DE1911889C2 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher nach dem Oberbegriff der Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Plattenwärmetauscher Ist beispielsweise aus der GB-PS 9 22 632 vorbekannt. Dort 1st jedoch &o lediglich der Vorteil von Doppelwandungen zwischen den beiden Im Wärmeaustausch stehenden Medien erkannt worden. Falls die Wandung des von dem einen Strömungsmittel durchströmten Durchgangs undicht wird, soll sich dieses Strömungsmittel in der Doppelwand sammeln und möglicherweise aus dieser abgeleitet werden. Der Mangel derartiger Konstruktionen liegt jedoch Im verringerten Wärmeaustausch zwischen den beiden Strömungsmitteln, da der Wärmeübergang in der Doppelwandung äußerst schlecht Ist, was zu Wärmestaus führen kann, die ihrerseits eine hohe thermische Beanspruchung hervorrufen. Insbesondere sind dann bei großen Temperaturunterschieden zwischen dem Kühlmittel und dem zu kühlenden Mittel die Beanspruchungen so stark, daß sehr leicht Defekte oder Leckagen im Plattenwärmetauscher auftreten. Besonders gefährlich ist dieses, wenn das eine Strömungsmittel heiße Maschinenablaßluft oder Druckkolbenluft ist, die mit flüssigem Treibstoff gekühlt wird, was z. B. in Ventilationsanlagen von Überschallflugzeugen vorkommt. Falls Wärmeaustauscher der bekannten Ar* dann defekt werden, entzündet sich der in die Durchgänge der heißen Luft leckende Treibstoff, was zu tragischen Schäden führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei dem eingangs genannten Plattenwärmetauscher die Betriebssicherheit hinsichtlich der Verhinderung von Leckagen und des Vermischens der Wärmeaustauschermedien zu erhöhen, sowie hohe thermische Beanspruchungen zu verhindern. Mit anderen Worten bedeutet dieses auf den geschilderten Anwendungsfall, daß eine schlagartige Aufheizung des auch als Kühlmittel dienenden Treibstoffs verhindert werden soll und insbesondere, daß irgendeine Oberfläche des Plattenwärmetauschers einschliefJich der Einlaßleitung für heiße Luft eine Temperatur erreicht, die den Treibstoff entzünden könnte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den im Anspruch 1 im einzelnen gekennzeichneten Plattenwärmetauscher gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Sammelräume und die Ströme des Puffermittels ist gewährleistet, daß der Wärmeübergang von den beiden im Wärmeaustausch stehenden Strömungsmitteln erheblich verbessert wird gegenüber einem ruhenden Puffermittel bzw. der Ausfüllung der Doppelwandung mit Wärmebrücken. Im gleichen Sinne trägt hierzu auch die Tatsache bei, daß das Puffermittel praktisch sämtliche anderen Durchgänge bzw. Zwischenräume vollständig umgibt.

Schließlich wirkt auch die Querströmung zwischen dem einen Strömungsmittel und dem Puffermittel im Sinne einer Verbesserung des Wärmeübergangs.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den vorstehenden Unteransprüchen. Insbesondere hat sich hier der erhöhte Druck im Puffermittel vorteilhaft bemerkbar gemacht, der auf jeden Fall verhindert, daß die beiden im Wärmeaustausch stehenden Medien sich miteinander vermischen können. Selbst wenn Leckagen In den Durchgängen beider Strömungsmittel auftreten, kann eine Vermischung In dem für das Puffermittel vorgesehenen Durchgang nicht stattfinden, da das Puffermittel durch seinen erhöhten Druck in die beiden Durchgänge der im Wärmeaustausch stehenden Strömungsmittel eindringt und auf diese Weise den Austritt der Strömungsmittel in den Durchgang des Puffermittels verhindert. Im übrigen wird auch durch diesen erhöhten Druck im Puffermittel der Wärmeübergang gegenüber einem drucklosen Zwischenraum verbessert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Flg. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teiles des Wärmeaustauschers nach der Erfindung, teilweise in gebrochener Darstellung;

Flg. 2 ist eine Seitenansicht des Wärmeaustauschers nach Flg. 1 In kleinem Maßstab;

Fig.3 ist ein Schnitt durch einen Teil des Wärmeaustauschers entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fi g. 4 ist ein Schnitt durch einen Teil des Wärmeaustauschers entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 ist eine Teilansicht, die den Lufteinlaß des Wärmeaustauschers teilweise in gebrochener Darstellung zeigt, wodurch der innere Aufbau sichtbar ist;

Fig. 6 ist eine Seitenansicht des Wärmeaustauschers, wobei die Seitenplatte entfernt ist und Teile weggebrochen sind, um den inneren Aufbau zu zeigen.

