DE602004007283T2

DE602004007283T2 - Wärmetauscher und seine verwendung

Info

Publication number: DE602004007283T2
Application number: DE602004007283T
Authority: DE
Inventors: Tanzi Besant; John Coplin; Albert Demargne; Arnold James Stuart Etwall PRATT
Original assignee: Hiflux Ltd
Current assignee: Hiflux Ltd
Priority date: 2003-10-02
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2008-03-06
Anticipated expiration: 2024-10-01
Also published as: WO2005033607A1; CA2539348C; JP4586024B2; DE602004007283D1; US20070084593A1; AU2004278549A1; US8616269B2; EP1680641A1; AU2004278549B2; ATE365901T1; JP2007507684A; EP1680641B1; CA2539348A1

Description

Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und seine Anwendung in verschiedenen industriellen Verwendungen. Mehrere solcher Verwendungen sind hier weiter unten detaillierter beschrieben, jedoch stellt die Verwendung in einer Gasturbinenanlage eine bevorzugte Klasse von Ausführungsbeispielen dar.
Hintergrund der Erfindung
Gasturbinen werden häufig bei der dezentralen Erzeugung von elektrischem Strom und auch in Transportmitteln verwendet. Es gibt Probleme bei der Bereitstellung geeigneter Wärmetauscher (Rekuperatoren) bei diesen und anderen Verwendungen, die ausreichend gut arbeiten und auch die entsprechenden Abmessungen, Kosten und Leistungsparameter aufweisen.
Bei Gas-Gas-Wärmetauschern sind Platten- und Rippen- oder Platten- und Rohranordnungen gewöhnlich wünschenswert. Herkömmliche Platten- und Rohrwärmetauscher umfassen eine Konstruktion, bei der ein Fluid durch Rohrleitungen fließt, die durch ein Paket paralleler Platten verlaufen. Das zweite Fluid fließt in den Zwischenräumen zwischen den Platten.
Die US-A-5 845 399 offenbart einen Wärmetauscher aus Kohlefaserverbundwerkstoff, in dem Kohlefasern durch die Ebene parallel laminierter Kohlefaserplatten verlaufen und zwischen ihnen alternierend einen Durchflussweg für das erste und das zweite Fluid definieren.
Wie in der GB-A-2 122 738 beschrieben, umfasst ein korrosionsresistenter Wärmetauscher Durchflusskanäle, die durch Trennwände aus korrosionsresistentem Material wie Kunststoff voneinander getrennt sind, durch die Rippen zur Wärmeübertragung aus Keramik verlaufen.
Ein weiterer Wärmetauscher, der Platten mit Zinnen umfasst, die separate Durchflusswege voneinander trennen, ist in der US-A-4 771 826 beschrieben.
Die EP-A-714 500 betrifft einen Wärmetauscher, umfassend Wärme leitende Drähte, die durch Schichten, die die Kanäle voneinander trennen, verlaufen, die durch einen Füllungsbereich definiert sind, der durch Nylonabstandsdrähte begrenzt ist, die in Ebenen angeordnet sind, die orthogonal zur Richtung der Wärme leitenden Drähte verlaufen.
Die DE-A-100 25 486 offenbart einen Wärmetauscher, bei dem flach gezogene Rohre eine plattenartige Struktur bilden, in der alternierende Zwischenräume zwischen den "Platten" entsprechende Durchflusswege definieren, und die gesamte Struktur wird durch Stifte bzw. Stäbe durchzogen.
Die US-A-6 305 079 beschreibt einen Wärmetauscher mit Zellenstruktur. Jede "Zelle" umfasst ein Paar von Platten, die mit rippenartigen Strukturen verbunden sind, um die Wärme übertragende Fläche zu vergrößern. Der Raum zwischen den Platten jeder Zelle wird durch die rippenartigen Strukturen überbrückt. Relativ warme und kalte Flüsse werden zwischen den alternierenden Platten durchgeführt. Die Zellen werden dadurch getragen, dass an jedem ihrer Enden eine gefaltete, balgartige Struktur angeformt ist.
Die US-A-2 812 618 offenbart eine Platten- und Stiftanordnung, bei der Stifte mit nicht rundem Querschnitt hinsichtlich ihres Querschnittes alternierend von Platte zu Platte durch den Wärmetauscher hindurch angeordnet sind. Die wechselnde Ausrichtung ist so, dass die Stifte nicht alle koaxial zueinander stehen. Ein weiteres Design, in dem benachbarte Platten durch Stifte verbunden sind, wird in der GB-A-2 000 268 offenbart. Der Wärmetauscher, der in der FR-A-2 292 945 beschrieben wird, weist Plattenpaare auf, die durch Stifte verbunden sind, die über die äußeren Oberflächen der Plattenpaare hinausragen.
