DE19528117A1 - Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager mit ei­ nem Aufbau aus mehreren, aufeinandergestapelten, mit Durch­ brüchen versehenen Platten.

Derartige Wärmeübertrager werden beispielsweise in der Pa­ tentschrift DE 32 06 397 02 beschrieben. Dort sind gleichar­ tige Platten, die jeweils mit parallelen Reihen von längli­ chen Durchbrüchen versehen sind, so aufeinandergestapelt, daß die Durchbrüche einer Platte mit benachbarten Durchbrüchen derselben Reihe einer angrenzenden Platte in Fluidverbindung stehen. Auf diese Weise bildet jede Gruppe übereinanderlie­ gender Reihen von Durchbrüchen ein zweidimensionales Strö­ mungskanal-Netzwerk, wobei die Netzwerkebenen parallel zur Stapelrichtung liegen und die einzelnen Netzwerke innerhalb des Stapels keine Fluidverbindung zueinander haben. Durch ge­ eignete Zufluß- und Abflußeinrichtungen an den Seiten des Stapels, zu denen hin die Netzwerke offen sind, können die einzelnen Netzwerke in mehrere Gruppen aufgeteilt werden, von denen jede von einem bestimmten Fluid durchströmt wird.

Aus der Patentschrift DE 37 09 278 02 ist ein Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau bekannt, bei dem die aufeinanderge­ stapelten Platten auf einer der beiden Flachseiten mit neben­ einanderliegenden Längsnuten versehen sind, die als Strö­ mungskanäle dienen. Beim Stapeln werden dann benachbarte Platten je nach Bedarf mit gleicher Orientierung, um 1800 ge­ geneinander verkippt oder um 900 gegeneinander verdreht ange­ ordnet, wodurch Gleichstrom- bzw. Gegenstromanordnungen mit größerem oder kleinerem Kanalquerschnitt oder Kreuzstrom­ anordnungen gebildet werden.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel­ lung eines Wärmeübertragers der eingangs genannten Art zu­ grunde, der mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist, sich zur getrennten Durchströmung mit wenigstens zwei Wärme­ übertragungsfluiden eignet und ausreichend geringe Druckver­ luste, laminare Strömungsverhältnisse sowie ein zufrieden­ stellendes Wärmeübertragungsvermögen gewährleistet.

Dieses Problem wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merk­ malen des Anspruchs 1 gelöst. Zur Realisierung des Platten­ stapelaufbaus dieses Wärmeübertragers sind lediglich Platten­ einheiten erforderlich, die mit geeigneten Durchbrüchen ver­ sehen sind, welche mit wenig Aufwand beispielsweise durch Stanzen eingebracht werden können. Die Strömungskanal- Durchbrüche der Strömungskanalplatteneinheiten bilden dabei die wärmeaustauschaktiven Strömungskanäle, die folglich senk­ recht zur Stapelrichtung verlaufen und jeweils von benachbar­ ten Verbindungsabdeckplatteneinheiten begrenzt sind. Neben dieser Strömungskanalabdeckfunktion erfüllen die Verbindungs­ abdeckplatteneinheiten gleichzeitig eine Verbindungsfunktion, die darin besteht, mittels entsprechender Verbindungskanal- Durchbrüche eine Fluidverbindung für die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungs­ kanalplatteneinheit untereinander zu schaffen. Über weitere, sich geeignet überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche an­ schließender Platteneinheiten, und zwar sowohl von Verbin­ dungsabdeckplatteneinheiten als auch von Strömungskanalplat­ teneinheiten, stehen zudem jeweils die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche übernächster Strömungskanal­ platteneinheiten miteinander in Fluidverbindung, während kei­ ne Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen benachbarter Strömungskanalplatteneinheiten besteht.

Auf diese Weise können über die erste Gruppe übernächster Strömungskanalplatteneinheiten ein erstes Fluid und über die zweite Gruppe zwischenliegender, übernächster Strömungskanal­ platteneinheiten ein zweites Fluid durch den Plattenaufbau quer zur Stapelrichtung hindurchgeleitet werden, so daß je­ weils Wärme vom einen Fluid parallel zur Stapelrichtung auf das andere Fluid übertragen wird. Der gewählte Plattensta­ pelaufbau bewirkt ein laminares Fluidströmungsverhalten und erlaubt die Realisierung des Wärmeübertragers mit in der Wär­ meübertragungsrichtung geringer Kanalweite von beispielsweise weniger als 300 µm für niederviskose Fluide, wobei für Fluide mit hoher Viskosität bevorzugt Kanalweiten in der Größenord­ nung von bis zu ca. 1 mm gewählt werden. Durch die Länge der Platteneinheiten in Längsrichtung der Strömungskanal-Durch­ brüche läßt sich die effektive Wärmeaustauschlänge einstel­ len, und über die Anzahl übereinandergestapelter Plattenein­ heiten kann der effektive Durchströmungsquerschnitt für die beiden Fluide eingestellt werden. Eine geeignete Struktur und Stapelung der Strömungskanalplatteneinheiten und der Verbin­ dungsabdeckplatteneinheiten ermöglicht eine Realisierung so­ wohl von Kreuzstrom- als auch von Gegenstrom-Wärmeüber­ tragern.

