DE3046930A1 - "waermeaustauscher" - Google Patents

Description

Wärmeaustauscher

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten allgemein rechteckigen Platten, die mit Turbulenz erzeugenden Wellungen versehen sind und dicht abgeschlossene Kanäle begrenzen, die zwei Wärmeaustauschmittel zum Durchfluß in zwei zueinander winklig verlaufenden Strömungsrichtungen aufnehmen.

Indem man die Wellungen nebeneinanderliegender Platten winklig zueinander verlaufen läßt, kann man eine große Anzahl von Stützpunkten erreichen, in denen die Rippen (Kuppenzüge) nebeneinanderliegender Platten aneinanderliegen. Bei bekannten Wärmeaustauschern dieser Art wird die Wellung im allgemeinen in einem sogenannten Fischgrätenmuster angelegt, was bedeutet, daß die die Wellungen bildenden Rippen (Kuppenzüge) und Täler entlang der Längsachsen der Platte geknickt sind und beiderseits der Achse unter dem gleichen Winkel zu dieser verlaufen. Bei dieser Plattenart wird der erwähnte Winkel zwischen den Wellungen nebeneinanderliegender Platten eingestellt, indem man jede zweite Platte in ihrer Ebene um 180° verdreht anordnet.

Diese symmetrische Wellung der Platten in den bekannten Wärmeaustauschern ergibt gleiche thermische Eigenschaften aller Wärmeaustauschkanäle, auch wenn zwei unterschiedliche Plattenarten,

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d.h. Platten mit unterschiedlichen Wellungswinkeln, abwechselnd eingesetzt werden. Was oben ausgeführt wurde, gilt auch für eine diagonale Strömung, bei der die beiden Wärmeaustauschmittel zwischen öffnungen strömen, die an den diagonal gegenüberliegenden Plattenecken liegen.

Es ist oft erwünscht, Wärmeaustauschkanäle mit für die beiden Wärmeaustauschmittel unterschiedlichen thermischen Eigenschaften vorzusehen, damit man verschiedene Wärmeaustauschaufgaben auf die wirksamste Weise erfüllen kann. Man hat z.B. vorgeschlagen, hierzu die Platten im Wärmeaustauscher asymmetrisch zur Zentralebene der Platte zu wellen, so daß beispielsweise die Täler auf der einen Seite der Platte ein größeres Volumen annehmen als die auf der anderen Seite. Auf diese Weise läßt sich ein Wärmeaustauscher erreichen, in dem die Kanäle für die beiden Wärmeaustauschmittel unterschiedliche Volumina und folglich unterschiedliche thermische Eigenschaften haben. Diese bekannte Lösung ist jedoch nachteilig dahingehend, daß die Wellung sich nicht auch hinsichtlich der Turbulenzerzeugung und des Druckwiderstands optimieren läßt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für verschiedene thermische Eigenschaften der Kanäle für die beiden Wärmeaustauschmedien so zu sorgen, daß weder die Fähigkeit zur Turbulenzerzeugung noch die mechanische Festigkeit der Wellung leiden. Dieses Ziel läßt sich bei einem wie eingangs erläuterten aufgebauten Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung erreichen, indem man die Wellungen in Richtungen verlaufen läßt, in denen sie im Durchschnitt einen größeren Winkel zur Strömungsrichtung eines der Wärmeaustauschmittel als zu der des anderen bilden, so daß die Kanäle für die beiden Wärmeaustauschmittel unterschiedliche Strömungswiderstände haben.

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Die Erfindung soll unten ausführlich unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert werden, in der die

Fig. 1 eine schaubildliche Explosionsdarstellung eines herkömmlichen Plattenwärmeaustauschers, die

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung einer Ausführungsform eines Wärmeaustauschers nach der vorliegenden Erfindung, und die

Fig. 3-6 schaubildiiche Draufsichten bevorzugter Ausführungsformen von Wärmeaustauscherplatten sind, die in dem Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können.

