-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Schichtwärmeübertrager nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Dieser Wärmeübertrager
beinhaltet einen Schichtstapel aus aufeinandergelegten Platten,
z.B. Blechplatten. Die Platten sind so gestaltet, z.B. durch Herausstanzen
eines geeigneten Lochmusters, daß durch den gebildeten Plattenstapelaufbau
im wesentlichen senkrecht zur Stapelrichtung verlaufende Strömungskanäle gebildet
sind. Für
jedes durch den Wärmeübertrager
hindurchzuleitende Fluid, worunter vorliegend sowohl flüssige als
auch gasförmige
Strömungsmedien
verstanden werden sollen, ist eine Gruppe parallel durchströmbarer Strömungskanäle vorgesehen,
die endseitig gemeinsam in einen jeweiligen Anschlußkanal münden, d.h.
fluideintrittsseitig in einen gemeinsamen Verteilerkanal und fluidaustrittsseitig
in einen gemeinsamen Sammelkanal. Derartige Wärmeübertrager werden insbesondere
als Zweifluid-Wärmeübertrager
eingesetzt, bei denen die beiden Fluide in alternierenden Strömungskanalebenen
durch den Schichtstapel hindurchgleitet werden und dadurch in Wärmekontakt
treten.
-
Ein
Problempunkt dieses Wärmeübertragertyps
ist die Wahl einer günstigen
Anschlußkonfiguration.
Häufig
müssen
die Anschlüsse
an den Schichtstapel bei den herkömmlichen Wärme übertragern dieses Typs mit
relativ hohem Aufwand extra gelötet oder
angeschweißt
werden, und die Strömungsverhältnisse
im Eintritts- und Austrittsbereich sind häufig nicht optimal.
-
Schichtwärmeübertrager
der eingangs genannten Art sind z.B. in den Offenlegungsschriften
DE 195 28 116 A1 und
DE 195 28 117 A1 sowie
der Patentschrift
EP
0 503 080 B1 offenbart. Soweit dort Anschlußkonfigurationen
gezeigt sind, handelt es sich um Anschlußrohre, die einzeln parallel
oder senkrecht zur Stapelrichtung verlaufen. Dabei können die
Platten neben ihrer strömungskanalbildenden
Gestaltung mit anschlußkanalbildenden
Durchbrüchen
versehen sein, die seitlich im Schichtstapel parallel zur Stapelrichtung
verlaufende Anschlußkanäle bilden,
in welche die Anschlußrohre
münden.
-
Die
US 4 083 400 A offenbart
einen Wärmeübertrager,
dessen Kernbereich aus gewellten Keramikscheiben zusammengesetzt
ist. Auf die Außenflächen dieses
Kernbereichs werden dünne
Keramikschichten aufgeklebt, worauf hin die gesamte Struktur in
ein Metallgehäuse
eingesetzt wird. Es ist somit nicht möglich, die Scheiben zu einem
Schichtstapel in das Gehäuse
hinein zusammenzusetzen.
-
Bei
häufig
bevorzugter, rechteckförmiger
Gestalt der Platten ist jedoch der Durchtrittsquerschnitt der auf
diese Weise im Schichtstapel gebildeten Anschlußkanäle merklich beschränkt, wenn
gleichzeitig eine kompakte Stapelbauform und eine möglichst weitgehende
Nutzung der Stapelquerschnittsfläche für die wärmeübertragungsaktiven
Strömungskanäle erreicht
werden soll. In der
deutschen
Patentanmeldung Nr. 196 39 114.8 wird daher ein Schichtwärmeübertrager
vorgeschlagen, bei dem die Platten ausgehend von einem rechteckförmigen,
strömungskanalbildenden
Mittenbereich mit an jeder der vier Rechteckseiten nach außen abstehenden,
halbkreisförmigen,
anschlußkanalbildenden
Fortsätzen
versehen sind. Die in Stapelrichtung überlappenden Fortsätze der
einzelnen Platten bilden Anschlußkanäle mit vergleichsweise großem Durchtrittsquerschnitt, wobei
dessen Größe nicht
durch die Ausdehnung des strömungskanalbildenen
Mittenbereichs beschränkt
ist. Die dortige Anschlußkonfiguration
beinhaltet für
jeden dieser Anschlußkanäle ein darin
mündendes,
parallel zur Stapelrichtung verlaufendes Anschlußrohr.
