DE3210168A1

DE3210168A1 - Geschichteter spiral-waermetauscher

Info

Publication number: DE3210168A1
Application number: DE19823210168
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Higaki; Kenjiro Kasai; Koji Koibuchi; Norihide Saho
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-03-20
Filing date: 1982-03-19
Publication date: 1982-11-04
Also published as: US4445569A; JPS6217157B2; DE3210168C2; JPS57155089A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Geschichteter Spiral-Wärmetauscher

Die Erfindung betrifft einen geschichteten Wärmetauscher mit mehreren Wärmeubertragungspiatten, die viele Durchgangslöcher in Dickenrichtung besitzen,und mit mehreren Abstandsgliedern, wobei die Wärmeübertragungsplatten und die Abstandsglieder abwechselnd aufeinandergeschichtet sind derart, daß die Abstandsglieder mehrere Fluiddurchtritte bilden, die sich in der Richtung der Schichtung über die Wärmeübertragungsplatten erstrecken, wobei benachbarte Fluiddurchtritte voneinander durch das Abstandsglied getrennt sind.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen typischen laminierten oder geschichteten Wärmetauscher mit mehreren Wärmeübertragungsplatten 2 (Wärmetauscherplatten), deren jede viele Löcher 1 aufweist, und mit Abstandsgliedern 5

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und 6, wobei die Wärmeübertragungsplatten 2 und die Abstandsglieder 5, 6 abwechselnd aufeinandergeschichtet sind derart, daß die Abstandsglieder 5, 6 Durchtritte und 4 für verschiedene Fluide A und B definieren, zwischen denen die Wärme zu tauschen ist. Die Fluiddurchtritte 3 und 4 sind zueinander konzentrisch ausgebildet. Die Flächen Sa und Sb der Durchtritte für die Fluide A und B ergeben sich aus den folgenden Gleichungen (1) bzw. (2) :

Ή ία 2 j 2.

j (d₃ - d₂ ) (2).

Bei dem Entwurf des Wärmetauschers werden diese Durchtritte abhängig von den Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide A und B bestimmt. Andererseits ändert sich der Wärmeübertragungswirkungsgrad der Wärmeübertragungsplatte 2 sehr stark mit den radialen Breiten der Fluiddurchtritte. Insbesondere wird der Wärmeübertragungswirkungsgrad der Wärmeübertragungsplatte als Rippe verbessert, wenn die Werte d,/2 und (d- - c^)/² in den jeweiligen Gleichungen klein gemacht werden. Um größere Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide A und B zu erreichen, ist es notwendig, ausreichend große Flächen Sa und Sb für die Fluiddurchtritte vorzusehen. Dadurch wird jedoch der Rippenwirkungsgrad verringert, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers insgesamt verringert wird.

3.2 ID

Zum Erhöhen der Fläche der Strömungsdurchtritte unter Begrenzen der Breite jedes Durchtrittes ist es beabsichtigt, zusätzlich mindestens ein Abstandsglied zu verwenden, um zusätzliche konzentrische Durchtritte um den Kreis mit dem Durchmesser d. gemäß Fig. 1 zu bilden, um dadurch die Anzahl der Durchtritte zu erhöhen. In einem solchen Fall werden mehrere Durchtritte, die durch die Abstandsglieder abgetrennt sind, für jedes der Fluide A und B verwendet, so daß die Gefahr besteht, daß jedes Fluid ungleichförmig auf diese Durchtritte verteilt wird, wodurch der Wärmeübertragungsbzw. Wärmetauschwirkungsgrad gestört bzw. herabgesetzt wird. Zusätzlich müssen die Endkammern (header) für jedes der Fluide A und B im Aufbau kompliziert sein, um das Fluid auf mehrere der Durchtritte zu verteilen und um dieses von mehreren der Durchtritte zu sammeln.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen geschichteten Wärmetauscher vorzusehen, in dem ein kontinuierlicher Fluiddurchtritt für jedes Fluid zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten gebildet ist, die durch ein Abstandsglied voneinander getrennt sind, wobei jede örtliche Konzentration jedes Fluids vermieden ist, um dadurch einen höheren Wärmeübertragungswirkungsgrad zu erreichen.