Durch eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird in vorteilhafter Weise ein Kreuzstrom-Wärmeübertrager reali­ siert, für dessen Plattenstapelaufbau bis auf die Endplatten nur zwei verschiedene Einzelplattenstrukturen benötigt wer­ den. Eine weitere Ausgestaltung gemäß Anspruch 3 stellt in einfacher Weise eine günstige Anschlußmöglichkeit für den Zu­ fluß und Abfluß der Fluide mittels einer geeigneten Anschluß­ platteneinheit zur Verfügung.

Eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 realisiert einen Gleichstrom- oder Gegenstrom-Wärmeübertrager, für des­ sen Plattenstapelaufbau drei Arten von in geeigneter Weise unterschiedlich mit Durchbrüchen versehenen Einzelplatten verwendet werden.

Eine weitere günstige Realisierung eines Gleichstrom- oder Gegenstrom-Wärmeübertragers ist durch eine Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 gegeben. Für den Plattenaufbau die­ ses Wärmeübertragers genügen, abgesehen von jeweiligen End­ platten und einer eventuellen Anschlußplatte, bereits zwei Arten von unterschiedlich mit Durchbrüchen versehenen Einzel­ platten.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeich­ nungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hier­ bei zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht auf eine Strömungskanalplatte bzw. eine Verbindungsabdeckplatte, von denen zur Rea­ lisierung eines Plattenstapelaufbaus für einen Kreuz­ strom-Wärmeübertrager mehrere jeweils geeignet ab­ wechselnd übereinandergestapelt werden,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Anschlußplatte, die für den mit den Platten gemäß Fig. 1 und 2 realisierbaren Wärmeübertrager-Plattenstapelaufbau verwendbar ist,

Fig. 4 bis 6 eine Draufsicht auf eine Strömungskanalplatte, eine Verteilerplatte bzw. eine Zwischenplatte, von denen mehrere jeweils in zyklischer Reihenfolge zur Realisierung eines Plattenstapelaufbaus für einen Gleichstrom- oder Gegenstrom-Wärmeübertrager geeignet übereinandergestapelt sind, und

Fig. 7 und 8 eine Draufsicht auf eine Strömungskanalplatte bzw. eine Verbindungsabdeckplatte, von denen mehrere zur Realisierung eines Plattenstapelaufbaus für einen weiteren Gleichstrom- oder Gegenstrom-Wärmeübertrager abwechselnd in geeigneter Weise übereinandergestapelt sind.

In den Fig. 1 bis 3 sind die für einen Kreuzstrom-Wärmeüber­ trager mit Plattenstapelaufbau verwendeten Plattenelemente dargestellt. Speziell zeigen jeweils in Draufsicht die Fig. 1 eine Strömungskanalplatte (1), die Fig. 2 eine Verbindungsab­ deckplatte (13) und die Fig. 3 eine Anschlußplatte (27). Alle Platten (1, 13, 27) sind mit technisch geringem Aufwand als einzelne Blechplatten kostengünstig herstellbar, z. B. mittels Stanzen, Laserstrahlschneiden, Wasserstrahlschneiden oder Erodieren, und besitzen ein konformes quadratisches Außenmaß. Die Einzelplatten besitzen vorzugsweise eine Dicke von etwa 300 µm oder weniger.

Die Strömungskanalplatte (1) beinhaltet gemäß Fig. 1 vier ne­ beneinanderliegend parallel verlaufende Strömungskanal-Durch­ brüche (2) in Form von geradlinigen, langgestreckten Öffnun­ gen, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenberei­ chen (3, 4) der Strömungskanalplatte (1) erstrecken. An diese Reihe von Strömungskanal-Durchbrüchen (2) schließt sich beid­ seits jeweils ein langgestreckter Verbindungskanal-Durchbruch (5, 6) an. Die beiden Verbindungskanal-Durchbrüche (5, 6) verlaufen entlang der beiden anderen Plattenseitenbereiche (7, 8) und enden jeweils vor den Platteneckbereichen, in de­ nen jeweils eine Bohrung (9 bis 12) eingebracht ist, durch die bei der Herstellung des Plattenstapels jeweils ein Spannanker hindurchgeführt werden kann.

Die Verbindungsabdeckplatte (13) besitzt einen nicht durch­ brochenen, mittigen Abdeckbereich (14) sowie langgestreckte, vor den Platteneckbereichen endende Verbindungskanal-Durch­ brüche (19 bis 22) entlang jedes ihrer vier Seitenbereiche (15 bis 18). In den Eckbereichen befinden sich wiederum vier Spannanker-Bohrungen (23 bis 26).