Es bleibt der Fakt, dass Platte-Stift-Designs und Zellendesigns bisher durch ihre Unfähigkeit, einen langen Betrieb bei hohen Temperaturen (typischerweise über 650°C) auszuhalten, ernsthaft beschränkt sind, genau dort, wo der Nutzen der Rückgewinnung für die Leistung von Gasturbinen am größten ist.
Definition der Erfindung
Im weitesten Sinne ist ein Wärmetauscher entsprechend der vorliegenden Erfindung so aufgebaut, dass die beiden Fluids zwischen alternierenden Zwischenräumen zwischen den Platten und Stiftelementen, die durch eine oder mehrere Platten verlaufen, fließen können. Diese Art der Konstruktion kann eine strukturelle Festigkeit zur Verfügung stellen und signifikant zur Wärmeübertragung beitragen. Die Platten sind vorzugsweise in entsprechenden Zellen angeordnet, von denen jede mehrere Platten umfasst, die durch Stifte verbunden sind. Der Aufbau von Wärmetauschern entsprechend der verschiedenen Ausführungsbeispiele verbessert die Fähigkeit, bei hohen Temperaturen und Drücken zu arbeiten und/oder verleiht andere Vorteile.
Eine erste Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt einen Wärmetauscher zur Verfügung umfassend mehrere Platten, von denen jede eine erste und eine zweite Oberfläche zur Wärmeübertragung auf reversierenden Seiten aufweist, diese Platten sind in Paketen mit Zwischenräumen zwischen einander gegenüber liegenden Oberflächen zur Wärmeübertragung von einander benachbarten Platten angeordnet, alternierende Zwischenräume im Paket bilden jeweils einen ersten Fluiddurchflussweg für ein erstes Fluid und einen zweiten Fluiddurchflussweg für ein zweites Fluid, und wobei die Platten in mehreren Gruppen angeordnet sind, von denen jede mindestens zwei Platten umfasst, zur Verfügung stehende Stiftelemente bilden mehrere Stiftgruppen, die Stifte jeder Stiftgruppe sind angeordnet, um Platten einer entsprechenden Plattengruppe zu verbinden, wobei die Stiftelemente auch außen liegende Stifte umfassen, die von den äußersten Oberflächen zur Wärmeübertragung von mindestens einer Plattengruppe ausgehen, diese außen liegenden Stifte enden in entsprechenden stiftfreien Enden, und wobei wenigstens einige Stifte nur von der ersten Oberfläche zur Wärmeübertragung von mindestens einer Platte in mindestens einer Gruppe ausgehen und hinsichtlich der Stifte, die nur von der zweiten Oberfläche zur Wärmeübertragung dieser Platte ausgehen, versetzt sind, diese voneinander versetzten Stifte sind an diese Platte hart angelötet oder angeschweißt.
Eine zweite Ausführung der vorliegenden Erfindung stellt einen Wärmetauscher zur Verfügung umfassend mehrere übereinander angeordnete Paare von Platten, zwischen denen sich ein Zwischenraum befindet, die Platten in jedem Paar besitzen eine entsprechende sich jeweils gegenüber liegende innere Oberfläche zur Wärmeübertragung, deren Zwischenraum einen ersten Durchflussweg für ein erstes Fluid definieren, und die Platten in jedem Paar besitzen jeweils eine entsprechende äußere Oberfläche zur Wärmeübertragung, die auf der Rückseite der Oberfläche zur Wärmeübertragung liegt, die äußere Oberfläche zur Wärmeübertragung einer Platte in einem Paar ist mit einem Zwischenraum zu einer gegenüber liegenden Oberfläche zur Wärmeübertragung einer Platte in einem benachbarten Paar versehen, der einen zweiten Durchflussweg für ein zweites Fluid definiert, die Platten eines Paares sind durch den ersten Durchflussweg hindurch durch mehrere Stifte verbunden, wobei die Stiftelemente auch äußere Stifte umfassen, die von den äußersten Oberflächen zur Wärmeübertragung von mindestens einem Plattenpaar ausgehen, diese äußeren Stifte enden in entsprechenden stiftfreien Enden, und wobei wenigstens einige Stifte nur von der ersten Oberfläche zur Wärmeübertragung von mindestens einer Platte in mindestens einem Paar ausgehen und hinsichtlich der Stifte, die nur von der zweiten Oberfläche zur Wärmeübertragung dieser Platte ausgehen, versetzt sind, diese voneinander versetzten Stifte sind an diese Platte hart angelötet oder angeschweißt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die Fließrichtungen des ersten und des zweiten Fluids jeweils zwischen alternierenden Gruppen von Platten im Paket können in der gleichen Richtung zueinander verlaufen oder vorzugsweise entgegengesetzt zueinander oder sogar orthogonal oder in jedem anderen Winkel zueinander verlaufen. Der Ausdruck "Fluid", wie er hier verwendet wird, umfasst sowohl Flüssigkeiten als auch Gase, und unabhängig voneinander können das erste und das zweite Fluid sowohl das eine als auch das andere sein.