-
Der
Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines
Schichtwärmeübertragers der
eingangs genannten Art zugrunde, der sich einschließlich Anschlußkonfiguration
mit relativ geringem Aufwand und bei Bedarf mit hoher Druckfestigkeit
herstellen läßt und günstige Strömungsverhältnisse
in den Anschlußbereichen
ermöglicht.
-
Die
Erfindung löst
dieses Problem durch die Bereitstellung eines Schichtwärmeübertragers
mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Schichtwärmeübertrager
ist der Schichtstapel zentriert in ein Gehäuse eingesetzt, das Zentrierflächen für den Schichtstapel
aufweist und zudem die Anschlußkanäle für die Strömungskanäle des Schichtstapels
bildet. Durch die Wirkung der Gehäusezentrierflächen läßt sich
der Schichtstapel beim Zusammenbau des Wärmeübertragers zentriert in das
Gehäuse
einbringen, ohne daß die
Gefahr besteht, daß einzelne
Platten aus ihrer zentrischen Lage wegrutschen. Nach Einbringen
des Schichtstapels kann er fluiddicht im Gehäuse fixiert werden, wofür z.B. eine einzige
Komplettlötung
ausreichen kann.
-
Das
Zusammensetzen der einzelnen Platten zum Schichtstapel kann in das
Gehäuse
hinein erfolgen, ohne hierzu eine separate Vorrichtung zu benötigen. Da
die Anschlußkanäle vom Gehäuse gebildet werden,
brauchen sie nicht aus den einzelnen Platten herausgearbeitet werden,
was diesbezüglichen
Verschnitt minimiert. Da innerhalb des Schichtstapels somit keine
Anschlußkanäle gebildet
werden müssen,
läßt sich
im wesentlichen die gesamte Querschnittsfläche des Stapels für die Bildung
der wärmeübertragungsaktiven
Strömungskanäle nutzen.
Zudem ermöglicht
die Anordnung der Anschlußkanäle in entsprechenden
Zwischenräumen
zwischen dem Schichtstapel und dem umgebenden Gehäuse die Erzielung
günstiger
Strömungsverhältnisse
in den Anschlußbereichen,
d.h. für
das Einströmen
des jeweiligen Fluids in den zugehörigen Verteilerkanal und von
dort in die zugehörigen
Strömungskanäle sowie für das Ausströmen aus
diesen heraus in den zugehörigen
Sammelkanal und das Abströmen
von demselben. Außerdem
können
weiterführende
Anschlußrohre
in einfacher Weise direkt am Gehäuse
angebracht werden, ohne sie durch separate Fügearbeitsgänge am Schichtstapel fixieren
zu müssen.
-
Bei
einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Schichtwärmeübertrager ist der Schichtstapel
aus rechteckförmigen
Platten aufgebaut, die in einen hohlzylindrischen Gehäuseteil
mit zur Zylinderachse zentrierter Stapelrichtung eingesetzt sind.
Die Zentrierflächen
des Gehäuses
sind dabei von entsprechenden Zylindermantelabschnitten des hohlzylindrischen
Gehäuseteils
gebildet, mit denen die Eckbereiche der Platten zentrierend zusammenwirken.
Dieser Zentrierkontakt zwischen den Platteneckbereichen einerseits
und den gegenüberliegenden
Gehäusewandungsabschnitten
andererseits ermöglicht
zudem die Erzielung einer fluiddichten Verbindung von Schichtstapel
und Gehäuse
in diesen Bereichen. Die durch das Einfügen des Würfel- oder quaderförmigen Schichtstapels in den
hohlzylindrischen Gehäuseteil entstehenden
Hohlräume
zwischen dem zylindrischen Gehäuseteil
einerseits und der jeweils gegenüberliegenden
Stapelseite andererseits können
zur Bildung der Anschlußkanäle beitragen.
-
Ein
nach Anspruch 3 weitergebildeter Schichtwärmeübertrager realisiert einen
Zweifluid-Wärmeübertrager,
bei dem das Gehäuse
zur Anschlußkanalbildung
Rohrstutzen aufweist, die senkrecht zur Stapelrichtung und zur jeweiligen
Stapelanschlußseite
verlaufen. Es ergeben sich dadurch günstige Strömungsverhältnisse in den Anschlußbereichen,
da das jeweilige Fluid weitgehend geradlinig in die Strömungskanäle eingespeist
und aus diesen wieder abgeführt
werden kann, ohne daß ein
größerer Druckabfall
durch stärkere
Fluidumlenkung entsteht.
