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Die
Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit mehreren übereinander
gestapelten Trennwänden, die abwechselnd jeweils einen
ersten und einen zweiten Durchflussraum für ein erstes, bzw.
zweites Medium aufspannen, wobei die Trennwände derart
profiliert sind, dass zwischen den jeweiligen Profilen der Trennwände
Berührungsstellen auftreten, im Bereich derer die Trennwände
miteinander verbunden sind, wobei die Profilierung durch lokal begrenzte,
voneinander beabstandete Vertiefungen gebildet ist und dass die
Vertiefungen in parallel zu einer Querrichtung der Trennwände
verlaufenden Reihen angeordnet sind, wobei jeweils zwei benachbarte
Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
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Plattenwärmetauscher,
insbesondere Öl/Wasser-Wärmetauscher, bestehen
aus mehreren übereinandergestapelten Platten, die jeweils
abwechselnd mit einem ersten und einem zweiten Medium, beispielsweise Öl
und Wasser, durchflossene Lagen bilden. Der aufgestellte Rand der
Platten umschließt jede Wärmetauscherlage und
ragt bis über den Rand der darauffolgenden Platte, so dass
sich im Herstellverfahren eine dichte Lötverbindung nach
außen einstellen kann. Die Anströmung der Platten
erfolgt über Öffnungen in den Eckbereichen der
vorwiegend rechteckig ausgeführten Platten.
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Es
ist bekannt, die Wärmetauscheinheiten von Wärmetauschern
mit interner Turbulenzerzeugung auszustatten, um die Wärmetauschercharakteristiker
des Wärmetauschers zu verbessern. Im allgemeinen veranlassen
die Turbulenzerzeuger das Medium, welches durch die Wärmetauschereinheit
entströmt, in einer turbulenten Art und Weise zu strömen,
wobei die Wärmetauschcharakteristiker des Wärmetauschers
verbessert werden.
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Bei
einem bekannten Öl/Wasser-Wärmetauscher befinden
sich zwischen den einzelnen Lagen von Platten Turbulenzbleche, die
mit den jeweiligen Ober- und Unterseiten der angrenzenden Platten
im Herstellverfahren verlötet sind. Die Turbulenzfläche erfüllen
dabei wesentliche Aufgaben:
- – Vergrößerung
der wärmeübertragenden Oberfläche,
- – Verwirbelung der durchströmenden Medien
für bessere Wärmeübertragung,
- – Verlängerung des Strömungsweges,
- – Abstützung der dünnwandigen Platten
gegen Druckbeaufschlagung,
- – Abstützung der dünnwandigen Platten
gegen Verformung beim Lötprozess.
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Diese
Turbulenzflächen bilden somit das Kernelement des Wärmetauschers
und bestimmen maßgebend die Wärmeübertragungsleistung,
den Strömungswiderstand beider Medien und die mechanische
Druckbeständigkeit. Bei der Konzeptionierung eines Öl/Wasser-Wärmetauschers
stellen sich folgende Anforderungen an den Konstrukteur:
- – höchstmögliche
Wärmeübertragungsleistung vom Ölsystem
in das Kühlmittel;
- – geringer Differenzdruck ölseitig;
- – geringe, bzw. passend abgestimmter Differenzdruck
kühlmittelseitig;
- – geringes Bauvolumen;
- – geringster Materialaufwand;
- – einfache Struktur und
- – Druckbeständigkeit gegen schwellenden Druckverlauf.
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Die
Hauptanforderung nach hoher Wärmeübertragungsleistung
verhält sich in der Praxis allerdings entgegengesetzt zu
fast allen Anforderungen. So sorgt zum Beispiel eine enge Struktur
des Turbulenzbleches für hohe Verwirbelung und damit für
einen guten Wärmeübergang, aber auch für
hohen Differenzdruck. Auch steigt die Wärmeübertragungsleistung
mit dem Bauvolumen (Plattenanzahl, Plattenfläche) an, abhängig
von Volumenstrom und Differenzdruckniveau, welches jedoch aus Bauraum – und
Kostengründen stets zu minimieren gilt. Ein wesentlicher
Aspekt bei der Auswahl des Turbulenzbleches ist außerdem
die Herstellbarkeit. Üblich sind perforierte Aluminiumbleche,
welche durch ein Roll- oder Stanzverfahren geformt werden.
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Aus
der
EP 1 241 426 B1 ist
ein Plattenwärmetauscher mit mehreren parallelen Trennwänden bekannt,
wobei die Trennwände abwechselnd jeweils einen Durchflussraum
für ein erstes Medium und ein zweites Medium aufspannen.
