DE3742943A1

DE3742943A1 - Plattenwaermeuebertrager fuer vorzugsweise fluessige medien

Info

Publication number: DE3742943A1
Application number: DE19873742943
Authority: DE
Inventors: Arnold Dr Ing Balla; Bernd Dr Rer Nat Rummler; Rudolf Dipl Ing Teubner
Original assignee: Nagema VEB
Current assignee: MASCHINENFABRIK KYFFHAEUSERHUETTE ARTERN GMBH, O-4
Priority date: 1986-12-15
Filing date: 1987-12-18
Publication date: 1989-07-13
Also published as: SE8800008D0; FR2626356B3; SE8800008L; FR2626356A1; NL8800180A; DD254639A1; GB8800836D0; GB2214626A; SE462061B; GB2214626B

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Plattenwärmeübertrager für vorzugsweise flüssige Medien, die aus einer Anzahl im wesentlichen gleichartiger Wärmeübertragungs platten bestehen, die unter Wahrung eines bestimmten Abstandes derart aneinander gefügt sind, daß zwischen je zwei benachbarten Wärmeübertragungs platten Strömungskanäle gebildet werden, deren Höhe klein gegenüber ihrer Breite und Länge ist, wobei die die Strömungskanäle begrenzenden Flächen der Wärmeübertragungsplatten mit quer oder unter einem bestimmten über die Breite der Wärmeübertragungsplatten konstantem oder sich periodisch änderndem Winkel verlaufenden Profilen so versehen sind, daß die Profilelemente zweier benachbarter Wärmeübertragungsplatten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und daß die durch sie begrenzten Strömungskanäle aus einer Anzahl von sich in Strömungsrichtung periodisch wiederholenden Strömungskanalabschnitten mit im wesentlichen gleicher Geometrie bestehen und die einen derartigen Strömungskanalabschnitt begrenzenden und auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungs richtung liegende Ebene projizierten Profilelemente entweder aus zwei stetig ineinander übergehenden Kurvenstücken, deren Krümmungen den gleichen oder einen unterschiedlichen Betrag, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen besitzen, oder aus zwei derartigen Kurvenstücken und einem diese in Punkten gleichen Anstieges verbindenden Geradenstück gebildet werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind Plattenwärmeübertrager bekannt, die aus einer Anzahl im wesentlichen gleichartiger Wärmeübertragungsplatten bestehen, die unter Wahrung eines bestimmten Abstandes so aneinandergefügt sind, daß zwischen je zwei benachbarten Wärmeübertragungsplatten Strömungskanäle gebildet werden, wobei deren Höhe klein gegenüber ihrer Breite und ihrer Länge ist. Die die Strömungskanäle begrenzenden Flächen der Wärmeübertragungsplatten sind mit wellenförmigen Profilen versehen, die entweder quer zur Strömungsrichtung oder unter einem bestimmten über die Breite der Wärmeübertragungsplatten konstantem oder sich periodisch änderndem Winkel angeordnet sind.

Die sich jeweils gegenüberliegenden Profilelemente der benachbarten Wärmeübertragungsplatten verlaufen dabei im wesentlichen parallel zueinander.

Hierdurch entstehen Strömungskanäle zwischen den Wärmeübertragungsplatten, die aus einer Anzahl von sich in Strömungsrichtung periodisch wiederholenden Strömungskanalabschnitten mit im wesentlichen gleicher Geometrie bestehen. Die diese Strömungskanalabschnitte begrenzenden und auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene projizierten Profilelemente werden entweder aus zwei stetig ineinander übergehenden Kurvenstücken, deren Krümmungen den gleichen oder einen unterschiedlichen Betrag, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen besitzen oder aus zwei derartigen Kurvenstücken und einem diese in Punkten gleichen Anstieges verbindenden Geradenstück gebildet. Durch diese Profilierung ändert sich der Strömungsquerschnitt innerhalb eines Strömungskanalabschnittes kontinuierlich in Strömungsrichtung, und zwar nimmt er von einem Maximalwert bis zu einem Minimalwert ab und steigt dann wieder bis zum Erreichen des Maximalwertes an. Dadurch wird das durchströmende Medium im ersten Abschnitt eines derartigen Strömungskanalabschnittes beschleunigt und im zweiten verzögert. Maßgeblichen Einfluß auf das erreichbare Verhältnis von Wärmeübertragungsleistung zu erforderlicher Förderleistung haben einerseits das realisierte Verhältnis von maximalem zu minimalem Strömungsquerschnitt sowie die Art und Weise der Gestaltung des Überganges zwischen diesen Strömungsquerschnitten und andererseits das Verhältnis der Strömungskanalabschnittslänge, auf der das durchströmende Medium beschleunigt wird, zu der, auf der es verzögert wird.