-
Ein
nach Anspruch 4 weitergebildeter Schichtwärmeübertrager stellt einen Zweifluid-Wärmeübertrager ähnlich demjenigen
nach Anspruch 3 dar, wobei die Rohrstutzen jedoch nicht senkrecht, sondern
schräg
zur jeweils zugehörigen
Stapelseite verlaufen.
-
Eine
Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 realisiert einen weiteren
Zweifluid-Wärmeübertrager,
der sich von denjenigen der Ansprüche 3 und 4 darin unterscheidet,
daß die
Anschlußkanäle an den
Stapelaußenseiten
parallel zur Stapelrichtung verlaufen. Zur Bildung dieser Anschlußkanäle können bereits
die zwischen dem rechteckförmigen Schichtstapel
und dem umgebenden hohlzylindrischen Gehäuseteil vorliegenden Hohlräume dienen, die
bei Bedarf in ihrem Durchtrittsquerschnitt durch Einbringen entsprechender
Ausbauchungen in den Zylindermantel des hohlzylindrischen Gehäusemittelteils
erweitert sein können.
-
Bei
einem nach Anspruch 6 weitergebildeten Schichtwärmeübertrager sind Ausnehmungen
in den Eckbereichen der rechteckförmig gestalteten Platten und/oder
in den mit diesen zusammenwirkenden Gehäusezentrierflächen vorgesehen.
In diese Ausnehmungen sind lothaltige Rohrstücke eingefügt, mit denen die Platten in
ihren Eckbereichen fluiddicht mit den Gehäusezentrierflächen verlötet sind.
Dies realisiert mit einem einzigen Lötvorgang sowohl eine zuverlässige Fixierung
des Schichtstapels am Gehäuse als
auch eine zuverlässige
Abdichtung zwischen den einzelnen Anschlußkanälen. Außerdem können die eingebrachten, lothaltigen
Rohrstücke
als Verdrehsicherungsmittel dienen, wenn sowohl an den Platteneckbereichen
als auch an den Gehäusezentrierflächen Ausnehmungen
vorgesehen sind, in welche die Rohrstücke eingreifen und dadurch
die einzelnen Platten des Schichtstapels gegen Verdrehen im umgebenden
hohlzylindrischen Gehäuseteil
vor der endgültigen
Fixierung des Schichtstapels am Gehäuse im anschließenden Lötvorgang
sichern.
-
Bei
einem nach Anspruch 7 weitergebildeten Schichtwärmeübertrager ist auf einer oder
beiden Stirnseiten des Schichtstapels eine jeweilige napfförmige Abschlußplatte
vorgesehen, über
die sich der Schichtstapel am Gehäuse abstützt. Die jeweilige napfförmige Abschlußplatte
kann insbesondere dazu dienen, einen ausreichenden Anpreßdruck auf
den Schichtstapel während
eines Lötvorgangs
auszuüben,
so daß sich
die einzelnen Platten in gewünschter
Weise fluiddicht verbinden. Zudem kann dadurch eine Lötschwundkompensation
erreicht werden.
-
Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend
beschrieben. Hierbei zeigen:
-
1 einen
Zweifluid-Wärmeübertrager
mit in ein Gehäuse
eingesetztem Schichtstapel und vom Gehäuse gebildeten, senkrecht zu
den Stapelseitenflächen
mündenden
Anschlußkanälen in einer
hälftig geschnitten
Seitenansicht längs
der Linie I-I von 2,
-
2 eine
Schnittansicht längs
der Linie II-II von 1,
-
3 eine
Draufsicht auf eine im Schichtstapel der 1 und 2 verwendete
Strömungsplatte,
-
4 eine
Draufsicht auf eine im Schichtstapel der 1 und 2 verwendete
Trennplatte,
-
5 eine
Draufsicht auf eine Folge aufeinandergelegter Trenn- und Strömungskanalplatten
gemäß 3 und 4,
-
6 eine
Variante des Zweifluid-Schichtwärmeübertragers
der 1 und 2 mit schräg zu den Schichtstapelseitenflächen mündenden
Anschlußkanälen in einer
der 1 entsprechenden, hälftig geschnitten Seitenansicht
längs der
Linie VI-VI von 7,
-
7 eine
Schnittansicht längs
der Linie VII-VII von 6,
-
8 ein
weiteres Beispiel eines Zweifluid-Schichtwärmeübertragers mit in ein Gehäuse eingesetztem
Schicht stapel, bei dem parallel zur Stapelrichtung zu- und abführende Anschlußkanäle vorgesehen
sind, in einer hälftig
geschnittenen Seitenansicht längs
der Linie VIII-VIII von 9 und
-
9 eine
Schnittansicht längs
der Linie IX-IX von 8.
