DE19510847C2 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit gleichgroßen und gleichförmig profilierten ringförmigen Wärmetauscherplatten, die sich im Stapel abwechselnd ihre Vorder- oder ihre Rückseiten zuwenden und paar­ weise an ihren inneren und äußeren Rändern verschweißt oder verlötet sind und die auf der einen Seite von einem wärmeabgebenden und auf der anderen Seite von einem wärmeaufnehmendem Medium umströmt werden.

Anwendungsgebiete dieses Wärmetauschers sind vor allem die Kühl- und Gefriertechnik mit verdampfenden und kondensierenden Medien, die Maschi­ nenkühlung sowie Wärmeübertragungsvorgänge, bei denen ein Medium frei aus einem Behälter in den Wärmetauscher eintritt.

Bei bekannten Wärmetauschern durchströmen wärmeabgebende und wärme­ aufnehmende Medien Kanäle mit annähernd konstantem Querschnitt. Durch den Einbau von Hindernissen, welche die Turbulenz der Strömung erhöhen und damit den Wärmeübergang verbessern sollen, kann der Querschnitt der Kanäle variieren, er nimmt aber bei bekannten Röhrenwärmetauschern, Spiral- und Plattenwärmetauschern während des Wärmeaustausches weder kontinu­ ierlich ab noch zu.

Für Wärmetauscher gilt das Prinzip, möglichst große Wärmetauscherflächen in einem möglichst kleinen Bauvolumen unterzubringen und große Wärme­ übertragungsleistungen bei möglichst geringen Druckverlusten zu erreichen. Die Wärmetauscher nach DE 669 442 C, DE 32 10 168 A1, DE 19 13 226 B FR 23 233 119 A1 schließen zwischen ihren Wärmetauscherplatten paarweise spiralförmig verlaufende Kanäle ein. Beim Durchströmen dieser Kanäle ent­ stehen an den Wandungen laminare Grenzschichten, die den Wärmeübergang behindern.

Wärmetauscherplatten nach der FR 23 233 119 A1 haben den Vorteil, daß sie alle gleich sind. Sie können im Stapel um eine gemeinsame Achse gedreht werden, wobei der Strömungsweg innerhalb einer Spirale durch Überström­ öffnungen verkürzt werden kann. Die Fließspalte zwischen den Platten werden am inneren und äußeren Rand mit Dichtungen verschlossen.

Nach der JP 072 27 631 A und der DE 41 00 940 C1 werden die Platten verlötet oder verschweißt.

Für den Wärmetauscher nach DE 38 27 828 A1 wurde ein Einsatz in der Raumfahrt in Erwägung gezogen. Ein Medium wird durch spiralförmig angeordnete Rohre geleitet, während das andere Medium diese Rohre radial vom Umfang ins Zentrum umströmt, in dem ein geringerer Druck als am Umfang herrscht. Auch bei diesem Wärmetauscher strömen die Medien laminar durch die Kanäle.

Als man erkannt hatte, daß Turbulenzen den Wärmeübergang fördern, wurde die Strömung durch den Einbau von Hindernissen turbulenter gestaltet. Bei Plattenwärmetauschern wurde dies durch eine Profilierung der Platten erreicht, wie in der DE 40 20 757 A1 dargestellt. Sie erfolgt meist durch eine wellenförmige Prägung mit im Querschnitt gleichgroßen Wellenbergen und Wellentälern, die quer zur Ausbreitungsrichtung der Medien verlaufen. Die gerade verlaufenden wellenförmigen Profilierungen bilden einen spitzen Winkel mit den Längsachsen der Platten, so daß bei Platten, die gegeneinander um 180° gedreht sind, sich die Wellen kreuzen und die Platten auf Abstand halten. Die zwischen den Platten strömenden Medien sind einer ständigen Richtungsänderung bei sich periodisch änderndem Strömungsquerschnitt unterworfen.

Die wellenförmige Profilierung stabilisiert außerdem die Platten, wodurch sie sehr dünn ausgebildet werden können. Das begünstigt ebenfalls den Wärme­ übergang.

Diese Vorteile hat man sich auch bei Plattenwärmetauschern für Regenerativ- Gasturbinen zunutze gemacht, zum Beispiel nach US 3424240. Bei derartigen Wärmetauschern umschließt ein Stapel gewellter, ringförmiger Wärmetau­ scherplatten einen zentralen Eintrittskanal für die heißen Abgase der Turbine. Die Abgast strömen radial zwischen Plattenpaaren, die ihrerseits im Gegen­ strom von kühler Kompressorluft durchströmt werden, zu einer am Umfang angeordneten Auslaßleitung, die mit der Verbrennungskammer der Turbine in Verbindung steht. Die Platten sind gewellt, um den Wärmetausch zwischen dem heißen Gasstrom und der Kompressorluft zu verbessern. Die Energie der Abwärme der Turbine wird so auf die komprimierte Luft übertragen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Turbine erhöht.

