DE2549053A1

DE2549053A1 - Waermetauscher mit plattenfoermiger waermetauschermatrix fuer die waermeuebertragung zwischen drei medien

Info

Publication number: DE2549053A1
Application number: DE19752549053
Authority: DE
Inventors: Siegfried Dr Foerster; Manfred Kleemann
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1975-11-03
Filing date: 1975-11-03
Publication date: 1977-05-18
Also published as: CH599523A5; FR2329965B3; US4148357A; JPS5257560A; FR2329965A1

Description

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Kernfor3chunksanlage Juli ch Gesellschaft- ,nit beschränkter Hs.ftur.^

Wäruetouscher mit plattenförniger Wärrnetauscherrcatrix für die Wärmeübertragung zwischen drei Medien

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit plattenförmiger Wärmetau scher-n;atr ix für die Wärmeübertragung zwischen drei Medien. Dia Wärmetauschermatrix besteht aus den Falten von :L; gleichförmige Faltenzüge gelegten Bändern, die längs der Faltensattel der Faltenzüge abgedeckt sind, wobei die zwischen den Falten und den beidseiti^en Abdeckungen gebildeten Kammern stirnseitig verschlossen sind und die Abdeckungen χτί Bereich der Stirnseiten Durchströmöffnungen aufweisen.

Wärmetauscher mit plattenförmigen Wärmetauschermatrizen dieser Art sind bekannt. In der US-PS 3, 126, 942 wird ein Plattenwärmetauscher mit drei von den Medien durchströmten Zwischenräumen beschrieben. Die Zwischenräume werden von wellblechartig geprägten Platten begrenzt. Für hohe Massenströme ist dieser ¥armetauseher wegen der hohen Druckverluste, die insbesondere im Einlauf bereich de.r Wärmetauschermatrix auftreten,

die

nicht geeignet. Außerdem werden für den Wärmetausch im Wärmetauscher zu Verfügung stehenden Matrixflächen infolge der ungünstigen Ankopplung und Strömungsführung der Medien in den der Wärmeübertragung dienenden Zwischenräumen nur gering ausgenutzt.

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Für den gleichzeitigen Wärmeaustausch zwischen drei Medien ist auch aus der DT-OS 2 029 783 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem die von den Medien durchströmten Zwischenräume durch mehrere, aufeinander gestapelte Platten gebildet werden, die jeweils aus zwei miteinander verpreßten, Profile aufweisenden Blechen bestehen. Wenn solche Wärmetauscher für den Wärmeaustausch zwischen Medien eingesetzt werden, zwischen denen große Druckdifferenzen bestehen, so kann eine hohen Anforderungen genügende Abdichtung der einzelnen von den Medien durchströmten Zwischenräumen nur mit erheblichem Aufwand bei der Fertigung erreicht werden. Daüber hinaus werden bei diesem Wärmetauscher die der Wärmeübertragung zur Verfugung stehenden Matrixflächen nur ungenügend ausgenutzt, was zu einem niedrigen Leistungsgrad des Wärmetauschers führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher mit plattenförmiger Wärmetauschermatrix zu schaffen, der für die Wärmeübertragung zwischen drei Medien geeignet ist und bei dem die im Wärmeaustausch stehenden Medien die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Zwischenräume mit möglichst geringem Druckverlust unter weitgehender Ausnutzung der Matrixflächen durchströmen. Auch soll die Herstellung des Wärmetauschers wirtschaftlich sein.

Bei der Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einer Wärmetauschermatrix, wie sie aus der DT-OS 2 408 462 für den Wärmeaustausch zwischen zwei Medien bekannt ist. Die Wärmetauschermatrix besteht aus einem gefalteten Band, das beidseitig die Falten der Faltenzüge berührende Abdeckungen zur Bildung von Kammern aufweist, die von den im Wärmeaustausch stehenden

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Medien durchströmt werden. Die Kammern sin?- stirnseiti^ verschlossen und weisen seitliche Ein- und Au;; trömö finance n auf.