Der in Fi g. 1 gezeigte Wärmeaustauscher besitzt einen rechteckigen Einiaßflansch 11 für das zu kühlende Mittel, z. B. heiße Ablaßluft von einer Düsenmaschine eines Überschallflugzeugs, und einen rechteckigen Auslaßflansch 12 für die gekühlte Ablaßluft. Geeignete Kanäle (nicht gezeigt) können mit den Flanschen 11 und 12 verbunden sein, um die heiße Luft in den Wärmeaustauscher hinsin und die gekühlte Luft aus dem Wärmeaustauscher herauszuführen. Auch kann eine Feuertrennwand zwischen dem Einiaßkanal und dem Flansch 11 angeordnet sein aus Gründen, die später erklärt werden. Die den Wärmeaustauscher verlassende Luft ist z. B. durch relativ kalten Brennstoff gekühlt worden, der in den Wärmeaustauscher durch einen Brennstoffeinlaß 13 eintritt und diesen durch einen Brennstoffauslaß 14 verläßt. Der Brennstoffeinlaß 13 und Brennstoffauslaß 14 führt durch eine Seitenplatte 16, die sich von dem Flansch 11 zu dem Flansch 12 erstreckt und an diese Flansche angelötet ist. Eine entsprechende Seitenplatte 17 befindet sich auf der anderen Seite des Wärmeaustauschers parallel zur Seitenplatte 16. Eine halbzylindrische Platte 18 befindet sich als Deckel auf dem Wärmeaustauscher und ist mit den Seitenplatten 16 und 17, sowie mit Flanschen 32d an Gliedern 32 verschweißt, die am Einlaß und Auslaß angeordnet sind und oben eine Sammelleitung für die Pufferflüssigkeit bilden. Eine andere halbzylindrische Platte 19 ist als Boden des Wärmeaustauschers angeordnet und mit den Seitenplatten 16 und 17, sowie mit Flanschen 33d an Gliedern 33 verschweißt, um ebenfalls eine Sammelleitung für die Pufferfiüsslgkeit am Boden zu bilden. Zwischen den Seltenplatten 16 und 17 befindet sich eine Vielzahl von Platten 21, die parallel und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die Platten 21 sind vorzugsweise rechteckig, wobei einander abwechselnde Räume zwischen ihnen vorgesehen sind. Entlang der beiden senkrechten Kanten sind senkrechte Hohlkörper oder Distanzelemente 22 angeordnet, die sich senkrecht erstreckende Durchgänge bilden. Oben sind horizontal verlaufende Hohlkörper oder Distanzelemente 23 und am Boden horizontale Hohlkörper oder Distanzelemente 24 In den anderen Zwischenräumen zwischen den Platten entlang der Deckel- bzw. der Bodenkanten der Platten 21 angeordnet und bilden von rechts nach links verlaufende Durchgänge. Somit werden zwischen den Platten 21 horizontale und vertikale Durchgänge gebildet. Zwischen der Seitenplatte 16 und der angrenzenden Platte 21 sind vertikale Hohlkörper oder Distanzstücke 22a angeordnet, sowie zwischen der Seltenplatte 17 und der benachbarten Platte 21, wodurch vertikale Durchgänge gebildet werden. Die vertikalen und horizontalen Distanzelemente 22, 22a, 23 und 24 sind rechteckige Rohre, die einen Durchnuß des Puffermittels erlauben. Die Enden der Distanzelemente 23 und 24 am Deckel und Boden sind mit geeigneten Stopfen 25 abgedichtet. Um den Duvchfluß des Puffermittels zu erlauben, sind Löcher 27 nur an der oberen Fläche der Distanzelemente 23 am De.kel und In der unteren Fläche des Distanzelementes 24 am Boden vorgesehen.

