DE19528117B4

DE19528117B4 - Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau

Info

Publication number: DE19528117B4
Application number: DE19528117A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr.-Ing. Damsohn; Conrad Dr.-Ing. Pfender
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1995-08-01
Filing date: 1995-08-01
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2015-08-02
Also published as: GB2303910A; DE19528117A1; JPH09138089A; GB9616007D0; US5718286A; GB2303910B; FR2737555A1; FR2737555B1; JP3803429B2

Abstract

Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten, mit
– Strömungskanalplatten mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen, die sich jeweils zwischen zwei Plattenseitenbereichen erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen, die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, und
– Verbindungsabdeckplatten, die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen angeordnete Verbindungskanal-Durchbrüche aufweisen,
– wobei die Strömungskanalplatten und die Verbindungsabdeckplatten abwechselnd so übereinandergestapelt sind, daß keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen zweier benachbarter Strömungskanalplatten besteht und daß die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatte über einen überlappenden Verbindungskanal-Durchbruch einer angrenzenden Verbindungsabdeckplatte untereinander sowie über überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte in Fluidverbindung stehen,
dadurch gekennzeichnet, daß
– jede der Strömungskanalplatten vier Verbindungskanal-Durchbrüche (44 bis 47) beidseits von den Strömungskanal-Durchbrüchen und auf Höhe von deren Enden aufweist und
– die Verbindungsabdeckplatten jeweils aus einer Verteilerplatte (48) und einer darüberliegenden Zwischenplatte (56) bestehen,...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren, aufeinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten.

Derartige Wärmeübertrager werden beispielsweise in der Patentschrift DE 32 06 397 C2 beschrieben. Dort sind gleichartige Platten, die jeweils mit parallelen Reihen von länglichen 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 übereinanderliegender Reihen von Durchbrüchen ein zweidimensionales Strömungskanal-Netzwerk, wobei die Netzwerkebenen parallel zur Stapelrichtung liegen und die einzelnen Netzwerke innerhalb des Stapels keine Fluidverbindung zueinander haben. Durch geeignete 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 C2 ist ein Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau bekannt, bei dem die aufeinandergestapelten Platten auf einer der beiden Flachseiten mit nebeneinanderliegenden Längsnuten versehen sind, die als Strömungskanäle dienen. Beim Stapeln werden dann benachbarte Platten je nach Bedarf mit gleicher Orientierung, um 180° gegeneinander verkippt oder um 90° gegeneinander verdreht angeordnet, wodurch Gleichstrom- bzw. Gegenstromanordnungen mit größerem oder kleinerem Kanalquerschnitt oder Kreuzstromanordnungen gebildet werden.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Wärmeübertragers der eingangs genannten Art zugrunde, der mit relativ geringem Aufwand herstellbar ist, sich zur getrennten Durchströmung mit wenigstens zwei Wärmeübertragungsfluiden eignet und ausreichend geringe Druckverluste, laminare Strömungsverhältnisse sowie ein zufriedenstellendes Wärmeübertragungsvermögen gewährleistet.

Dieses Problem wird durch einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Zur Realisierung des Plattenstapelaufbaus dieses Wärmeübertragers sind lediglich Platteneinheiten erforderlich, die mit geeigneten Durchbrüchen versehen sind, welche mit wenig Aufwand beispielsweise durch Stanzen eingebracht werden können. Die Strömungskanal-Durchbrüche der Strömungskanalplatteneinheiten bilden dabei die wärmeaustauschaktiven Strömungskanäle, die folglich senkrecht zur Stapelrichtung verlaufen und jeweils von benachbarten Verbindungsabdeckplatteneinheiten begrenzt sind. Neben dieser Strömungskanalabdeckfunktion erfüllen die Verbindungsabdeckplatteneinheiten gleichzeitig eine Verbindungsfunktion, die darin besteht, mittels entsprechender Verbindungskanal-Durchbrüche eine Fluidverbindung für die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatteneinheit untereinander zu schaffen. Über weitere, sich geeignet überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platteneinheiten, und zwar sowohl von Verbindungsabdeckplatteneinheiten als auch von Strömungskanalplatteneinheiten, stehen zudem jeweils die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche übernächster Strömungskanalplatteneinheiten miteinander in Fluidverbindung, während keine 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 Strömungskanalplatteneinheiten ein zweites Fluid durch den Plattenaufbau quer zur Stapelrichtung hindurchgeleitet werden, so daß jeweils Wärme vom einen Fluid parallel zur Stapelrichtung auf das andere Fluid übertragen wird. Der gewählte Plattenstapelaufbau bewirkt ein laminares Fluidströmungsverhalten und erlaubt die Realisierung des Wärmeübertragers mit in der Wärmeübertragungsrichtung geringer Kanalweite von beispielsweise weniger als 300μm für niederviskose Fluide, wobei für Fluide mit hoher Viskosität bevorzugt Kanalweiten in der Größenordnung von bis zu ca. 1 mm gewählt werden. Durch die Länge der Platteneinheiten in Längsrichtung der Strömungskanal-Durchbrüche läßt sich die effektive Wärmeaustauschlänge einstellen, und über die Anzahl übereinandergestapelter Platteneinheiten kann der effektive Durchströmungsquerschnitt für die beiden Fluide eingestellt werden. Eine geeignete Struktur und Stapelung der Strömungskanalplatteneinheiten und der Verbindungsabdeckplatteneinheiten ermöglicht eine Realisierung sowohl von Kreuzstrom- als auch von Gegenstrom-Wärmeübertragern.