Zu diesem Zweck wird gemäß der Erfindung ein geschichteter Wärmetauscher vorgesehen, in dem ein spiralförmiges Abstandsglied verwendet wird, um einen kontinuierlichen spiralförmigen Durchtritt für jedes von mehreren Fluiden zu definieren derart, daß die Durchtritte für verschiedene Fluide abwechselnd bei Betrachtung in radialer

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Richtung des Wärmetauschers angeordnet sind.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in Aufsicht einen Wärmeübertragungsabschnitt eines herkömmlichen geschichteten Wärmetauschers,

Fig. 2 den Schnitt I-I in Fig. 1, .

Fig. 3 in Aufsicht den Wärmeübertragungsabschnitt eines geschichteten Spiral-Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 4 den Schnitt II-II in Fig. 3,

Fig. 5 einen vertikalen Schnitt des Wärmetauschers gemäß Fig. 4, wobei an beiden Enden Endkammern vorgesehen sind,

Fig. 6 in Aufsicht eine zwischengelagerte (mittige) Strömungsverteilungsplatte eines geschichteten Spiral-Wärmetauschers gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 7 den Schnitt III-III in Fig. 6, und

Fig. 8 in Aufsicht ein Abstandsglied, das in

einem geschichteten Spiral-Wärmetauscher gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel

vorgesehen ist.

Ein herkömmlicher Wärmetauscher wurde anhand der Fig. 1 und 2 bereits erläutert.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 näher erläutert. Gemäß den Fig. 3 und 4 weist der Wärmeübertragungsabschnitt des geschichteten Schnecken- oder Spiral-Wärmetauschers (Wärmetauscherpaket) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zwei Wärmeübertragungsplatten und drei Abstandsglieder auf, die in der dargestellten Weise in Lagen geschichtet sind. Jedes Abstandsglied 7 besitzt spiralförmige Form, die durch Evolventenkurven a»b, c ·► d, e *-f und g *· h definiert sind. Die Form des Abstandsglieds 7 kann in Werten von X- und Y-Achsen eines X-Y-Koordinatensystems gemäß den folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

X = a_Q(cos λ + λ sin λ) ..... (3), Y = a_Q(sin λ - λ cos λ) ..... (4).

Dabei bedeuten λ einen Parameter und a den Radius des Grundkreises der Evolvente. Die Punkte a und c sind auf dem gleichen Basiskreis angeordnet, während die Punkte e und g auf einem anderen Basiskreis angeordnet sind.

Die Kurven sind zu Kurven eines X'-Y'-Koordinatensystems kongruent, das durch Drehen des X-Y-Koordi-

\J L·. \

natensystems um einen Punkt (O, 0) um einen Winkel θ erhalten wird. Diese Kurven sind nämlich als geometrischer Ort des Punkts (X', Y¹) definiert, der sich aus der folgenden Gleichung (5) ergibt:

cos θ - sin θ

If l

. . . (5). sin θ - cos θ

Daher wird die Kurve e *· f durch Drehen der Kurve a 4b um einen Winkel θ = T erhalten. In ähnlicher Weise ist die Kurve g > h eine Kurve, die durch Drehen der Kurve c > d um einen Winkel θ = TT erhalten wird. Die Punkte b, d, f und h sind die Punkte, bei denen die Evolventenkurven den äußeren Kreis berühren. Daher besitzen die Abschnitte des Abstandsglieds, die sich weiter von diesen Punkten erstrecken, Formen von Teilen eines Kreises.