Die heiße Luft tritt durch den Einiaßflansch 11 in den Wärmeaustauscher ein, und die vertikalen Distanzelemente 22, 22a begrenzen den Durchgang der Luft auf abwechselnde, zwischen den Platten 21 gebildete horizontale Durchgänge. Um den Wärmeübergang zu vergrößern, sind geeignete Wellbleche 31 zwischen deri betreffenden Platten 21 in den Luftdurchgängen vorgesehen. Die Glieder 32 und 33 sind vorzugsweise Profile mit drei Flanschen, z. B. den Flanschen 326, 32c und 32d, wie an dem Güed 32 gezeigt ist. Wie bereits oben erwähnt wurde, sind die Flansche 326 am Einlaß und am Auslaß an die Deckelplatte 18 stumpf angeschweißt. Die Flansche 32c erstrecken sich abwärts über die zugestopften Enden der Distanzelemente 23 und sind an diese angelötet und Flansche 32d sind an die Flansche 11 und 12 des Wärmeaustauschers angeschweißt. Die scharfe Ecke zwischen den Flanschen 326 und. 32c ist durch eine geeignete Abrundung vermieden. Die betreffenden Flansche der Glieder 33 sind an die Bodenplatte 19 stumpf angeschweißt, an die zugestopften Enden der Distanzelemente 24 des Bodens angelötet und an die Flansche 11 und 12 angeschweißt. Jedes Glied 32 und 33 weist Vorsprünge 37 auf, die parallel zu und mit Abstand von den Flanschen 32c und 33c angeordnet sind. Die Vorsprünge 37 befinden sich hinter vertikalen Distanzelementen 22, sodaß diese fest zwischen den Vorsprüngen 37 und den Flanschen 32c bzw. 33c gehalten werden und mit diesen verlötet sind. Die den Flansch 11 bildenden senkrechten Streifen sind an die betreffenden Seitenplatten 16 und 17 angeschweißt. Aus nocjj zu erklärenden Gründen sind horizontale, gelMmmte Platten 38 an die Außenkante der horizontalen Streifen des Flansches 11 geschweißt, sowie an die betreffenden Deckel- und Bodenplatten 18 und 19, während- senkrechte gekrümmte Platten 39 an die Außenkanten der senkrechten Streifen des Flansches 11 und die betreffenden Seitenplatten 16 und 17 geschweißt sind.

Da die heiße Luft nur die horizontalen Durchgänge passiert, die zwischen abwechselnd benachbarten Plattenpaaren 21 gebildet sind und im wesentlichen vom Flanc^h 11 zu dem Flansch 12 laufen, Ist ein Puffermittel an den gegenüberliegenden Seiten de( Platten 21 in Kontakt mit der heißen Luft vorgesehen. Das Puffermittel befindet sich Innerhalb vertikaler Durchgänge, die mit

« einer durch die Deckelplatte IS gebildeten Sammelleitung am Deckel und mit einer durch die Bodenplatte 19 gebildeten Sammelleitung In Verbindung stehen. Das Druckablaßventll 41 Ist In geeigneter Weise mit der oberen Sammelleitung 18 verbunden und verhindert einen übermäßigen Druckanstieg; falls z. B. der Treibstoff (das Kühlmittel) abgesperrt wird, würde die heiße Luft einen Teil der Pufferfiüsslgkeit aufheizen, wodurch deren Druck ansteigt. Vorzugswelse ist das Puffermittel eine Flüssigkeit, sodaß die thermische Trägheit übermäßige thermische Gradienten In dem Wärmeaustauscher verhindert. Die Wärme wird aus der heißen Luft durch kalten Treibstoff abgezogen, der durch den Treibstoffeinlaß 13 eintritt und durch den Treibstoffauslaß 14 wieder austritt.

Nachstehend wird die Bauweise erläutert, mittels der der Treibstoff Wärme aus der Pufferfiüsslgkeit und damit aus der heißen Luft entfernen kann. Der Einlaß 13 entspricht Im wesentlichen dem Auslaß 14 und beide bestehen aus Rohren 44a und 446 mit daran befestigten Flansehen 46a und 466. beide Rohre 44a und 446 gehen durch die Seltenwand 16 hindurch und treten In die Pufferflüssigkeltssammelleitung am Boden ein. Die Rohre durchdringen eine Vielzahl von Platten 47a und 476. die

