DE602004004114T3 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Plattenwärmetauscher, umfassend zumindest zwei separate Strömungswege für primäre und sekundäre Fluide zum Wärmeaustausch, wobei die beiden Strömungswege im Wesentlichen definiert sind durch die Wärmetauscherplatten, die durch Löten miteinander verbunden sind und versehen sind mit einer Fischgrätenstruktur aus Vorsprüngen und Vertiefungen und die unterschiedliche Druckabfälle bei gleichen Massenströmen der beiden Fluide bieten.
• Viele Wärmetauscher des obigen Typs werden zum Erhitzen von Leitungswasser mittels heißen Wassers benutzt, welches auch für das Heizen von Wohnhäusern verwendet wird. Die Eintrittstemperatur des heizenden Wassers kann z. B. 75°C und seine Austrittstemperatur etwa 60°C betragen. Die Eintrittstemperatur des Leitungswassers kann bei etwa 10°C liegen, und seine Austrittstemperatur kann 55°C betragen. Dies besagt, dass der Massenfluss des Heizungswassers das 2,5-fache des Massenflusses des Leitungswassers betragen muss. Deshalb ist es wirtschaftlich, den Querschnitt des Strömungsweges des Heizungswassers weiter zu machen als den des Leitungswassers, indem beispielsweise die oberen Enden der Fischgrätenstruktur flach – und somit breiter – gemacht werden, während die unteren Enden unverändert bleiben.
• Obwohl die „asymmetrische” Ausbildung des Wärmetauschers eine Verbesserung darstellt, ist es noch eine Aufgabe, die Effizienz des Tauschers weiter zu steigern – d. h., den Wärmeübergang zwischen den Wärmetauscherfluiden zu erhöhen, ohne dabei das Gewicht des Plattenwärmetauschers zu erhöhen.
• Die japanische Patentanmeldung Nr. 11173771 A , veröffentlicht am 2. Juli 1999, offenbart einen Plattenwärmetauscher, der unterschiedliche Druckabfälle in den Strömungswegen im Fall gleicher Massenströme hat.
• Dies wird durch Erhöhung der Teilung gemacht – d. h. der Entfernung zwischen Kontakten benachbarter Vorsprünge im Fischgrätenmuster. Diese bekannte Vorrichtung ist geeignet, Wärme zwischen Wasser und einem kühlenden Fluid auszutauschen, wobei das Wasser auf dem Strömungsweg fließt, der den kleineren Druckabfall hat. Durch Schaffung kleiner Vertiefungen in Teilen der Platten, welche die Wasserkanäle bilden, erreicht man, dass ein Gefrieren von Wasser dem Plattenwärmetauscher keinen Schaden zufügt. Jedoch werden die Kontaktbereiche zwischen den Platten relativ groß sein und für den Wärmetausch zwischen den Fluiden verloren gehen. Die kleinen Vertiefungen in den Kanälen, welche den Wasserstrom führen, werden entsprechend sehr enge Strömungskanäle im Strömungsweg für das kühlende Fluid mit sich bringen. Die Kontaktbereiche zwischen benachbarten Platten sind nicht starr miteinander verbunden, um die Elastizität des Plattenwärmetauschers zu steigern, aber die mechanische Festigkeit des Tauschers wird ziemlich gering sein, was den Tauscher für Fluide unter hohem Druck ungeeignet macht.
