DE2600996A1

DE2600996A1 - Plattenwaermeaustauscher

Info

Publication number: DE2600996A1
Application number: DE19762600996
Authority: DE
Inventors: Gregory Stephen Trusco Millard
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 1975-01-16
Filing date: 1976-01-13
Publication date: 1976-07-22
Also published as: GB1510139A; FR2298075B1; JPS5187848A; CA1046499A; FR2298075A1; DE2600996C2

Description

Patentanwälte

Dipl. Ing- H. Hauck

Dipl. Phys. W. Schmitt

DVpI. »ng. E. Qraalie

Dipl. »ng. VV. Wennert

Dipl. Phys. W. Carstens

8 München 2

Mozartstr. 23

Borg-Warner Corporation

200 South Michigan Ave. Chicago, 111. 60604, USA

München, 13. Januar 1976

Anwalt salrbe M- 37 58

Platt enwärmeaust auseher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmsaustauseher zum Wärmeaustausch ZA^isehen zwei voneinander getrennten Strömungsmitteln, und insbesondere auf einen Plattenwärmeaustauscher in Stapelbauweise, durch den der Wärmeübergang an ein den Plattenstapel durchströmendes Arbeitsmittel, etwa Luft, verbessert wird. Bei bekannten Wärmeaustauschern in Stapelbauweise für zwei Strömungsmittel bilden miteinander verbundene Metallplattenabschnitte Wärmeaustauscherplatten, in denen innere Strömungskanäle für eines der Strömungsmittel eingeschlossen sind, wobei mehrere Wärmeaustauscherplatten unter fluchtender Ausrichtung von Ein- und Auslaßöffnungen für das die inneren Strömungskanäle durchsetzende Strömungsmittel übereinander gestapelt sind, und ein zweites Strömungsmittel wird im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des die inneren Kanäle durchsetzenden StrömungsmittBls zwischen den

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Wärmeaustauscherplatten hindurchgeführt. Die Plattenabschnitte j Bind mit nach außen vorstehenden, rippen- oder wellenförmigen [

j Ausbuchtungen versehen, um den Luftstrom zwischen den Wärmeaustauscherplatten aufzuspalten und den Wärmedurchgang vom ^: Strömungsmittel innerhalb der Platten zu der die Platten um-

'. strömenden Luft zu erhöhen.

Um den Wärmeübergang zwischen den Wärmeaustauscherplatten und der luft zu verbessern, wurde zwischen die Wärmeaustauscherplatten im Plattenstapel zusätzlich ein Einsatzkörper zur ^; Flächenvergrößerung angeordnet, etwa in Form eines gerippten oder eines durchbrochenen Leitblechs von sinusförmiger Gestalt· Die luftseitigen Leitabschnitte dieser Einsatzkörper verlaufen im wesentlichen senkrecht zu den flüssigkeitsseitigen Strömungskanälen und bedingen eine wesentlich größere Bauhöhe der gestapelten Platten im Wärmeaustauscher.

I?ür einen Zweistrom-Wärmeaustauscher ergibt sich der gesamte Wärmedurchgang annähernd nach folgender Gleichung:

Wobei Q der gesamte Wärmestrom,

h die Gesamtwärmedurchgangszahl, A die luftseitige Wärmeübergangsfläche und •ΔΤ die lemperaturdifferenz zwischen dem wärmeren und dem kälteren, den Wärmeaustauscher durchsetzenden

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Strömungsmittel ist.

Der Wert von Q kann entweder durch Erhöhung von h und/oder A gesteigert werden.

Erfindungsgemäß soll ein Plattenwärmeaustauscher in Stapelbauweise geschaffen werden, der einen verstärkten Wärmestrom sicherstellt und in der obigen Näherungsgleichung einen erhöhten Viert sowohl für h als auch für A aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den in den Ansprüchen beschriebenen Wärmeaustauscher gelöst.