in geeigneter Weise an die Rohre 44a und 44* angelötet sind. Die Platten 47a und 476 sind mit Erhebungen gleich ausgebildet und werden derart gegeneinander gesetzt, daß die vertikalen Kanten 48a und 486 sowie die oberen und unteren Kanten 48c und 4Hd der beiden Platten sich gegenüberliegend zusammenfallen und verlötet sind. Jede Platte hai eine Mittelrippe 49, die sich von der unteren Kante 48rf erstreckt und die Mittelrippe der Gegenplatte berührt, sodaß zwischen den Platten 47« •jnd 476 eine flache U-förmlge Kammer gebildet wird, wenn die beiden Rippen zusammengelötet sind. In dem Teil der Rohre 44a und 44b. der sich In der von den Platten 47a und 476 gebildeten Kammer befindet, sind geeignete Öffnungen 51 vorgesehen, wie in Fig. 3 für das Rohr 44a gezeigt ist. Durch diese Öffnungen 51 kann das Kühlmittel das Rohr 44a verlassen, die Vielzahl der U-förmigen Kammern passleren, und in das Rohr 446 eintreten und von dort den Wärmeaustauscher verlassen. Innerhalb der U-förmigen Kammern sind geeignete Wellbleche 52 angeordnet, sodaß die Wärme mit gutem Wirkungsgrad von den Platten 47a und 476 auf das Kühlmittel übertragen wir!

Zusätzlich zu den zwischen den benachbarten Platten 47a und 476 angeordneten Wellblechen 52 sind entsprechende Wellbleche 53 angeordnet, um einen Wärmeübergang zwischen den Platten 21 und den entsprechenden benachbarten Platten 47a und 476 ;:u schaffen. Die Wellbleche 53 sind derart gerichtet, daß das Kühlmittel frei in senkrechter Richtung Hießen kann. Zusätzlich zu dem erhöhten Wärmeübergang bilden die Wellbleche 53 einen strukturellen Halt für die Platten 47a und 476. Rohre 55 sind senkrecht und entlang beider senkrechter Kanten 48a und 4M* der Platten 47a und 476, angeordnet um zu verhindern, daß sich aie Kanten infolge mangelhafter Unterstützung jenseits der Wellbleche 53 unter Druck verbiegen. Die Rohre 55 sind oben und unten offen, sodaß das Kühlmittel frei durch die Rohre Mieden kann. Wie bereits erwähnt, sind Wellbleche 31 zwischen zwei benachbarten Platten 21 angeordnet. Die Wellbleche 31 sind derart angeordnet, daß die Lull sich frei durch den horizontalen Durchgang bewegen kann und ihre Wärme mit gutem Wirkungsgrad in der folgenden Reihenfolge auf den kühlenden Treibstoff übertragen kann: Heiße Luft auf die Wellbleche 31, auf die Platten 21. auf die Wellbleche 53. auf die Platten 47. auf die Wellbleche 52 und auf den kai ten Treibstoff.

Sicherheitsmaßnahmen sind erforderlich, wenn Wärmeaustauscher leicht entflammbare Treibstoffe als Kühlmittel benutzen. Eit:i normaler Betriebsweise würde der Flansch 11 gegen eine Feuertrennwand geschraubt sein, sodaß die entflammbaren Flüssigkeiten sich auf der Wärmeaustauscherseite befinden und die Elemente mit hoher Temperatur sich auf der anderen Seite der Feuertrennwand befinden. Falls sich in einem Teil der Treibstoffanlaee außerhalb des Wärmeaustauschers ein Leck bildet, wird der Treibstuff auf der einen Seite der Feuertrennwand gehalten und diese verhindert, dall der Treibstoff mit irgendeiner der heiße Luft führenden Oberflächen in Berührung kommt. Da der Brennstoff auf der einen Seite der Feuertrennwand gehalten wird, kommt er im Falle eines Lecks mit den äußeren Oberflächen des Wärmeaustauschers In Berührung, die durch das Kühlmittel auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten werden. Da außerdem wegen der Löcher 34a und 346 das Kühlmittel innerhalb der Platten 38 und 39 fließen kann, werden diese Platten ebenfalls durch das Kühlmittel auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten. Somit befindet sich praktisch an jeder wählbaren Stelle auf der exponierten Oberfläche des Wärmeaustauschers mit Ausnähme des immer kalten Endes des Auslasses Kühlmittel auf der gegenüberliegenden Seite. Da der Flansch 11 relativ breit Ist. wird alle durch den Flansch auswärts fließende Wärme durch das in den gebogenen Platten 38 und 39 befindliche Kühlmittel entzogen.