Bei bekannten Ölkühlern wird der Ölfilter axial durch Schrauben mit dem Wärmetauscher verbunden, wie in DE 34 40 064 C1, DE 39 38 254 A1, DE 40 39 776 A1 und DE 41 28 153 A1 dargestellt und beschrieben. Das hat den Nachteil, daß die Bauform und die Größe des Filters durch den Kühler vorgegeben sind und daß die am Motor auftretenden Vibrationen über den Wärmetauscher auf den Filter übertragen werden, der durch die Art der Verbin­ dung an einem relativ langen Hebelarm schwingt. Dadurch ist der Wärme­ tauscher großen dynamischen Belastungen ausgesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten Plattenwärmetauscher mit geringem Leistungsgewicht zu schaffen, der einem sich unter dem Einfluß von Wärme ausdehnenden Medium einen wachsenden Strömungsquerschnitt bietet und einem abkühlenden Medium mit abnehmendem Volumen einen sich verringernden Strömungsquerschnitt, und der dadurch die Strömung stabilisiert und den Wärmeübergang begünstigt. Außerdem sollen die Bedingungen für den Anschluß eines Filters verbessert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst. Dabei wird ein Plattenwärme­ tauscher aus einem Stapel gleichgroßer und gleichförmig profilierter ringför­ miger Wärmetauscherplatten gebildet, die gegeneinander um 180° gewendet sind und sich im Stapel abwechselnd ihre Vorderseiten und Rück­ seiten zuwenden.

Die Plätten haben einen inneren und einen äußeren Rand, die eben sind und an denen sich die Rückseiten der Platten berühren. Vom äußeren Rand wird zwischen den Vorderseiten der Platten ein wärmeabgebendes Medium zugeführt, das durch einen vom innere Rand umschlossenen Kanal abfließt. In die Wärmetauscherfläche zwischen dem inneren und äußeren Rand einer Platte sind wellenförmige Profilierungen eingeprägt, die spiralförmig, insbe­ sondere in Form einer archimedischen Spirale, verlaufen. Der Querschnitt der Wellen ist beliebig. Er kann sinus- oder trapezförmig sein. Jede Spirale beginnt und endet in einem bis zur Höhe der Wellenberge eingeprägten Plateau, in dessen Mitte je ein Durchbruch durch die Platte eingeformt ist. Die sich im Stapel berührenden Ränder, Wellen an ihren Kreuzungspunkten und Plateaus um die Durchbrüche sind verschweißt oder verlötet. Die Durch­ brüche inmitten der Plateaus werden so zu axialen Kanälen im Plattenstapel für die Zu- und Abfuhr eines wärmeaufnehmenden Mediums, das zwischen den Rückseiten der Platten im Gegenstrom zu dem wärmeabgebenden Medium radial fließt und über angeflanschte Ringleitungen zu- und abgeführt wird. Der Plattenwärmetauscher stellt für das wärmeabgebende Medium, das mit der Wärmeabgabe sein Volumen verringert, einen sich mit abnehmendem Radius verengenden Fießspaltquerschnitt zur Verfügung. Für das wärmeaufnehmende und sich dabei ausdehnende Medium hält der Plattenwärmetauscher dagegen einen mit zunehmendem Radius wachsenden Fließspaltquerschnitt bereit. Dadurch werden ihre Drücke und ihre Geschwindigkeiten kaum noch durch den Wärmetausch zwischen den Medien beeinflußt. Ihre Strömungen werden stabilisiert und der Wärmeübergang begünstigt.

Die Platten werden vorzugsweise nacheinander mittels Laser verschweißt. Sie können aber auch mit einer Lotschicht versehen und unter Wärmezufüh­ rung im Stapel verlötet werden.

Der Plattenwärmetauscher ist von einem Gehäuse umschlossen, in dem vorteil­ haft ein Filter, z. B. ein Ölfilter, angeordnet werden kann, der den gesamten Umfang des Wärmetauschers umschließt und daher eine um ein Vielfaches größere Filterfläche aufweist als bekannte axial anzuschließende Filter.

Bei dieser Anordnung des Filters werden die vom Motor übertragenen Vibra­ tionen gedämpft. Sie beeinträchtigen kaum noch die Stabilität des Wärme­ tauschers. Der Filter hat eine größere Nutzungsdauer sowie geringere Druck­ verluste.