Wenn es notwendig ist, drei oder mehr Fluiddurchtritte zu bilden, wird der Winkel θ so gewählt, daß er nicht größer als X ist. Wenn beispielsweise drei Fluiddurchtritte gebildet werden, werden drei Evolven-

Tl 2 X

tenkurven mit Winkeln θ = 0, θ = τ und θ = —~— gezogen und mit drei Evolventenkurven verbunden, die durch θ =

ττ 2 1Γ

« , θ = j + α und θ = -γ- + α wiedergegeben sind. Dadurch wird es möglich, drei Nuten, d. h. drei Fluiddurchtritte in dem Abstandsglied 7 zu bilden. Das Symbol

— Q _

oc gibt einen Faktor wieder, der die Breite der Spirale des Abstandsglieds 7 bestimmt, d. h. die Breite der Abtrennung zwischen einem Fluiddurchtritt und den benachbarten Fluiddurchtritten.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 3 bis 5 beträgt das Flächenverhältnis zwischen den Durchtritten für das Fluid A und das Fluid B 1 : 1, während das Flächenverhältnis zwischen den Durchtritten durch . Ändern des Winkels θ verändert werden kann. Die Wärmeübertragungsplatten 9 aus einem Metall mit vielen Löchern 8 und die Abstandsglieder 7 werden abwechselnd in Lagen geschichtet und die Berührungsabschnitte zwischen den Abstandsgliedern 7 und den Wärmeübertragungsplatten 9 werden metallurgisch oder mittels eines Klebstoffs miteinander verbunden. Die Durchtritte 3a und 3b für die Fluide A und B sind voneinander durch ein Abstandsglied 7 an einer gemeinsamen Wärmeübertragungsplatte 9 getrennt und jeder Durchtritt besitzt eine konstante Breite über den gesamten Evolventenbereich, der nicht mit dem äußeren Kreis in Berührung ist.

Die Abstandsglieder 7 sind in den gleichen Phasen miteinander bezüglich der X- und Y-Achsen, so daß die Fluiddurchtritte konstante Querschnittsfläche auch in Strömungsrichtung der Fluide A und B besitzen. Der Wärmetausch in diesem geschichteten Wärmetauscher beruht auf der Wärmeübertragung durch die Wand jeder Wärmeübertragungsplatte in radialer Richtung des Wärmetauschers. In radialer Richtung des Wärmetauschers betrachtet, ist jede Windung des Durchtritts jedes Fluids zwischen die Windungen der Durchtritte des anderen Fluids zwischenge-

schichtet mit Ausnahme des äußersten Abschnittes der Spirale derart, daß es möglich ist, den Rippenwirkungsgrad der Wärmeübertragungsplatte 9 über die gesamte Länge der Fluiddurchtritte 3a, 4a durch eine geeignete Wahl der Breiten der Strömungsdurchtritte zu erhöhen. Zusätzlich ist es durch Erhöhen der Anzahl der Wicklungen bzw. Windungen der Spirale möglich, die Flächen der Strömungsdurchtritte zu erhöhen, ohne daß dies durch eine Verringerung des Rippenwirkungsgrades begleitet wäre. Es ist weiter zu bemerken, daß, da der Fluiddurchtritt des gleichen Fluids an jeder Wärmeübertragungsplatte 9 kontinuierlich ist, es möglich ist, die Druckschwankung des Fluids in dem Durchtritt zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten 9 über die gesamte Länge des Fluiddurchtrittes zu absorbieren. Folglich wird die Neigung zu örtlichen Konzentrationen des Fluids in der Richtung der Schichtung wirksam unterdrückt, wodurch ein guter Wärmeübertragung wirkungsgrad des Wärmetauschers sichergestellt ist. Da andererseits die äußerste Umfangsflache der Spiralnuten einen konzentrischen Kreis bildet, ist es möglich, den Außendurchmesser d des Abstandsglieds 7 aufs Äußerste zu verringern.