Obwohl vorzugsweise substantiell alle Platten im Wärmetauscher die Konfiguration (z.B. hinsichtlich der Stiftelemente) aufweisen sollten, die in jeder Ausführung der vorliegenden Erfindung definiert ist, kann der Wärmetauscher optional auch Platten beinhalten, die nicht mit dieser Definition übereinstimmen und/oder andere Strukturen, speziell andere Strukturen zum Wärmeaustausch.
Die Verwendung von Stiften zur Verbindung der Platten gestattet eine Anordnung der Wärme übertragenden Oberflächen, die die Verwendung dickerer, für hohe Temperaturen geeigneter Materialien ermöglicht, die so gefertigt sind, dass sie die Robustheit und Zuverlässigkeit besitzen, die derzeitige Rekuperatoren vermissen lassen. Der Nachteil der Verwendung zusätzlichen Materials wird durch die verbesserte Wärmeübertragung gemildert, die nicht nur entlang der Platten, sondern auch durch die Stifte hindurch vorhanden ist. In dieser Form ist der Wärmetauscher in der Lage, ununterbrochen bei hohen Temperaturen zu arbeiten.
Ein Wärmetauscher entsprechend der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens 2, z.B. 10 oder mehr Gruppen von Platten, die durch Stifte verbunden sind. Es gibt keine allgemeine obere Grenze für die Anzahl der Plattenelemente, sondern hinsichtlich der Anwendung, es könnten 100-te oder 1000-de, z.B. 10000, sein. Jedoch sind Einheiten mit 60 bis 600 Platten typisch. Es gibt ebenfalls keine obere Grenze für die Anzahl von Plattengruppen. Die Stifte, die von der einen Wärme übertragenden Oberfläche ausgehen, sind radial versetzt (d.h. abgesetzt) von denen, die von der anderen Wärme übertragenden Oberfläche ausgehen. Das ist vorteilhaft für die Herstellung des Wärmetauschers, wie hier weiter unten detaillierter beschrieben wird.
Es ist vorteilhaft für die Stiftelemente auch äußere Stifte zu umfassen, die von den äußersten Wärme übertragenden Oberflächen wenigstens einer Plattengruppe ausgehen, diese weiteren Stifte enden in entsprechenden stiftfreien Enden. Vorzugsweise ist ein Zwischenraum zwischen den Enden der Stifte einer Gruppe und den Enden der Stifte einer benachbarten Gruppe vorhanden. Vorzugsweise ist der Fluiddruck bei Fluidflüssen, die zwischen alternierenden Zwischenräumen zwischen Platten fließen, in denen die Enden solcher Stiftsegmente vorhanden sind, geringer als in alternierenden Zwischenräumen zwischen Platten, durch die die Stiftelemente durchgehend verlaufen.
Jede Plattengruppe kann aus zwei Platten bestehen, jedoch können Gruppen aus mehr als zwei Platten durch individuelle Stiftelemente verbunden sein, vorzugsweise Gruppen mit einer beliebigen geraden Anzahl von Platten, wie vier, sechs, acht oder mehr. Nochmals, vorzuziehen ist ein Zwischenraum zwischen den Enden von Stiften in einer solchen Gruppe verbundener Platten und den Enden von Stiften, die durch eine benachbarte Gruppe verlaufen. Während die Stifte zwischen den Reihen radial voneinander abgesetzt oder versetzt sind, was äußerst wünschenswert ist, stehen Stifte, die einander gegenüber liegende Enden, die durch einen Zwischenraum getrennt sind, aufweisen, trotzdem substantiell in einer Linie zueinander. Jedoch könnten wenigstens einige Stifte mit einander gegenüber liegenden Enden abgesetzt (versetzt) voneinander sein.
