DE60118029T2

DE60118029T2 - Wärmetauscher mit gelöteten platten

Info

Publication number: DE60118029T2
Application number: DE60118029T
Authority: DE
Inventors: Claire Turgis; Fabienne Chatel; Etienne Werlen; Gilles Lebain
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2000-12-28
Filing date: 2001-12-21
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2021-12-22
Also published as: US20040144525A1; FR2819048B1; WO2002054000A1; EP1348100A1; US7059397B2; JP2004517293A; FR2819048A1; DE60118029D1; CN1284958C; EP1348100B1; CN1483134A; JP3974526B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit gelöteten Platten, dessen Durchlässe mindestens eine gewellte Rippe von dem Typ enthalten, der im Querschnitt ein sich wiederholendes Wellenmuster aufweist, das sich zwischen zwei Endebenen, einer oberen und einer unteren, erstreckt, die von den Platten des Tauschers definiert werden.
Die Erfindung betrifft insbesondere die kryogenen Gas-Gas-Wärmetauscher der Luftdestillationsgeräte, wie die Hauptwärmetauscherleitung dieser Geräte, die die ankommende Luft durch indirekten Wärmeaustausch mit den aus der Destillationssäule stammenden kalten Produkte kühlt.
Die fraglichen gewellten Rippen sind bei den Wärmetauschern mit gelöteten Platten weit verbreitet, die den Vorteil haben, eine große Wärmeaustauschfläche in einem relativ kleinen Volumen zu bieten und leicht herstellbar zu sein. Bei diesen Tauschern können die Fluidströmungen in gleicher Richtung strömend, in Gegenrichtung strömend oder kreuzend sein.
1 der beiliegenden Zeichnungen zeigt in Perspektive und im teilweisen Aufriss ein Beispiel eines solchen Wärmetauschers von klassischem Aufbau, auf den sich die Erfindung bezieht. Es kann sich insbesondere um eine kryogenen Wärmetauscher handeln.
Der gezeigte Wärmetauscher 1 besteht aus einem Stapel von rechteckigen parallelen Platten 2, die alle gleich sind und zwischen sich mehrere Durchlässe für Fluide definieren, die in indirekte Wärmeaustauschbeziehung gebracht werden sollen. Im dargestellten Beispiel sind diese Durchlässe nacheinander und zyklisch Durchlässe 3 für ein erstes Fluid, 4 für ein zweites Fluid und 5 für ein drittes Fluid.
Jeder Durchlass 3 bis 5 wird von Verschlussleisten 6 umrahmt, die ihn begrenzen, indem sie Einlass-/Auslassfenster 7 für das entsprechende Fluid freilassen. In jedem Durchlass sind Abstandshalter-Wellen oder gewellte Rippen 8 angeordnet, die sowohl als Wärmerippen, als Abstandshalter zwischen den Platten, insbesondere beim Löten, und um jede Verformung der Platten beim Einbringen der Fluide unter Druck zu vermeiden, und als Führung für die Fluidströmungen dienen.
Der Stapel von Platten, Verschlussleisten und Abstandshalter-Wellen wird allgemein aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt und in einem einzigen Vorgang durch Ofenlöten zusammengebaut.
Fluid-Eingangs-/Ausgangsgehäuse 9 von allgemein halbzylindrischer Form werden anschließend derart auf den so hergestellten Tauscherkörper geschweißt, dass sie auf den Reihen von entsprechenden Einlass-/Auslassfenstern sitzen, und sie sind mit Zufuhr- und Abfuhrleitungen 10 für die Fluide verbunden.
Es gibt verschiedene Typen von Wellen-Abstandshaltern 8. So können die geraden Rippen, die Rippen mit geradlinigen Mantellinien, ggf. perforiert, die "Herringbone" genannten Rippen, mit schlängelnden Mantellinien, die Rippen mit Lamellen, deren Wellenbeine Reihen von Löchern aufweisen, und die teilversetzten oder "serrated" (geriffelten) Rippen erwähnt werden.
Bei diesen verschiedenen Rippen kann der Querschnitt der Welle quadratisch, rechteckig, dreieckig, sinusförmig, usw. sein.
US-A-3016921 beschreibt einen Tauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung hat zum Ziel, die Wärmeleistungen der Tauscher mit gewellten Rippen zu verbessern.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung einen Wärmetauscher mit gelöteten Platten gemäß Anspruch 1 zum Gegenstand.
Gemäß weiterer fakultativer Aspekte:

