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Plattenelement für Wärmeaustauscher Die Erfindung betrifft ein Plattenelement
und eine Plattenanordnung fllr Wärmeaustauscher, bei denen eine größere Anzahl von
ein geripptes oder gewelltes Profil aufweisenden Platten 80 hintereinandergestapelt
angeordnet sind, daß jeweils zwischen benachbaten Platten ein gekrümmter Weg für
den Flüssigkeitsdurchtritt gebildet wird. Der Querschnitt der Flllssigkeitsströmung
wird bei einem bestimmten Intervall kleiner und wieder größer. Das Verhältnis der
Querschnittsfläche an der größten
Stelle zu der Querschnittsfläche
an der kleinsten Stelle und der Teilungsabstand des Querschnittmaximums und des
Querschniftminimums liegen in bestimmten, aufeinander abgestimmten Bereichen, wobei
sich gemäß der vorliegenden Erfindung eine größtmöglichste Wärmedurchgangszahl ergibt.
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Es sind verschiedene Gattungen von Plattenanordnungen für Wärmeaustauscher
bekannt, bei denen Platten verschiedenster Gestalt so hintereinandergestapelt werden,
daß sich ein Flüssigkeitsstrom zwischen benachbarten Platten ausbilden kann. Es
zeigt sich jedoch, daß mit den bekannten Plattenanordnungen noch nicht der bestmöglichste
Wirkungsgrad an Wärmeübergang erreicht werden kann. Der Grund hierfür liegt darin,
daß die Dicke der Grenzschicht, welche sich zwischen der Plattenoberfläche und der
darübertießenden Flüssigkeit ausbildet, nicht ausreichend reduziert werden kann.
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Um die je Zeiteinheit übergehende thermische Energiemenge zu erhöhen,
ist es im speziellen erforderlich, die Wärmeübergangszahl « zu steigern.
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Die Wärmeübergangszahl a kann durch den Reziprokwert des Widerstandes
der genannten Grenzschicht gegen die Wärmeübertragung dargestellt werden. Die Wärmeübergangszahl
a kann jedoch auch durch das VerhEltnis der Wärmeleitfähigkeit keder Grenzschicht
zu der Dicke 1 der Grenzschicht, also durch Ä /1 dargestellt werden. Die Je Zeiteinheit
übergehende thermische Energiemenge steigt also mit abnehmendem Widerstand der Grenzschicht
und mit abnehmender Stärke 1 der Grenzschicht.
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Die Stärke 1 der Grenzschicht hängt sowohl von den der Flüssigkeit
erteilten äußeren Kräften als auch von der Viskosität derselben ab. Wenn beispielsweise
eine Flüssigkeit zwischen zwei parallelen flachen Platten fließt, welche mittels
Distanzstücken oder Abstandhaltern hermetisch
an ihren einander
gegenüberliegenden Enden zusammengeheftet sind, dann ändert sich die Geschwindigkeit
der Flüssigkeit mit dem Turbulenzgrad in derselben. Daraus resultiert eine Änderung
der Stärke der Grenzschicht zwischen der Oberfläche der Platte und der Hauptströmung.
Es wurden bisher, soweit bekannt, noch keine Vorschläge gemacht, in wirksamer Weise
die Stärke dieser Grenzschicht herabzusetzen.
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Wenn man weiterhin die Konfiguration der Platte oder die Form jedes
Strömungsweges in der Plattenanordnung bestimmen will, ist es erforderlich, einerseits
einen zur Herstellung der Platte erforderlichen Arbeitsaufwand so gering wie möglich
zu machen und andererseits, die von der Strömung bestrichene Oberfläche in der Plattenanordnung
so groß wie möglich zu machen, während wiederum der Strömungswiderstand so klein
wie möglich sein soll. Einige bekannte Plattenanordnungen haben eine so einfache
Gestaltung, daß mit ihnen kein hoher Wärmeübergang erzielt werden kann. Andere bekannte
Plattenanordnungen besitzen wied erum den Nachteil, daß ihre Konfiguration sehr
kompliziert ist und daß dementsprechend zur Herstellung derselben ein großer Arbeitsaufwand
erforderlich wird. Manchmal ist auch die komplizierte Konfiguration daran schuld,
daß ein unerwünscht hoher Widerstand für die Flüssigkeitsströmung auftritt, wenn
die Platten in Form des Plattenstapels angeordnet werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung soll also ein Plattenstapel von
neuer Konfiguration für Wärmeaustauscheinrichtungen vorgeschlagen werden, mit welchem
ein hoher Wärmeübergang erzielt werden kann. Die Platten sollen leicht herzustellen
sein und wenn sie in Form der Plattenanordnung gestapelt sind, keinen unzulässtg
hohen Strömungswiderstand für die Flüssigkeit bei gleichzeitiger hoher Wirksamkeit
des Wärmeüberganges
haben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jede Platte so in besonderer
Weise gebogen, daß das Auftreten einer turbulenten Strömung stark gefördert wird,
was eine Verringerung der Dicke der Strömungsgrenzschicht zur Folge hat. Dementsprechend
hat die Plattenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung wellenförmige Strömungskanäle.