Der in Fig. 1 schaubildlich dargestellte Wärmeaustauscher enthält eine Reihe von Platten 1 und 2, die abwechselnd angeordnet sind und auf herkömmliche Weise in einem Rahmen aufeinandergespannt werden, der zwecks übersichtlicherer Darstellung aus der Zeichnung fortgelassen wurde. Die beiden Wärmeaustauschmittel A, B werden über die Öffnungen 3 bzw. 4 in die bzw. aus den Wärmeaustauschkanälen geführt, die zwischen den Platten vorliegen, wie gestrichelt gezeigt. Wie ersichtlich, liegen die Ein- und Auslaßöffnungen für jedes Wärmeaustauschmittel an diagonal gegenüberliegenden Ecken der Platten, so daß die Strömungsrichtungen der Mittel A, B gegeneinander winklig verlaufen.

Die Platten 1, 2 sind mit Wellungen in einem sogenannten Fisch-

grätenmuster versehen, wie bei 6 gezeigt- Die Rippen dieser

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Wellungen verlaufen unter dem gleichen Winkel zur Längsachse 5 der Platten beiderseits der Achse. Um die Wellungen nebeneinanderliegender Platten winklig zueinander zu legen, dreht man jede zweite Platte um 180° in ihrer eigenen Ebene gegenüber ihren Nachbarplatten.

Wie ersichtlich, haben in einem wie oben dargestellt ausgebildeten Wärmeaustauscher aus den Platten 1, 2, die hinsichtlich ihrer Längsachse vollständig symmetrisch ausgestaltet sind, sämtliche Wärmeaustauschkanäle identische thermische Eigenschaften.

Der Wärmeaustauscher nach der vorliegenden Erfindung, der in Fig. 2 schaubildlich dargestellt ist, enthält eine Reihe von Platten 11, 12, die die Fig. 3 vergrößert zeigt. Die Wärmeaustauschmittel A, B werden den Wärmeaustauschkanälen über die Öffnungen 13 bzw. 14 zu- bzw. aus ihnen abgeführt, die sich an diagonal gegenüberliegenden Ecken der Platten befinden. Die Platten sind, wie üblich, mit den Dichtungen 18 ausgerüstet. Wie in Fig. 1 erfolgt der Wärmeaustausch zwischen zwei quer zueinander verlaufenden Strömungen. Weiterhin sind die Platten in einem Fischgrätenmuster gewellt, wobei die Knicklinie deckungsgleich mit der Längsachse 15 der Platten verläuft. Die schaubildlich gezeigten Rippen (Kuppenzüge) 16, 17 der Wellen verlaufen zur Längsachse 15 unter den Winkeln b bzw. c, wobei der Winkel c erheblich größer als der Winkel b ist. Mit Ausnahme der Dichtungsanordnung 18 sind die Platten 11, 12 gleich und sie sind abwechselnd in ihrer eigenen Ebene um 180° gegeneinander verdreht.

Vergleicht man die WeIlungswinkel mit den Strömungsrichtungen der Strömungsmittel A, B in den Wärmeaustauschkanälen, ergibt sich, daß das Austauschmittel A die Wellungen unter einem er-

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heblich größeren Winkel als das Wärmeaustauschmittel B trifft. Das zwischen den öffnungen 13 strömende Mittel A strömt also allgemein quer zu den Wellungen, während das Mittel B zwischen den öffnungen 14 zu diesen unter einem verhältnismäßig kleinen Winkel strömt. Der Strömungswiderstand ist also für das Mittel A erheblich höher als für das Mittel B und die thermischen Eigenschaften der Kanäle für die beiden Mittel unterscheiden sich daher erheblich voneinander. Diesen Unterschied der thermischen Eigenschaften erhält man, indem man die Winkel b und c unterschiedlich ansetzt.

Die Fig. 4-6 zeigen weitere Ausführungsformen von Wärmeaustauschplatten, die auf die oben beschriebene Weise abwechselnd eingesetzt werden können. Die Platten unterscheiden sich von den in Fig. 3 gezeigten nur hinsichtlich des Wellungsmusters und daher soll nur dieses beschrieben werden.

Die beiden Platten 21, 22 sind identisch gewellt, wobei benachbarte Platten gegeneinander um 180° verdreht sind. In diesem Fall sind die Rippen (Wellenkuppen) 23, 24 entlang der Linie 26 geknickt und verlaufen unter dem Winkel d bzw. e zu dieser. Die Knicklinie 26 ihrerseits liegt unter einem Winkel f zur Plattenlängsachse. Man erhält so die entsprechend der vorliegenden Erfindung angestrebte Auswirkung auf die thermischen Eigenschaften, sofern die Rippen (Kuppen) 23, 24 der Wellungen unter verschiedenen Winkeln zur Längsachse 25 verlaufen.