In den Durchflussräumen für eines der beiden Medien
ist ein Turbulenzerzeuger angeordnet, welcher aus einer strukturierten Blechplatte
besteht, die nebeneinander angeordnete Reihen mit abwechselnden
Erhebungen und Senken aufweist. Benachbarte Reihen sind dabei versetzt
zueinander angeordnet, so dass zwischen den Reihen das Medium hindurchströmen
kann. Die Erhebungen und Senken sind über zueinander geneigte
Stege miteinander verbunden, wobei zwischen den Stegen der Turbulenzerzeuger
einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Um eine optimale Wärmeleitung zu erreichen, ist es erforderlich,
dass der Turbulenzerzeuger im Bereich der Erhebungen und Senken
an den benachbarten Trennwänden auflegt und diese kontaktiert.
Dadurch ist es allerdings erforderlich, dass der Turbulenzerzeuger
passgenau für den jeweiligen Anwendungsfall gefertigt wird. Nachteilig
ist, dass für Wärmetauscher mit unterschiedlich
beabstandeten Trennwänden separate Turbulenzerzeuger gefertigt
werden müssen. Weiters haben Untersuchungen gezeigt, dass
mit diesem bekannten Turbulenzerzeugern nicht in jedem Fall eine optimale
Wärmeableitung gewährleistet ist.
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Die
DE 298 24 29 U1 offenbart
einen Wärmetauscher für den Wärmetausch
zwischen gasförmigen Medien, bestehend aus übereinander
angeordneten Profilelementen, wobei die übereinander angeordneten
Profilelemente alternierend jeweils ein Winkel mit der Längsrichtung
des Wärmetauschers bilden und diese Profilelemente glatte
Oberfläche aufweisen und nicht mit zusätzlichen
Strukturen versehen sind. Die Profilelemente können dabei
eine sägezahnartige Form oder ein trapez-, falten- oder
wellenförmiges Profil aufweisen. Mit derartigen Profilelementen
ist allerdings keine optimale Wärmeableitung gewährleistet.
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Aus
der
DE 1 751 146 A1 ist
ein Plattenwärmetauscher mit mehreren parallel zueinander
angeordneten profilierten Platten bekannt, wobei die Profilierungen
als pyramidenförmige Vorsprünge ausgebildet sind,
wobei die Vorsprünge in parallelen Reihen angeordnet sind.
Die pyramidenartigen Vorsprünge bilden parallel zueinander
angeordnete Strömungskanäle aus. Da die Reihen
nicht versetzt zueinander angeordnet sind, werden die Strömungskanäle
vom Medium relativ geradlinig durchströmt, was sich nachteilig
auf die Wärmeableitung auswirkt.
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Weiters
ist aus der
WO
2005/012820 A1 ein Wärmeüberträger
mit miteinander verbundenen Platten bekannt, welcher zwischen den
Platten nach außen hin abgeschlossene Hohlräume
ausbildet. Die Platten sind dabei derart profiliert, dass zwischen
den jeweiligen Profilen der Platten Berührungsstellen auftreten.
Im Bereich dieser Berührungsschreiben sind die Platten
miteinander verbunden. Dabei sind die Platten so ausgestaltet, dass
die sich zwischen den Platten ausbildende Strömung von
erstem bzw. zweitem Medium von der entsprechenden Zu flussleitung zur
entsprechenden Abflussleitung nicht geradlinig verläuft.
Die Platten weisen dabei ein sich wiederholendes Wellenprofil auf,
welches sich im Wesentlichen quer zur Hauptdurchflussrichtung erstreckt
und insbesondere zick-zackförmig um die Erstreckungsrichtung
herumgewellt ist. Zwar lässt sich mit einem derartigen
Wärmeüberträger eine gute Kühlleistung erreichen,
allerdings hat sich in der Praxis die Druckfestigkeit als unzureichend
erwiesen.
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Plattenwäremtauscher
mit unterschiedlichen Profilierungen sind aus den Veröffentlichungen
DE 10 2004 032 353
A ,
US
2004/0011515 A ,
DE
196 28 561 C und
EP
1 065 463 A bekannt. Nachteilig ist, dass entweder hohe
Druckverluste oder aber eine zu geringe Wärmeübertragung
vorliegen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem
Plattenwärmetauscher eine hohe Wärmeübertragungsleistung
bei möglichst geringen Druckverlusten auf möglichst
einfache Weise zu erreichen und bei geringem Fertigungsaufwand eine
hohe Druckfestigkeit zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird
dies dadurch erreicht, dass die Höhe der Vertiefungen etwa
der Wandstärke der Trennwand entspricht. Damit kann ein
guter Kompromiss zwischen hoher Kühlleistung und geringen
Druckverlusten erzielt werden.
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Dadurch,
dass die Prägungen lokal begrenzt sind, können
gute und druckfeste Lötverbindungen zwischen jeweils zwei
benachbarten Trennwänden erreicht werden. Die versetzte
Anordnung der Reihen verhindert ein geradliniges Durchströmen
der Durchflussräume und wirkt sich somit vorteilhaft auf
die Kühlleistung aus. Trotz der hohen Kühlleistungen
treten nur relativ geringe Drosselverluste auf.