Der Querschnitt Jedes Strömungskanales nimmt in einem bestimmten Intervall zu und
wieder ab. Um weiterhin gemäß der vorliegenden Erfindung eine möglichst große Wärmeübergangszahl
zu erhalten, wird das Verhältnis der größten Durchtrittsquerschnittsfläche für die
Flüssigkeit zur kleinsten Querschnittsfläche im Verhältnis von etwa 5 : 2 gewählt.
Der Abstand zwischen dem Maximum und dem Minimum der Querschnittsfläche liegt im
Bereich von 9 bis 14 mm. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Platten liegt vorzugsweise
im Bereich von 4, 0 bis 6, 0 mm an der Stelle des größten Querschnittes und im Bereich
von 1, 6 bis 2,4 mm im Bereich des kleinsten Quer schnittes. Damit die Platten,
wenn sie stapelförmig hintereinander angeordnet sind, eine Anordnung mit den genannten
Abmessungen liefern, haben die in jeder Platte gebildeten Wellen eine Höh e im Bereich
von 6 bis 9 mm im Amplitudenabstand. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Mulden in der Wellenform liegt im Bereich von 16 bis 18 mm, der Anstieg einer Tangente
in der Mitte des.
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schräg verlaufenden Teiles der Wellenform relativ zur Horizontalen
liegt im Bereich von 58 bis 68°.
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Bei einem Platten-Wärmeaustauscher gemäß der vorliegenden Erfindung
liegt die Wärmeübergangszahl um etwa 20 bis 30 % höher im Vergleich zu bekannten
Plattenanordnungen. Die Übertragungsfläche ist etwa um 50 % größer; die Gesamtkapazität
der Plattenanordnung hinsichtlich drr
Übertragung von thermischer
Energie Je Flächeneinheit beträgt etwa das eineinhalbfache der bekannten Plattenanordnungen.
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Die beiliegenden Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung des Gegenstandes
der Erfindung.
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Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Wärmeaustauschers,
für welchen eine Plattenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 eine auseinandergezogene Darstellung einiger Plattenanordnungen gemäß Fig.
1; Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Wärmeaustauschplatte gemäß der Erfindung; Fig.
4 einen Querschnitt längs der Linie A-A' von Fig. 3; Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht
längs der Linie B-B' von Fig. 3; Fig. 6 eine schaubildliche Ansicht einer Ausführungsform
einer Plattenanordnung, mit welcher Versuche durchgeführt wurden, um die für einen
hohen Wärmeübergang geeignete Konfiguration einer Platte zu ermitteln, wobei ein
Teil aus Über sichtlichkeitsgründen ausgeschnitten ist;
Fig. 7 an
Hand eines Beispieles die Ergebnisse der mit der Anordnung gemäß Fig. 6 durchgeführten
Versuche; Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht des Strömungsverlaufes in einer Plattenanordnung
gemäß der Erfindung; Fig. 9 ein Diagramm, autwelchem die Verbesserung zwischen Plattenanordnungen
gemäß der vorliegenden Erfindung und bekannten Plattenanordnungen ersichtlich ist.
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In Fig. 1 ist ein üblicher Wärmeaustauscher dargestellt, in welchem
die Platten so angeordnet sind, daß eine zu behandelnde Flüssigkeit durch einen
von zwei möglichen Strömungswegen fließen kann, die Je zwischen zwei benachbarten
Platten gebildet werden. Ein Austauschmedium, z. B. Kühlwasser, fließt dann durch
den zweiten möglichen Strömungsweg, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist, in welcher
lediglich vier Platten in auselnandergezogener Darstellung ersichtlich sind.
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Der Aufbau des Wärmeaustausches selbst, wie er in Fig. 1 dargestellt
ist, ist bekannt. Es genügt dementsprechend eine kurze Beschreibung.
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Zwischen den Maschinenrahmen 1 und 2 sind horizontale Stangen 3 und
4 befestigt, auf welchen ein Halteglied 5 gleitet. Platten 6 und Zwischenplatten
7 sind, wie aus Fig. 1 ersichtlich, zwischen den Maschinenrahmen 2 und das horizontal
bewegliche Halteglied 5 eingesetzt. Die Stellung des Haltegliedes 5 relativ zum
Maschinenrahmen 2 kann durch Einstellung von Stellschrauben 8 verändert werden.