Zum Aufbau des Wärmeübertrager-Plattenstapels werden nun ab­ wechselnd jeweils eine Strömungskanalplatte (1) und eine Ver­ bindungsabdeckplatte (13) aufeinandergelegt, wobei die je­ weils nächste Strömungskanalplatte (1) um 90° gegenüber der jeweils vorangegangenen Strömungskanalplatte (1) verdreht an­ geordnet wird. Auf diese Weise überlappen jeweils zwei der Verbindungskanal-Durchbrüche (19 bis 22) einer Verbindungsab­ deckplatte (13) mit den beiden Verbindungskanal-Durchbrüchen (5, 6) einer angrenzenden Strömungskanalplatte (1), während die beiden anderen Verbindungskanal-Durchbrüche mit den im entsprechenden Seitenbereich liegenden Enden der Strömungska­ nal-Durchbrüche (2) dieser Strömungskanalplatte (1) überlap­ pen, so daß diese Enden untereinander zwecks paralleler Zu­ führung bzw. Abführung eines Wärmeübertragungsfluids in Fluidverbindung stehen. Wird beispielsweise die Verbindungs­ abdeckplatte (13) von Fig. 2 in der gezeigten Lage auf die Strömungskanalplatte (1) von Fig. 1 in der dort gezeigten La­ ge gelegt, so überlappen die in den Fig. 1 und 2 oberen (5, 21) bzw. unteren Verbindungskanal-Durchbrüche (6, 22) zur Schaffung zweier gegenüberliegender, seitlicher Verbindungs­ kanäle, d. h. eines Verteiler- und eines Sammelkanals, die von den Strömungskanal-Durchbrüchen (2) dieser Strömungskanal­ platte (1) getrennt sind, während der linke (19) bzw. der rechte Verbindungskanal-Durchbruch (20) der Verbindungsab­ deckplatte (13) mit den linken bzw. rechten Enden der Strö­ mungskanal-Durchbrüche (2) überlappen. Bei einer als nächstes auf die Verbindungsabdeckplatte (13) in einer gegenüber Fig. 1 um 90° gedrehten Lage aufgelegten Strömungskanalplatte (1) überlappen dann der linke bzw. rechte Verbindungskanal- Durchbruch dieser Strömungskanalplatte (1) mit den beiden entsprechenden Verbindungskanal-Durchbrüchen (19, 20) der Verbindungsabdeckplatte (13), während die beiden anderen Ver­ bindungskanal-Durchbrüche (21, 22) der letzteren die jeweili­ gen seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche (2) dieser nächsten Strömungskanalplatte (1) untereinander in Fluidverbindung setzen.

Auf diese Weise entstehen vier seitliche, in Stapelrichtung verlaufende Verbindungskanäle, von denen jeweils einer als Verteilerkanal und ein gegenüberliegender als Sammelkanal dienen. Die Strömungskanalplatten (1) im Stapel bilden zwei Gruppen von unter sich gleich orientiert und gegenüber denje­ nigen der anderen Gruppe um 90° verdreht angeordneten Plat­ ten, wobei die Strömungskanalplatten der einen Gruppe abwech­ selnd zu denjenigen der anderen Gruppe im Stapel angeordnet sind. Auf diese Weise verbinden die Strömungskanal-Durch­ brüche (2) jeweils übernächster Strömungskanalplatten einen zugehörigen Verteilerkanal mit dem gegenüberliegenden Sam­ melkanal, während die Strömungskanal-Durchbrüche (2) der zwi­ schenliegenden Strömungskanalplatten dazu gekreuzt den ande­ ren Verteilerkanal mit seinem gegenüberliegenden Sammelkanal verbinden.

Um für die Verteiler- und Sammelkanäle jeweilige Anschlüsse von bzw. nach außen zu schaffen, wird am einen Ende des Sta­ pels angrenzend an die letzte Verbindungsabdeckplatte die Ab­ schlußplatte (27) gemäß Fig. 3 angeordnet, die in der Mitte jedes Seitenbereichs mit einer Ausnehmung versehen ist, in die ein zugehöriger Anschluß (28 bis 31) eingebracht ist, mit denen jeweils eine Fluidverbindung von den in Fig. 3 gestri­ chelt angedeuteten Verbindungskanal-Durchbrüchen (32 bis 35) der angrenzenden Verbindungsabdeckplatte nach außen geschaf­ fen wird. Auch die Abdeckplatte (27) ist mit vier Spannanker- Bohrungen (36 bis 39) in ihren vier Eckbereichen versehen. Der mittige Bereich (27a) der Abdeckplatte (27) weist ebenso wie derjenige (14) der Verbindungsabdeckplatten (13) keine Durchbrüche auf. Alternativ zur Anordnung der Anschlußplatte (27) können die seitlichen Anschlüsse auch durch Anbohren der Seitenwände des Plattenstapels bereitgestellt werden. Der Aufbau des Plattenstapels wird dann durch Auflegen zweier nicht gezeigter, konformer Grundplatten, die ebenfalls ledig­ lich vier Spannanker-Bohrungen in den vier Eckbereichen auf­ weisen, auf beiden Seiten des Plattenstapels vervollständigt. In den vier Eckbereichen können dann Spannanker durch die fluchtenden Bohrungen (9 bis 12, 23 bis 26, 36 bis 39) durch­ geführt und die einzelnen Platten anschließend fest miteinan­ der verbunden werden. Je nach Anforderung an Dichtheit, Tem­ peraturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Druckfe­ stigkeit kommen zur Herstellung einer dichten und festen Ver­ bindung der Einzelplatten zur Bildung des Kreuzstrom- Plattenstapels alle herkömmlichen, geeigneten Verbindungsver­ fahren in Betracht, wie Kleben, Löten, Schweißen, insbeson­ dere Diffusionsschweißen, oder eine mechanisch verspannende Technik.

