DE3134401C1

DE3134401C1 - Gewellte Platte fuer einen Plattenwaermeaustauscher

Info

Publication number: DE3134401C1
Application number: DE3134401A
Authority: DE
Inventors: Evgenij Vladimirovi&ccaron; Moskva Dubrovsky
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-02-07
Filing date: 1981-01-15
Publication date: 1984-05-30
Also published as: SE8105874L; SU962743A2; WO1981002340A1; IT8119567A0; FR2475710A1; IT8120708V0; FR2475710B1; JPS57500388A; IT1135342B; US4420039A; CH654653A5; JPS6350636B2

Description

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richtung sind Vorsprünge 4 und Vertiefungen 5 ausge- führten Energie beansprucht, praktisch nur eine unbebildet, die paarweise einander gegenüber in benachbar- deutende Intensivierung des Wärmeaustausches im Katen Wänden 2 der Wellungen 1 liegen und durch glatte nal bewirkt

Abschnitte 6 getrennt sind. Auf diese Weise bilden be- Es muß deshalb die zusätzliche Energie dem Wärmenachbarte Wände 2 mit den paarweise und aufeinander- 5 trägerstrom in der wandnahen Schicht zugeführt werfolgend in diesen Wänden 2 ausgebildeten Vorsprüngen den, und die Höhe m der querstehenden Vorsprünge 4, Vertiefungen 5 und glatten Abschnitten 6 einen Strö- und Vertiefungen muß kleiner oder gleich der Dicke der mungskanal mit in der durch den Pfeil A angedeuteten Grenzschicht des Wärmeträgers im Kanal 2 sein, da bei Strömungsrichtung des Wärmeträgers aufeinanderfol- der Zunahme der Höhe der querstehenden Vorsprünge genden Düsenabschnitten 7 und Diffusorabschnitten 8, 10 4 und Vertiefungen 5 die erzeugten Wandwirbel im Kadie durch glatte Kanalabschnitte 9 getrennt sind. nal 2 größer werden. Wenn dabei die Wirbelabmessun-

Die Kuppen 10 und 11 der Wellungen 1 sind mit ei- gen größer als die Dicke der wandnahen Schicht des nem Innenradius R abgerundet. Der Übergang der Wärmeträgerstroms werden, würde ein Teil der zusätz-Oberflächen der querstehenden Vorsprünge 4 und Ver- liehen Energie, die dem Wärmeträgerstrom zur Verwirtiefungen 5 in die Wände 2 der Wellungen 1 hat die 15 belung desselben zugeführt wird, außerhalb der wand-Gestalt von knickfrei ineinander übergehenden Bögen nahen Schicht im Strömungskern uneffektiv verbraucht mit den Krümmungsradien R\ und Rz (F i g. 4) bzw. von werden.

Bögen mit den Krümmungsradien R3 und R4, die durch Dadurch, daß die Stärke der wandnahen Schicht des

eine Tangente 12 knickfrei miteinander verbunden sind Wärmeträgerstroms im Kanal .3 sich in Abhängigkeit (F i g. 5). 20 vom Strömungszustand des Wärmeträgers ändert, der

Die Intensivierung des konvektiven Wärmeaustau- bei der vorgeschlagenen Ausbildung durch einen Besches in den Kanälen 3 der Einsatzplatte für Wärmeaus- reich der Reynoldszahlen (Re) von 400 '-i- 10 000 getauscher kommt dadurch zustande, daß es beim Durch- kennzeichnet ist, ändert sich dementsprechend auch die fluß des Wärmeträgers durch die Wellenkanäle 3 auf erforderliche Höhe m der querstehenden Vorsprünge 4 den Diffusorabschnitten 8 des Kanals bei einer be- 25 und Vertiefungen 5. Dies führt zur Veränderung der stimmten Größe des Öffnungswinkels φ des Diffusors Werte des Verengungsgrades des Kanalquerschnitts und einem bestimmten Abrundungsradius R5 der Kup- d*/d. Vorliegend werden die Werte d* in dem engsten pen der querstehenden Vorsprünge 4 und Vertiefungen Kanalquerschnitt bestimmt, also ist d * gleich: 5 zu einem Verlust der hydrodynamischen Stabilität des
Wärmeträgerstroms kommt 30 ^* ₌ 4 F*