-
Der
in den 1 und 2 dargestellte Schichtwärmeübertrager
weist einen Schichtstapel 1 aus aufeinandergelegten, im
wesentlichen quadratischen Blechplatten 5 auf, die senkrecht
zur Stapelrichtung verlaufende Strömungskanäle 4 definieren, durch
welche zwei Fluide in Wärmeübertragungsverbindung
nach dem Kreuzstromprinzip hindurchgeleitet werden können. Der
Schichtstapel 1 ist in ein umgebendes Gehäuse 2 eingesetzt,
das z.B. als Feinguß-
oder Spritzgießteil
gefertigt sein kann. Das Gehäuse 2 weist
einen hohlzylindrischen Mittelteil 2a auf, von dessen Mantelfläche in paarweisem
90°-Abstand
anschlußkanalbildende,
nach außen
offene Rohrstutzen 2b bis 2e abgehen.
-
Der
Schichtstapel 1 ist zentriert in den hohlzylindrischen
Gehäusemittelteil 2a eingebracht,
d.h. seine Stapelachse fällt
mit der Zylinderachse des Gehäusemittelteils 2a zusammen,
wobei der Schichtstapel so positioniert ist, daß seine vier Seitenflächen 1a bis 1d mittig
im Mündungsbereich
eines jeweils zugehörigen
Rohrstutzens 2b bis 2e liegt. Die Stapelseitenflächen 1a bis 1d bilden
vier Anschlußseiten
des Schichtstapels 1 zum getrennten Zu- und Abführen der
beiden Fluide in den Stapel 1 hinein und aus diesem wieder
heraus. Durch die gehäuseseitigen
Rohrstutzen 2b bis 2e sind zugehörige Anschlußkanäle 3a bis 3d,
d.h. je zwei Zufluß-
und Abflußkanäle, gebildet, über welche
die beiden Fluide zu den Schichtstapelanschlußseiten 1a bis 1d geleitet
bzw. von dort wieder abgeführt
werden. Die Rohrstutzen 2b bis 2e lassen sich
in beliebiger Weise zur Bereitstellung jeweils gewünschter
Anschlußmöglichkeiten
für weiterführende Rohre
formen, wie z.B. für
Clamp-Verschlüsse,
wie gezeigt, für
Schraubflan sche oder Schweißflansche.
Die Abdichtflächen
der Rohrstutzen 2b bis 2e können ohne Trennfuge gegossen
und ausgeformt werden. Dementsprechend können vorliegend zusätzliche
Fügearbeitsgänge zum
Anbringen von Anschlußrohren
an den Schichtstapel entfallen. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Anschlußkanäle 3a bis 3d auf
diese Weise nicht von den einzelnen Blechplatten 5 des
Schichtstapels 1 bereitgestellt werden müssen, so
daß sich
die Blechplatten 5 in ihrer Ausdehnung auf den wärmeübertragungsaktiven Querschnitt
beschränken
lassen und mit relativ wenig Verschnitt hergestellt werden können. Zudem
lassen sich durch entsprechende Modifikationen des Gehäuses 2 unterschiedliche
Gestaltungen der Anschlußkanäle realisieren,
ohne daß hierfür verschiedene
Formen der einzelnen Platten 5 erforderlich sind.
-
Im
Beispiel der 1 und 2 liegt
die Längsachse
jedes Rohrstutzens 2b bis 2e und damit die entsprechende
fluidzuführende
bzw. fluidabführende
Richtung der Anschlußkanäle 3a bis 3d senkrecht
zu den Stapelseitenflächen 1a bis 1d.
Dies bewirkt ein günstiges
Strömungsverhalten
mit geringem Druckabfall, da die Fluide auf diese Weise ohne merkliche
Umlenkung direkt über
die Seitenflächen 1a bis 1d in
die Strömungskanäle 4 des
Blechpaket-Schichtstapels 1 eingespeist und auf der jeweils gegenüberliegenden
Stapelseite wieder ebenso direkt aus dem Schichtstapel 1 herausgeführt werden können. Dabei
verlaufen die Strömungskanäle 4,
die von z.B. durch Stanzen gebildeten Langlochdurchbrüchen der
Platten 5 gebildet sind, geradlinig zwischen je zwei gegenüberliegenden
Stapelseitenbereichen. Auf das Strömungsverhalten dieses Schichtwärmeübertragers
wirkt sich des weiteren die Tatsache günstig aus, daß der Durchtrittsquerschnitt
der Anschlußkanäle 3a bis 3d nicht
sehr viel kleiner ist als die Flächenausdehnung
der Stapelanschlußseiten 1a bis 1d,
beispielsweise halb so groß oder
größer, und
dadurch in der Größenordnung
des Durchtrittsquerschnitts des Schichtstapels 1 für das jeweilige
Fluid liegt, wodurch sich die Druckverluste gering halten lassen.