Der solchermaßen gebildete Wärmeübertrager-Plattenstapel er­ laubt die Durchführung zweier Fluide, zwischen denen Wärme übertragen werden soll, im Kreuzstromverfahren. Das eine Fluid wird an einer Seite des Plattenstapels zugeführt und gelangt vom dortigen Verteilerkanal in die Strömungskanal- Durchbrüche (2) der einen Gruppe übernächster Strömungskanal­ platten. Am gegenüberliegenden Sammelkanal sammelt sich das Fluid aus den Strömungskanal-Durchbrüchen (2) und wird nach außen abgeführt. In gleicher Weise wird das andere Fluid dem anderen Verteilerkanal zugeführt, gelangte von dort durch die Strömungskanal-Durchbrüche (2) der anderen Gruppe von Strö­ mungskanalplatten und wird über den gegenüberliegenden Sam­ melkanal wieder abgezogen. Somit findet der Wärmeaustausch parallel zur Stapelrichtung im Überkreuzungsbereich der Strö­ mungskanal-Durchbrüche (2) jeweils benachbarter Strömungs­ kanalplatten statt, wobei die beiden Fluide längs dieses ef­ fektiven Wärmeübertragungsweges mit geringem Druckverlust la­ minar zum einen senkrecht zur Stapelrichtung und zum anderen senkrecht zueinander strömen. Der solchermaßen mit ver­ gleichsweise geringem Aufwand herstellbare Kreuzstrom-Wärme­ übertrager weist eine erwünschte geringe Kanalweite in der Wärmeübertragungsrichtung von 300 µm oder weniger auf, und auch die übrigen Wärmeübertragungseigenschaften können durch passende Auslegung der Einzelplatten in jeweils geforderter Weise eingestellt werden. Speziell können zum einen die Länge des effektiven Wärmeaustauschweges durch entsprechende Wahl der Plattenaußenmaße und damit der Länge der Strömungskanal- Durchbrüche (2) und zum anderen der gesamte Durchflußquer­ schnitt durch kreuzweises Übereinanderstapeln einer entspre­ chenden Anzahl von Strömungskanalplatten (1) unter Zwischen­ fügung der jeweiligen Verbindungsabdeckplatten (13) auf einen jeweils gewünschten Wert eingestellt werden. Ein minimaler Plattenaufbau enthält ersichtlich außer den beiden endseiti­ gen Grundplatten und gegebenenfalls der Anschlußplatte (27) zwei Strömungskanalplatten (1) mit kreuzweise verlaufenden Strömungskanal-Durchbrüchen (2) sowie zwei zwischenliegende Verbindungsabdeckplatten (13).

In den Fig. 4 bis 6 sind jeweils in Draufsicht eine Strö­ mungskanalplatte (40), eine Verteilerplatte (48) und eine Zwischenplatte (56) dargestellt, mit denen sich ein Platten­ stapel für einen Gleichstrom oder Gegenstrom-Wärmeübertrager aufbauen läßt und die wiederum in einfacher Weise als ge­ stanzte, mit geeigneten Durchbrüchen versehene Blechplatten hergestellt werden können, wobei alle drei Plattenarten (40, 48, 56) dasselbe rechteckige Außenmaß besitzen. Bei diesem Wärmeübertrager-Plattenaufbau bestehen die sich in Stapel­ richtung mit den Strömungskanalplatten (40) abwechselnden Verbindungsabdeckplatteneinheiten aus einer in Fig. 5 darge­ stellten Verteilerplatte (48) und einer angrenzenden, in Fig. 6 dargestellten Zwischenplatte (56). Die Strömungskanalplat­ ten (40) besitzen analog zu denen des vorigen Beispiels je­ weils vier parallel nebeneinanderliegende, geradlinige Strö­ mungskanal-Durchbrüche (41), die sich zwischen zwei gegen­ überliegenden Seitenbereichen (42, 43) der Platte (40) er­ strecken. In den vier Eckbereichen der Platte (70) sind vier Bohrungen (44 bis 47) eingebracht, die in diesem Beispiel ei­ ne fluidströmungstechnische Funktion erfüllen.