Infolge der besonderen Anordnung des luftseitigen Wirbelkörpers wird bei dem erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher die luftseitige Wärmeübergangsfläche ohne merkliche Erhöhung der Baugröße des Wärmeaustauschers beträchtlich vergrößert, indem der Wert von Q durch Erhöhung sowohl von h als auch A gesteigert wird. Die Wärmeübergangsfläche A wird durch die Verbindung der Wirbelkörper oder Leitelemente mit den Platten des Wärmeaustauschers erhöht, während der Wert von h durch die t durch den Wirbelkörper bewirkte Steigerung der Luftgeschwindigkeiten und verbesserte Durchmischung angehoben wird. Die Wirbel- oder ieitplatte bewirkt eine Aufspaltung des Luftstrompfades oder der Luftstromzeile zwischen zwei Wärmeaustauscherplatten, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit für

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einen betrachteten Luftdurchsatz gesteigert wird. Durch die Anordnung des luftseitigen Wirbelkörpers für den in Stapelbauweise ausgebildeten Plattenwärmeaustauscher wird die Bauhöhe des Plattenstapels nur unwesentlich vergrößert, da der Wirbelkörper als im wesentlichen ebene Platte ausgebildet ist, die nach Art eines Sandwich-Elements zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauscherplatten des Plattenstapels angeordnet ist. Die Ebene des Wirbel- oder Leitkörpers liegt indessen Einbaulage im wesentlichen parallel zu den Wärmeaustauscherplatten und zur Richtung des zwischen diesen durchströmenden Luftstroms.

Der luftseitige Wirbel- oder Leitkörper des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers kann zur Erhöhung der Turbulenz im Luftstrom und zur Steigerung der an den Luftstrom übertragenen Wärme unterschiedliche Oberflächenkonturen haben und besteht vorzugsweise aus einem Blechstanzteil mit mehreren abgetrennten Laschen, die abwechselnd nach oben und unten aus der Ebene der Blechplatte abgebogen sind. Die Verbindungsstellen am Laschengrund sind unter einem bestimmten Schrägwinkel, jedoch nicht parallel zum Luftstrom angestellt. Anstelle der Laschen können andere aufgerauhte Oberflächen, beispielsweise Sicken, Lufthauben oder Schlitze vorgesehen sein. Weitere Torteile des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers sind sein

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einfacher Aufbau, der hohe Wirkungsgrad und seine wirtschaftliche und einfache Fertigung und Betriebsweise.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden, beispielsweisen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Plattenwärmeaustauschers in Stapelbauweise mit einer ersten Ausführungsform des Wirbelkörpers nach der Erfindung»

Fig» Z die Aufsicht des Wärmeaustauschers gemäß Fig. 1 in teilweise gebrochener Form zur Darstellung des Wirbelkörpers}

Fig. 3 die Aufsicht eines Ausführungsbeispiels des luft s eit igen Wirb elkörp ersϊ

Fig. 4 eine perspektivische Teildarstellung des Wirbelkörpers gemäß Fig. 3»

Fig. 5 die Aufsieht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Wirbelkörpersί

Figo 6 die Aufsicht eines Wirbelkörpers mit luft-

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haut) en;

Fig. 7 einen Querschnitt des mit Lufthaiiben versehenen Wirbelkörpers längs der Linie 7-7 der Fig. 6 und eine Wärmeaustauscherplatte im teilweise zerlegten Zustand;

Figo 8 eine Teilansicht einer Wirbelplatte mit Längsschlitzen;

Fig. 9 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform des Wirbelkörpers mit Sicken;

Fig. 10 einen teilweisen Querschnitt längs der Linie 10-10 der Fig. 9; und

Fig. 11 die Aufsicht eines Wirbelkörpers in drei

Abschnitten, die jeweils Durchbrüche unterschiedlicher Form aufweisen.

G-emäß den Fign. 1 und 2 ist der Plattenwärmeaustauscher 10 in Staperbauweise aus mehreren Wärmeaustauscherplatten 11 aufgebaut, die jeweils einen Einlaß 12, einen Auslaß 13 und einen dazwischenliegenden, "begrenzten Strömungskanal aufweisen, der durch mehrere sich schneidende Nuten 14 und zwei im

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wesentlichen identische Plattenabschnitte-15,15 gebildet wird, ^: welche an Yerbindungssteilen 16 zusammengefaltet und an ihren !

j Außenrändern 17 miteinander verbunden sind. i

Jede Wärmeaustauscherplatte 11 ist an jeder Seitenfläche mit j nach außen vorstehenden, rippenförmigen Ausbuchtungen 18 ver- j