Fig. 5 zeigt den Wärmeübertragungsabschnitt gemäß den Fig. 3 und 4, wobei Endkammern . an beiden Enden angebracht sind. Jede Endkammer . 10 ist auf einer Seite in Dickenrichtung mit Spiralnuten 11 gleicher Größe und Form wie diejenigen des Abstandsglieds 7 versehen. Die Nuten 11 in der Endkammer 10, die mit den Fluiddurchtritten 3a, 4a in Verbindung stehen, sind mit öffnungen 12 bzw. 13 versehen. Diese öffnungen oder Austritte 12 und 13 bilden den Einlaß oder den Auslaß der Fluide A und B. Durch Vorsehen solcher Durchtritte 12 und 13 in der Endkammer

10 ist es möglich, die Fluide über alle Abschnitte der Pluiddurchtritte in dem Wärmeübertragungsabschnitt zu verteilen. Folglich ist es möglich, den Aufbau der Endkammern in wesentlichem Umfang zu vereinfachen. Gemäß Fig. 5 besitzt eine zwischenliegende Stromungsverteilungsplatte 14 die gleiche Spiralform wie die Abstandsglieder 7, jedoch ist deren Dicke größer als die der Abstandsglieder 7. Deshalb wird, selbst wenn eine ungleichförmige Druckverteilung in der Nut in dem Abstandsglied 7 gebildet wird, die Druckverteilung in der Nut der zwischenliegenden Stromungsverteilungsplatte 14 größeren Volumens vergleichmäßigt, wodurch weiter die örtliche Konzentration der Fluidströmung beseitigt wird, um einen höheren Wärmeübertragungswirkungsgrad sicherzustellen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem Durchtritte 15 und 16, die mit der Außenseite des Wärmetauschers in Verbindung stehen, in dem äußersten ümfangsabschnitt der Fluiddurchtritte 3a und 4a gebildet sind, die .in der zwischenliegenden Stromungsverteilungsplatte 14 vorgesehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es daher möglich, Teile der Fluide A und B nach außerhalb des Wärmetauschers durch diese zwischenliegende-Stromungsverteilungsplatte 14 zu verteilen. Dies bedeutet, daß die Strömungsgeschwindigkeiten der Fluide A und B an den zwischenliegenden Abschnitt des geschichteten Wärmetauschers (Wärmetauscherpaket) erhöht oder verringert werden können. Daher dient die zwischenliegende Stromungsverteilungsplatte 14 bei diesem Ausführungsbeispiel als StrÖmungsverteilungs-Endkammer.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei

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dem die äußersten Abschnitte der Fluiddurchtritte, die dem Durchtritt des anderen Fluids lediglich an deren einen Seite benachbart sind, d. h. die Durchtritte, die sich über die Kurvenabschnitte f'-a¹ und h'-b' erstrecken, so ausgebildet sind, daß sie eine Breite besitzen, die kleiner als die der anderen Abschnitte der Durchtritte sind, die zwischen den Durchtritten des anderen Fluids zwischengeschichtet sind.

Die die äußersten Umfangsabschnitte der spiralförmigen Nuten bildenden Kurven sind nämlich so bestimmt, daß sie eine konstante Breite bzw. einen Abstand W von den Kurven beibehalten, die die inneren Umfange der entsprechenden Abschnitte der spiralförmigen Nuten definieren, wie sich das aus Fig. 8 ergibt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, den Rippenwirkungsgrad der äußersten Umfangsabschnitte der spiralförmigen Durchtritte zu erhöhen, die den Durchtritten des anderen Fluids nur an deren einer Seite benachbart sind, und zwar durch Verringern der Breite dieser Abschnitte der spiralförmigen Nuten, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers insgesamt weiter verbessert wird.