Die Verteilerplatten (48) sind in zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen (49, 50) punktspiegelungssymmetrisch zum Plattenmittelpunkt jeweils mit einem Verbindungskanal-Durch­ bruch (41 bis 54) versehen, von denen der eine (51, 53) als langgestreckte Schlitzöffnung entlang des Seitenbereichs (49, 50) unter Einschluß eines Eckbereichs verläuft, während der andere als kreisrunde, im anderen Eckbereich liegende Öffnung (52, 54) gestaltet ist. Der übrige, mittige Verteilerplatten­ bereich (55) dient zur Abdeckung der Strömungskanal-Durch­ brüche (41) einer jeweils angrenzenden Strömungskanalplatte (40) bis auf deren Enden, die mit den langgestreckten Verbin­ dungskanal-Durchbrüchen (51 bis 54) der Verteilerplatte zur Schaffung geeigneter Fluidverbindungen überlappen.

Die als dritte Plattenstapelkomponente verwendeten Zwischen­ platten (56) beinhalten, wie in Fig. 6 dargestellt, vier kreisrunde Verbindungskanal-Durchbrüche (57 bis 60) in den vier Eckbereichen, während sie im übrigen, abdeckenden Be­ reich (61) keine weiteren Durchbrüche aufweisen. Beim Aufbau des Wärmeübertrager-Plattenstapels werden die drei verschie­ denen Platten gemäß Fig. 4 bis 6 jeweils abwechselnd wieder­ holt übereinandergelegt, wobei sämtliche Strömungskanalplat­ ten (40) mit gleicher Orientierung, hingegen aufeinanderfol­ gende Verteilerplatten (48) jeweils um 180° gekippt, d. h. um­ gekehrt, angeordnet werden. Dadurch wird eine Gleich- oder Gegenstromanordnung für zwei Wärmeübertragungsfluide reali­ siert.

Denn bei Aufeinanderlegen der drei verschiedenen Platten (40, 48, 56) in ihrer in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Orientierung entstehen zum einen zwei durchführende, kreisrunde Verbin­ dungskanäle im in den Fig. 4 bis 6 oberen, linken bzw. unte­ ren, rechten Eckbereich durch fluchtende Überlappung der dor­ tigen kreisrunden Verbindungskanal-Durchbrüche (44, 52, 57 bzw. 46, 54, 59). Diese beiden Verbindungskanäle führen in Stapelrichtung an den Strömungskanal-Durchbrüchen (41) der entsprechenden Strömungskanalplatte (40) ohne Fluidverbindung mit denselben vorbei. Währenddessen überlappen die beiden langgestreckten Verbindungskanal-Durchbrüche (51, 53) der Verteilerplatte (48) mit den im entsprechenden Seitenbereich liegenden Enden der angrenzenden Strömungskanal-Durchbrüche (41), wodurch letztere untereinander in Fluidverbindung ste­ hen. Außerdem überlappen sie dadurch, daß sie sich jeweils in einen Eckbereich hinein erstrecken, mit den dortigen, kreis­ runden Verbindungskanal-Durchbrüchen der beiden angrenzenden Platten (40, 56), d. h. mit den in den Fig. 4 und 6 linken, unteren (47, 60) bzw. rechten, oberen Verbindungskanal-Durch­ brüchen (45, 58) von Strömungskanal- bzw. Zwischenplatte (40, 56)
Durch das verkippte Anordnen der Verteilerplatte (48) in der darauffolgenden Dreiergruppe von Strömungskanal-, Verteiler- und Zwischenplatte (40, 48, 56) wird eine Fluidverbindung zwischen den Enden der Strömungskanal-Durchbrüche (41) dieser nächsten Strömungskanalplatte (40) zu den beiden diagonal ge­ genüberliegenden Verbindungskanälen geschaffen, die durch die vorangegangene Strömungskanalplatte an deren Strömungskanal- Durchbrüchen vorbei hindurchgeführt wurden, d. h. in der Ori­ entierung von Fig. 4 der linke, obere bzw. der rechte, untere Verbindungskanal. Analog werden die beiden anderen, sich dia­ gonal gegenüberliegenden Verbindungskanäle über die beiden kreisrunden Verbindungskanal-Durchbrüche (52, 54) der Vertei­ lerplatte (48), die dann die aufgrund der gegenüber Fig. 5 um 1800 gekippten Orientierung im linken, unteren bzw. rechten, oberen Eckbereich liegen, an den Strömungskanal-Durchbrüchen dieser darauffolgenden Strömungskanalplatte ohne Fluidverbin­ dung vorbeigeführt.