sehen, die die inneren Nuten 14 bilden, wobei die Ausbuchtun- ^! gen des einen Plattenabschnitts 15 gegenüber den Ausbuchtungen j des anliegenden, benachbarten Plattenabschnitts 15 winklig j angestellt sind. Jede Ein- und Auslaßöffnung wird durch einen nach innen .hochstehenden Plansch 19 begrenzt, wobei die Plansche geringfügig weiter hochstehen als die Ausbuchtungen 18. Wenn daher bei der Herstellung des Wärmeaustauschers die Plattenabschnitte 15 zusammengefaltet und zusammengepreßt werden, liegen die Plansche 19 einander zugekehrter Platten aneinander an und werden miteinander verbunden, jedoch verbleibt ein geringfügiger Spalt zwischen den Ausbuchtungen einander zugekehrter Platten. Die Öffnungen in dem untersten Plattenabschnitt 20 sind verschlossen, um einen im wesentlichen geschlossenen Kreislauf zu bilden, mit Ausnahme der Einlaß- und Auslaßöffnungen in der obersten Platte, die mit entsprechenden Anschlußstücken für das einströmende, zu kühlende Medium bzw. für den Verbraucher des gekühlten Mediums versehen sind.

Innerhalb des Spalts zwischen den Ausbuchtungen 18 benach-

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barter Wärmeaustauscherplatten 11 sind Wirbel- oder Leitkörper 21 angeordnet, die mit den Ausbuchtungen 18 in Berührung stehen und mit diesen verbunden, etwa verlötet sind. Jeder S Wirbelkörper 21 ist im wesentlichen parallelogrammförmig ! ausgebildet und ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den i

Fign. 2 und 3 mit parallelen Iiängskanten 22, 22 und parallelen, kürzeren Seitenkanten 23, 23 versehen. Der Wirbelkörper besteht aus einem dünnen Metallblech 24, etwa aus Aluminium, und kann eine durchgehende, undurchbrochene Platte 21 a (Fig.5) sein oder eingestanzte laschen 25 aufweisen (Eign. 3 und 4), die abwechselnd über und unter die Ebene der Metallplatte hochstehen. Die Verbindungsstelle 26 am Laschengrund ist zur beabsichtigten Richtung des Luftstroms unter einem bestimmten Winkel, jedoch nicht parallel zu diesem angestellt, und die Lasche ist zur Grundebene des Stanzblechs unter einem beliebigen Winkel, jedoch nicht parallel zu diesem hochgebogen.

Die Ebene des Wirbel- oder Leitkörpers 21 bzw. 21a verläuft in dessen Einbaulage parallel zur Hauptebene der Wärmeaustauscherplatten 11 und es besteht ein unmittelbarer Kontakt, da die Ausbuchtungen 18 mit dem Wirbelkörper in Berührung stehen und verbunden sind. Der Wirbelkörper bewirkt eine Aufspaltung des Luftstroms zwischen den Platten 11 und wegen der vergrößerten Wärmeaustausch-Kontaktfläche im wesentlichen eine Verdoppelung der luftseitigen Oberfläche ohne merkliche Ver-

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größerung der G-esamtgröße des Wärmeaustauschers. Durch die Aufteilung des Luftkanals oder der luft durchströmt en Zelle zwischen den Wärmeaustauscherplatten wird ferner die Strömungsgeschwindigkeit für einen betrachteten Luftdurchsatz erhöht.

Die Fign. 6 und 7 zeigen ein weiteres Ausführungs"beispiel eines Wirbelkörpers 21b, wobei aus der Wirbelkörperplatte 27 mehrere winklig angestellte Leithauben 28 hochgebogen sind, die Öffnungen 29 bilden, welche mit den Ausbuchtungen 18 einer benachbarten Wärmeaustauscherplatte 11 übereinstimmen und zu diesen im wesentlichen fluchtend ausgerichtet sind, so daß sie über diese passen.

Wahlweise können in die Platte 27 auch die Öffnungen oder Schlitze 29 unter Verzicht auf die Leithauben eingestanzt werden (I¹Ig. 8). In diesem Pail kann der Wirbelkörper 21c auf der Wärmeaustauscherplatte 11 untergebracht werden, ohne die Stapelhöhe des Wärmeaustauschers zu vergrößern.

Die Fign. 9 und 10 zeigen eine weitere Ausführungsform eines Wirbelkörpers 21d, wobei die Wirbelkörperplatte 31 etwa j

durch Sicken 32 aufgerauht ist. Wie I¹Ig. 10 zeigt, sind j diese kalottenförmigen Sicken 32 abwechselnd von entgegen- j

gesetzten Seitenflächen in die Platte 31 eingedrückte Es lassen sich auch andere !Formen von Oberflächenuneben-

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heiten verwenden, etwa Riffelungen oder Präge_flächen.