Beide Verhältnisse werden durch die Krümmung bzw. den Krümmungsverlauf und die Länge der die einen Strömungskanalabschnitt begrenzenden Profilelemente bildenden Kurvenstücke sowie die Länge des sie verbindenden Geradenstückes beeinflußt.

Zusätzlich zu dieser Gestaltung der Profilelemente hat der gewählte Abstand der Wärmeübertragungsplatten ebenfalls einen wesentlichen Einfluß auf den Verlauf der Änderung des Strömungsquerschnittes in Strömungsrichtung und damit auf das erreichbare Verhältnis von Wärmeübertragungsleistung zu erforderlicher Förderleistung. Sein Einfluß steht in einem sehr engen Zusammenhang mit der Gestaltung der Profilelemente, insbesondere mit dem Krümmungsverlauf der gewählten Kurvenstücke und kann nicht losgelöst von dieser betrachtet werden.

Bei den bekannten Lösungen wird jedoch entweder vorzugsweise die Profilgestaltung oder der Abstand der Wärmeübertragungsplatten betrachtet.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, durch Berücksichtigung des wechselseitigen Einflusses von Profilgestaltung und Abstand der Wärmeübertragungsplatten auf das erreichbare Verhältnis von übertragbarer Wärmeleistung zu erforderlicher Förderleistung zu verbessern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Abstand der Wärmeübertragungsplatten bei an sich bekannten Plattenwärmeübertragern, bei denen die die Strömungskanäle begrenzenden Flächen der Wärmeübertragungsplatten mit quer zur Strömungsrichtung oder unter einem bestimmten über die Breite der Wärmeübertragungsplatten konstantem oder sich periodisch änderndem Winkel verlaufenden Profilen so versehen sind, daß die Profile zweier benachbarter Wärmeübertragungsplatten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, in Wechselwirkung mit der Gestalt der Profilelemente so zu bestimmen, daß der Verlauf der Änderung des Strömungsquerschnittes in Strömungsrichtung in den Strömungskanalabschnitten so erfolgt, daß die für die die Strömungskanäle durchströmenden Medien aufgebrachte Förderleistung optimal für die Wärmeübertragung genutzt wird.

Erfindungsgemäß wird der Abstand der Wärmeübertragungsplatten und die Länge des die beiden auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene projizierten ein Profilelement bildenden Kurvenstücke verbindenden Geradenstückes so bemessen, daß diejenigen Trajektorien zu der den Stromlinien einer den einen Strömungskanalabschnitt durchströmenden reibungsfreien Flüssigkeit entsprechenden Kurvenschar, welche durch die Punkte laufen, in denen entweder diese Kurvenstücke der jeweils einen Strömungskanalabschnitt begrenzenden Profilelemente stetig ineinander übergehen oder in denen das sie verbindende Geradenstück jeweils stetig an die Kurvenstücke mit bezogen auf die Strömungskanalmittellinie entgegengesetztem Vorzeichen der Krümmung stetig anschließt, die Strömungskanalmittellinie so schneiden, daß der Längenabschnitt der Strömungskanalmittellinie zwischen den beiden Schnittpunkten dieser mit der Strömungskanalmittellinie gleich der Hälfte der Länge der Strömungskanalmittellinie eines Strömungskanalabschnittes ist und gleichzeitig in der Gesamtheit aller Trajektorien eines Strömungskanalabschnittes höchstens drei existieren, die in keinem der auf ihnen liegenden Punkte eine Krümmung aufweist. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine symmetrische Gestaltung des Verlaufs des Strömungskanalquerschnittes längs der Krümmungskanalmittellinie innerhalb eines von den jeweils beiden sich gegenüberliegenden Profilelementen benachbarter Wärmeübertragungsplatten gebildeten Strömungskanalabschnittes erreicht. Der Verlauf des Strömungskanalquerschnittes längs der Strömungskanalmittellinie entspricht dem Verlauf einer Kosinusfunktion mit dem Maxima am Anfang und Ende und dem Minima in der Mitte eines jeden Strömungskanalabschnittes sowie den Wendepunkt en in der Mitte zwischen den Extremwerten. Damit werden nicht nur die Phasen der Beschleunigung und Verzögerung der die Strömungskanäle durchströmenden Medien, sondern auch die Phasen ihrer zunehmenden und abnehmenden Beschleunigung sowie ihrer zunehmenden und abnehmenden Verzögerung gleichmäßig über die Strömungskanallänge verteilt, wodurch eine Minimierung der erforderlichen Förderleistung im Verhältnis zur erreichbaren Wärmeübertragungsleistung eintritt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene projizierter Längsschnitt von Strömungskanalabschnitten, deren begrenzende Profilelemente aus zwei Kurvenstücken bestehen.