• Die japanische Patentanmeldung Nr. 11281283 A offenbart ebenfalls einen Wärmetauscher, bei dem die Druckabfälle der beiden wärmetauschenden Fluide im Fall gleicher Massenströme unterschiedlich sind. Entsprechend der Ausführungsform in 5 der erwähnten Veröffentlichung umfassen die Strömungswege, welche das Fischgrätenmuster bilden, Kanäle, die einen größeren Strömungsquerschnitt haben, wobei zwei kleine sekundäre Vertiefungen in den Kanälen mit größerem Querschnitt vorgesehen sind. Dies bedingt, dass der Strömungsweg mit einem insgesamt relativen hohen Druckabfall aus Teilen bestehen wird, die sehr unterschiedliche Druckabfälle verursachen. Dies ist ein unwirtschaftlicher Weg zur Nutzung des Materials im Tauscher für einen Wärmeaustausch. Auch wird – da die Teilung mit der steigenden Anzahl der sekundären Vertiefungen größer wird – die mechanische Festigkeit des Tauschers aufgrund der kleineren Anzahlen von Kontaktpunkten abnehmen, an denen die Platten starr verbunden werden könnten.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Gestaltung eines „asymmetrischen” Plattenwärmetauschers, bei dem das Material der Platten in einer wirtschaftlicheren Weise genutzt wird und somit die Effizienz verbessert wird, während eine hohe mechanische Festigkeit des Tauschers beibehalten wird.
• Erfindungsgemäß ist ein Plattenwärmetauscher, umfassend wenigstens zwei separate Strömungswege für primäre und sekundäre Fluide zum Wärmetausch, wobei die beiden Strömungswege im Wesentlichen durch Wärmetauscherplatten definiert sind, die mit fischgrätenartig angeordneten Erhöhungen und Vertiefungen versehen sind, wobei die Fischgrätenstrukturen von zwei Platten Spiegelbilder voneinander sind, und wobei jede zweite Platte um 180° in ihrer Ebene bezüglich den benachbarten Platten zu drehen ist, und unterschiedliche Druckabfälle bei gleichen Masseflüssen der beiden Fluide bereitstellen, wobei die Vertiefungen in wenigstens einigen Plattenpaaren, die den Strömungsweg mit dem geringeren Druckabfall definieren, wenigstens teilweise alternativ aus zwei unterschiedlichen Presstiefen (D₁, D₂) bestehen, gemessen von der Ebene, die durch die Oberseiten der Erhöhungen der Fischgrätenstruktur der Wärmetauscherplatte definiert wird, wobei sich die kleineren (D₂) zwischen zwei Oberseiten der Fischgrätenstruktur befinden und wenigstens 40% der größeren (D₁) betragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten miteinander verlötet sind und dass die Oberseiten der Erhöhungen, welche die Oberseiten einer benachbarten Platte dergestalt in Eingriff nehmen, dass ein Strömungskanal definiert wird, der einen höheren Druckabfall aufweist, einander im Wesentlichen entlang Punkten berühren, die durch Kreuzungslinien definiert sind.
• Die Erfindung wird detaillierter unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben:
• 1 Ist eine Aufsicht einer Platte eines bekannten Plattenwärmetauschers.
• 2 Zeigt schematisch die sich kreuzenden Strukturen von zwei Platten gemäß 1, die sich aufeinander befinden – nachdem eine von ihnen in ihrer Ebene gedreht wurde.
• 3 Ist ein Schnitt entlang der Linie A-A in 1.
• 4 Ist ein Schnitt entlang der Linie B-B in 1 in einem Stapel aus vier Platten gemäß 1.
• 5 Ist ein der 4 entsprechender Schnitt, aber durch einen bekannten „asymmetrischen” Plattenwärmetauscher.
• 6 Ist ein Schnitt, der denen in den 4 und 5 entspricht, jedoch durch einen Plattenwärmetauscher gemäß der japanischen Patentanmeldung Nr. 11173771 A .
• 7 Ist ein Schnitt entsprechend 6, aber durch einen Plattenwärmetauscher entsprechend der japanischen Patentanmeldung Nr. 11281283 A .
• 8 Ist ein Schnitt, der den Schnittdarstellungen in den 4–7 durch zwei benachbarte Platten eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung entspricht – die Platten sind getrennt dargestellt.
• 9 Ist ein Schnitt durch vier Platten in einem Wärmeaustauscher entsprechend der vorliegenden Erfindung.