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In
einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung
ist vorgesehen, dass die Vertiefungen im Grundriss eine im Wesentlichen
dreieckige oder halbkreisförmige Form aufweisen.
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Eine
weitere sehr vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht
vor, dass die Vertiefungen eine wesentliche pyramidenartige Form
aufweisen.
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Eine
hohe Kühlleistung mit geringem Fertigungsaufwand lässt
sich erzielen, wenn die Trennwände zwischen den Vertiefungen
ebene Flächen oder Kanten aufweisen, welche parallel zur
Mittelebene der Trennwand ausgebildet sind. Weiters ist es zur Realisierung
von hohen Kühlleistungen sehr vorteilhaft, wenn der Versatz zwischen
zwei benachbarten Reihen dem halben Abstand zwischen zwei bei benachbarten
Vertiefungen einer Reihe entspricht.
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Besonders
hohe Turbulenzen lassen sich erzielen, wenn zumindest eine erste
Basiskante der Vertiefung parallel zur Vorrichtung der Trennwände ausgebildet
ist.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher
in einer Vorderansicht in einer ersten Ausführung;
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2 eine
Trennwand des Plattenwärmetauschers in einer Schrägansicht;
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3 diese
Trennwand in einer Draufsicht;
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4 diese
Trennwand in einem Schnitt gemäß der Linie IV-IV
in 3;
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5 einen
erfindungsgemäßen Plattenwärmetaucher
in einer Vorderansicht in einer zweiten Ausführungsvariante;
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6 eine
Trennwand dieses Wärmetauschers in einer Schrägansicht;
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7 die
Trennwand in einer Draufsicht; und
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8 die
Trennwand in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII
in 7.
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Der
Plattenwärmetauscher 1 weist einen Stapel 2 von
Blechplatten 3 auf, wobei die Blechplatten 3 mit
Abstand zueinander und parallel angeordnete Trennwände 10 bilden.
Von den Trennwänden 10 wird abwechselnd ein erster
Durchflussraum 12 für ein erstes Medium und ein
zweiter Durchflussraum 14 für zweites Medium aufgespannt.
Das erste Medium kann beispielsweise zu kühlendes Öl,
das zweite Medium etwa durch Wasser gebildetes Kühlmedium
sein.
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Die
Trennwände 10 weisen eine Anzahl von durch Prägungen
gebildete Vertiefungen 22 auf, wobei die Vertiefungen 22 in
quer zur Strömungsrichtung angeordneten Reihen 18, 20 angeordnet
sind. Zwei unmittelbar aneinander grenzende Reihen 18, 20 sind
dabei jeweils zueinander versetzt ausgebildet, so dass in Längsrichtung
der Durchflussräume 12, 14 die Vertiefungen 22 Strömungshindernisse
bilden, wodurch eine wirbelbehaftete Strömung entsteht.
Der Versatz b kann dabei etwa den halben Abstand a zwischen zwei
benachbarten Verteifungen 22 einer Reihe 18, 20 betragen.
Die Höhe h jeder Vertiefung 22 kann etwa der Wandstärke
s der Trennwände 10 entsprechen.
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Bei
dem in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Vertiefungen 22 durch dreieckige oder halbkreisförmige
Prägungen gebildet. Zwischen den Vertiefungen 22 sind
Kanten 3a ausgebildet, welche parallel zur Mittelebene ε der Trennwand 10 verlaufen.
Die Spitze der Vertiefungen 22 ist jeweils abgeflacht,
so dass eine großflächige Kontaktierung mit der
benachbarten Platte 3 möglich wird. Die Basiskanten 22a der
Vertiefungen 22 sind dabei jeweils parallel zur Querrichtung
y der Trennwände 10 ausgebildet. Dies erlaubt
eine besonders druckfeste und dauerhafte Lötverbindung
bei sehr guten Kühlleistungen.
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In
den 5 bis 8 ist eine zweite Ausführungsvariante
dargestellt, wobei jede geprägte Vertiefung 22 pyramidenförmig
gestaltet ist. Zwischen den Vertiefungen 22 sind Kanten 3b ausgebildet,
welche parallel zur Mittelebene ε der Trennwand 10 verlaufen.
Die ersten und zweiten Basiskanten 22a, 22b der
Pyramiden sind dabei jeweils in Längs- und Querrichtung
x, y der Platte 3 angeordnet. Zusammen mit den versetzt
zueinander ausgerichteten Reihen 18, 20 werden
hohe Verwirbelungen in den Durchflussräumen 12, 14 erreicht,
was sich vorteilhaft auf die Kühlleistung auswirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1241426
B1 [0007]
- - DE 2982429 U1 [0008]
- - DE 1751146 A1 [0009]
- - WO 2005/012820 A1 [0010]
- - DE 102004032353 A [0011]
- - US 2004/0011515 A [0011]
- - DE 19628561 C [0011]
- - EP 1065463 A [0011]