Auf diese Weise bildet der Plattenstapel zwei voneinander ge­ trennte Fluidkanalsysteme, wobei die Strömungskanal-Durch­ brüche (41) jeweils übernächster Strömungskanalplatten (40) zum selben Fluidkanalsystem gehören. Da sämtliche Strömungs­ kanal-Durchbrüche (41) im Stapel parallel verlaufen, kann dieser Plattenaufbau sowohl in Form eines Gleichstrom- als auch bevorzugt in Form eines Gegenstrom-Wärmeübertragers ver­ wendet werden. Dabei können die vier kreisförmigen Verbin­ dungskanal-Durchbrüche (57 bis 60) einer endseitigen Zwi­ schenplatte (56) als Anschlüsse dienen, während die gegen­ überliegende Plattenstapelseite mit einer ungelochten Grund­ platte abgedeckt wird. Alternativ können die Anschlüsse auch an zwei gegenüberliegenden Plattenstapelseiten über zwei der vier Verbindungskanal-Durchbrüche (57 bis 60) endseitiger Zwischenplatten (56) unter Abdeckung der jeweiligen beiden übrigen Durchbrüche vorgesehen werden. In jedem Fall bildet jeweils ein Durchbruch der Zwischenplatte (56) den Anschluß für einen Verteilerkanal und der diagonal gegenüberliegende Durchbruch den Anschluß für den zugehörigen Sammelkanal des­ selben Fluidkanalsystems. Bezüglich der Dimensionierung und Strömungseigenschaften dieses Gleichstrom- bzw. Gegenstrom- Wärmeübertragers gilt das zum vorhergehenden Beispiel Gesagte analog. Es läßt sich eine Laminarströmung mit zumindest in der Wärmeübertragungsrichtung, d. h. in Stapelrichtung, gerin­ ger Kanalweite bei geringem Druckverlust erzielen. Die Länge der Strömungskanal-Durchbrüche bestimmt die Länge des effek­ tiven Wärmeaustauschweges, und die Anzahl der im Stapel vor­ gesehenen Strömungskanalplatten (40) bestimmt den effektiven Gesamtströmungsquerschnitt für die beiden im Gegenstrom oder Gleichstrom hindurchgeführten Fluide. In minimaler Ausführung beinhaltet der Plattenstapel neben einer Grundplatte zwei Plattensätze mit je einer Strömungskanalplatte (40), einer Verteilerplatte (48) und einer Zwischenplatte (56), wobei die beiden Verteilerplatten (48) gegeneinander um 180° verkippt angeordnet sind.

Die Fig. 7 und 8 zeigen jeweils in Draufsicht eine Strömungs­ kanalplatte (70) und eine Verbindungsabdeckplatte (80), mit denen ein Plattenaufbau für einen weiteren Gegenstrom- bzw. Gleichstrom-Wärmeübertrager realisierbar ist. Die Strömungs­ kanalplatte (70) beinhaltet jeweils vier parallel versetzt nebeneinanderliegende Strömungskanal-Durchbrüche (71), die in einem mittleren Abschnitt parallel zur Längsmittelachse (74) der rechteckförmigen Platte verlaufen und jeweils zu den En­ den (77, 78) hin, die sich auf Höhe zweier gegenüberliegender Plattenseitenbereiche (72, 73) befinden, dergestalt abgewin­ kelt verlaufen, daß ihre einen Enden (77) sämtlich auf einer Hälfte (76) und ihre anderen Enden (78) diagonal gegenüber­ liegend auf der anderen Hälfte (75) in bezug auf die Platten­ längsachse (74) liegen. Die Verbindungsabdeckplatte (80) weist dazu korrespondierend auf gegenüberliegenden Seitenbe­ reichen (88, 89) symmetrisch zur Plattenlängsachse (81) auf jeder der dadurch definierten Plattenhälften (82, 83) je ei­ nen langgestreckten Verbindungskanal-Durchbruch (84 bis 87) auf, während der übrige Plattenbereich zur Abschirmung der Strömungskanal-Durchbrüche (71) angrenzender Strömungskanal­ platten (70) dient und folglich keine weiteren Durchbrüche aufweist.

Zum Aufbau des zugehörigen Plattenstapels werden jeweils eine Strömungskanalplatte (70) und eine Verbindungsabdeckplatte (80) übereinandergelegt, wobei aufeinanderfolgende Strömungs­ kanalplatten um 180° gegeneinander gekippt, d. h. umgekehrt, angeordnet werden. Dies hat zur Folge, daß ausgehend von ei­ ner wie in Fig. 7 orientierten Strömungskanalplatte, deren Enden (77, 78) im linken Seitenbereich in der unteren Plat­ tenhälfte und im rechten Seitenbereich in der oberen Platten­ hälfte liegen, die entsprechenden Enden- der Strömungskanal- Durchbrüche einer nachfolgenden Strömungskanalplatte im glei­ chen Seitenbereich auf der jeweils anderen Plattenhälfte, d. h. entsprechend der Orientierung von Fig. 7 im linken Sei­ tenbereich in der oberen Plattenhälfte und im rechten Seiten­ bereich in der unteren Plattenhälfte, enden. Die Strömungska­ nal-Durchbrüche (71) der im Stapel aufeinanderfolgenden Strö­ mungskanalplatten (70) überlappen daher mit ihren Enden (77, 78) abwechselnd mit dem einen bzw. dem anderen Paar sich dia­ gonal gegenüberliegender Verbindungskanal-Durchbrüche (84, 87; 85, 86) der zwischenliegenden Verbindungsabdeckplatten (80). Dabei stehen die seitengleichen Enden der Strömungska­ nal-Durchbrüche (71) untereinander über den zugehörigen, mit diesen überlappenden Verbindungskanal-Durchbruch einer an­ grenzenden Verbindungsabdeckplatte (80) sowie mit den sei­ tengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer je­ weils übernächsten Strömungskanalplatte über den seitenglei­ chen Verbindungskanal-Durchbruch einer nachfolgenden, umge­ kehrt angeordneten Strömungskanalplatte und denjenigen der nächsten Verbindungsabdeckplatte (80) in Fluidverbindung. Da­ gegen bleiben die Strömungskanal-Durchbrüche (71) jeweils aufeinanderfolgender Strömungskanalplatten (70) ohne Fluid­ verbindung.