Die Größe jedes dieser Zwischenräume zwischen Stiftenden beträgt vorzugsweise 1 % bis 50 %, noch wünschenswerter 2 % bis 20 % der Größe des Zwischenraumes zwischen den Platten, durch die diese Stiftsegmente verlaufen und in den entsprechenden Enden auslaufen.
Vorzugsweise sind die Stifte massiv, jedoch ist auch eine hohle oder wabenartige Struktur möglich. Ebenfalls vorzuziehen ist ein zylindrischer Querschnitt der Stifte, jedoch auch andere Querschnittsformen wie elliptisch, polygonal oder flügelprofilförmig sind möglich, und insgesamt ist die Erfindung nicht auf irgendeine Form beschränkt. Des Weiteren ist es nicht absolut erforderlich, dass alle Stifte die selbe Querschnittsform und/oder den selben Querschnittsdurchmesser aufweisen. Zum Beispiel kann der Stiftdurchmesser örtlich variieren, um technische oder Herstellungszwänge zu berücksichtigen, oder die Stiftgruppierung kann Stifte mit kleinerem Durchmesser beinhalten, die sich mit Stiften mit größerem Durchmesser in einer Reihe abwechseln. Auch ist es tatsächlich nicht erforderlich, dass die Stifte entlang ihrer Achsen rein zylindrisch sind. Der Querschnitt eines Stiftes kann entlang seiner Achse in Größe und Form variieren, z.B. kann er konisch oder rund am Ende sein und im Mittelteil eine Flügelprofilform aufweisen. Eine mögliche Form der Verjüngung ist eine Verbreiterung hin zu den Enden und eine Verjüngung hin zur Mitte.
Um den aerodynamischen Fluss um die Stifte herum und/oder ihre Wärmeübertragungskapazität zu verbessern, können einige oder alle Stifte Unregelmäßigkeiten wie Vorsprünge oder Rippen (z.B. kreisförmige oder spiralförmige Rippen) aufweisen oder ihre Oberfläche kann auf andere Weise durch Aufrauen vergrößert sein, z.B. durch Verwendung einer geeigneten Beschichtung wie sie bei der Aluminiumbedampfung verwendet wird, oder durch eine Oberflächenbehandlung wie dem Abstrahlen.
Die Stifte sind vorzugsweise in Reihen senkrecht zur Richtung des Fluidflusses angeordnet, jedoch sind die Stifte in alternierenden Reihen zu denen in (der) korrespondierenden benachbarten Reihe(n) vorzugsweise gegeneinander versetzt, so dass von oben betrachtet die Enden der Stifte an den Scheiteln eines Dreiecks (z.B. eines substantiell gleichseitigen Dreiecks) angeordnet erscheinen, dessen eine Seite substantiell senkrecht zur Fließrichtung verläuft. Das Verhältnis des Winkels der Seite, die senkrecht (oder fast senkrecht) zur Fließrichtung steht, zu dem des axialen Winkels der Stifte kann variieren, zum Beispiel von 0,4 bis 4, besser von 1 bis 1,2, was mit Stiften korrespondiert, die in einer substantiell gleichseitigen Anordnung angeordnet sind, wobei eine Seite vorzugsweise senkrecht zur Fließrichtung steht. Jedoch ist auch eine andere Konfiguration möglich, bei der die "Seite" dieses nominellen Dreiecks in einem spitzen Winkel zur Fließrichtung steht.
Im Fall von zylindrischen Stiften beträgt ihr mittlerer Querschnittsdurchmesser vorzugsweise von 0,1 mm bis 10 mm, besser von 0,5 mm bis 3 mm. Die mittlere Plattendicke beträgt vorzugsweise von 0,1 mm bis 3 mm.
Der Zwischenraum zwischen benachbarten Platten in jeder einzelnen Gruppe ist vorzugsweise über die Fläche der Platten substantiell konstant und vorzugsweise ebenfalls von einem Plattenzwischenraum zum nächsten. Jedoch können diese Zwischenräume in einigen Fällen variieren. Vorzugsweise ist auch der Zwischenraum zwischen Platten in einer Gruppe substantiell der gleiche wie auch in einer oder mehreren, vorzugsweise allen anderen Gruppen. Der Zwischenraum zwischen verschiedenen Plattenpaaren muss nicht unbedingt derselbe sein. Der Zwischenraum zwischen benachbarten Platten, die Stiftenden beinhalten, beträgt vorzugsweise das 0,1- bis 100-fache des mittleren Querschnittsdurchmessers, besser das 1- bis 10-fache. Der Zwischenraum zwischen Platten, die komplett durch individuelle Stifte oder Stiftelemente verbunden sind, beträgt vorzugsweise das 0,1- bis 100-fache des mittleren Querschnittsdurchmessers, besser das 1- bis 10-fache.