Fig. 2 Auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende projizierter Längsschnitt eines Strömungskanalabschnittes, dessen begrenzende Profilelemente aus zwei Kurvenstücken und einem sie in Punkten gleichen Anstieges verbindenden Geradenstück.

Werden beispielsweise die sich gegenüberliegenden Profilelemente der in einem Plattenwärmeübertrager benachbarten Wärmeübertragungsplatten aus zwei stetig ineinander übergehenden Kurvenstücken (2 a, 3 a; 2 b, 3 b) gebildet so werden nach Fig. 1 die in der Projektion auf eine senkrecht zur Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene den Strömungskanalabschnitten 1 a, 1 b, 1 c zugeordneten Flächen durch je zwei Kurvenstücke 2 a, 3 a; 2 b, 3 b; 2 c, 3 c begrenzt, die jeweils aus zwei Kurvenstücken 2 a, 2 b und 3 a, 3 b bestehen, die beim Strömungskanalabschnitt 1 b in den Punkten 5 bzw. 6 stetig ineinander übergehen. Von den Trajektorien zu der den Stromlinien einer durch die Strömungskanalabschnitte 1 a, 1 b, 1 c strömenden reibungsfreien Flüssigkeit entsprechenden Kurvenschar schneidet die durch den Punkt 6 laufende Trajektorie 10 die Strömungskanalmittellinie 7 im Punkt 8 und die durch den Punkt 5 laufende Trajektorie 11 im Punkt 9. Der Abstand 0 der Wärmeübertragungsplatten ist so zu wählen, daß die Länge der Strömungskanalmittellinie 7 zwischen den Schnittpunkten 8 und 9 gleich der Hälfte der Länge der Strömungskanalmittellinie 7 des Strömungskanalabschnittes 1 b ist. Werden beispielsweise die sich gegenüberliegenden Profilelemente der in einem Plattenwärmeübertrager benachbarten Wärmeübertragungsplatten aus zwei Kurvenstücken 12 a, 13 a; 12 b, 13 b und einem sie verbindenden Geradenstück 14 a, 14 b gebildet, so wird nach Fig. 2 die in der Projektion auf eine senkrecht zur Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene dem Strömungskanalabschnitt 1 d zugeordnete Fläche auf der einen Seite durch das Kurvenstück 12 a, das im Punkt 15 a stetig anschließende Geradenstück 14 a und das an dieses im Punkt 16 a stetig anschließende Kurvenstück 12 b und auf der anderen Seite durch das Kurvenstück 13 a, das im Punkt 15 b stetig anschließende Geradenstück 14 b und 13 b begrenzt. Die Trajektorie 17, die durch den Punkt 15 a läuft, schneidet die Strömungskanalmittellinie 19 im Schnittpunkt 20 und die, die durch den Punkt 16 b läuft, im Schnittpunkt 21. Der Abstand D der Wärmeübertragungsplatten wird so gewählt, daß die Länge der Strömungskanalmittellinie 19 zwischen den Schnittpunkten 20 und 21 gleich der Hälfte der Länge der Strömungskanalmittellinie 19 des Strömungskanalabschnittes 1 d ist. Gleichzeitig werden die Längen der Geradenstücke 14 a und 14 b höchstens so groß gewählt, daß außer den Punkten 16 a und 15 b keine weiteren der Geradenstücke 14 b und 14 a gibt, die auf ein und derselben Trajektorie liegen, was gleichbedeutend damit ist, daß innerhalb der zwischen den Trajektorien 17 und 18 liegenden dem Strömungskanalabschnitt 1 d zugeordneten Fläche höchstens eine Trajektorie existiert, die in keinem der auf ihr liegenden Punkte eine Krümmung aufweist.