Auf diese Weise werden analog zum vorangegangenen Beispiel durch den Plattenstapel zwei voneinander getrennte Strömungs­ kanalsysteme gebildet, denen die im Stapel aufeinanderfolgen­ den Strömungskanalplatten (70) alternierend zugehören und de­ nen jeweils zwei diagonal gegenüberliegende Verbindungskanäle als Verteiler- bzw. Sammelkanal zugeordnet sind, die jeweils hälftig auf den beiden betreffenden Plattenstapelseiten sich in Stapelrichtung erstreckend durch Überlappen der aufeinan­ derfolgenden Verbindungskanal-Durchbrüche (79a, 79b, 84 bis 87) und der Strömungskanal-Durchbruchenden (77, 78) gebildet sind. Analog zum vorigen Beispiel kann eine am Stapelende ge­ legene Verbindungsabdeckplatte unter Abschirmung des gegen­ überliegenden Stapelendes durch eine nicht gelochte Grund­ platte als Anschlußplatte dienen, oder es können unter geeig­ neter Abschirmung von jeweils zwei der vier Verbindungskanal- Durchbrüche (84 bis 87) zwei stapelendseitig gegenüberliegen­ de Verbindungsabdeckplatten (80) als Anschlußplatten fungie­ ren. In jedem Fall lassen sich zwei Fluide, zwischen denen Wärme übertragen,werden soll, getrennt und in alternierenden Ebenen je nach Wunsch im Gleichstrom oder im Gegenstrom durch den Wärmeübertrager-Plattenaufbau hindurchführen, wobei wie­ derum die Länge der Strömungskanal-Druchbrüche (71) den ef­ fektiven Wärmeaustauschweg und die Anzahl von Strömungskanal­ platten (70) den effektiven Gesamtströmungsquerschnitt des Wärmeübertragers mit laminarem Strömungsverhalten bestimmen. Wiederum sind die Platten zur Erzielung einer geringen Kanal­ weite in Wärmeübertragungsrichtung, d. h. in Stapelrichtung, mit einer Dicke von vorzugsweise nicht über 200 µm ausgebil­ det. Der minimale Plattenaufbau beinhaltet neben einer Grund­ platte zwei in umgekehrter Lage aufeinanderfolgende Strö­ mungskanalplatten (70) und zwei zwischengeschichtete Verbin­ dungsabdeckplatten (80). Die übereinandergeschichteten Ein­ zelplatten werden wiederum mittels Löten, Diffusionsschweißen etc. fluiddicht miteinander verbunden.

Die vorstehende Beschreibung dreier Ausführungsbeispiele zeigt, daß durch die Erfindung Wärmeübertrager mit Platten­ stapelaufbau bereitgestellt werden können, welche in einfa­ cher Weise aus wenigen Arten technisch einfach herstellbarer Einzelplatten aufgebaut sind und die laminare Durchströmung zweier Wärmeübertragungsfluide im Kreuzstrom, Gegenstrom oder Gleichstrom bei geringer Kanalweite in Wärmeübertragungsrich­ tung gestatten. Solche Wärmeübertrager sind vielfältig ver­ wendbar, z. B. als Kühlelemente für Hochtemperaturbatterien. Es versteht sich, daß für die Platten neben der beschriebenen rechteckigen Form jede andere zweidimensionale Form gewählt werden kann und daß sich die Strömungskanal-Durchbrüche nicht unbedingt zwischen gegenüberliegenden Plattenseitenbereichen zu erstrecken brauchen. Beispielsweise können diese Durchbrü­ che innerhalb der Plattenfläche auch bogenförmig von einem Seitenbereich zu einem nicht diametral gegenüberliegenden Seitenbereich verlaufen.