Die Platten sind vorzugsweise substantiell eben, können jedoch an einem Teil oder substantiell über ihre gesamte Hauptfläche gekrümmt sein. Die Platten können auch in radialer Form angeordnet sein. In diesem Fall sind sie in einer involuten Form gekrümmt, um die Zwischenräume zwischen benachbarten Platten substantiell konstant zu halten. Die Fließrichtung kann für die beiden Fluids jeweils radial und/oder axial sein.
Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des mittleren Zwischenraumes zwischen den Platten, die den ersten Fluiddurchflussweg in einem zentralen Bereich des Wärmetauschers definieren, zum mittleren Zwischenraum zwischen Platten, die den zweiten Fluiddurchflussweg im selben Bereich definieren, von 1 : 100 bis 100 : 1, besser von 1 : 10 bis 10 : 1.
Allgemein gesagt, werden der Zufluss und der Abfluss des relativ warmen und des relativ kalten Fluids durch eine entsprechende Hauptdurchführung geleitet. Entsprechende Übergangselemente stehen zur Verfügung, so dass diese mit den relevanten Enden des ersten bzw. zweiten Fluiddurchflussweges im Körper des Wärmetauschers kommunizieren können. In einer Klasse von Ausführungsbeispielen, von denen Beispiele hier weiter unten beschrieben werden, verjüngen sich an einem oder dem anderen oder an beiden Enden des Wärmetauschers, jedoch vorzugsweise zumindest an dem Ende, an dem der Abfluss des Fluids mit dem relativ geringeren Druck vorhanden ist, die Ränder der Platten generell parallel zur Fließrichtung im Hauptkörper des Wärmetauschers nach innen (d.h. so, dass sich die Breite der Platten verringert; diese Breite korrespondiert mit der "Höhe" des Wärmetauschers entlang der z-Achse entsprechend der weiter unten aufgeführten Definition). Das Gas mit dem höheren Druck wird dann durch eine Kopfleitung zugeführt, während der Abfluss des Fluids mit dem geringeren Druck in einem Verteiler aufgefangen wird, der die Kopfleitung und die zugehörige Zuführungseinrichtung umgibt.
Die am meisten bevorzugte Querschnittsform der Platten ist generell bzw. substantiell rechteckig. Jedoch sind auch andere Formen möglich. Vorzugsweise haben aber alle bzw. die meisten Platten substantiell die gleiche Form. Vorzugsweise haben sie substantielle die selbe Dicke.
Wie oben gesagt, verringert sich in einer bevorzugten Klasse von Ausführungsbespielen die Breite im Verlaufe der Platten in eine Richtung, die annähernd oder substantiell orthogonal zur Fließrichtung von mindestens einem der ersten oder zweiten Fluids verläuft, progressiv in einem entsprechenden Bereich, der sich dem Zufluss des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids nähert.
Ebenfalls vorzugsweise werden der Zufluss und/oder der Abfluss eines der ersten und zweiten Fluids durch entsprechende Rohrleitungen geführt, die durch das Plattenpaket verlaufen und mindestens eine Öffnung in den entsprechenden ersten Fluiddurchflussweg und/oder zweiten Fluiddurchflussweg aufweisen. Bei diesem Aufbau werden vorzugsweise auch Zufluss und/oder Abfluss des anderen von den ersten und zweiten Fluids innerhalb einer entsprechenden Verteilerwand geführt, die die entsprechenden Rohrleitungen zumindest teilweise umgibt.
Substantiell ist an beiden Enden des Wärmetauschers der selbe Aufbau wünschenswert. Optional mit Kopfleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern. Es ist auch möglich, für die Anordnung der Zuführungsvorrichtung an jedem Ende der Vorrichtung mehr als eine Kopfleitung einzubeziehen, und es ist ebenfalls tatsächlich möglich, das ein Ende eine andere Anzahl solcher Leitungen aufweist als das andere.