Eine Ausführung der Erfindung nach Anspruch 1 realisiert einen Gleichstrom- oder Gegenstrom-Wärmeübertrager, für dessen 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 Ausführung der Erfindung nach Anspruch 2 gegeben. Für den Plattenaufbau dieses Wärmeübertragers genügen, abge sehen von jeweiligen Endplatten und einer eventuellen Anschlußplatte, bereits zwei Arten von unterschiedlich mit Durchbrüchen versehenen Einzelplatten.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
1 bis 3 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,
4 und 5 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,
6 und 7 eine Draufsicht auf eine Strömungskanalplatte bzw. eine Verbindungsabdeckplatte, von denen zur Realisierung eines Plattenstapelaufbaus für einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager mehrere jeweils geeignet abwechselnd übereinandergestapelt werden, und
8 eine Draufsicht auf eine Anschlußplatte, die für den mit den Platten gemäß 1 und 2 realisierbaren Wärmeübertrager Plattenstapelaufbau verwendbar ist.
In den 1 bis 3 sind jeweils in Draufsicht eine Strömungskanalplatte (40), eine Verteilerplatte (48) und eine Zwischenplatte (56) dargestellt, mit denen sich ein Plattenstapel für einen Gleichstrom oder Gegenstrom-Wärmeübertrager aufbauen läßt und die wiederum in einfacher Weise als gestanzte, 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 Stapelrichtung mit den Strömungskanalplatten (40) abwechselnden Verbindungsabdeckplatteneinheiten aus einer in 2 dargestellten Verteilerplatte (48) und einer angrenzenden, in 3 dargestellten Zwischenplatte (56). Die Strömungskanalplatten (40) besitzen analog zu denen des vorigen Beispiels jeweils vier parallel nebeneinanderliegende, geradlinige Strömungskanal-Durchbrüche (41), die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen (42, 43) der Platte (40) erstrecken. In den vier Eckbereichen der Platte (70) sind vier Bohrungen (44 bis 47) eingebracht, die in diesem Beispiel eine fluidströmungstechnische Funktion erfüllen.
Die Verteilerplatten (48) sind in zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen (49, 50) punktspiegelungssymmetrisch zum Plattenmittelpunkt jeweils mit einem Verbindungskanal-Durchbruch (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 Verteilerplattenbereich (55) dient zur Abdeckung der Strömungskanal-Durchbrüche (41) einer jeweils angrenzenden Strömungskanalplatte (40) bis auf deren Enden, die mit den langgestreckten Verbindungskanal-Durchbrüchen (51 bis 54) der Verteilerplatte zur Schaffung geeigneter Fluidverbindungen überlappen.
Die als dritte Plattenstapelkomponente verwendeten Zwischenplatten (56) beinhalten, wie in 3 dargestellt, vier kreisrunde Verbindungskanal-Durchbrüche (57 bis 60) in den vier Eckbereichen, während sie im übrigen, abdeckenden Bereich (61) keine weiteren Durchbrüche aufweisen. Beim Aufbau des Wärmeübertrager-Plattenstapels werden die drei verschiedenen Platten gemäß 1 bis 3 jeweils abwechselnd wiederholt übereinandergelegt, wobei sämtliche Strömungskanalplatten (40) mit gleicher Orientierung, hingegen aufeinanderfolgende Verteilerplatten (48) jeweils um 180° gekippt, d.h. umgekehrt, angeordnet werden. Dadurch wird eine Gleich- oder Gegenstromanordnung für zwei Wärmeübertragungsfluide realisiert.