• 1 ist eine Aufsicht einer Platte 1 eines bekannten und weit verbreitet verwendeten Plattenwärmetauschers, der mit einem Fischgrätenmuster aus Erhöhungen 2 und Vertiefungen 3 versehen ist. Im Tauscher wird ein Stapel Platten dieser Art gebildet, nachdem jede zweite Platte in dem Stapel in ihrer Ebene verdreht wurde. 2 zeigt, wie die Vorsprünge und Vertiefungen sich dann gegenseitig kreuzen werden.
• 3 – die ein Schnitt entlang der Linie A-A in 1 ist – zeigt die Teilung P und die Einpresstiefe D, beides Werte, die wichtig sind für die charakteristischen Eigenschaften des Plattenwärmetauschers.
• 4 ist ein Schnitt entlang der Linie B-B von 2 durch vier Platten in einem Wärmetauscher gemäß den 1–3. Die beiden Ströme aus wärmetauschenden Fluiden, die durch die Platten begrenzt sind, sind durch verschiedene Schraffuren gezeigt. Es ist verständlich, dass die beiden Strömungswege gleiche Druckabfälle bei gleichen Massenströmen bieten.
• Indem die Teilung P erhöht und die oberen Enden 2 der Vorsprünge abgeflacht werden, wird der Strömungsweg eines der Fluide einen größeren Querschnitt bekommen als der Strömungsweg des anderen Fluids.
• Jedoch werden, wie es in 5 gezeigt ist, die Kontaktbereiche zwischen den Wärmetauscherplatten viel größer sein. Diese Bereiche können nicht für den Wärmetausch zwischen den beiden Fluidströmen genutzt werden.
• 6 zeigt einen vorbekannten Plattenwärmetauscher entsprechend der japanischen Patentanmeldung Nr. 11173771 , welche einen Plattenwärmetauscher des „asymmetrischen” Typs zeigt, in dem die Plattenpaare, welche den Strömungsweg begrenzen, der die größere Querschnittsfläche hat, mit Vertiefungen geringerer Tiefen D₂ als die Einpresstiefen D₁ an den oberen Enden der Vorsprünge des Fischgrätenmusters versehen sind. Dies wurde gemacht, um den Plattenwärmetauscher gegen Schäden resistenter zu machen, die durch Eisbildungen verursacht werden. Die planen Kontaktflächen, die sich zwischen den Platten befinden und nicht für den Wärmetausch benutzt werden, existieren noch bei dieser Ausführungsform.
• Ein weiterer Vorschlag für die Herstellung eines „asymmetrischen” Plattenwärmetauschers wurde in der japanischen Patentanmeldung Nr. 11281283 A beschrieben. Hier wurden die Kontaktbereiche zwischen den Platten des Tauschers geschaffen, indem die ebenen Kontaktbereiche durch Bereiche ersetzt wurden, die kleine Vertiefungen enthalten. Dies wurde in 7 gezeigt, und es ist verständlich, dass der Strömungsweg, der den größeren Druckabfall hat, aus Kanälen mit großem Querschnitt und zumindest der doppelten Anzahl mit viel kleineren Querschnitten bestehen wird. Diese Formgebung ist für die Wärmeübertragung in den engen Kanälen schädlich, weil die Strömungsrate viel niedriger ist als in den Strömungskanälen, die weitere Querschnitte haben.
• 8 zeigt einen Schnitt entsprechend den Schnittdarstellungen gemäß den 4–7 durch zwei Wärmetauscherplatten gemäß vorliegender Erfindung. Eine primäre Presstiefe – d. h. der Abstand zwischen der Ebene, die durch die oberen Enden der Vorsprünge definiert ist, und der untersten Ebene, die durch die Böden der Vorsprünge definiert ist – wurde mit D₁ bezeichnet. Eine sekundäre Presstiefe, welche als Abstand zwischen der Ebene der oberen Enden der Vorsprünge des Fischgrätenmusters und einer Ebene des Bodens der kleineren Vertiefungen definiert ist, wurde mit D₂ bezeichnet. Die Teilung der Fischgrätenstruktur wurde mit P bezeichnet.