Wenn auch die Erfindung anhand besonderer Ausführungsbeispiele erläutert worden ist, bei denen die spiralförmigen Nuten exakten Spiralverlauf besitzen, so ist dies nicht einschränkend zu verstehen und können spiralförmige Nuten in Winkelform oder Polygonform ebenfalls verwendet werden. Insbesondere ist die Erfindung auch mittels Wärmeübertragungsplatten und Abstandsgliedern durchführbar, die Polygonform besitzen.

Wie das erläutert worden ist, erreicht die Erfindung einen geschichteten Wärmetauscher mit mehreren
Wärmeübertragungsplatten und Abstandsgliedern, die in abwechselnden Lagen geschichtet sind,zur Bildung von
Fluiddurchtritten für verschiedene Fluide in dem Raum zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten, wobei die Abstandsglieder spiralförmige Form besitzen derart, daß mehrere spiralförmige Fluiddurchtritte, die jeweils kontinuierlich in der Spiral- oder Schneckenrichtung
sind, derart gebildet sind, daß die Fluiddurchtritte
für verschiedene Fluide einander in radialer Richtung der Spirale oder Schnecke benachbart sind.

Folglich ist es gemäß der Erfindung möglich, die örtliche Konzentration des Fluids in jedem Durchtritt zu beseitigen, wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich verbessert wird.

Selbstverständlich sind noch andere Ausführungsformen der Erfindung möglich.

Claims

BEETZ & PARTNER Steinsdorfstr. 10 · D-8000 München 22 European Patent Attorneys Telefon (0 89) 22 72 01 - 22 72 44 - 29 5910 Telex 522048 - Telegramm Allpat München JI ,^" 'ElL . Sen' 1-3 3. 46 7P (3 3.46 8 H) Dr-Ing'W. TIMPE Dipl.-Ing. J. SIEGFRIED Priv.-Doz. Dipl.-Chem. Dr. rer. nat W. SCHMITT-FUMIAN Dipl.-Ing. K. LAMPRECHT 11981 19. März 198 Ansprüche

1.) Geschichteter Spiral-Wärmetauscher,

gekennzeichnet durch

mehrere Wärmeübertragungsplatten (9) mit vielen Löchern (8) und mehrere AbStandsglieder (7), die in Lagen abwechselnd geschichtet sind zur Bildung mehrerer Fluiddurchtritte derart, daß Wärme zwischen verschiedenen Fluiden, die in verschiedenen Fluiddurchtritten strömen, durch Wärmeübertragung durch die Wärmeübertragungsplatten (9) übertragbar ist,

wobei die Abstandsglieder (7) mehrere getrennte spiralförmige Fluiddurchtritte bilden derart, daß die Durchtritte in radialer Richtung gesehen nebeneinander angeordnet sind.

2. Geschichteter Spiral-Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die äußersten ümfangsabschnitte der spiralförmigen Fluiddurchtritte als Teile eines zum Wärmetauscher konzentrischen Kreises gebildet sind.

3· Geschichteter Spiral-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,

81-(A 6492-02)-MeE

xj.z: τ·υ ι υ ο

daß die äußersten Umfangsabschnitte der spiralförmigen Fluiddurchtritte eine Breite besitzen, die geringer ist als die der anderen Abschnitte der spiralförmigen Fluiddurchtritte .

4. Geschichteter Spiral-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

gekennzeichnet durch

eine zwischenliegende Strömungsverteilungsplatte (14) mit spiralförmigen Fluiddurchtritten gleicher Größe und Form wie die der spiralförmigen Durchtritte der Abstandsglieder (7), wobei die zwischenliegende Strömungsverteilungsplatte (14) eine Dicke besitzt, die größer als die der Abstandsglieder (7) ist,und in dem zwischenliegenden Abschnitt des geschichteten Wärmetauschers angeordnet ist.

5. Geschichteter Spiral-Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß mit der Außenseite des Wärmetauschers in Verbindung stehende Durchtritte (15, 16) an den äußersten Umfangsabschnitten der Fluiddurchtritte in der zwischenliegenden Strömungsverteilungsplatte (14) gebildet sind.