Denn bei Aufeinanderlegen der drei verschiedenen Platten (40, 48, 56) in ihrer in den 1 bis 3 gezeigten Orientierung entstehen zum einen zwei durchführende, kreisrunde Verbindungskanäle im in den 1 bis 3 oberen, linken bzw. unteren, rechten Eckbereich durch fluchtende Überlappung der dortigen 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 stehen. Außerdem überlappen sie dadurch, daß sie sich jeweils in einen Eckbereich hinein erstrecken, mit den dortigen, kreisrunden Verbindungskanal-Durchbrüchen der beiden angrenzenden Platten (40, 56), d.h. mit den in den 1 und 3 linken, unteren (47, 60) bzw. rechten, oberen Verbindungskanal-Durchbrüchen (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 gegenüberliegenden Verbindungskanälen geschaffen, die durch die vorangegangene Strömungskanalplatte an deren Strömungskanal-Durch brüchen vorbei hindurchgeführt wurden, d.h. in der Orientierung von 1 der linke, obere bzw. der rechte, untere Verbindungskanal. Analog werden die beiden anderen, sich diagonal gegenüberliegenden Verbindungskanäle über die beiden kreisrunden Verbindungskanal-Durchbrüche (52, 54) der Verteilerplatte (48), die dann die aufgrund der gegenüber 2 um 180° gekippten Orientierung im linken, unteren bzw. rechten, oberen Eckbereich liegen, an den Strömungskanal-Durchbrüchen dieser darauffolgenden Strömungskanalplatte ohne Fluidverbindung vorbeigeführt.
Auf diese Weise bildet der Plattenstapel zwei voneinander getrennte Fluidkanalsysteme, wobei die Strömungskanal-Durchbrüche (41) jeweils übernächster Strömungskanalplatten (40) zum selben Fluidkanalsystem gehören. Da sämtliche Strömungskanal-Durchbrüche (41) im Stapel parallel verlaufen, kann dieser Plattenaufbau sowohl in Form eines Gleichstrom- als auch bevorzugt in Form eines Gegenstrom-Wärmeübertragers verwendet werden. Dabei können die vier kreisförmigen Verbindungskanal-Durchbrüche (57 bis 60) einer endseitigen Zwischenplatte (56) als Anschlüsse dienen, während die gegenüberliegende Plattenstapelseite mit einer ungelochten Grundplatte 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 desselben 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, geringer Kanalweite bei geringem Druckverlust erzielen. Die Länge der Strömungskanal-Durchbrüche bestimmt die Länge des effektiven Wärmeaustauschweges, und die Anzahl der im Stapel vorgesehenen 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 4 und 5 zeigen jeweils in Draufsicht eine Strömungskanalplatte (70) und eine Verbindungsabdeckplatte (80), mit denen ein Plattenaufbau für einen weiteren Gegenstrom- bzw. Gleichstrom-Wärmeübertrager realisierbar ist. Die Strömungskanalplatte (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 Enden (77, 78) hin, die sich auf Höhe zweier gegenüberliegender Plattenseitenbereiche (72, 73) befinden, dergestalt abgewinkelt verlaufen, daß ihre einen Enden (77) sämtlich auf einer Hälfte (76) und ihre anderen Enden (78) diagonal gegenüberliegend auf der anderen Hälfte (75) in bezug auf die Plattenlängsachse (74) liegen. Die Verbindungsabdeckplatte (80) weist dazu korrespondierend auf gegenüberliegenden Seitenbereichen (88, 89) symmetrisch zur Plattenlängsachse (81) auf jeder der dadurch definierten Plattenhälften (82, 83) je einen langgestreckten Verbindungskanal-Durchbruch (84 bis 87) auf, während der übrige Plattenbereich zur Abschirmung der Strömungskanal-Durchbrüche (71) angrenzender Strömungskanalplatten (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 Strömungskanalplatten um 180° gegeneinander gekippt, d.h. umgekehrt, angeordnet werden. Dies hat zur Fol ge, daß ausgehend von einer wie in 4 orientierten Strömungskanalplatte, deren Enden (77, 78) im linken Seitenbereich in der unteren Plattenhälfte und im rechten Seitenbereich in der oberen Plattenhälfte liegen, die entsprechenden Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer nachfolgenden Strömungskanalplatte im gleichen Seitenbereich auf der jeweils anderen Plattenhälfte, d.h. entsprechend der Orientierung von 4 im linken Seitenbereich in der oberen Plattenhälfte und im rechten Seitenbereich in der unteren Plattenhälfte, enden. Die Strömungskanal-Durchbrüche (71) der im Stapel aufeinanderfolgenden Strömungskanalplatten (70) überlappen daher mit ihren Enden (77, 78) abwechselnd mit dem einen bzw. dem anderen Paar sich diagonal gegenüberliegender Verbindungskanal-Durchbrüche (84, 87; 85, 86) der zwischenliegenden Verbindungsabdeckplatten (80). Dabei stehen die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche (71) untereinander über den zugehörigen, mit diesen überlappenden Verbindungskanal-Durchbruch einer angrenzenden Verbindungsabdeckplatte (80) sowie mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte über den seitengleichen Verbindungskanal-Durchbruch einer nachfolgenden, umgekehrt angeordneten Strömungskanalplatte und denjenigen der nächsten Verbindungsabdeckplatte (80) in Fluidverbindung. Dagegen bleiben die Strömungskanal-Durchbrüche (71) jeweils aufeinanderfolgender Strömungskanalplatten (70) ohne Fluidverbindung.