Die Fig. 5 zeigt zwei Platten 31, 32 mit gradlinig, d.h. nicht geknickt verlaufenden Wellungen 33, 34, die zur Längsachse 35 den Winkel g bzw. h einschließen. Wenn diese Winkel unterschiedlich sind, erhält man unterschiedliche thermische Eigenschaften für die Wärmeaustauschkanäle.

Auch die in Fig. 6 gezeigten Platten 41, 42 sind mit nicht geknickten Wellungen 43, 44 ausgestaltet, die unter einem

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Winkel j zur Längsachse 45 verlaufen. Da die Wellungen in diesem Fall parallel verlaufen und sich nicht kreuzen und nicht aufeinanderliegen, erhält man die Stützpunkte zwischen den Platten auf bekannte Weise mittels (nicht gezeigter) Querleisten zwischen den Wellenkuppen. Es ist einzusehen, daß ein zwischen den Öffnungen 46, d.h. allgemein parallel zu den Wellungen verlaufender Kanal einen erheblich niedrigeren Strömungswiderstand hat als ein zwischen den Öffnungen 47 allgemein quer zu den Wellungen verlaufender Kanal.

Die in Fig. 6 gezeigten Platten sind rechteckig dargestellt. Dieses Plattenformat ermöglicht es, den größtmöglichen Unterschied zwischen den thermischen Eigenschaften der Kanäle für die beiden Austauschmittel zu erreichen, denn die Strömungsrichtungen der Austauschmittel verlaufen in diesem Fall unter dem größtmöglichen Winkel zueinander, d.h. 90°. Mit einer wie in Fig. 6 gezeigt angeordneten Wellung strömt das Wärmeaustauschmittel allgemein parallel zur Wellung, so daß der Strömungswiderstand geringstmöglich ist, während das andere Wäremaustauschmittel allgemein quer zur Wellung strömt, so daß man einen maximalen Strömungswiderstand erhält. Indem man den Winkel j unterschiedlich wählt, ist es möglich, die thermischen Eigenschaften der Kanäle nach Bedarf aufeinander abzustimmen. Der Unterschied ist am größten mit j = 45° wie die Figur zeigt, und geht nach Null, wenn der Winkel 0 bzw. 90' wird.

Das Reckteckformat läßt sich natürlich auch mit anderen WeI-lungsmustern als den in Fig. 6 gezeigten verwenden.

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Claims (6)

1. /1 ) Wärmeaustauscher mit einer Vielzahl von allgemein rechtecki- -gen, nebeneinander angeordneten Platten, die mit Turbulenz erzeugenden Wellungen versehen sind und dicht abgeschlossene Kanäle zur Aufnahme der beiden Wärmeaustauschmittel begrenzen, die in zueinander winkligen Richtungen durch sie hindurchfließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellungen (16, 17; 23, 24; 33, 34; 43, 44) in solchen Richtungen verlaufen, daß sie mit der Strömungsrichtung eines der Wärmeaustauschmittel im Durchschnitt einen größeren Winkel als mit der des anderen bilden, so daß die Kanäle für die beiden Strömungsmittel unterschiedliche Strömungswiderstände erhalten.
2. 2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten an ihren Ecken mit Öffnungen versehen sind, durch die die Wärmeaustauschmittel in die und aus den Wärme-

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   austauschkanäle(η) strömen, wobei die Ein- und Auslaßöffnungen für jedes Wärmeaustauschmittel an diagonal gegenüberliegenden Plattenecken liegen.
3. 3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (11, 12, 21, 22) mit Wellungen (16, 17, 23, 24) in einem sogenannten Fischgrätenmuster versehen sind und auf den beiden Seiten der Knicklinie (15, 26) unter unterschiedlichen Winkeln zur Längsachse (15, 25) der Platten verlaufen.
4. 4. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Knicklinie der Wellungen sich mit der Längsachse (15) der Platten deckt.
5. 5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Knicklinie (26) der Wellungen zur Längsachse der Platten winklig verläuft.
6. 6. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (41, 42) allgemein rechteckig sind.

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