-
Wie
gezeigt, ist der Schichtwärmeübertrager einschließlich seines
Gehäuses 2 bei
gegebener Wärmeübertragungsleistung
und damit gegebener Größe des Schichtstapels 1 besonders
kompakt aufgebaut. Die Außenabmessungen
des Gehäuses 2 sind
nur wenig größer als
die Abmessungen des Schichtstapels 1. Gleichzeitig läßt sich
der Schichtwärmeübertrager
sehr druckstabil auslegen, wobei schon verhältnismäßig dünne Wandungen des Gehäuses 2 ausreichen.
Der Schichtwärmeübertrager eignet
sich daher für
Anwendungen mit hoher Wärmeübertragungsleistung
und hohen Fluiddrücken. Darüber hinaus
läßt sich
der Schichtwärmeübertrager
in einer herstellungstechnisch vorteilhaften, einfachen Weise fertigen,
wozu beispielsweise nur ein einziger Lötvorgang, d.h. eine Komplettlötung, erforderlich
ist. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, daß der Schichtstapel 1 zentriert
und damit gegen Verrutschen gesichert im Gehäuse 2 auch schon dann
gehalten wird, wenn er noch nicht fest mit dem Gehäuse 2 verbunden
ist und eventuell auch die einzelnen Platten 5 noch nicht
fest miteinander verbunden sind. Für diese zentrierte Halterung
des Schichtstapels 1 im Gehäuse 2 sind die Eckbereiche 5a bis 5d der
einzelnen Platten und damit die in Stapelrichtung verlaufenden Kanten
des Schichtstapels 1 längs einer
dem Innendurchmesser des hohlzylindrischen Gehäusemittelteils 2a entsprechenden
Kreislinie abgerundet geformt und liegen dadurch an gegenüberliegenden
Abschnitten 6a bis 6d des hohlzylindrischen Gehäuseinnenteils 2a radial
zentrierend an, was ein Verrutschen einzelner Platten 5 oder
des Stapels 1 insgesamt senkrecht zur Stapelrichtung verhindert.
-
Zur
axialen Fixierung des Schichtstapels 1 ist der hohlzylindrische
Gehäusemittelteil 2a in
seinen beiden Endbereichen mit je einem napfartig nach innen gewölbten Abschlußblech 8, 9 abgedeckt.
Die Abschlußbleche 8, 9 liegen
auf diese Weise gegen die Stirnflächen des Schichtstapels 1 an
und halten diesen axial in Position.
-
Des
weiteren ist in diesem Beispiel vorteilhafterweise vorgesehen, den
Schichtstapel 1 bzw. seine einzelnen Platten 5 auch
gegen Verdrehung im hohlzylindrischen Gehäuseinnenteil 2a zu
sichern. Hierzu sind korrespondierende, sich zu einer zylindrischen
Zentrieröffnung 7a bis 7d ergänzende,
halbzylindrische Aussparungen einerseits in den abgerundeten Stapelkanten-
bzw. Platteneckbereichen 5a bis 5d und andererseits
in den diesen gegenüberliegenden
Abschnitten 6a bis 6d des Gehäusemittelteils 2a eingebracht.
Sobald die einzelnen Platten 5 bzw. der gesamte Schichtstapel 1 zentriert
und ausgerichtet im Gehäuse 2 positioniert
ist, lassen sich in die dann von den korrespondierenden Ausnehmungen
gebildeten Zentrieröffnungen 7a bis 7d Lötrohrstücke entsprechenden
Durchmessers mit geschlossenem oder auch C-förmig offenem Querschnitt einführen, wonach
die Platten 5 und damit der Stapel 1 insgesamt
verdrehsicher gehalten bleiben. Das Einfügen der Lötrohrstücke in die Zentrieröffnungen 7a bis 7d erfüllt darüber hinaus
eine Befestigungs- und Abdichtfunktion, indem von den Lötrohren
für einen
Lötvorgang
Lotmaterial bereitgestellt wird, mit dem der Schichtstapel 1 entlang
seiner entsprechenden Kanten 5a bis 5d mit den
gegenüberliegenden
Gehäusewandungsabschnitten 6a bis 6d dichtgelötet wird.