Auf diese Weise werden analog zum vorangegangenen Beispiel durch den Plattenstapel zwei voneinander getrennte Strömungskanalsysteme gebildet, denen die im Stapel aufeinanderfolgenden Strömungskanalplatten (70) alternierend zugehören und denen 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 aufeinanderfolgenden Verbindungskanal-Durchbrüche (79a, 79b, 84 bis 87) und der Strömungskanal- Durchbruchenden (77, 78) gebildet sind. Analog zum vorigen Beispiel kann eine am Stapelende gelegene Verbindungsabdeckplatte unter Abschirmung des gegenüberliegenden Stapelendes durch eine nicht gelochte Grundplatte als Anschlußplatte dienen, oder es können unter geeigneter Abschirmung von jeweils zwei der vier Verbindungskanal-Durchbrüche (84 bis 87) zwei stapelendseitig gegenüberliegende Verbindungsabdeckplatten (80) als Anschlußplatten fungieren. 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 wiederum die Länge der Strömungskanal-Druchbrüche (71) den effektiven Wärmeaustauschweg und die Anzahl von Strömungskanalplatten (70) den effektiven Gesamtströmungsquerschnitt des Wärmeübertragers mit laminarem Strömungsverhalten bestimmen. Wiederum sind die Platten zur Erzielung einer geringen Kanalweite in Wärmeübertragungsrichtung, d.h. in Stapelrichtung, mit einer Dicke von vorzugsweise nicht über 200μm ausgebildet. Der minimale Plattenaufbau beinhaltet neben einer Grundplatte zwei in umgekehrter Lage aufeinanderfolgende Strömungskanalplatten (70) und zwei zwischengeschichtete Verbindungsabdeckplatten (80). Die übereinandergeschichteten Einzelplatten werden wiederum mittels Löten, Diffusionsschweißen etc. fluiddicht miteinander verbunden.
Die vorstehende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele zeigt, daß durch die Erfindung Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau bereitgestellt werden können, welche in einfacher 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 Wärmeübertragungsrichtung gestatten. Solche Wärmeübertrager sind vielfältig verwendbar, 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 Durchbrüche innerhalb der Plattenfläche auch bogenförmig von einem Seitenbereich zu einem nicht diametral gegenüberliegenden Seitenbereich verlaufen.
Zu einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand eines bekannten Wärmeübertragers die grundlegende Funktionsweise eines Wärmeübertragers gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert.
In den 6 bis 8 sind die für einen Kreuzstrom-Wärmeübertrager mit Plattenstapelaufbau verwendeten Plattenelemente dargestellt. Speziell zeigen jeweils in Draufsicht die 6 eine Strömungskanalplatte (1), die 7 eine Verbindungsabdeckplatte (13) und die 8 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 300μm oder weniger.