Bezugszeichenliste:

0 Abstand
1 a, 1 b, 1 c, 1 d Strömungskanalabschnitt
2 a, 2 b, 2 c Kurvenstücke
3 a, 3 b, 3 c Kurvenstücke
5 Punkt des Übergangs der Kurven
6 Punkt des Übergangs der Kurven
7 Strömungskanalmittellinie
8 Schnittpunkt
9 Schnittpunkt
10 Trajektorien
11 Trajektorien
12 a, 12 b Kurvenstück
13 a, 13 b Kurvenstück
14 a, 14 b Geradenstück
15 a, 15 b Punkt gleichen Anstiegs
16 a, 16 b Punkt gleichen Anstiegs
17 Trajektorien
18 Trajektorien
19 Strömungskanalmittellinie
20 Schnittpunkt
21 Schnittpunkt

Claims

1. Plattenwärmeübertrager für vorzugsweise flüssige Medien, bestehend aus einer Anzahl im wesentlichen gleichartiger Wärmeübertragungsplatten, die unter Wahrung eines bestimmten Abstandes derart aneinandergefügt sind, daß zwischen je zwei benachbarten Wärmeübertragungsplatten Strömungskanäle gebildet werden, deren Höhe klein gegenüber ihrer Breite und Länge ist, wobei die die Strömungskanäle begrenzenden Flächen der Wärmeübertragungsplatten mit quer oder unter einem bestimmten über die Breite der Wärmeübertragungsplatten konstantem oder sich periodisch änderndem Winkel verlaufenden Profilen so versehen sind, daß die Profilelemente zweier benachbarter Wärmeübertragungsplatten im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, und daß die durch sie begrenzten Strömungskanäle aus einer Anzahl von sich in Strömungsrichtung periodisch wiederholenden Strömungskanalabschnitten mit im wesentlichen gleicher Geometrie bestehen und die einen derartigen Strömungskanalabschnitt begrenzenden und auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene projizierten Profilelemente entweder aus zwei stetig ineinander übergehenden Kurvenstücken, deren Krümmungen den gleichen oder einen unterschiedlichen Betrag, jedoch ein entgegengesetztes Vorzeichen besitzen, oder aus zwei derartigen Kurvenstücken und einem diese in Punkten gleichen Anstieges verbindenden Geradenstück gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (0) der Wärmeübertragungsplatten und die Länge des Geradenstückes (14 a, 14 b) so gewählt werden, daß diejenigen Trajektorien (11) und (10) bzw. (17) und (18) zu der den Stromlinien einer durch den Strömungskanalabschnitt (1 a, 1 b, 1 c) bzw. (1 d) strömenden reibungsfreien Flüssigkeit entsprechenden Kurvenschar, welche durch die Punkte (5) und (6) laufen, in denen die beiden einen Strömungskanalabschnitt (1 a, 1 b, 1 c) begrenzenden und auf eine senkrecht zur projizierten Wärmeübertragungsplatte und parallel zur Strömungsrichtung liegende Ebene projizierten Profilelemente bildenden Kurvenstücke (2 a, 2 b, 2 c) und (3 a, 3 b, 3 c) stetig ineinander übergehen, bzw. durch die Punkte (15 a) und (16 b) laufend, in denen das die Kurvenstücke (12 a, 12 b) in den Punkten (15 a, 16 a) gleichen Anstieges verbindende Geradenstück (14 a) stetig an das Kurvenstück (12 a) anschließt und das die Kurvenstücke (13 a, 13 b) in den Punkten (15 b, 16 b) gleichen Anstieges verbindende Geradenstück (14 b) stetig an das Kurvenstück (13 b) anschließt, die Strömungskanalmittellinie (7) bzw. (19) so schneiden, daß der Längenabschnitt der Strömungskanalmittellinie (7) bzw. (19) zwischen den Schnittpunkten (8) und (9) bzw. (20) und (21) gleich der Hälfte der Länge der Strömungskanalmittellinie (7) bzw. (19) eines Strömungskanalabschnittes (1 a, 1 b, 1 c) bzw. (1 d) ist und gleichzeitig in der Gesamtheit aller Trajektorien (17, 18) eines Strömungskanalabschnittes (1 d) höchstens drei existieren, die in keinem der auf ihnen liegenden Punkte eine Krümmung aufweisen.