Dadurch werden an den Diffusorwänden bei einem U*

durch eine bestimmte Reynoldszahl (Re) gekennzeichneten Strömungszustand des Wärmeträgers dreidimen- wobei F* den Durchflußquerschnitt und U* den besionale Wirbel in Gestalt von Wirbelsträngen bzw. drei- netzten Umfang des engsten Wellungskanalquerschnitts dimensionalen Wirbelsystemen erzeugt Hierbei sind 35 bedeuten. Der Wert des reduzierten hydraulischen die Wirbelabmessungen mit der Höhe der querstehen- Durchmessers d wird im glatten Wellungskanalabden Vorsprünge 4 und Vertiefungen 5 vergleichbar. schnitt bestimmt und ist gleich

Die Untersuchungen zeigen, daß gerade in der wandnahen Schicht die Werte der turbulenten Wärmeleitung j ₌ ^F des Luftstroms Ai am kleinsten, die Wärmestromdichte q 40 U und das Temperaturgefälle (grad t) aber am größten

sind. Hierbei sind die Werte der turbulenten Wärmelei- wobei Fden Durchflußquerschnitt und £/den benetzten tung ΑΊ im Strömungskern maximal und um einige Grö- Umfang des glatten WeUungskanalabschnitts bedeuten, ßenordnungen höher als die Werte der molekularen Es entstehen also in den Kanälen der vorgeschlage-

Wärmeleitungi', wobei die molekulare Wärmeleitung/? 45 nen Einsatzplatte auf den Diffusorabschnitten Wirbel, der wandnahen Schicht die Größe des Wärmestroms in deren Abmessungen bei einem bestimmten Strömungsder wandnahen Schicht im wesentlichen bestimmt zustand des Wärmeträgers, einem bestimmten Veren-

Bei zusätzlicher Verwirbelung des Wärmeträgerströ- gungsgrad des Kanalquerschnitts d */d und einer bemungskerns im Kanal nimmt die turbulente Wärmelei- stimmten Höhe m der querstehenden Vorsprünge 4 und tung A'i geringfügig zu. Zugleich ist, da der Strömungs- 50 Vertiefungen 5 mit dieser Höhe der querstehenden Vorkern den größten Teil des Kanalquerschnitts einnimmt Sprünge 4 und Vertiefungen 5 vergleichbar sind. Der die zusätzlich notwendige Energie, für die künstliche strömende Wärmeträger nimmt diese Wirbel weiter mit Verwirbelung des Strömungskerns im Verhältnis der in die glatten Kanalabschnitte in der wandnahen Zone durch sie erzielbaren Erhöhung der Wärmestromdichte des Kanals 3, wo sie infolge allmählicher Dissipation 9 ungerechtfertigt groß. Dies wird durch die Fourier- 55 abklingen. Die Lange/'(F ig. 3) des glatten Abschnitts 9 sehe Hypothese anschaulich erläutert, die für den vorlie- des Kanals 3 ist dann optimal, wenn auf ihm die Wirbeigenden Fall die Schreibweise besitzt: energie voll genutzt wird, die zur Intensivierung des

Wärmeaustauschprozesses erforderlich ist Dann ergibt

q = (A + Ai) grad t sich ein maximaler Wirkungsgrad des Wärmetauschers,

60 d. h. ein optimales Verhältnis zwischen Wärmeübergang

für die wandnahe Schicht, wo A > A/ist, und und Strömungsverlusten. Hierzu soll die Länge /' des

glatten Kanalabschnitts 9 das fünffache von dessen re-

q' = — (A' + ΑΙ) grad t duziertem hydraulischen Durchmesser nicht übersteigen,
für den Strömungskern, wo A' < ΑΊ ist. 65 Bei Einhaltung dieser Bedingung /' < 5d wird die In-