Jede Platte 6 besitzt längs ihr er Umfangskanten ein Dichtglied 9 aus elastischem
Material, z.B aus Neoprengummi, wie dies in Fig. 2 dargestellt istt Wenn die in
Fig. 1 dargestellten Schrauben 8 angezogen werden, so daß die Platten 6 aneinander
anliegen, wird jeweils zwischen aneinander
anliegenden Platten
ein Strömungsweg für eine Flüssigkeit gebildet. Das Dichtglied 9 lt wie aus Fig.
2 ersichtlich so ausgebildet, daß jeweils nur eine Flüssigkeit durch einen von den
beiden möglichen Flüssigkeitswegen strömen kann. Wenn also beispielsweise eine erste
Flüssigkeit, z.B. eine zu kühlende Flüssigkeit, durch einen Eingangsrohrstutzen
11 eingeleitet und durch einen Auslaufrohrstutzen 11' gezogen wird, dann wird eine
zweite Flüssigkeit, z.B. ein Kühlmittel oder ein erhitzendes Medium, durch einen
Eingangsrohrstutzen 12 eingeleitet und aus einem Ausgangsrohrstutzen 12' abgezogen.
In der Prants können die Rohre 11, 11', 12 und 12' sich in anderen Stellungen als
in Fig. 1 dargestellt beinden. Es können auch andere Rohre als die dargestellten
vorgesehen sein, jedoch ist eine Erörterung nicht erforderlich, da dies zum Verständnis
der Erfindung nicht notwendig ist.
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In Fig. 3 ist eine gemäß der vorliegende Erfindung ausgebildete Platte,
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dargestellt. Die zugehörigen Schnittansichten längs der Linien A-A' und B-B' sind
aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich. Die Platte 10 ist aus rostfreiem Stahl Titan oder
dergleichen herzestellt. Sie besitzt an Wenn
vier Ecken je ein Loch. Sie ist weiterhin längs ihrer Umfangskanten mit einem Dichtglied
9 aus elastischem Material z. B. aus Neopren-
gummi, versehen. Die Platte 10 besitzt weiterhin Schnitte 15,in welche@ die Stangen
3 und 4 gemäß Fig. 1 beim Einsetzen der Platte in den Wärmeaustauscher zu liegen
kommen. Weiterhin sind Vorsprünge 14 vorgesehen, um die Platte gegen Verbiegen beim
Stapeln derselben zu schützen.
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Die Vorspriinge 14 sind weiterhin so angeordnet, daß sie den' aus
dem Loch 13 austreienden Flüssigkeitsstrom gleichrichten, so daß die Flüssigkeit
gleichmäßig über die Ob erfläche der Platte fließt. Obgleich dies in Fig. 3 nicht
dargestellt ist, können die Vorsprünge 14 auch an dem wellenförmig @estalteten Teil
der Platte vorgesehen werden, wobei sie
als Abstandhalter dienen
und für einen gleichmäßigen Abstand zwischen zwei benachbarten Platten sorgen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung zeigte es sich nun, daß das sich
wiederholende Distanzverhältnis zwischen der maximalen Querschnittsfläche und der
minimalen Querschnittsfläche im Flüssigkeitsstrom einen großen Einfluß auf die Wärmeübergangszahl
des Wärmeaustauschers hat. Es kann dementsprechend bei der Herstellung der Platte
die Wellenf orm nicht beliebig gewählt werden. Zur Ermittlung der Optimalwerte diente
eine Anordnung, wie sie in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Anordnung ermöglichte,die
Wärmeübergangscharakterlstik der Plattenanordnung im Verhältnis zu einer Variation
dieses sich wiederholenden Abstandsverhältnisse und in Variation des Abstandes zwischen
zwei Platten zu ermitteln. Beispielsweise sind die Ergebnisse einer Versuchsserie
in Fig. 7 dargestellt. In diesem Diagramm bedeutet Z den Abstand zwischen zwei parallelen
flachen Platten F und F' entsprechend der Darstellung in Fig. 6, d bedeutet den
Durchmesser jedes der runden Stäbe R. Die Stäbe R sind dabei zwischen den flachen
Platten F und F' durch Distanzstücke G und G' gehalten. Letztere wiederum halten
die Platten F und F'. P bedeutet das sich wiederholende Abstandsverhältnis zwischen
den runden Stäben R. Bei den Versuchen strömte die Flüssigkeit in der durch die
Pfeile A angedeuteten Richtung. Die Werte von Z, d und P wurden verändert. In Fig.
7 ist au der vertikalen Ordinate ein dimensionsloser Faktor Nu/Pr0,4 aufgetragen.
Dieser Faktor ist repräsentativ für die Wirksamkeit des Wärmeüberganges.