Die Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch -gelöst., laß die V'önetauschermatrix aus den Palten zweier, mit Abstand angeordneten, spiegelbildlich zueinander verlaufende Faltenaüge aufweisenden Bändern gebildet ist und daß der Zwischenraum zwischen beiden Bändern an den Stirnseiten der Värmetauscbermatrix geöffnet ist. Eine andere Variante der Lösung der Aufgabe gemäß der Erfindung besteht darin, daß die Wärmetauschermatrix aus den Palten zweier, in konstantem Abstand zueinander angeordneten, gemeinsam einen gleichförmigen Faltenzug bildenden Bändern gebildet ist und daß der Zwischenraum zwischen beiden Bändern an den Stirnseiten der Wärmetauschermatrix geöffnet ist. Beide Varianten der Wärmetauschermatrix weisen drei in einfacher Weise gegeneinander abzudichtende Zwischenräume auf, die von den im Wärmeaustausch stehenden Medien getrennt durchströmt werden. Die Abdichtung der äußeren, zwischen den beiden Bändern und den Abdeckungen gebildeten Zwischenräume läßt sich durch Einlegen von Dichtungsbändern bereits vor der Faltung der Bänder der Wärmetauschermatrix erreichen. Anstelle von Dichtungsbändern kann auch jeweils ein Falz an den Kanten der Bänder angebracht werden. Nach dem Palten der Bänder werden die Stirnseiten verlötet oder verschweißt. Die Wärmetauschermatrizen werden in vorteilhafter Weise als kleinere Einheiten hergestellt und bei großen Massenströmen im Wärmetauscher parallel geschaltet eingesetzt. Bevorzugt werden die parallel geschalteten Wärmetauschermatrizen jeweils mittels gemeinsamer Zustrom- und Abströmkanäle für die Medien miteinander zu einer Baueinheit verbunden. Es ergeben sich so Baueinheiten

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die zuni arlest zwei VSri^taust-berir-a.tri sen oder ein Vielfaches hiervon als Standarteinheit umfassen. Diese Baueinheiten ermöglichen in sehr wirtschaftlicher Weise eine weitgehende Anpassung der Wärmetauscher an sehr unterschiedliche ueistungsanforderungen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfir-.dung ist vorgesehen, da." der die Durchströmöffnungen überdeckende Teil der Zuströmkanäle sich in Hauptstrcraingsrichtung des Mediums gesehen verjüngt und daß sich der entsprechende Teil der Abströmkanäle in Fauptströmungsrichturig des Mediums gesehen erweitert. Vorteilhaft ist es, die benachbarten !-iärmetauschermätrizen V-förmig anzuordnen. Die hierbei gegebene Form der Zust—ön- u.-«! /;.-strc-^-anäle bewirkt eine weitgehend gleiebTnäSig Dtirclrstr~r~ar.^ der ^ärmetauscherinatrizen .

Die Uärmetauscher gemäS der Ί:τΐ*ι.ητ"αα_ο ei-^erien ^icri insOescndere für den Wärmeaustausch zwischen zx^ei gasförmigen und einen flüssigen Mediuri, wobei das flüssige i-Iedlum he· orzugt rlurc\ den. zwischen den Bändern gebildeten Zwischenraum geleitet v/ird.