Es ist vorteilhaft, den Wärmetauscher in Modulbauweise zu fertigen, wobei er aus Modulen bzw. Einheiten hergestellt wird, die jeweils einen Teil der Gesamtanzahl der Platten mit entsprechenden Durchführungen zur Führung der beiden Fluidströme in jedes Modul hinein und aus ihm hinaus umfassen. Das gestattet Flexibilität bei der Konfiguration der Gesamtgröße eines Wärmetauschers entsprechend den speziellen Anwendungserfordernissen. Das ist auch vom Gesichtspunkt der Wartung her vorteilhaft. So ein modularer Aufbau kann einfach ein Gehäuse umfassen, in dem die Module angeordnet werden. Im Falle einer Gasturbine könnten solche Module um den Turbinenschaft herum angeordnet werden.
In dieser Patentbeschreibung werden, wenn nicht konkret auf Gegenteiliges verwiesen wird, die folgenden Definitionen verwendet. Im Falle eines quadratischen oder rechteckigen Blockes wird die Dimension entlang der Zwischenräume zwischen den Platten in der Richtung der Strömung als Länge oder x-Achse bezeichnet. Die Dimension durch den Querschnitt der Platten senkrecht zu ihren Wärme übertragenden Oberflächen wird mit Breite oder y-Achse bezeichnet. Die Dimension durch die Zwischenräume der Platten (die im Allgemeinen in den am meisten bevorzugten Ausführungsbeispielen senkrecht zur Durchflussrichtung der Fluids verläuft) wird als Höhe oder z-Achse bezeichnet. Der Einfachheit halber werden die Begriffe Länge, Breite und Höhe, wenn anwendbar, auch auf die einzelnen Kanalelemente wie auch auf die gesamte Matrix des Wärmetauschers angewendet.
Im Falle einer zylindrischen Anordnung, wenn die Längsausdehnung der Kanalelemente parallel zur Symmetrieachse des Zylinders verläuft, ist die Dimension die z-Achse, die radiale Richtung, die r-Achse und die Winkelposition θ.
Im weitesten Sinne können die Platten und/oder Stifte jeweils aus beliebigen metallischen, keramischen oder Verbundmaterialien hergestellt werden. Im konkreteren Fall können die Platten und/oder Stifte aus Hochtemperaturlegierungen zum Beispiel von der Art hergestellt werden, wie sie gewöhnlich für die Herstellung von Turbinenschaufeln verwendet werden. Alternativ kann Hochtemperaturkeramik verwendet werden. Für Anwendungen mit weniger hohen Anforderungen an Druck und Temperatur können die Platten und Stifte aus Hochtemperaturstählen gefertigt werden. Die Stifte können aus dem gleichen Material wie die Platten hergestellt werden. Jedoch können einzelne Stifte aus anderen Materialien hergestellt werden als aus den Materialien für andere Stifte, abgestuft entlang der Fluidflussrichtung z.B. aus einer Nickellegierung an einem Ende und aus rostfreiem Stahl am anderen. Das hat dadurch einen Kostenvorteil, weil relativ teuere Materialien nur für die Stifte verwendet werden müssen, die während des Betriebes den Bedingungen mit den höchsten Belastungen ausgesetzt sind. Das Material für die Stifte kann nach und nach in der Zusammensetzung geändert werden oder diskrete Gruppen aus unterschiedlichen Zusammensetzungen umfassen.
Stifte der Stiftelemente sind in dem Sinne in eine Platte "integriert", dass sie nur von einer ihrer Oberflächen ausgehen, jedoch mindestens ein Ende an eine Wärme übertragende Oberfläche einer Platte angeschweißt oder hart angelötet ist. Als eine Variante dieses Verfahrens kann ein Ende jedes Stiftes in eine entsprechende Bohrung in jeder Platte eingesetzt werden, so dass es substantiell bündig mit einer ihrer Flächen abschließt, und dann durch Schweißen oder Hartlöten fixiert wird. Bei diesem Verfahren kann Schweißen oder Hartlöten an einer oder beiden Plattenoberflächen angewendet werden.
So kann zum Beispiel die Verbindung der Stifte an der Platte oder den Platten und die Abgrenzung eines Fluids vom anderen durch Laserschweißen erreicht werden. Alternativ kann auch eine Beschichtung, wie oben erwähnt (z.B. Aufdampfen von Aluminium), verwendet werden, um die Stifte mit den Platten zu verbinden und die beiden Fluids voneinander abzugrenzen.
Somit stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers entsprechend der vorliegenden Erfindung zur Verfügung, die Methode umfasst die Zurverfügungstellung eines oder mehrerer Werkstücke(s) und die integrierte Formung der Platten und der Stiftelemente aus diesem Werkstück bzw. diesen Werkstücken.