-
Damit
läßt sich
der Schichtwärmeübertrager wie
folgt herstellen. Nach Fertigung des Gehäuses 2 und der einzelnen
Platten 5 des Schichtstapels 1 wird in den Gehäusemittelteil 1 zuerst
das untere napfartige Abschlußblech 8 eingesetzt,
auf dem dann der Schichtstapel 1 aufgebaut wird. Dann erfolgt
das Kassettieren der einzelnen Blechschichten, d.h. das Zusammenfügen des
Schichtstapels 1 aus den einzelnen Platten 5,
direkt in das Gehäuse 2,
so daß für dieses
Kassettieren keine zusätzliche
Vorrichtung benötigt
wird. Das Kassettieren kann automatisch durch einen Roboter derart
erfolgen, daß das
bislang aufgebaute Blechplattenpaket um jeweils die Blechdicke abgesenkt
wird und der Roboter daher die jeweils nächste Blechplatte stets in
die gleiche Position stapeln kann. Alternativ kann selbstverständlich der Schichtstapel 1 auch
zu nächst
außerhalb
des Gehäuses 2 aufgebaut
und dann in selbiges eingebracht werden. Für das Gehäuse 2 notwendige mechanische
Bearbeitungsschritte erfolgen vor dem Einbauen des Plattenstapels 1,
wodurch ein Verstopfen der feinen Kanäle des Schichtstapels 1 durch
Partikel verhindert wird, die eventuell bei diesem Bearbeitungsschritt
anfallen.
-
Nach
vollständigem
Einbringen des Schichtstapels 1 in das Gehäuse 2 werden
die Lötrohre
in die Zentrieröffnungen 7a bis 7d eingeschoben.
Dann wird die obere Stirnseite des Gehäusemittelteils 2a, über die
der Schichtstapel 1 eingebaut wird, durch Anbringen des
anderen napfartigen Abschlußbleches 9 verschlossen.
Daraufhin erfolgt die Komplettlötung
des gesamten Komplexes. Dabei verbinden sich über fluiddichte Lötverbindungen
die zu diesem Zweck geeignet lotplattierten Blechplatten 5 untereinander
sowie, wie oben erwähnt,
der Schichtstapel 1 insgesamt mit dem Gehäuse 2 entlang
der lötrohrbefüllten Zentrieröffnungen 7a bis 7d.
-
Um
eventuell auftretenden Lötschwund
beim Zusammenlöten
der einzelnen Platten 5 zum Schichtstapel 1 zu
kompensieren, sind die napfartigen Abschlußbleche 8, 9 mit
ausreichender Vorspannung auf den Schichtstapel 1 aufgesetzt
und halten daher das zusammengelötete
Blechschichtpaket 1 auch nach erfolgtem Lötvorgang
axial, d.h. in Stapelrichtung, spielfrei im Gehäuse 2. Der Lötvorgang kann
für Stahl-
und Aluminiummaterial mit Cu-, Au-, Al- oder Ni-Lotmaterialien durchgeführt werden.
Anstelle des Lötvorgangs
kann auch ein Klebevorgang oder dergleichen angewandt werden. Als
Materialien kommen für
den Schichtwärmeübertrager
neben Eisen- und NE-Legierungen auch Kunststoffe in Betracht.
-
Die 3 bis 5 dienen
der Veranschaulichung des strömungstechnischen
Aufbaus des Schichtstapels 1. Der Schichtstapel 1 besteht
aus einer beliebigen, vorgebbaren Anzahl abwechselnd aufeinandergeschichteter
Trennplatten und Strömungskanalplatten,
wobei jeweils nur eine Sorte Trennplatten und Strömungs kanalplatten
benötigt wird. 3 zeigt
die Gestalt einer solchen Strömungsplatte 10,
während 4 eine
Trennplatte 11 wiedergibt. Die Strömungskanalplatten 10 sind
zur Bildung der Strömungskanäle 4 jeweils
mit mehreren nebeneinanderliegenden, geradlinig zwischen zwei gegenüberliegenden
Plattenseitenbereichen verlaufenden Strömungskanaldurchbrüchen 12 versehen, wobei
eine dünne
Stegstruktur 13 jeden Strömungskanaldurchbruch 12 nach
außen
und zu benachbarten Durchbrüchen
abgrenzt. An den beiden anderen Seitenbereichen besitzen die Strömungskanalplatten 10 jeweils
eine nach außen
offene, kammartige Randstruktur 14, 15. Die Trennplatten 11 sind
ungelocht und an allen vier Seiten mit entsprechenden, nach außen offenen
Kammstrukturen 16a bis 16d versehen. Die Eckbereiche
beider Plattentypen 10, 11 sind zwecks der erwähnten Zentrierung
im hohlzylindrischen Mittelteil 2a des den Schichtstapel 1 umgebenden
Gehäuses 2 gemäß einer
Kreislinie abgerundet und mit halbkreisförmigen Ausnehmungen 17 zur
Bildung der erwähnten
Zentrieröffnungen 7a bis 7d versehen.