Die Strömungskanalplatte (1) beinhaltet gemäß 6 vier nebeneinanderliegend parallel verlaufende Strömungskanal-Durchbrüche (2) in Form von geradlinigen, langgestreckten Öffnungen, die sich zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenbereichen (3, 4) der Strömungskanalplatte (1) erstrekken. An diese Reihe von Strömungskanal-Durchbrüchen (2) schließt sich beidseits 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 denen 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 durchbrochenen, mittigen Abdeckbereich (14) sowie langgestreckte, vor den Platteneckbereichen endende Verbindungskanal-Durchbrüche (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 abwechselnd jeweils eine Strömungskanalplatte (1) und eine Verbindungsabdeckplatte (13) aufeinandergelegt, wobei die jeweils nächste Strömungskanalplatte (1) um 90° gegenüber der jeweils vorangegangenen Strömungskanalplatte (1) verdreht angeordnet wird. Auf diese Weise überlappen jeweils zwei der Verbindungskanal-Durchbrüche (19 bis 22) einer Verbindungsabdeckplatte (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 Strömungskanal-Durchbrüche (2) dieser Strömungskanalplatte (1) überlappen, so daß diese Enden untereinander zwecks paralleler Zuführung bzw. Abführung eines Wärmeübertragungsfluids in Fluidverbindung stehen. Wird beispielsweise die Verbindungsabdeckplatte (13) von 7 in der gezeigten Lage auf die Strömungskanalplatte (1) von 6 in der dort gezeigten Lage gelegt, so überlappen die in den 6 und 7 oberen (5, 21) bzw. unteren Verbindungskanal-Durchbrüche (6, 22) zur Schaffung zweier gegenüberliegender, seitlicher Verbindungskanäle, d.h. eines Verteiler- und eines Sammelkanals, die von den Strömungskanal-Durchbrüchen (2) dieser Strömungskanalplatte (1) getrennt sind, während der linke (19) bzw. der rechte Verbindungskanal-Durchbruch (20) der Verbindungsabdeckplatte (13) mit den linken bzw. rechten Enden der Strömungskanal-Durchbrüche (2) überlappen: Bei einer als nächstes auf die Verbindungsabdeckplatte (13) in einer gegenüber 6 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 Verbindungskanal-Durchbrüche (21, 22) der letzteren die jeweiligen 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 denjenigen der anderen Gruppe um 90° verdreht angeordneten Platten, wobei die Strömungskanalplatten der einen Gruppe abwechselnd zu denjenigen der anderen Gruppe im Stapel angeordnet sind. Auf diese Weise verbinden die Strömungskanal-Durchbrüche (2) jeweils übernächster Strömungskanalplatten einen zugehörigen Verteilerkanal mit dem gegenüberliegenden Sammelkanal, während die Strömungskanal-Durchbrüche (2) der zwischenliegenden Strömungskanalplatten dazu gekreuzt den anderen 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 Stapels angrenzend an die letzte Verbindungsabdeckplatte die Abschlußplatte (27) gemäß 8 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 8 gestrichelt angedeuteten Verbindungskanal-Durchbrüchen (32 bis 35) der angrenzenden Verbindungsabdeckplatte nach außen geschaffen 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 lediglich vier Spannanker-Bohrungen in den vier Eckbereichen aufweisen, 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) durchgeführt und die einzelnen Platten anschließend fest miteinander verbunden werden. Je nach Anforderung an Dichtheit, Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Druckfestigkeit kommen zur Herstellung einer dichten und festen Verbindung der Einzelplatten zur Bildung des Kreuzstrom-Plattenstapels alle herkömmlichen, geeigneten Verbindungsverfahren in Betracht, wie Kleben, Löten, Schweißen, insbesondere Diffusionsschweißen, oder eine mechanisch verspannende Technik.
Der solchermaßen gebildete Wärmeübertrager-Plattenstapel erlaubt 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 Strömungskanalplatten. 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, gelangt von dort durch die Strömungskanal-Durchbrüche (2) der anderen Gruppe von Strömungskanalplatten und wird über den gegenüberliegenden Sammelkanal wieder abgezogen. Somit findet der Wärmeaustausch parallel zur Stapelrichtung im Überkreuzungsbereich der Strömungskanal-Durchbrüche (2) jeweils benachbarter Strömungskanalplatten statt, wobei die beiden Fluide längs dieses effektiven Wärmeübertragungsweges mit gerin gem Druckverlust laminar zum einen senkrecht zur Stapelrichtung und zum anderen senkrecht zueinander strömen. Der solchermaßen mit vergleichsweise geringem Aufwand herstellbare Kreuzstrom-Wärmeübertrager weist eine erwünschte geringe Kanalweite in der Wärmeübertragungsrichtung von 300μm 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 Durchflußquerschnitt durch kreuzweises Übereinanderstapeln einer entsprechenden Anzahl von Strömungskanalplatten (1) unter Zwischenfügung der jeweiligen Verbindungsabdeckplatten (13) auf einen jeweils gewünschten Wert eingestellt werden. Ein minimaler Plattenaufbau enthält ersichtlich außer den beiden endseitigen Grundplatten und gegebenenfalls der Anschlußplatte (27) zwei Strömungskanalplatten (1) mit kreuzweise verlaufenden Strömungskanal-Durchbrüchen (2) sowie zwei zwischenliegende Verbindungsabdeckplatten (13).