Die Erfindung wird anhand von Ausfünrungsbeispielen, die in ■:1er Zeichnung schematisch -wiedergegeben sind, näher erläutert .
Ss zeigen im einzelnen:

Figur 1 Uärroetauschermatrix mit zwei, spiegelbildlich zueinander verlaufende Faütenzüge aufweisenden Bändern

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"FijjUr 2 "ärmrtauschef- atrj.x ν. it ·/.,■;-.!, saru einen J^ ^icn£üi'ii;_^>n TV.it bildende ι Z'.h. 1 ?rn

Fi_öur 3 Baueinheit ;r.ib vier "ari^taus nach Fi^ur L ocU*r 2

Figur U VSrmet.au ?ch-ro "it V-förrnig angeordneten

"D:Mict3Uscher>.eitrigen n"r.h Figur 1 oder 2

Ui-3 aus fl-?r Zeichnung ersiclvtliol. ist, tertehen die Tarr._etausßher-!.atrif;eri 1 ue3 ^^Tär:et.suscx.er:i aus den Falten τοη in rleichrörmige Faltenzü^e ^els^ten 2ando.fn 2a_> 2b, 3s, 3b, die IDi^s 2er von den Fallensü_sr. ^e'olllet-=r. Falter.i5t.tel abgedeckt sinö. Zwischen deri Fallen üer- ZSncler 2a _Λ 2o, Ja, Jc und Asdeckuii^en 4 en.tstehej.den Kaimaern^ die von den l-.i "^.ärr^austausch stehenden Medien durchströiat v/erden. Die Kammer·η sind an Stirnseiten 5, ο eier Trarmetauschei^aatrix 1 durch Verlöten oder Verschweißen abgeschlossen. Das Abdichten der Stirnseiten erfolgt bevorzugt in der Weise, daß vor der Faltung der Bänder Dichtbänder aufgesetzt werden, die di.e Zviischenräuine zwischen den Falten der Bänder nach der Faltung verschließen. Die Medien strömen in die Uäriaetauscherir.atrix über Durchströmöffnun^en 7 ein, die zwischen den Stirnseiten 3» δ und den Abdeckungen M vorgesehen sind.

Die Wärmet aus chermatrizen geraälS der Erfindung werden von jeweils zwei in gleichförmige Falten gelegten Bändern 2a, 2b, 3a, 3b gebildet, wobei zwischen den beiden Bändern zusätzlich zu den zwischen den Bändern und den Abdeckungen 4 vorhandenen Kammern ein weiterer dem Wärmeaustausch zwischen den Medien zur Verfügung

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stehender Zwischenraum 8, 9 entsteht. In Figur 1 ist eine Wär-.uetcuschermatrix in einer der Varianten der Erfindung dargestellt. Der Zwischenraum 8 wird von zwei mit Abstand.zueinander angeordneten Bändern 2a, 2b gebildet, die spiegelbildlich aneinander verlaufende Faltenzüge aufweisen. Ein Ausführungs-'oeispiel für die zweite Variante der Erfindung zeigt Figur 2. ~)ie Wärmetauschermatrix besteht aus zwei einen konstalten Abstand zwischen sich aufweisenden Bändern 3a, 3b ₃ die gemeinsam einen gleichförmigen Faltenzug bilden. Die für die Herstellung der Matrix verwendeten Bänder 3a, 3b sind bevorzugt profiliert, wobei die Profile in vorteilhafter Weise so beschaffen sind, daß durch sie der Abstand zwischen den einzelnen Falten der Bänder bestimmt wird. Bei beiden Varianten sind die zwischen den Bändern gebildeten Zwischenräume 8, 9 zu. beiden Stirnseiten 5, β der Wärmetauschermatrix hin geöffnet.

Die Durchströmöffnungen auf beiden Seiten der Wärmetauseher-

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matrix sowie die öffnungen des Zwischenrau-8, 9 an den Stirnseiten 5j 6 werden jeweils überdeckt von Zuströmkanälen 10, 14 und Abströmkanälen 11, 13» 15 für die im Wärmeaustausch stehenden Medien. Bevorzugt werden die Zuström- und Abströmkanal an die Wärmetauschermatrix so angeschlossen, daß das im 2w±schen-8, 9 fließende Medium im Gegenstrom zu den anderen beiden Medien geführt ist. Die Zuströmkanäle 10, 12 sowie die Abströmkanäle 11, 13 für die in den äußeren Kammern strömenden Medien sind daher jeweils an ein und derselben Stirnseite sich gegenüber liegend angeordnet.