Daraus ist ersichtlich, daß die zusätzliche Verwirbe- tensität der Wirbel auf den glatten Kanalabschnitten so lung des Strömungskerns, die 70 ■¥ 90% der dem Strom stark abklingen, daß sie beim Eintreffen in den nachfolmit Hilfe von Turbulenzverstärkern zusätzlich züge- genden Diffusor-Düsenabschnitt mit den in diesem

nachfolgenden Diffusorabschnitt des Kanals 3 entstehenden Wirbeln nicht mehr zusammenwirken und nicht in den Strömungskern hineindiffundieren. Somit wird dem Strömungskern keine zusätzliche Energie zugeführt, was den gesamten Energieaufwand für die Intensivierung des Wärmeaustausches im vorgeschlagenen Wärmetauscher verringert.

Das Gesagte wird im Versuch gut bestätigt, von dessen Ergebnissen F i g. 6 das Diagramm der Beziehungen

Nu/Nuo = f(l'/d)

/Af₀ = fi(lVd)

bei einem durch Re = 1700 gekennzeichneten Strömungszustand zeigt.

Hierin bedeuten Nu und Nuo die Nußelt-Zahlen für Kanäle mit abwechselnden glatten und Diffusor-Düsenabschnitten bzw. für identische, aber glatte Kanäle. § und /0 sind die Druckverlustkoeffizienten in den Kanälen mit abwechselnden glatten und Diffusor-Düsenabschnitten bzw. in identischen, aber glatten Kanälen.

Im Diagramm ist auf der Abszissenachse der relative Drosselungsschritt l'/d, auf der Ordinatenachse das Verhältnis Nu/Nuo (Kurve I) und das Verhältnis ///0 (Kurve II) abgetragen. Ersichtlicherweise ist der Wirkungsgrad der vorgeschlagenen Einsatzplatte im gesamten Wertebereich l'/d = 0 h- 24 größer als 1, d. h.

NuZNu₀ ^ _Λ

bei fehlenden Radien R\ und Ri bzw. R3 und R4 sowie bei großen Werten der Länge η der querstehenden Vorspränge 4 und Vertiefungen 5 ist die Erzeugung und Ausbreitung von Wirbeln in den laminisierten Winkelzonen der Kuppen 10 und Vertiefungen 11 der Kanäle 3 der Wellungen 1 erschwert, was einen zusätzlichen Energieaufwand für das Durchpumpen des Wärmeträgers erfordert.

Die optimale Länge η der querstehenden Vorsprünge 4 und Vertiefungen 5 hängt ab von der Höhe m der querstehenden Vorsprünge 4 und Vertiefungen 5 sowie vom Verengungsgrad des Kanals 3 der Wellung 1 und beträgt

η =

■ worin bedeuten:

F-- (F+d-rri) a

2m

F — Durchflußquerschnitt des glatten Kanalab-

schnittes;
c/* — reduzierter hydraulischer Durchmesser des

engsten Kanalquerschnitts;
d — reduzierter hydraulischer Durchmesser des

glatten Kanalabschnitts;
m — Höhe der Kanäle.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

und im Wertebereich l'/d = 0,5 sind die Verhältnisse Nu/Nuo am größten und erreichen einen Wert Nu/- Nu₀ = 2,15. Dies ermöglicht, die Abmessungen und die Masse der Wärmeaustauscher gegenüber ähnlichen Wärmeaustauschern mit glatter Oberfläche wesentlich, und zwar bis auf die Hälfte, zu verringern.

