DE19809140A1 - Wärmetauscher sowie dessen Verwendung - Google Patents

Wärmetauscher sowie dessen Verwendung

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Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmtauscher mit jeweils einer Schar paralleler Kanäle für die beiden Wärmetauschmittel. Weiterhin betrifft die Erfindung Verwendungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers.
Zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien finden bei chemischen und verfahrenstechnischen Vorgängen Wärmetauscher Verwendung. Die bekannten Platten-Wärmetauscher bestehen aus einer Vielzahl von profilierten Blechen, die zu einem Blechpaket zusammengesetzt sind. Die Wanddicke der Einzelbleche beträgt aus fertigungstechnischen Gründen im allgemeinen 0,4 bis 0,8 mm. Die Blechpakete werden in einem Gestell montiert und mit mehreren Spannschrauben gegeneinander verspannt.
Die Miniaturisierung von Wärmetauschern ermöglicht eine Vergrößerung der für Wärmetauschprozesse zur Verfügung stehenden Außenflächen in bezug auf das Gesamtvolumen des Medienstromes. Hierdurch werden hohe Kapazitäten bezüglich des Wärmeüberganges zwischen den Medien erreicht.
Aus DE 37 09 278 A1 sind Wärmetauscher bekannt, die durch Einbringung von Nuten in metallische Folien und Übereinanderschichten der Folien hergestellt werden, wobei die Nuten durch kanalartige Durchbrechungen in den Folien miteinander verbunden werden. Durch das Übereinanderstapeln der genuteten Folien werden Scharen paralleler Kanäle für die Wärmetauschmittel gebildet. Die Herstellung solcher Wärmetauscher ist auf Grund des schichtartigen Aufbaus und der Verwendung mikrotechnischer Herstellungsverfahren vergleichsweise aufwendig.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Wärmetauscher aufzuzeigen, der sich durch einen einfachen Aufbau bei hoher Wärmeübertragungsrate auszeichnet, und der damit kostengünstig in großen Stückzahlen herstellbar ist. Darüberhinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, Verwendungen des erfindungsgemäßen Wärmetauschers aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 5 sowie der Ansprüche 18 und 19 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Grundlegendes Merkmal des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist das in einer Richtung mehrfach gefaltete Blech zur Trennung der beiden Wärmetauschmittel. Durch die Faltung wird eine große Kontaktfläche zwischen den beiden Wärmetauschmitteln bei gleichzeitig kompakter Bauweise erzielt. Zwischen jeder Falte liegt ein Fluidkanal, so daß auf jeder Seite des gefalteten Blechs eine Schar paralleler Kanäle vorliegt.
Die Falten können je nach dem gewünschten Abstand der sich gegenüberliegenden Seiten und dem verwendeten Umformungsverfahren eine im Querschnitt unterschiedliche Form, beispielsweise eine V-Form, U-Form oder eine rechteckige Form, haben.
Als Material für das gefaltete Blech eignet sich Metall, insbesondere Metallfolien. Darüberhinaus sind jedoch auch andere Materialien geeignet, sofern diese gegenüber den einzusetzenden Wärmeträgern und verwendeten Temperaturbereichen stabil sind. So können sich auch dünne Keramikschichten eignen. Hierzu würde eine sogenannte Grünfolie in die entsprechend gefaltete Form gebracht und dann ausgehärtet werden.
Nach einer Ausführungsform grenzen die oben und/oder unteren Faltkanten nicht an das Gehäuse, so daß die Kanäle jeweils einer Schar direkt miteinander in Verbindung stehen.
Nach einer Ausführungsvariante ist das gefaltete Blech in einem Gehäuse mit integrierten Ein- und Auslässen für die Wärmetauschmittel angeordnet.
Nach einer zweiten Ausführungsvariante werden die Kanäle dadurch gebildet, daß die offenen Seiten des gefalteten Blechs, nämlich die durch die beiden seitlichen, gefalteten Kanten gebildeten Stirnseiten sowie die durch die oberen und unteren Faltkanten gebildete Oberseite und Unterseite, abgeschlossen sind. So können beispielsweise die offenen Seiten mittels einer Lötverbindung oder/und durch Zusammenquetschen verschlossen sein.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher läßt sich vorteilhaft mit dünnen gefalteten Folien und mittleren Abständen der sich gegenüberliegenden Seiten von kleiner 5 mm, vorzugsweise kleiner 1 mm, realisieren. Je kleiner der Abstand gewählt ist, desto bessere Wärmeübergangsraten zwischen den beiden Wärmetauschmitteln können erzielt werden.
Von besonderem Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist, daß dieser aus wenigen Komponenten besteht, die einfach zu fertigen und zusammenzufügen sind.
Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers als Reaktor zur Durchführung chemischer Umsetzungen und/ oder Phasenumwandlungen. Nach einer ersten Verwendung wird durch eine Schar von Kanälen Wärmetauschmittel geleitet, während in der gegenüberliegenden Schar von Kanälen die chemische Umsetzung bzw. Phasenumwandlung stattfindet. Hierdurch läßt sich die benötigte oder abzuführende Reaktions- bzw. Umwandlungswärme direkt am Ort der Umsetzung bzw. Umwandlung zu- bzw. abführen.
Nach einer zweiten Verwendung wird in der ersten Schar von Kanälen eine erste chemische Umsetzung oder/und Phasenumwandlung durchgeführt, während in der gegenüberliegenden zweiten Schar von Kanälen gleichzeitig eine zweite chemische Umsetzung oder/und Phasenumwandlung durchgeführt wird. Diese Reaktionsführung kann insbesondere zur Kopplung von Umsetzungen und/oder Umwandlungen mit unterschiedlicher Wärmetönung von Vorteil sein.
Anhand der folgenden schematischen Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmetauschers erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Wärmetauscher im Querschnitt von der Seite,
Fig. 2a einen Gehäusedeckel in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2b ein gefaltetes Blech in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2c ein Gehäusemittelteil in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2d einen Gehäuseboden in perspektivischer Darstellung.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Wärmetauscher 1 im Querschnitt von der Seite dargestellt. In dem Gehäuse 2 befindet sich ein gefaltetes Blech 7, dessen seitliche Kanten an die seitliche Gehäuseinnenwand 13 grenzen. Das gefaltete Blech 7 trennt innerhalb des Gehäuses 2 zwei Scharen paralleler Kanäle 8, 9 voneinander ab. Jeder Kanal 8 oder 9 wird begrenzt durch zwei sich gegenüberliegende Seiten einer Falte 10 und der oberen bzw. unteren Gehäuseinnenwand 11, 12. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel berühren die oberen Faltkanten 15 nicht die obere Gehäuseinnenwand 11 und die unteren Faltkanten 16 nicht die untere Gehäuseinnenwand 12. Damit stehen die einzelnen Kanäle 8 bzw. 9 einer Schar von Kanälen jeweils miteinander direkt in Verbindung. Das Gehäuse besteht aus einem Mittelteil 20, einem Gehäusedeckel 21 und einem Gehäuseboden 22. Das gefaltete Blech 7 kann in das Gehäuse eingepaßt sein, mit dem Gehäuse durch Schweißen oder Löten verbunden sein.
Die Fig. 2a bis 2d zeigen die einzelnen Komponenten des bereits in Fig. 1 dargestellten Wärmetauschers. Der Deckel 21 und der Boden 22 weisen jeweils einen Einlaß 3, 5 und einen Auslaß 4, 6 für das jeweilige Wärmetauschmittel auf. Die Ein- und Auslässe 3, 5, 4, 6 sind schlitzartig gestaltet und senkrecht zu den Falkanten 15,16 und damit parallel zu der Faltrichtung des gefalteten Blechs 7 ausgerichtet. In Fig. 2b ist das gefaltete Blech 7 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur wenige Faltungen dargestellt. Je mehr Faltungen das Blech 7 aufweist und je enger die sich gegenüberliegenden Seiten 10 einer Falte beabstandet sind, desto größer ist die für einen Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauschmittel zur Verfügung stehende Fläche. Das gefaltete Blech 7 ist derart dimensioniert und zumindest über die seitlichen Kanten 14 mit dem Gehäusemittelteil 20 verbunden, daß eine Trennung der beiden unterschiedlichen Wärmetauschmittel gewährleistet ist.
Bezugszeichenliste
1
Wärmetauscher
2
Gehäuse
3
Einlaß für Fluid A
4
Auslaß für Fluid A
5
Einlaß für Fluid B
6
Auslaß für Fluid B
7
gefaltetes Blech
8
Kanäle für Fluid A
9
Kanäle für Fluid B
10
zwei sich gegenüberliegende Seiten einer Falte
11
obere Gehäuseinnenwand
12
untere Gehäuseinnenwand
13
seitliche Gehäuseinnenwand
14
seitliche Kanten des gefalteten Blechs
15
obere Faltkanten des gefalteten Blechs
16
untere Faltkanten des gefalteten Blechs
20
Mittelteil
21
Gehäusedeckel
22
Gehäuseboden
30
seitliche gefaltete Kanten
31
Oberseite
32
Unterseite
33
von einer seitlichen, gefalteten Kante gebildete Stirnseite
40
erhabene Struktur

Claims (19)

1. Wärmetauscher (1) für zwei Wärmetauschmittel mit einem Gehäuse mit jeweils einem Ein- und Auslaß für ein Wärmetauschmittel, bei dem die Wärmetauschmittel getrennt voneinander jeweils in einer Schar paralleler Kanäle geführt werden, gekennzeichnet durch,
  • - ein in einer Richtung mehrfach gefaltetes und so in das Gehäuse (2) eingepaßtes Blech (7), daß auf jeder Seite des gefalteten Blechs eine Schar paralleler Kanäle (8, 9) gebildet wird, die von jeweils zwei sich gegenüberliegenden Seiten (10) einer Falte des gefalteten Blechs (7) und von der oberen bzw. unteren Gehäuseinnenwand (11,12) sowie den seitlichen Gehäuseinnenwänden (13) begrenzt sind,
  • - wobei die seitlichen Kanten (14) des gefalteten Blechs (7) so mit den seitlichen Gehäuseinnenwänden (13) in Kontakt stehen, daß die beiden Scharen paralleler Kanäle (8, 9) voneinander getrennt sind und die beiden Wärmetauschmittel nicht miteinander in Berührung kommen.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und/oder die unteren Faltkanten (15,16) des gefalteten Blechs (7) an die obere bzw. untere Gehäuseinnenwand (11, 12) grenzen.
3. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlichen Kanten (14) des gefalteten Blechs (7) mit den seitlichen Gehäuseinnenwänden (13) verbunden sind.
4. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) ein Mittelteil (20) sowie einen Gehäusedeckel (21) und einen Gehäuseboden (22) umfaßt, und daß der Gehäusedeckel (21) und der Gehäuseboden (22) jeweils einen Ein- und einen Auslaß (3, 4, 5, 6) aufweisen.
5. Wärmetauscher umfassend
  • - ein in einer Richtung mehrfach gefaltetes Blech (7), dessen beide durch die beiden seitlichen, gefalteten Kanten (30) gebildeten Stirnseiten (33) sowie die durch die oberen und unteren Faltkanten (15, 16) gebildete Oberseite (31) bzw. Unterseite (32) so abgeschlossen sind, daß auf jeder Seite des gefalteten Blechs eine Schar paralleler Kanäle (8, 9) gebildet wird, die von jeweils zwei sich gegenüberliegenden Seiten (10) einer Falte des gefalteten Blechs (7) und von der abgeschlossenen Ober- bzw. Unterseite (31, 32) sowie von den abgeschlossenen Stirnseiten (33) begrenzt sind, so daß die beiden Scharen paralleler Kanäle (8, 9) voneinander getrennt sind und die beiden Wärmetauschmittel nicht miteinander in Berührung kommen,
  • - wobei die abgeschlossene Ober- und Unterseite (31, 32) jeweils einen Ein- und Auslaß (3, 4, 5, 6) für ein Wärmetauschmittel aufweist.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten (33) oder/und die Ober- und/oder Unterseite (31, 32) durch eine Lötverbindung abgeschlossen sind.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten (33) durch Zusammenquetschen des gefalteten Blechs (7) im Bereich der seitlichen, gefalteten Kanten (30), gegebenenfalls zusätzlich durch eine Lötverbindung, abgeschlossen sind.
8. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abstand d zweier sich gegenüberliegenden Seiten einer Falte des gefalteten Blechs < 5 mm beträgt.
9. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech eine Dicke < 300 µm aufweist.
10. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Seite des gefalteten Blechs erhabene Strukturen (40) aufweist.
11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabene Strukturen (40) eine Höhe < 5 mm haben.
12. Wärmetauscher nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen Strukturen (40) einer Seite der Falten so an die gegenüberliegende Seiten grenzen, daß der Abstand d zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Falten begrenzt wird.
13. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erhabenen Strukturen sich so quer oder in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung erstrecken, daß eine Vergleichmäßigung des Flusses des betreffenden Wärmetauschmittels über die Kanalbreite erzielt wird.
14. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mindestens einer Seite des gefalteten Blechs (7) zumindest teilweise mindestens ein katalytisch aktives Material aufweist.
15. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gefaltete Blech (7) aus einem Material besteht, das katalytisch aktiv ist oder eine Vorstufe eines katalytisch aktiven Materials ist.
16. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einer Schar paralleler Kanäle (8, 9) des gefalteten Blechs (7) mindestens ein katalytisch aktives Material eingebracht ist, beispielsweise aufgebracht auf einem Granulat als Trägermaterial.
17. Wärmetauscher nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mindestens einer Seite des gefalteten Blechs (7) vorzugsweise durch Mikrostrukturen vergrößert ist.
18. Verwendung des Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Umsetzung oder/und Phasenumwandlung mindestens eines Edukts, wobei durch die erste Schar von Kanälen (8) ein Wärmetauschmittel und durch die zweite Schar von Kanälen (9) das Edukt, gegebenenfalls in verdünnter Form, geleitet wird.
19. Verwendung des Wärmetauschers nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur gleichzeitigen Durchführung von zwei Umsetzungen oder/und Phasenumwandlungen jeweils mindestens eines Eduktes und vorzugsweise unterschiedlicher Wärmetönung, wobei durch die erste Schar von Kanälen (8) das erste Edukt, gegebenenfalls in verdünnter Form, und durch die zweite Schar von Kanälen (9) das zweite Edukt, gegebenenfalls in verdünnter Form, geleitet wird.
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