– definiert das Untermuster eine Unterwellenform, die sich nur über einen Bruchteil der Entfernung erstreckt, die die beiden Endebenen trennt;
– weist das Untermuster mindestens einen nicht senkrechten Bereich auf, der sich auf einer Zwischenhöhe zwischen den beiden Endebenen befindet;
– weist das Untermuster außerdem Paare von Laschen auf, die die nicht senkrechten Bereiche abwechselnd mit einem Wellenscheitel bzw. einem Wellengrund verbinden;
– sind die Laschen senkrecht;
– weist das Untermuster mindestens eine zusätzliche schräge Austauschfläche auf;
– hat das Untermuster einen V-förmigen Querschnitt.
– weist das Untermuster eine Stufe auf, die mindestens bestimmten Beinen des Hauptmusters benachbart ist;
– ist die Rippe teilversetzt;
– gewährleisten die Versetzabstände ein Versetzen des Hauptmusters sowohl zu sich selbst als auch zum Untermuster;
– findet das Muster sich alle N Reihen von Wellen wieder, mit N ≥ 3 und insbesondere N = 4;
– weisen mindestens bestimmte Bereiche mindestens bestimmter Basismuster und/oder Untermuster einen Ausschnitt auf mindestens einem vorderen und/oder hinteren Rand und auf mindestens einem Teil ihrer Höhe oder ihrer Breite auf;
– ist der Querschnitt der Welle quadratisch, rechteckig, dreieckig oder sinusförmig;
– ist das gewellte Basismuster über die ganze Länge der beiden Endebenen konstant.

Nachfolgend werden hauptsächlich die Serrated-Rippen betrachtet, aber es ist klar, dass die Erfindung auch die anderen oben beschriebenen Rippentypen betrifft.
Nun werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
2 in Perspektive eine erfindungsgemäße Serrated-Rippe;
3 eine Endansicht dieser Rippe;
4 eine Endansicht einer Variante;
5 in Perspektive eine weitere Serrated-Rippe gemäß der Erfindung;
6 eine Ansicht der Rippe aus 5 in auseinander gezogener Perspektive;
7 eine Endansicht der Rippe aus 5; und
8 eine Endansicht einer weiteren Serrated- Rippe gemäß der Erfindung.
Die in den 2 und 3 gezeigte Serrated-Rippe 1 besitzt eine Hauptwellenrichtung D1 und weist eine große Anzahl von Reihen benachbarter, alle untereinander gleicher Wellen 12A, 12B, ..., auf, die in einer Richtung D2 lotrecht zur Richtung D1 ausgerichtet sind.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird angenommen, dass, wie in 2 gezeigt, die Richtungen D1 und D2 waagrecht sind, wie auch die Platten 2 des Tauschers.
Jede Wellenreihe 12 hat im Querschnitt lotrecht zu D1 ein Basismuster M, das zwei senkrechte Wellenbeine 13 aufweist. Gegenüber einer allgemeinen Strömungsrichtung F des Fluids in der Richtung D1 im betrachteten Durchlass weist jedes Bein eine Vorderkante 14 und eine Hinterkante 15 auf. Die Beine sind abwechselnd entlang ihres oberen Rands durch einen rechteckigen, ebenen und waagrechten Wellenscheitel 16 und entlang ihres unteren Rands durch einen ebenfalls rechteckigen, ebenen und waagrechten Wellengrund 17 verbunden.
Das Basismuster M wird durch ein Untermuster M1 verändert, das aus einem rechteckigen Vorsprung besteht, der sich in der Mitte jedes Scheitels 16 nach unten und in der Mitte jedes Grunds 17 nach oben erstreckt.
Jedes Untermuster M1 besteht aus einem ebenen Endbereich 18, der sich in halber Entfernung von den Endebenen befindet, die von den benachbarten Platten 2 definiert werden, und aus zwei senkrechten Laschen 19, die seine Ränder mit dem entsprechenden Scheitel 16 oder dem entsprechenden Grund 17 verbinden.