Da außerdem die durch den Wärmeaustauscher fließende Luft der Flugzeugkabine zugeführt wird, darf sich aus Gesundheits- und Sicherheitsgründen kein Treibstoff mit Luft mischen. Bei der Möglichkeit eines Lecks im Wärmeaustauscher würde dieses höchstwahrscheinlich entweder zwischen dem Treibstoff und der Pufferflüssigkeit oder zwischen der Luft und der Pufferflüssigkeit entstehen. Deshalb muß die Pufferflüssigkeit die Luft und den Treibstoff auseinanderhalten. Bei der entfernten Möglichkeit zweier Leckstellen, eine zwischen Pufl'erflüssigkeit und Treibstoff und die andere /wischen Pul'ferflüssigkeit und Luft, wird eine Mischung von Treibstoff und Luft verhindert, weil das die Pufferflüssigkeit enthaltende Abteil z. B. durch das Ablaßventil 41 unter einem Druck steht, der größer ist als der des Treibstoffs

J5 und der Luft. Dadurch tritt Pufferflüssigkeit aus und ein Eintritt von Treibstoff und Luft in das Pufferabteil wird verhindert. Durch die Benutzung eines Pufferflüssigkeitssammlers kann der Druck und das Volumen überwacht werden und ein Verlust an Pufferflüssigkeit zeigt einen Defekt an. Falls während eines kurzen Zeitabschnitts kein Treibstoff fließt und die Wärme abführt, nutzt die Einrichtung automatisch die Verdampfungswärme der Pufferflüssigkeit zur Kühlung der Luft vor deren Eintritt in die Passagierkabine aus. Diese Maßnähme sollte genügend Zeit zum Abschalten der zugeordneten Klimaanlage erlauben, bevor die Temperatur in der Kabine gefährlich ansteigt. Die Pufferflüssigkeit kann vorzugsweise Wasser sein, um die besten Wärmeübergangseigenschaften zu erhalten. Ein Zusatz von Frost-Schutzmittel, z. B. Glykol. kann für den Betrieb ii. niedriger Umgebungstemperatur vorgenommen werden. Ein Schutzgas, z. B. Stickstoff, kann auch als Puffermittel in Frage kommen für den Fall, daß es nicht als sekundärer Wärmeableiter benutzt wird.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Plattenwärmeaustauscher mit Distanzelementen sowie ersten, durch alternierende Zwischenräume zwisehen Platten gebildeten und zweiten Durchgängen für miteinander in Wärmeaustausch stehende Strömungsmittel und dritten Durchgängen bzw. Zwischenräumen für ein Puffermittel, das die anderen Strömungsmittel beim Durchströmen voneinander trennt und aus den Zwischenräumen frei in Sammelräume ein- und ausfließen kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammelräume durch Seitenplatten (16,17) sowie Deckel und Boden (18, 19) des Wärmetauschers gebildet werden und die ersten Durchgänge sich rechtwinklig zu den Durchgängen für das Puffermittel erstrecken und daß sich die zweiten Durchgänge, die durch Wände (47a, 476; gebildet sind, die Innerhalb der Räume angeordnet sind, die Teile des eingeschlossenen Raumes für das Puffermittel bilden, zwischen Einlaß- und Auslaßleitungen (44a, 44b) erstrecken, die innerhalb der Sammelräume für das Puffermittel angeordnet sind.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste Distanzelemente (31) für die ersten Durchgänge zwischen den Platten (21) wellenförmig ausgebildet sind, und daß zweite Distanzelemente (22, 22a, 53, 55) für die dritten Durchgänge ebenfalls zwischen den Platten (21) angeordnet sind.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Distanzelemente (3-1 bzw. 22, Ϊ2α, 53, j5) jeweils rohrförmlge Trennwände zwischen ihren betreffenden Räumen zwischen den Platten (21) begrenzen.

4. Wärmeaustauscher nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß wellenförmige Elemente (52) Innerhalb der zweiten Durchgänge, sowie wellenförmige Elemente (53) ebenfalls zwischen den zweiten Durchgängen und den Platten (21) angeordnet sind.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (47a, 4TbJ jeweils mit entsprechenden Erhebungen ausgebildet und gegeneinander gesetzt an ihren Berührungsflächen verbunden sind.

6. Wärmeaustauscher nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Wände (47a, 4Tb) gebildeten zweiten Durchgänge U-förmig geformt sind.

7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Puffermittel unter einem größeren Druck als die Strömungsmittel gehalten wird.