Der höchste Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wird bei diesem Plattenwär­ metauscher mit Medien erreicht, die während des Wärmetausches den Über­ gang von der gasförmigen zur flüssigen Phase oder von der flüssigen zur gas­ förmigen Phase durchlaufen. Bei diesen Phasenübergängen verändern die Medien extrem ihre Volumina. Die damit bei herkömmlichen Wärmetauschern auftretenden extremen Änderungen des Druckes werden mit dem vorgeschla­ genen Plattenwärmetauscher weitgehend vermieden, weil das expandierende Medium durch einen wachsenden Strömungsquerschnitt und das kondensie­ rende Medium durch einen sich verengenden Strömungsquerschnitt strömt. Das erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeüberganges und stellt geringere Anforderungen an die Festigkeit des Wärmetauschers.

Der Plattenwärmetauscher wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel beschrieben:

Fig. 1 zeigt die Ansicht einer Wärmetauscherplatte und

Fig. 2 den radialen Schnitt durch einen Plattenwärmetausacher ohne Gehäuse,

Fig. 3 den axialen Schnitt AA gemäß Fig. 2 durch einen Plattenwärmetauscher mit Gehäuse.

Der Plattenwärmetauscher besteht aus einem Stapel gleichgroßer und gleich­ artig profilierter ringförmiger Wärmetauscherplatten 1, in dem benachbarte Platten 1 gegeneinander um 180° gewendet sind und sich entweder ihre Vorderseiten 2 oder ihre Rückseiten 3 zuwenden.

Der innere Rand 4 und der äußere Rand 5 einer Wärmetauscherplatte 1 schlie­ ßen die Wärmetauscherfläche 6 ein, die in Form einer Welle 7 profiliert ist, deren Wellenberge wie eine archimedische Spirale verlaufen und in je einem bis zur Höhe der Wellenberge eingeprägten Plateau 8 beginnen und enden, in deren Mitte jeweils ein Durchbruch 9 durch die Platte 1 eingeformt ist.

Der Außendurchmesser einer Platte 1 ist um ein Vielfaches größer als ihr Innendurchmesser.

Bei benachbarten Platten 1 sind die sich kreuzenden Wellen 7 an ihren Berührungspunkten und entweder die sich berührenden ebenen Ränder 4 und 5 oder die sich berührenden Plateaus 8 mittels Laser verschweißt.

Die durch die Durchbrüche 9 führenden axialen Kanäle 10 und 11 sind mit den Ringleitungen 12 und 13 an den Stirnseiten des Plattenwärmetauschers verbunden.

Der Plattenwärmetauscher ist von einem Gehäuse 14 eingeschlossen, in dessen Umfang ein Filter 15 angeordnet ist. Dem Filter 15 wird über die Leitung 16 vom Motor heißes Öl zugeführt, das durch den Filter 15 zwischen die Vorder­ seiten 2 der Wärmetauscherplatten 1 strömt und nach dem Kühlen über die Leitung 17 wieder zum Motor fließt. Gekühlt wird das Öl durch Wasser, das im Gegenstrom zum Öl über die Ringleitungen 12 und 13 zu- und abgeführt wird.

Claims (4)

1. Plattenwärmetauscher, bestehend aus gleichgroßen und gleichförmig profilier­ ten ringförmigen Wärmetauscherplatten (1), die sich im Stapel abwechselnd ihre Vorderseiten (2) oder Rückseiten (3) zuwenden, paarweise an ihren inneren Rändern (4) und äußeren Rändern (5) verschweißt oder verlötet sind und die auf der einen Seite von einem wärmeabgebenden Medium und auf der anderen Seite von einem wärmeaufnehmendem Medium umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren Ränder (4) der Platten (1), die im Stapel den Abfuhrkanal für das wärmeabgebende Medium umschließen, und die äußeren Ränder (5), an denen dieses Medium zwischen den Vorderseiten (2) der Platten (1) zugeführt wird, eben sind und daß in die Wärmetauscher­ fläche (6) der Platten (1) zwischen den Rändern (4) und (5) spiralförmig verlau­ fende Wellen (7) eingeprägt sind, die jeweils in einem bis zur Höhe der Wellen­ berge (7) eingeprägten Plateau (8) enden, in dessen Mitte ein Durchbruch (9) eingeformt ist für die Zu- oder Abführung des wärmeaufnehmenden Mediums, das zwischen den Rückseiten (3) der Platten (1) im Gegenstrom fließt, und daß die sich im Stapel berührenden Platten (1) an den Kreuzungs­ punkten der Wellen (7) und an den Plateaus (8) verschweißt oder verlötet sind.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (7) in Form archimedischer Spiralen verlaufen.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (7) einen sinus- oder trapezförmigen Querschnitt haben.

4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er von einem Gehäuse (14) eingeschlossen ist, in dessen Umfang ein Filter (15) angeordnet ist.