Außerdem trägt zur Herabsetzung des Energieaufwandes für das Durchpumpen des Wärmeträgers der Umstand bei, daß die Wellungskuppen auf einen größtmöglichen Radius R abgerundet sind, die Oberflächen der querstehenden Vorsprünge 4 und der Vertiefungen 5 in die Wand 2 der Wellung 1 mittels Bögen der Krümmungsradien R] und i?2 (F i g. 4) bzw. Bögen der Krümmungsradien /?3 und /?4, die durch eine Tangente 12 miteinander verbunden sind (F i g. 5), übergehen, während die Vorsprünge 4 und Vertiefungen 5 eine Länge π besitzen, die die Intensivierung des Wärmeaustauschers gewährleisten.

Bei ungerechtfertigt hohen Abrundungsradien R der Kuppen der Wellungskanäle nimmt deren Steifigkeit ab, so daß es schwierig oder unmöglich werden kann, die Wellungen zum Löten an die Trennplatten in Platten-Rippenwärmeaustauschern bzw. an die flachen Röhren in Röhren-Bandwärmeaustauschern ausreichend anzudrücken. Deshalb sollen die Abrundungsradien R nicht größer sein als

«-T-T·

wobei t (F i g. 1,2) die Wellenlänge der Wellung 1 und δ die Wandstärke bedeutet.
Bei geringen Werten des Radius

Claims

1 2 sen ferner das Temperaturgefälle und die Dichte des Patentansprüche: Wärmestroms, was zur Vergrößerung der Wärmeübergangszahl zwischen dem Wärmeträger und den Flächen

1. Gewellte Platte für einen Plattenwärmeaustau- der gewellten Platte führt.

scher, bei der die Wellungen parallel nebeneinander 5 Jedoch können bei bestimmten Strömungszuständen

verlaufen und die Wellen mit dem größtmöglichen und bei bestimmten Abmessungen der Vorsprünge und

Radius gerundet sind und bei der über die gesamte Vertiefungen auf den Diffusorabschnitten des Kanals

Länge die glatten Abschnitte durch abwechselnde, energieintensive Wirbel entstehen, die mit dem Strö-

päarweise angeordnete Vorsprünge und Vertiefun- mungskern zusammenzuwirken anfangen. Die für das

gen unterbrochen sind, die einander gegenüber der- io Durchpumpen des Wärmeträgers notwendige Energie

art angebracht sind, daß die Kanäle sich erweiternde nimmt stark zu, während der Wärmeübergang zwischen

und verengende Abschnitte aufweisen, dadurch dem Wärmeträger und den Flächen der gewellten Platte

gekennzeichnet, daß jeder glatte Kanalab- praktisch nicht mehr zunimmt.

schnitt (9) eine Länge (V) hat, die fünf hydraulische Eine ähnliche Zusammenwirkung mit dem Strö-

Durchmesser des glatten Kanalabschnitts (9) nicht 15 mungskern findet auch dann statt, wenn bei gewellten

übersteigt, der Abrundungsradius (R) der Wellung Einsatzplatten der im Diffusorabschnitt eines Kanals

die Differenz zwischen einem Viertel der Wellenlän- entstandene Wirbel bei seiner Bewegung auf einen

ge und der halben Wandstärke nicht übersteigt und nachfolgenden Vorsprung trifft. Der Wirkungsgrad ei-

die Vorsprünge (4) und Vertiefungen (5) eine Länge nes solchen gewellten Einsatzes ist gering. Der Effekt

(n) besitzen, die wie folgt bestimmt ist: 20 der Intensivierung des Wärmeaustausches durch periodische Drosselung des Wärmeträgerstroms wird auch

_ F — d*/d {F+dm) dann nicht vollständig genutzt, wenn der im Diffusorab-

2 m ' schnitt des Kanals entstandene Wirbel im glatten Kanalabschnitt vollständig abklingt und die laminare Struktur

worin bedeuten: . . 25 der wandnahen Schicht des Wärmeträgerstroms wiederhergestellt wird.