3in Wärmetauscher mit mehreren Wärmetauschermatrizen der erfindungsmäßig Art ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Die

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Wärmetauschermatrizen 1 bis 1 sind sämtlich parallel geschaltet, wobei jeweils sich gegenüberliegende oder benachbarte Wärmetauschermatrizen durch gemeinsame Zuström- und Abströmkanäle 16 bis 19 miteinander verbunden sind. Der Strömungsquerschnitt der Zuströmkanäle 16,18 verengt sich jeweils in Hauptströmungsrichtung 16 a des Mediums innerhalb eines Zuströmkanals gesehen, die Abströmkanäle 17, 19 erweitern sich in Hauptströmungsrichtung 17a des Mediums gesehen. Mit dieser Ausbildung der Zuström- und Abströmkanäle wird eine gleichmäßige Durchflutung der Wärmetauschermatrizen erreicht. Zweckmäßig ist zur Verengung des Querschnitts der Zuströmkanäle 16 und zum Erweitern des Strömungsquerschnittes der Abströmkanäle 17, die zwischen sich gegenüberliegenden Wärmetauschermatrizen verlaufen, jeweils eine die Abdeckung 4 diagonal abstützende Zwischenwand 20 eingesetzt. Die Zuströmkanäle 18 für das den Zwischenraum 8,9 der Wärmetauschermatrizen durchströmende Medium verbinden jeweils die benachbarten Wärmetauschermatrizen 1 und 1 , bzw. 1 und 1 an deren inneren Stirnseiten. Die Abströmkanäle 19 sind an den äußeren Stirnseiten der Wärmetauschermatrizen angebracht. Bei der im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 vorgesehenen Schaltung bilden bevorzugt die jeweils äußeren Stirnseiten der Wärmetauschermatrizen 1 bis 1 die kalte Seite der Baueinheit, d.h. das heiße Medium fließt den Wärmetauschermatrizen über die Zuströmkanäle 18 zu und wird nach Abkühlung über die Abströmkanäle 19 abgeführt.

Baueinheiten nach dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 lassen sich je nach technischer Anforderung beliebig oft aneinandersetzen. Die Wärmetauschermatrizen 1 bis 1 in|den Baueinheiten und die Baueinheiten selbst sind dabei jeweils über

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gemeinsame Zuström- und Abströmkanäle einander so zugeordnet ₃ daß vom Strömungsverlauf der Medien in den Wärmetauschermatrizen her gesehen - der Ströaungs verlauf ist in Figur 3 durch Pfeile gekennzeichnet - ein spiegelbildlicher Aufbau entsteht. Die Zuströmkanäle 16' und die Abströmkanäle 17' zwischen den Baueinheiten bilden ^lei.oh.zei.bi-g Stützelernente in der aus einzelnen Baueinheiten zusammengefügten Struktur des "armetauschers.

In Figur 4 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers mit V-förndg angeordneten Wärmetauscherinatrizen la, Ib dargestellt. Bei dieser Anordnung entstehen zwischen benachbarten Wärmetauschervuatrizen von selbst Zustrom- bzw. AbströTTikanäle Pl₃ 22,23, ?** mit veränderlichem Strömungs-quer schnitt .Im Wärmetauscher nach Figur 5 sind die V-förmig angeordneten Wärmetaus cherniatrizen horizontal aneinandergereiht. V-förmig lassen sich Wäri-ietauschermatrizen aber auch in zylindrischen Wärmetauschern einsetzen, wobei die benachbarten Wärmetauschermatrizen etwa die Form eines vieleckigen Steraes bilden. Vorteilhaft ist bei einem zylindrischen Wärmetauscher, daß die Zuström- und A.c3trömkanäle für die Medien koaxial zum Wärmetauscher anschließbar sind.