Claims

Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten, mit – Strömungskanalplatten mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen, die sich jeweils zwischen zwei Plattenseitenbereichen erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen, die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, und – Verbindungsabdeckplatten, die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen angeordnete Verbindungskanal-Durchbrüche aufweisen, – wobei die Strömungskanalplatten und die Verbindungsabdeckplatten abwechselnd so übereinandergestapelt sind, daß keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen zweier benachbarter Strömungskanalplatten besteht und daß die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatte über einen überlappenden Verbindungskanal-Durchbruch einer angrenzenden Verbindungsabdeckplatte untereinander sowie über überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte in Fluidverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß – jede der Strömungskanalplatten vier Verbindungskanal-Durchbrüche (44 bis 47) beidseits von den Strömungskanal-Durchbrüchen und auf Höhe von deren Enden aufweist und – die Verbindungsabdeckplatten jeweils aus einer Verteilerplatte (48) und einer darüberliegenden Zwischenplatte (56) bestehen, wobei – die Verteilerplatten (48) in einem Seitenbereich (49) einen ersten, mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer angrenzenden Srömungskanalplatte überlappenden, langgestreckten Verbindungskanal-Durchbruch (51) und einen davon getrennten zweiten Verbindungskanal-Durchbruch (52) und im gegenüberliegenden Seitenbereich (50) in punktspiegelungssymmetrischer Anordnung zwei entsprechende weitere Verbindungskanal-Durchbrüche (53, 54) aufweisen, – die Zwischenplatten (56) jeweils vier Verbindungskanal-Durchbrüche (57 bis 60) aufweisen, die mit den vier Verbindungskanal-Durchbrüchen (44 bis 47) einer angrenzenden Strömungskanalplatte (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.
Wärmeübertrager mit einem Aufbau aus mehreren übereinandergestapelten, mit Durchbrüchen versehenen Platten, mit – Strömungskanalplatten mit einem oder mehreren nebeneinanderliegenden Strömungskanal-Durchbrüchen, die sich jeweils zwischen zwei Plattenseitenbereichen erstrecken, sowie mit Verbindungskanal-Durchbrüchen, die von den Strömungskanal-Durchbrüchen getrennt angeordnet sind, und – Verbindungsabdeckplatten, die wenigstens in zwei Plattenseitenbereichen angeordnete Verbindungskanal-Durchbrüche aufweisen, – wobei die Strömungskanalplatten und die Verbindungsabdeckplatten abwechselnd so übereinandergestapelt sind, daß keine Fluidverbindung zwischen den Strömungskanal-Durchbrüchen zweier benachbarter Strömungskanalplatten besteht und daß die seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweiligen Strömungskanalplatte über einen überlappenden Verbindungskanal-Durchbruch einer angrenzenden Verbindungsabdeckplatte untereinander sowie über überlappende Verbindungskanal-Durchbrüche anschließender Platten mit den seitengleichen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer jeweils übernächsten Strömungskanalplatte in Fluidverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß – sich die Strömungskanal-Durchbrüche (71) einer jeweiligen Strömungskanalplatte (70) von einer Hälfte (76) des einen Seitenbereichs (72) zur diagonal gegenüberliegenden Hälfte (75) des anderen Seitenbereichs (73) erstrecken, während in den anderen beiden Seitenbereich-Hälften zwei Verbindungskanal-Durchbrüche (79a, 79b) eingebracht sind, – die Verbindungsabdeckplatten (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 beiden Seitenbereiche der eine mit den dortigen Enden der Strömungskanal-Durchbrüche einer benachbarten Strömungskanalplatte und der andere mit deren dortigem Verbindungskanal-Durchbruch überlappt, und – im Plattenstapel aufeinanderfolgende Strömungskanalplatten (70) jeweils um 180° gegeneinander gekippt angeordnet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager mit zwei Wärmeübertragungsfluiden im Gleichstrom oder Gegenstrom betreibbar ist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertrager mit zwei Wärmeübertragungsfluiden im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom betreibbar ist.