-
5 zeigt
angedeutet eine Abfolge einzelner Platten des Schichtstapels 1.
Auf eine Trennplatte 11 folgt jeweils eine Strömungskanalplatte 10,
wobei aufeinanderfolgende Strömungskanalplatten
mit um 90° versetzten
Strömungskanaldurchbrüchen 12 angeordnet
sind. Dadurch sind zwei Strömungskanalgruppen 12a, 12b mit
jeweils unter sich parallelen und zur anderen Gruppe senkrecht verlaufenden Strömungskanälen gebildet,
wobei die zu den beiden Gruppen gehörigen Strömungskanalplatten alternierend
im Stapel 1 angeordnet sind. Dabei überlappen die Kammstrukturen 14, 15 einer
jeweiligen Strömungskanalplatte 10 fluchtend
mit den seitengleichen Kammstrukturen der beidseits angrenzenden Trennplatten 11 und
bilden zusammen mit diesen Ein- und Austrittsbereiche für die Strömungskanäle 12 der
anschließenden
Strömungskanalplatten 10. Dazu überlappt
jeder Strömungskanal 12 einer
jeweiligen Strömungskanalplatte 10 auf
jedem seiner beiden Endbereiche mit einer jeweils zugehörigen, von den
Kammstrukturen 14, 15, 16a bis 16d gebildeten, U-förmigen Ausnehmung.
Auf diese Weise sind die Strömungskanäle einer
jeweiligen Strömungskanalgruppe 12a, 12b strömungstechnisch
parallel geschaltet und stehen mit je zwei gegenüberliegenden Stapelaußenseiten
in Fluidverbindung. Das jeweils zugehörige Fluid kann über die
gehäuseseitigen
Anschlußkanäle 3a bis 3d direkt
zur entsprechenden Schichtstapelseite geleitet werden und gelangt
großflächig direkt über die überlappenden
Kammstrukturen unter nur geringfügiger
axialer Umlenkung in die dort mündende
Gruppe 12a, 12b von Strömungskanälen, um durch diese hindurch
im Kreuzstrom zum anderen Fluid und in Wärmekontakt mit demselben hindurchzuströmen und
dann den Plattenstapel 1 auf ebenso direktem Wege an der
gegenüberliegenden Seite
wieder zu verlassen.
-
Die 6 und 7 zeigen
eine Variante des Schichtwärmeübertragers
der 1 bis 4, die sich von diesem im wesentlichen
nur durch eine hinsichtlich der Rohrstutzenanordnung modifizierte Gehäusegestaltung
unterscheidet, so daß der Übersichtlichkeit
halber für
funktionell gleiche Teile dieselben Bezugszeichen verwendet sind
und diesbezüglich
auf die Beschreibung zu den 1 bis 4 verwiesen
werden kann. Im Beispiel der 6 und 7 beinhaltet
der Zweifluid-Schichtwärmeübertrager
ein Gehäuse 20,
das wiederum einen hohlzylindrischen Gehäusemittelteil 20a beinhaltet,
von dessen Mantelfläche
vier Rohrstutzen 21a bis 21d mit Clamp-Anschlußflansch
zwecks Bildung zugehöriger Anschlußkanäle 22a bis 22d abgehen,
die in diesem Fall jedoch nicht senkrecht zur zugehörigen Plattenstapelseitenfläche 1a bis 1d in
den Gehäusemittelteil 20a einmünden, sondern
unter einem Winkel von 45° zu
diesen, und zwar wie auch im Fall des Beispiels der 1 bis 4 in
einer zur Stapelrichtung senkrechten Ebene. Dadurch sind die zu
einem jeweiligen Fluid gehörigen,
einander abgewandten Anschlußkanäle 22a, 22c bzw. 22b, 22d um
den Rohrstutzendurchmesser seitlich versetzt. Wie aus den 6 und 7 zu
erkennen, läßt sich
auch dieser Schichtwärmeübertrager
sehr kompakt bauen und durch entsprechende Auslegung des Ge häuses 20 auch
für Hochdruckanwendungen
einsetzen. Auch im übrigen
ergeben sich für
diesen Schichtwärmeübertrager
die oben zu demjenigen der 1 bis 4 genannten
Eigenschaften und Vorteile. Insbesondere ist auch hier der Schichtstapel 1 zentrierend gegen
Verrutschen gesichert und durch in 7 gezeigte
Lötrohrstöcke 23a bis 23d,
die in die gebildeten Zentrieröffnungen 7a bis 7d eingefügt sind,
auch verdrehsicher im Gehäuseinnenteil 20a gehalten.