Die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Wärmetauscher eignen sich bevorzugt für den Wärmeaustausch bei Energieerzeugungsaulagen mit geschlossenem Arbeitsgaskreislauf. Sie sind als Kombinationskühler· für die Vor- und Zwischenkühlung des komprimierten Arbeitsgases im Arbeitsgaskreislauf bestimmt. Dabei wird die vom Arbeitsgas zur Vor- und Zwischenkühlung abzuführende Wärmemenge an einen Kühlivass er strom, der in den zwischen beiden Bändern der Wärmetauschermatrix gebildeten

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Zwischenraum geleitet wird, übertragen. Mit dem Einsatz von Wärmetauschern gemäß der Erfindung als Kombinationskühler lassen sich bei Energieerzeugungsanlagen, insbesondere bei Kernenergxeanlagen mit Helium als Arbeitsgas, Raumeinsparungen erzielen.

Der netzartige Aufbau des Wärmetauschers mit Baueinheiten gemäß Figur 3 ist aber auch geeignet, einen Wärmeaustausch zwischen einer Vielzahl von Medien durchzuführen. Hierzu ist es lediglich erforderlich. Zuström- und Abströmkanäle in einer für den Wärmeaustausch vorbestimmten Reihenfolge mit den Leitungen zu verbinden, die die am Wärmeaustausch beteiligten Medien führen.

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Claims

Patentansprüche

Π. Wärmetauscher mit plattenförmiger Wärmetauschermatrix für "- die Wärmeübertragung zwischen drei Medien, die aus den Falten von in gleichförmige Faltenzüge gelegten Bändern besteht, die längs der Faltensattel der Faltenzüge abgedeckt sind, wobei die zwischen den Falten und den beidseitigen Abdeckungen gebildeten Kammern stirnseitig verschlossen sind und die Abdeckungen im Bereich der Stirnseiten Durchströmöffnungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschermatrix (1) aus den Falten zweier, mit Abstand angeordneten, spiegelbildlich zueinander verlaufende Faltenzüge aufweisenden Bändern (2a,2b) gebildet ist.und daß der Zwischenraum zwischen beiden Bändern (2a,2b) an den Stirnseiten (5,6) der Wärmetauschermatrix geöffnet ist.
2. Wärmetauscher mit plattenförmiger Wärmetauschermatrix für die Wärmeübertragung zwischen drei Medien, die aus den Falten von in gleichförmige Faltenzüge gelegten Bändern besteht, die längs der Faltensattel der Faltenzüge abgedeckt sind, wobei die zwischen den Falten und den beidseitigen Abdeckungen gebildeten Kammern stirnseitig verschlossen sind und die Abdeckungen im Bereich der Stirnseiten Durchströmöffnungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauschermatrix (1) aus den Falten zweier, mit konstantem Abstand zueinander angeordneten, gemeinsam einen gleichförmigen Faltenzug bildenden Bändern (3a,3b) gebildet ist und daß der Zwischenraum zwischen beiden Bändern (3a,3b) an den Stirnseiten (5,6) der Wärmetauschermatrix geöffnet ist.

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vt
3. wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch _ώ eke anzeichnet, daß parallel geschaltete viär;netausc'iiermatrizen (1 bis 1 ' ) jeweils mittels gemeinsamer Zuström- und Abströmkanäle (16, 17, 18, 19) für die Medien miteinander zu einer- Baueinheit verbunden sind.
4. viäriae tauscher nach Anspruch 3> dadurch g e k e η η-zeichnet, daß der die Durchströiuöffnungen (7) überdeckende Teil der Zuströmkanäle (16, 18) οich in Kauptßtröiiiungsrichtunti (löa) dea Mediums gesehen verjüngt und daß sich der entsprechende Teil der Abströmkanäle (17, 19) in Hauptströiuunosrichtung (17a) des Mediums gesehen erweitert.
5. Wärmetauscher nach Anspruch ^,dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarte V7ärmetauscherraatrizen (la, Ib) V-förmig angeordnet sind.

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