So bildet jedes Untermuster eine Rechteckform, die zwischen die beiden benachbarten Beine 13 eindringt.
Diese Rechteckform definiert drei zusätzliche Austauschflächen, nämlich eine waagrechte Austauschfläche 20 und zwei senkrechte Austauschflächen 21.
Die Reihen 12 sind in der Richtung D2 abwechselnd in der einen und andern Richtung zueinander versetzt. Wenn man mit "Abstand" die Entfernung p bezeichnet, die zwei aufeinanderfolgende Beine 12 voneinander trennt (unter Weglassen der Stärke e des Materials aus dünner Folie, das die Welle bildet), beträgt der Versatz p/6 abwechselnd in der einen und der anderen Richtung, während die Breite der Rechteckform M1 p/3 beträgt.
So ist jede Reihe 12 mit der folgenden Reihe 12 über die Scheitel 16 gemäß Geradensegmenten 22 einer Länge p/6, und über die Gründe 17 gemäß Geradensegmenten 23 der gleichen Länge p/6 verbunden. Die Versatzebenen sind die senkrechten Ebenen wie P_AB, und die Versatzlinien, von oben gesehen, sind mit 24 bezeichnet.
Außerdem ist mit l die Länge jeder Reihe 12 in der Richtung D1, wobei diese Länge "Serration-Länge" genannt wird, und mit h die Höhe der Rippe bezeichnet.
In der Praxis können die Formen der verschiedenen Teile der Wellen sich mehr oder weniger von den oben beschriebenen theoretischen Formen unterscheiden, insbesondere was die Ebenheit und die rechteckige Form der Facetten 13 und 16 bis 19 und die senkrechte Anordnung der Facetten 13 und 19 betrifft.
In einer Endansicht (3) sind die Muster M seitlich zu sich selbst und zu den Mustern M1 versetzt, d.h. dass die Beine 13 einer gegebenen Serration-Reihe 12 je zwischen einem Bein 13 der benachbarten Reihen und einer Lasche 19 eines benachbarten Untermusters M1 erscheinen. Umgekehrt erscheinen die Laschen 19 der gleichen Reihe 12 je entweder zwischen zwei Laschen 19 oder zwischen einer Lasche 19 und einem Bein 13 der benachbarten Reihen 12.
Aufgrund des Vorhandenseins der Untermuster M1 wird die Trennung der Strömung in Höhe jeder Versatzlinie 24 vergrößert, was den Temperaturunterschied zwischen dem Fluid und der Rippe und somit den ausgetauschten Wärmefluss erhöht. Das Vorhandensein von zusätzlichen Vorderkanten 20 und 21 erzeugt außerdem innerhalb des Fluids Wirbel, die den Wärmetransfer durch Konvektion zur Mitte der Strömung und nicht durch Konvektion durch die Grenzschicht hindurch begünstigt, was für den Wärmeaustausch vorteilhaft ist.
Die Variante der 4 unterscheidet sich von derjenigen der 3 durch eine größere Tiefe der Rechteckformen M1, wobei diese Tiefe von h/2 auf etwa 2h/3 übergeht. Auf diese Weise werden die Zonen der bevorzugten Strömung verringert, die nicht von der weiter oben beschriebenen günstigen Wirkung der Rechteckformen M1 profitieren.
Mit dem gleichen Ziel zeigen die 5 bis 7 eine Serrated-Rippe, deren Muster M + M1 sich nicht jede zweite Reihe, sondern jede N-te Reihe wieder findet, mit N ≥ 3. Dies ermöglicht es, die Symmetrie der Strömung zu erhöhen. Im dargestellten Beispiel ist N = 4. Nachfolgend werden vier aufeinanderfolgende Reihen 12A bis 12D beschrieben.
Jede Reihe hat wie oben das gleiche rechteckige Basismuster M, das senkrechte Beine 13 aufweist, die um den Abstand p voneinander entfernt und abwechselnd durch einen Wellenscheitel 16 der Breite p und einen Wellengrund 17 der gleichen Breite p verbunden sind. Das Muster M wird durch ein Untermuster M1A bis M1D verändert.