-
Die 8 bis 9 zeigen
ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Zweifluid-Schichtwärmeübertragers,
der als warmeübertragungsaktives
Element wiederum den schon erläuterten Schichtstapel 1 beinhaltet.
In diesem Beispiel ist der Schichtstapel 1 in ein haubenförmiges Gehäuse 30 eingesetzt,
wobei er, wie zu den obigen Beispielen beschrieben, zentriert gegen
Verrutschen gesichert in einem hohlzylindrischen Gehäusemittelteil 30a sitzt.
Am in der Ansicht von 8 oben liegenden Haubenboden
des Gehäuses 30 ist
eine die gesamte Bodenfläche
abdeckende und abdichtende, erste napfförmige Abdeckplatte 31 angeordnet,
gegen die sich der Schichtstapel 1 mit seiner einen Stirnfläche abstützt. Mit
seiner gegenüberliegenden
Stirnfläche stützt sich
der Schichtstapel 1 an einer zweiten napfförmigen Abdeckplatte 32 mit
gegenüber
der ersten Abdeckplatte 31 geringerer Ausdehnung ab, um
auf dieser Seite aus dem Gehäuse
mündende
Anschlußkanäle 33a bis 33d freizulassen.
Die Abdeckplatte 32 stützt
sich ihrerseits gegen einen im wesentlichen quadratischen Haubendeckel 34 ab,
der in seinen Eckbereichen mit Bohrungen zum Durchführen von Befestigungselementen
versehen ist.
-
Die
den vier Seitenflächen
des Schichtstapels 1 zugeordneten Anschlußkanäle 33a bis 33d sind
von den Hohlräumen
zwischen dem Schichtstapel 1 und zugeordneten, gerundet
rechteckförmigen Ausbauchungen 30b bis 30e am
Zylindermantelabschnitt des Gehäuses 30 gebildet
und definieren im Unterschied zu den obigen Beispielen eine Zuführung und
Abführung
der Fluide in axialer Richtung, d.h. parallel zur Stapelrichtung.
Alle vier zugehörigen Fluidanschlußöffnungen
des Gehäuses 30 befinden sich
in diesem Beispiel auf derselben Seite, nämlich am Haubendeckel 34.
Wie gleichfalls aus den 8 und 9 zu erkennen,
ist dieser Schichtwärmeübertrager
mit radialen Abmessungen realisierbar, die nur vergleichsweise wenig
größer sind
als die Breite des Schichtstapels 1. Da zudem alle Fluidanschlüsse von
einer Seite erfolgen, eignet er sich ganz besonders zum Einsatz
in entsprechend beengten oder schlecht zugänglichen Einbauräumen. Im übrigen ergeben
sich auch für
diesen Schichtwärmeübertrager die
zu den obigen Beispielen genannten Eigenschaften und Vorteile, worauf
verwiesen werden kann.
-
Die
vorstehende Beschreibung ausgewählter
Beispiele zeigt, daß sich
der erfindungsgemäße Schichtwärmeübertrager
kompakt, druckstabil und mit hoher Wärmeübertragungsleistung zur Durchströmung mit
einem, zwei oder durch entsprechende Modifikation der Anschlußkonfiguration
und des Schichtstapelaufbaus auch mehr Fluiden vergleichsweise einfach
herstellen läßt, wobei
für ihn
charakteristisch ist, daß sein
Schichtstapel zentriert in ein umgebendes Gehäuse eingesetzt ist, das gleichzeitig zugehörige Anschlußkanäle definiert.
Die Herstellung ist z.B. durch Feinguß- und/oder Blechumformtechniken
möglich.
Der Schichtstapel kann mittels einer einzigen Komplettlötung zu
einem Stück
verbunden sowie mit dem Gehäuse
dichtgelötet
werden. Der erfindungsgemäße Schichtwärmeübertrager
ist beispielsweise als Batteriekühler, Ölkühler, Prozeßkühler in
Brennstoffzellen und Reaktoren für
die chemische Industrie verwendbar.