Die radial versetzten Stifte, die jeweils von gegenüber liegenden Oberflächen einer Platte ausgehen, sind besonders geeignet für die "integrierte" Anformung von Stiften durch Schweißen oder Hartlöten. Hartlöten ist normalerweise nur an einer offen liegenden Plattenoberfläche möglich, die nicht durch eine benachbarte Platte unzugänglich ist. Die Stifte können an eine oder beide Oberflächen einer ersten Platte angeschweißt werden und dann kann eine zweite benachbarte Platte an die freien Enden der Stifte der ersten Platte angesetzt werden und z.B. von der Rückseite angeschweißt werden. Das Rückseitenschweißen ist möglich, weil die Stifte der einen Plattenseite bezüglich denen der anderen Seite nicht in-line angeordnet sind. Das alternative Verfahren des Hartlötens ist möglich, wenn die Stifte mit ihrem einen Ende in Bohrungen in den Platten eingesetzt sind, so dass sie bündig mit der Rückseite abschließen. In einer Variante dieses Verfahrens können, wenn die Platten zusammen gesetzt werden, einige der Stifte (z.B. die Hälfte) an einer Platte und einige an der anderen Platte vorbefestigt sein. Das Schweißen oder Hartlöten wird dann auf den Seiten der Platten ausgeführt, die die Rückseiten der miteinander verbundenen Seiten bilden.
Das Verfahren kann dadurch realisiert werden, dass Bohrungen in die Platten eingebracht werden, entsprechende Stiftelemente in bzw. durch die Bohrungen eingesetzt werden und die Stiftelemente an wenigstens einem Eintritts- oder Austrittspunkt in die oder aus den Bohrungen durch Schweißen, genauer Laserschweißen, fixiert werden. Das, weil dann die Schweißnaht eine hohe Vollständigkeit aufweist und in der Lage ist, die beiden Fluids voneinander abzugrenzen. Der Prozess führt auch zur Ausbildung von Erhebungen in der Nähe der Schweißnaht in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen um den Umfang (des) der Stifte(s) herum. Diese Erhebungen sind vorteilhaft für die Wärmeübertragung.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass andere Merkmale, die für einen Wärmetauscher entsprechend eines Ausführungsbeispiels als bevorzugt oder optional erwähnt werden, jedoch nicht in der Definition eines anderen Ausführungsbeispiels enthalten sind, auch in einem Wärmetauscher entsprechend diesem anderen Ausführungsbeispiel enthalten sein können.
Der Wärmetauscher nach jedweder Ausführung der vorliegenden Erfindung ist besonders für die Verwendung mit einer Energie erzeugenden Vorrichtung geeignet. Die Energie erzeugende Vorrichtung kann eine Gasturbine umfassen. Tatsächlich ist ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ein Rekuperator für eine Gasturbine.
Ein Wärmetauscher nutzt heißes Turbinenabgas, um Verdichteraustrittsluft vor dem Eintritt in die Brennkammer vorzuwärmen und verringert dadurch die Brennstoffmenge, die erforderlich ist, um die hohe Turbineneintrittstemperatur zu erreichen, die für die Effizienz benötigt wird. 1 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine Gasturbine mit Wärmetauscher, die genutzt wird, um einen Generator für die Produktion von Elektrizität anzutreiben.
Ein Verdichter 1A, eine Turbine 3A und ein Generator 5A sind auf einem gemeinsamen Schaft 7A angeordnet. In der konventionellen Art treibt die Turbine 3A den Verdichter 1A und den Generator 5A an. Der Verdichter 1A verdichtet kalte Eintrittsluft, die durch einen Wärmetauscher 9A und dann in eine Brennkammer 11A geleitet wird, deren Ausgangsleistung die Turbine 3A antreibt. Das definiert einen kalten Durchflussweg 13A durch den Wärmetauscher. Das Abgas der Turbine 3A wird durch den warmen Durchflussweg 17A des Wärmetauschers geleitet, um verdichtete Luft im kalten Durchflussweg 13A zu erwärmen und gelangt dann durch den endgültigen Auslass 19A hinaus. Die Drehung des Schaftes 7A treibt sowohl den Verdichter 1A als auch den Generator 5A zur Stromerzeugung an.
