gesehen periodisch ihr Aussehen von einer Grenzform zu einer anderen Grenzform ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten mit Faltenrücken aneinander an Stellen (S) anliegen, an denen der Querschnitt des Kanals eine seiner Grenzformen hat.
5. 5. Wärmeaustauscher gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Strömungsrichtung verlaufenden Falten beider Platten eines Plattenpaares gleiche Tiefe besitzen.
6. 6. Wärmeaustauscher gemäß einem jeden der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wendepunkte der Zickzacklinien der in Strömungsrichtung verlaufenden Falten der Platten abwechselnd auf den Rücken und in den Tälern der überlagerten Querfalten der Platten liegen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 880 591, 866 350, 863 816, 851958.