F — Durchflußquerschnitt des glatten Kanalab- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung

Schnitts; einer gewellten Einsatzplatte, mit der eine Intensivie-

d* — reduzierter hydraulischer Durchmesser des rung des Wärmeaustausches bei niedrig bleibenden

engsten Kanalquerschnitts; 30 Strömungsverlusten, also eine Verbesserung des Wir-

d — reduzierter hydraulischer Durchmesser des kungsgrades gelingt.

glatten Kanalabschnitts; Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im

m — Höhe der Kanäle. kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs genannten

Merkmale gelöst. Durch die erfindungsgemäße Ausbil-

35 dung wirken die wandnahen Wirbel nicht miteinander

und nicht mit dem Strömungskern zusammen, was den gesamten Energieaufwand für die Intensivierung des

Die Erfindung bezieht sich auf eine gewellte Platte für Wärmeaustauschprozesses verringert,

einen Plattenwärmeaustauscher nach dem Oberbegriff Nachfolgend wird die Erfindung durch die Beschrei-

des Patentanspruchs. Eine solche Platte ist aus dem SU- 40 bung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnun-

Erfinderschein 3 36 489 oder der GB-PS 13 04 691 be- gen weiter erläutert. Es zeigt

kannt. Sie kann als Einsatz in Röhren-Band- sowie in F i g. 1 eine gewellte Einsatzplatte für Wärmeaustau-

Platten-Rippenrohrwärmeaustauschern verschiedener scher im Querschnitt;

Anwendungszwecke mit beliebigen Wärmeträgern ver- F i g. 2 eine Ausführungsform der Platte, bei der die

wendet werden. 45 Vorsprünge und Vertiefungen sich über die gesamte

Die Wellungen der bekannten Platte bilden im Quer- Höhe der Wellung erstrecken;

schnitt drei- bzw. viereckige parallel liegende Kanäle Fig. 3 den Schnitt nach der Linie HI-III in Fig. 1;

zum Durchtritt des Wärmeträgers. In den Seitenflächen F i g. 4 die Einzelheit IV in F i g. 1;

der Wellungen sind entlang der Wärmeträgerstromrich- F i g. 5 die Einzelheit V in F i g. 2;

tung aufeinanderfolgend angeordnete, querstehende, 50 F i g. 6 ein Diagramm der Beziehungen
abgerundete Vorsprünge und Vertiefungen ausgeführt,

die aufeinanderfolgend sich erweiternde und verengen- NuZNu₀ = f(17d)
de Kanalabschnitte ausbilden. Es können in den Seitenflächen der Wellungen längs des Wärmeträgerstroms und
auch einzelne benachbarte Paare von querstehenden 55
Vorsprüngen und Vertiefungen ausgeführt sein, die ///0 = fi(l'/d)
durch ebene Oberflächenabschriitte getrennt sind, so
daß in der Strömungsrichtung des Wärmeträgers Kanä- bei Re = 1700.

Ie mit aufeinanderfolgenden glatten und Diffusor-Dü- Die als Einsatz für einen Wärmeaustauscher vorgesenabschnitten gebildet sind. Jeder Vorsprung und jede 60 schlagene Platte hat parallel nebeneinanderliegende Vertiefung kann sowohl auf der gesamten Höhe der Wellungen 1 und wird in einem Platten-Rippen-Wärme-Seitenfläche einer Wellung oder auch nur auf einem Teil austauscher zwischen den flachen Trennplatten oder in der Höhe ausgeführt sein. einem Röhren-Band-Wärmeaustauscher zwischen den Infolge der Drosselung des Wärmeträgerstroms bil- flachen Röhren bzw. in den flachen Röhren selber einden sich an den Wänden der Diffusorabschnitte des Ka- 65 gesetzt. Die Wände 2 der Wellungen bilden im Quernals dreidimensionale strangähnliche Wirbel aus. Die schnitt dreieckige oder rechteckige Kanäle 3, durch welturbulente Zähigkeit und Leitfähigkeit in der wandna- ehe der Wärmeträger strömt,
hen Zone des Wärmeträgerstroms nehmen zu. Es wach- Auf der gesamten Länge der Wände 2 in Strömungs-