• Die Fischgrätenmuster der beiden Platten 4 und 5 in 8 sind Spiegelbilder voneinander, und somit werden zwei Werkzeuge zum Pressen der Platten benutzt. Auch sollte jede zweite Platte um 180 Grad in ihrer Ebene relativ zu den angrenzenden Platten im Stapel verdreht werden, um die sich kreuzenden Fischgrätenmuster zu bekommen. 9 ist ein Schnitt durch vier Platten 4, 5, 6 und 7 der in 8 gezeigten Typen und entsprechend den Schnitten C-C in den 4–7. Die drei Kanäle, die für die wärmetauschenden Ströme gebildet sind, sind durch zwei unterschiedliche Schraffuren dargestellt. Aus der 9 wird es ersichtlich, dass der Widerstand für den Strom, der durch die Platten 5 und 6 begrenzt ist, höher ist als der Widerstand für den Strom, der durch die Platten 4 und 5 oder 6 und 7 begrenzt ist. Jedoch werden die Kontaktbereiche zwischen den Platten auf einem Minimum gehalten, aber die Anzahl der Kontakte, an denen die Platten durch Verlöten miteinander verbunden sind, ist beträchtlich und wird dem Wärmetauscher mechanische Festigkeit geben. Es ist entscheidend, einen erheblichen Massenstrom von Fluid durch die Querschnitte aufrechtzuerhalten, die in 9 mit 8 bezeichnet sind. Der Massenstrom durch den Bereich 8 ist nahezu proportional zu seiner Querschnittsfläche, und dies hängt wiederum hauptsächlich von der Größe der Presstiefe D₂ ab. Eine geringe Einpresstiefe D₂ – wie z. B. in 7 gezeigt – wird den Bereich 8 klein machen und kann fast den Fluiddurchgang blockieren. Eine kleine sekundäre Presstiefe wird nahezu den gleichen Effekt haben wie die großen Kontaktbereiche zwischen den Vorsprüngen des in 5 gezeigten Fischgrätenmusters.

Claims (1)

1. Plattenwärmetauscher, umfassend wenigstens zwei separate Strömungswege für primäre und sekundäre Fluide zum Wärmetausch, wobei die beiden Strömungswege im Wesentlichen durch Wärmetauscherplatten (4–7) definiert sind, die mit fischgrätenartig angeordneten Erhöhungen und Vertiefungen (2, 3) versehen sind, wobei die Fischgrätenstrukturen von zwei Platten (4, 5) Spiegelbilder voneinander sind und jede andere Platte um 180° in ihrer Ebene bezüglich den benachbarten Platten zu drehen ist, und unterschiedliche Druckabfälle bei gleichen Masseflüssen der beiden Fluide bereitstellen, wobei die Vertiefungen in wenigstens einigen Plattenpaaren, die den Strömungsweg mit dem geringeren Druckabfall definieren, wenigstens teilweise alternativ aus zwei unterschiedlichen Presstiefen (D₁, D₂) bestehen, gemessen von der Ebene, die durch die Oberseiten der Erhöhungen der Fischgrätenstruktur der Wärmetauscherplatten definiert wird, wobei sich die kleineren (D₂) zwischen zwei Oberseiten der Fischgrätenstruktur befinden und wenigstens 40% der größeren (D₁) betragen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (4–7) miteinander verlötet sind, und dadurch, dass die Oberseiten der Erhöhungen, welche die Oberseiten einer benachbarten Platte dergestalt in Eingriff nehmen, dass ein Strömungskanal definiert wird, der einen hohen Druckabfall aufweist, einander im Wesentlichen entlang Punkten berühren, die durch Kreuzungslinien definiert sind.

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