Pig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wirbel- , körpers 21 e, wobei in die Wirbelkörperplatte 33 eine Viel-

zahl von Löchern eingestanzt ist; die Löcher können unter- :

schiedliche Form, haben und etwa als runde Durchbrüche 34, j

als Rechteckdurchbrüche 35 oder als orale oder elliptische ;

Durchbrüche 36 ausgebildet sein. j

Der beschriebene Wirbelkörper läßt sich in -vielfacher Weise abwandeln, beispielsweise hinsichtlich der Breite der Wirbelkörperplatte in Richtung des Luftstroms, hinsichtlich der Wandstärke der Wirbelkörperplatte, die für bestimmte Abwandlungen der uneben geformten Leitfläche erforderlich ist, hinsichtlich der Kontur der Leitelemente 28 und ihres Anstellwinkels bezüglich des Luftstroms sowie durch Anordnung von mehr als einer Wirbelkörperplatte in einem Stapel zwischen zwei benachbarten Wärmeaustauscherplatten. Der Wirbelkörper kann auch in Wärmeaustauschern angeordnet werden, deren Wärmeaustauscherplatten eine andere als die beschriebene Porm haben, beispielsweise serpentinenförmige Ausbuchtungen oder eine kontinuierliche, einer halbkugeligen Sicke angenäherte Rippe.

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Claims

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Pat entansprüche

( 1 · jPlattenwärmeaustauscher in Stapelbauweise mit mehreren Wärmeaustauscherplatten, die mit Ein- und Auslassen, diese verbindenden Strömungskanälen und mehreren, an entgegengesetzten Seitenflächen jeder Wärmeaustauscherplatte ausgebildeten, wellenförmigen Ausbuchtungen versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raum zwischen benachbarten Wärmeaustauscherplatten (11) ein mit diesen in Berührung stehender Wirbelkörper (21) zur Erhöhung des gesamten Wärmedurchgangs des Wärmeaustauschers (10) in dem Luftströmungskanal angeordnet ist.
2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (21) mehrere Kontaktpunkte mit den Ausbuchtungen (14) jeder Wärmeaustauscherplatte (11) aufweist·
3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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daß der Wirbelkörper eine undurchbrochene, ebene Metallplatte (21a) von hoher Wärmeleitfähigkeit ist.
4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (21) eine ebene Metallplatte (24) mit mehreren aus der Platte ausgestanzten und winklig hochgebogenen Laschen (25) ist.
5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen (25) wechselweise auf entgegengesetzten Seiten der Metallplatte (24) hochgebogen sind und der Verbindungsabschnitt (26) jeder Lasche (25) unter einem schrägen Winkel und nicht-parallel zur beabsichtigten Richtung des Luftstroms durch den Wärmeaustauscher angesteil ist.
6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper ein Metallkörper (21b) ist, in dem mehrere Leithauben (28) ausgebildet sind.
7. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper eine ebene, mit mehreren Längs- · schlitzen (29) versehene Metallplatte (21c) ist.
8. Wärmeaustauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbuchtungen (14) mehrere schräg angestellte,

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auf jeder Seitenfläche der Wärmeaustauscherplatte (11) ausgebildete Rippen (18) aufweisen, die in die entsprechend ausgebildeten Schlitze (29) einführbar sind, und der Wirbelkörper (21c) somit ohne Vergrößerung der Bauhöhe des Plattenstapels auf der Wärmeaustauscherplatte (11) anzuordnen ist.
9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (21) eine Metallplatte (31) mit einer uneben ausgebildeten Oberfläche ist.
10. Wärmeaustauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die unebene Oberfläche aus mehreren, auf beiden Seitenflächen der Metallplatte (31) ausgebildeten Erhebungen (32) besteht.
11. Wärmeaustauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper eine Metallplatte (33) mit mehreren kleinen Öffnungen (34, 35 oder 36) ist.
12_O Wärmeaustauscher nach einem der Torhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (21) parallel zu den innerhalb der Wärmeaustauscherplatten (11) befindlichen Hauptstromkanälen angeordnet ist.

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13. Wärmeaustauscher nach. Anspruch. 12, dadurch, gekennzeichnet, daß der Wirbelkörper (21) eine längliche Platte (24) ist, deren Breite im wesentlichen gleich der Breite der Wärmeaustauscherplatten (11) und deren Länge derart "bemessen ist, daß die längliche Platte (24) zwischen dem Einlaß (12) und dem Auslaß (15) jeder Wärmeaustauscherplatte (11) anzuordnen ist.
14. Wärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen "benachbarten Wärmeaustauscherplatten (11) zwei oder mehr plattenförmige Wirbelkörper (21) angeordnet sind.

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