Claims (5)

1. Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinan­ dergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten, dadurch gekennzeichnet, daß

• - Strömungskanalplatteneinheiten (1) mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen (2), die sich zwischen zwei Plattenseitenbereichen (3, 4) erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen (5, 6), die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, und
• - Verbindungsabdeckplatteneinheiten (13) vorgesehen sind, die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen (15, 16) angeordne­ te Verbindungskanal-Durchbrüche (19, 20) aufweisen, wobei
• - die Strömungskanalplatteneinheiten und die Verbindungsab­ deckplatteneinheiten abwechselnd so übereinandergestapelt sind, daß
• - keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durch­ brüchen benachbarter Strömungskanalplatteneinheiten besteht und
• - die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche ei­ ner jeweiligen Strömungskanalplatteneinheit über einen über­ lappenden Verbindungskanal-Durchbruch einer angrenzenden Ver­ bindungsabdeckplatteneinheit untereinander sowie über über­ lappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten­ einheiten mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal- Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatten­ einheit in Fluidverbindung stehen.

2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die Strömungskanalplatteneinheiten jeweils aus einer Platte (1) mit einer Reihe nebeneinanderliegender Strömungskanal- Durchbrüche (2) sowie mit je einem Verbindungskanal-Durch­ bruch (5, 6) auf beiden Seiten der Strömungskanal-Durch­ bruchreihe bestehen,
• - die Verbindungsabdeckplatteneinheiten jeweils aus einer Platte (13) bestehen, die vier Verbindungskanal-Durchbrüche (19 bis 21) in ihren vier um jeweils 90° versetzten Seitenbe­ reichen (15 bis 18) aufweist, und
• - aufeinanderfolgende Strömungskanalplatteneinheiten jeweils um 90° versetzt angeordnet sind.

3. Wärmeübertrager nach Anspruch 2, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Plattenstapel angrenzend an eine der Verbin­ dungsabdeckplatten (13) eine Anschlußplatteneinheit (27) an­ geordnet ist, die in ihren vier um jeweils 90° versetzten Seitenbereichen jeweils einen Fluidanschluß (28 bis 31) auf­ weist, der eine Fluidverbindung vom zugeordneten Verbindungs­ kanal-Durchbruch (32 bis 35) der angrenzenden Verbindungsab­ deckplatte nach außen bereitstellt.

4. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - die Strömungskanalplatteneinheiten jeweils aus einer Platte (40) mit einer Reihe nebeneinanderliegender Strömungskanal- Durchbrüche (41) sowie mit vier Verbindungskanal-Durchbrüchen (44 bis 47) beidseits von den Strömungskanal-Durchbrüchen und auf Höhe von deren Enden bestehen und
• - die Verbindungsabdeckplatteneinheiten jeweils aus einer Verteilerplatte (48) und einer darüberliegenden Zwischenplat­ te (56) bestehen, wobei
• - die Verteilerplatten (48) in einem Seitenbereich (49) einen ersten, mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal- Durchbrüche einer angrenzenden Strömungskanalplatte überlap­ penden, langgestreckten Verbindungskanal-Durchbruch (51) und einen davon getrennten, zweiten Verbindungskanal-Durchbruch (52) und im gegenüberliegenden Seitenbereich (50) in punkt­ spiegelungssymmetrischer Anordnung zwei entsprechende weitere Verbindungskanal-Durchbrüche (53, 54) aufweisen,
• - die Zwischenplatten (56) jeweils vier Verbindungskanal- Durchbrüche (57 bis 60) aufweisen, die mit den vier Verbin­ dungskanal-Durchbrüchen (44 bis 47) einer angrenzenden Strö­ mungskanalplatte (40) und mit den vier Verbindungskanal- Durchbrüchen (51 bis 54) einer angrenzenden Verteilerplatte (48) überlappen, und
• - aufeinanderfolgende Verteilerplatten (48) jeweils um 180° gegeneinander gekippt angeordnet sind.

5. Wärmeübertrager nach Anspruch 1, weiter dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - sich die Strömungskanal-. Durchbrüche (71) einer jeweiligen Strömungskanalplatteneinheit (70) von einer Hälfte (76) des einen Seitenbereichs (72) zur diagonal gegenüberliegenden Hälfte (75) des anderen Seitenbereichs (73) erstrecken, wäh­ rend in den anderen beiden Seitenbereich-Hälften zwei Verbin­ dungskanal-Durchbrüche (79a, 79b) eingebracht sind,
• - die Verbindungsabdeckplatteneinheiten (80) in jeder Hälfte (82, 83) jedes von zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen (88, 89) jeweils einen langgestreckten Verbindungskanal- Durchbruch (84 bis 87) aufweisen, von denen in jedem der bei­ den Seitenbereiche der eine mit den dortigen Enden der Strö­ mungskanal-Durchbrüche einer benachbarten Strömungskanalplat­ teneinheit und der andere mit deren dortigem Verbindungs­ kanal-Durchbruch überlappt, und
• - im Plattenstapel aufeinanderfolgende Strömungskanalplatten­ einheiten (70) jeweils um 180° gegeneinander gekippt angeord­ net sind.