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Nu bedeutet eine Nusseltzahl und Pr eine Prandtlzahl. Auf der horizontalen
Ordinate ist das sich wiederholende Abstandsverhältnis P aufgetragen, In welchem
also die Querschnittsflliclle für die Durchströmung
den Maximalwert
und Minimalwert erreicht. Es ist aus Fig. 7 ersichtlich, daß die Wirksamkeit des
Wärmeüberganges Nu/Pr0,4 einen Maximalwert annimmt, wenn das Distanzverhältnis P
etwa 1Q mm beträgt, wobei angenommen wird, daß Z etwa gleich 5 mm und d etwa gleich
3 mm ist. Dies bedeutet, daß das Verhältnis zwischen dem maximalen Abstand und dem
minimalen Abstand zwischen den Platten 5 : 2 beträgt.
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(Der minimale Abstand = Z - d) Aufgrund dieses Ergebnisses wurden
die genauen Formen des Strömungsweges und der Platten gemäß der vorliegenden Erfindung
festgelegt.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform beträgt die Plattendicke,
also der Abstand zwischen der Unterfläche 54 und der Oberfläche 55 etwa 0, 8 mm,
die Höhe vom Mittelpunkt 56 des Wellentales zu dem Mittelpunkt 53 auf dem Wellenkamm
ist etwa 8, 5 mm, der Anstiegswinkel a für den schräg verlaufenden Teil der Platte
ist etwa 610. Der Krümmungsradius in den Wellentälern und Wellenkämmen beträgt etwa
3,2 mm.
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Aus Fig. 8 ist die Änderung des Strömurigsquerschnittes in einer Plattenanordnung
ersichtlich, wobei diese Platte denselben Aufbau wie diejenige gemäß Fig. 5 hat.
Dabei sei angenommen, daß eine zwischen den Platten 10A und 1013 fließende warme
Flüssigkeit gekühlt werden soll. In den Strömungsweg tritt ein maximaler Abstand
zwischen den Bereichen 71 und 71' und bei 72 auf, dieser beträgt 5, 0 mm. Der kleinste
Abstand, welcher zwischen den Bereichen 73 und 73' auftritt, ist 2, 0 mm. Das sich
wiederholende Abstandsverhältnis P beträgt 12, 0 mm. Die Länge der S enkrechten
von dem mittleren Scheitelpunkt 74 herunter zur Horizontalen, welch letztere die
Punkte 75 und 76 an den Wellentälern verbindet, also die Gesamthöhe der Welle ist
8,5 mm. Der Abstand zwischen den Punkt en 75 und 76 beträgt 17, 0 mm.
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Die Platten 10A und 10B können in dem dargestellten Verhältnis zueinander
angeordnet werden, indem die in Fig. 1 dargestellten Stellschrauben 8 entsprechend
eingestellt werden.
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In dem Diagramm gemäß Fig. 9 ist das Verhältnis zwischen der Reynold'
schen Zahl Re - der Klammerausdruck (-) soll anzeigen, daß diese Zahl keine Dimension
hat - und der Wirksamkeit des Wärmeüberganges Nu/PrO, 4 der Plattenanordnung gemäß
der Erfindung in Gegenüber stellung zu einer bekannten Plattenanordnung dargestellt.
Im die zielen zeigt die horizontale Ordinate die Zahl Re (-) in einem logarithmischen
Maßstab. Die vertikale Ordinate zeigt den Ausdruck Nu/Pr 0,4 in logarithmischem
Maßstab. Die Kurve (a) zeigt das Ergebnis bei einer Plattenanordnung, die gemäß
Fig. 7 dimensioniert war. Es zeigte sich weiterhin, daß, wenn das sich wiederholende
Abstandsverhältnis zwischen dem minimalen und maximalen Flüssichkeitsquerschnitt
und der Abstand der Platten innerhalb der erfindungsgemäßen Grenzen gewählt wird,
die charakteristischen Kurven dann jeweils in dem Bereich zwischen den Kurven (b)
und (c) fallen. Die Kurven (d) und (e) sind renräsentativ für bekannte Plattenanordnunzen.
Die Kurve tf) ist für eine
Wärmeaustauscheinrichtung in Rohren charakteristisch und wurde für Vergleichszwecke
aufgetragen.
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Aus Fig. 9 ist ersichtlich daß die Kurve (a) über den Kurven (d) und
(e) liegt. Dies zeigt den Vorteil hinsichtlich der Wirksamkeit des Wärme -austausches
bei einer Plattenanordnung gemäß der Erfindung gegenüber den bekannten Wärmeaustauschern.
Es sei allgemein bemerkt, daß ein besserer Effekt des Wärmeaustausches und ein abnehmender
Widerstand für die Fltissigkeitsdur chström ung einander entgegengesetzt sind.
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Es zeigte sich jedoch in der Praxis, daß bei einer Plattenanordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung der Durchströmungswiderstand für die Flüssigkeit
nicht höher liegt als bei einer bekannten Plattenanordnung, obwohl der Wärmeübergang
wesentlich verbessert wurde.