– Untermuster M1A: in jeder nach oben offenen Wellenform wird der untere Bereich des rechten Beins 13 durch eine Stufe verformt, die einen waagrechten Bereich 24, der sich auf der halben Höhe des Beins befindet, und einen senkrechten Bereich 25 aufweist, der sich auf halber Strecke zwischen diesem Bein und dem anderen Bein der Wellenform befindet. So werden die untere Hälfte des Beins und die rechte Hälfte des benachbarten Wellengrunds entfernt, wie in gestrichelten Linien dargestellt ist.
– Untermuster M1B: in jeder nach unten offenen Wellenform wird der obere Bereich des linken Beins 13 durch eine analoge Stufe verformt, d.h. rechteckig und mit den Abmessungen p/2 und h/2.
– Untermuster M1C: in jeder nach oben offenen Wellenform wird der untere Bereich des linken Beins 13 durch eine analoge Stufe verformt. Dieses Untermuster ist also symmetrisch zum Untermuster M1A.
– Untermuster M1D: in jeder nach unten offenen Wellenform wird der obere Bereich des rechten Beins 13 durch eine analoge Stufe verformt. Dieses Untermuster ist also symmetrisch zum Untermuster M1B.

In dieser Ausführungsform beträgt außerdem der Versatz von einer Reihe zur anderen p/2, abwechselnd in der einen und anderen Richtung. In den 5 und 6 sind zwei benachbarte senkrechte Ebenen P1 und P2 angezeigt, um das Verständnis des Aufbaus der Rippe zu erleichtern.
Die Ausführungsform der 8 weicht von derjenigen der 3 dadurch ab, dass jedes Untermuster M1 dreieckig und nicht mehr rechteckig oder quadratisch ist. Es führt so in jede Welle zwei schräge Vorderkanten 25 ein, die zur senkrechten Symmetrieebene P der Welle symmetrisch sind.
Im dargestellten Beispiel ist die Höhe des Dreiecks h/2, aber wie vorher kann sie einen anderen Wert haben, insbesondere größer als h/2, um die Zonen der bevorzugten Strömung zu verkleinern.
In allen obigen Beispielen erhält man hohe thermische Leistungen des Tauschers mit einer stark geteilten und turbulenten Strömung und von einer zweidimensionalen, sogar dreidimensionalen Konfiguration.
Man stellt fest, das die Herstellung der Rippen durch einfaches Falten eines flachen Produkts mit einer Presse oder einem Rändeleisen durchgeführt werden kann, wie für die klassischen gewellten, insbesondere die Serrated-Rippen. Die Flächen sind nämlich alle auseinanderziehbar, so dass es genügt, das Profil der Faltwerkzeuge anzupassen.
Das Vorhandensein der Untermuster M1 bewirkt Durchlassverengungen in Höhe der Versatzlinien, und somit Druckverluste. Man kann diese Druckverluste ggf. reduzieren, indem entsprechend angeordnete Kerben in zumindest manchen Vorderkanten und/oder Hinterkanten der Muster M und/oder M1 angebracht werden. Diese Kerben befinden sich vorzugsweise vor den Vorderkanten und/oder Hinterkanten der Untermuster M1 oder in diesen, wie strichpunktiert in 26 in 2 gezeigt ist.
Unabhängig vom Typ der Rippe kann diese ausgehend entweder von einem massiven Blech, einem perforierten Blech oder einem anders mit Öffnungen versehenen Blech hergestellt werden.

Claims

Wärmetauscher mit gelöteten Platten von der Art, die einen Stapel von parallelen Platten (2), die mehrere Fluidzirkulationsdurchlässe (3 bis 5) von im Allgemeinen flacher Form definieren, Verschlussleisten (6), die diese Durchlässe begrenzen, und gewellte Rippen (8) aufweist, die in den Durchlässen angeordnet sind, wobei mindestens ein Teil der gewellten Rippen (8) von der Art ist, die im Querschnitt ein sich wiederholendes Wellenmuster aufweist, das sich zwischen zwei Endebenen, einer oberen und einer unteren, erstreckt, die von zwei benachbarten Platten des Wärmetauschers definiert werden, wobei das Muster ein Basiswellenmuster (M) aufweist, das Wellenbeine (13) enthält, die durch Wellenscheitel (16) und Wellengründe (17) verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Basismuster durch ein Untermuster (M1) verändert wird, das zwischen zumindest bestimmten Paaren von Wellenbeinen zusätzliche Austauschflächen (20, 21) definiert, die sich auf einer Zwischenhöhe zwischen den beiden Endebenen befinden.
Tauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermuster (M1) eine Unterwellenform definiert, die sich nur über einen Bruchteil der Entfernung erstreckt, die die beiden Endebenen trennt.
Tauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermuster mindestens einen nicht senkrechten Bereich (18) aufweist, der sich auf einer Zwischenhöhe zwischen den beiden Endebenen befindet.
Tauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermuster (M1) außerdem Paare von Laschen (19) aufweist, die die nicht senkrechten Bereiche (18) abwechselnd mit einem Wellenscheitel (16) bzw. einem Wellengrund (17) verbinden.
Tauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laschen (19) senkrecht sind.
Tauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermuster (M1) mindestens eine zusätzliche schräge Austauschfläche (25) aufweist.
Tauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermuster (M1) einen V-förmigen Querschnitt hat.
Tauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Untermuster (M1) eine Stufe (24, 25) aufweist, die mindestens bestimmten Beinen (13) des Hauptmusters (M) benachbart ist.
Tauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippe (11) teilversetzt ist.
Tauscher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Versetzabstände ein Versetzen des Hauptmusters (M) sowohl zu sich selbst als auch zum Untermuster (M1) gewährleisten.
Tauscher nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster (M, M1) sich alle N Reihen von Wellen wieder findet, mit N ≥ 3.
Tauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass N = 4.
Tauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens bestimmte Bereiche mindestens bestimmter Basismuster (M) und/oder Untermuster (M1) einen Ausschnitt (26) auf mindestens einem vorderen und/oder hinteren Rand und auf mindestens einem Teil ihrer Höhe oder ihrer Breite aufweisen.