Die Leistung von Wärmetauschern wird primär mit den Begriffen Effektivität des Wärmeaustausches und dem damit zusammen hängenden Druckverlust quantifiziert. Die Effektivität eines Wärmetauschers ist ein Maß des Prozentsatzes der Wärme, die aus dem warmen Abgas gewonnen und an die kältere Luft vom Verdichter übertragen wird. Ein guter Wärmetauscher sollte eine Effektivität von über 75 %, vorzugsweise um 90 %, aufweisen. Der Druckverlust im Wärmetauscher muss gering gehalten werden, da er zur Verringerung des Entspannungsverhältnisses in der Turbine führt, was wiederum abträglich für die Leistungsabgabe ist. Druckverluste sollten unter 10 %, Idealerweise unter 5 %, liegen.
Das Vorhandensein eines Wärmetauschers verbessert erheblich die Effizienz der Art von kleinen Gasturbinen, die für die dezentrale Energieerzeugung verwendet werden. Typischerweise arbeiten derzeitige Mikroturbinen ohne Wärmetauscher mit Wirkungsgraden von unter 20 % verglichen mit um die 30 % oder mehr bei Vorhandensein eines Wärmetauschers im Betriebszyklus. Abwärme im Abgas des Wärmetauschers kann genutzt werden, um Heizung für Haushalte zur Verfügung zu stellen (Kraft-Wärme-Kopplung), was die Effizienz für den Endverbraucher weiter effektiv erhöht. Jedoch erfordern signifikante Verbesserungen der Gesamteffizienz höhere Betriebstemperaturen der Turbinen und somit höhere Temperaturen der Turbinenabgase, als derzeitige Wärmetauscher verarbeiten können.
Alternativ kann der Wärmetauscher an einen Turbolader oder Superlader einer Kolbenkraftmaschine angeschlossen werden. Der Wärmetauscher kann genutzt werden, um Luft zu kühlen, vorzugsweise nach der Verdichtung der Luft im Turbolader oder Superlader, bevor die Luft in die Kolbenkraftmaschine gelangt.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel dient die Erfindung als Boiler mit einem Wärmeübertragungsmechanismus in Form einer Wärmetauschervorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Eine weitere Energiequelle, bei der ein Wärmetauscher entsprechend der vorliegenden Erfindung Verwendung finden könnte, ist eine Brennstoffzelle. Zum Beispiel kann die Wärme von einer Zelle, die bei höherer Temperatur arbeitet zum Vorheizen der Luft und des Brennstoffes, die in die Zelle gelangen, genutzt werden. Das minimiert die Wärme, die durch andere Mittel zur Verfügung gestellt werden muss, um die Zelle auf ihre Betriebstemperatur zu bringen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Wärmetauschervorrichtung entsprechend der Erfindung genutzt, um Gas vor der Expansion in einem Gasexpander vorzuwärmen. Hochdruckgas wird manchmal verwendet, um einen turbinengetriebenen Stromgenerator anzutreiben. Das Vorheizen des Gases vor der Expansion erhöht die Ausgangsleistung und kann die Bildung von Eispartikeln im Turbinenexpander verhindern.
Die vorliegende Erfindung kann auch für einen Wärmetauscher entsprechend der vorliegenden Erfindung in Anspruch genommen werden, der mit der Zuführung der entsprechenden ersten und zweiten Fluids verbunden ist, von denen jedes flüssig oder gasförmig sein kann und jedes wärmer als das andere sein kann. Jedoch ist es besonders vorzuziehen, wenn das erste Fluid ein warmes Gas und das zweite Fluid ein kaltes Gas ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun genauer in der folgenden Beschreibung preferierter Ausführungsbeispiele und mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 eine schematische Zeichnung der Verwendung eines Wärmetauschers in Zusammenhang mit einer herkömmlichen Gasturbine darstellt;
2 eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Kerns einer ersten Art von Wärmetauscher, der nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, darstellt;
Die 3A–3C eine Auswahl möglicher Stiftgeometrien mit variierenden Querschnitten darstellen;
4 eine schematische Ansicht eines Endes eines Wärmetauscherkerns der Art, die in 2 dargestellt ist, darstellt;
5 eine schematische Ansicht eines alternativen Zuführungsaufbaus darstellt, der um zwei Kopfleitungen herum angeordnet ist, anstatt um eine einzelne Leitung, wie in 4 dargestellt;
6 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des Kerns und der Zuführung darstellt, bei dem die Zuführung an einem Ende unterschiedlich von der am anderen ist;
7 eine alternative Stiftkonfiguration zu der in 2 dargestellten zeigt;
8 eine involute Form einer Plattenkonfiguration darstellt;
Die 9A und 9B jeweils eine Anordnung von Stiften, die durch Platten hindurch gehen, und von Stiften, die durch Platten verlaufen, jedoch als integraler Bestandteil in diese eingeformt sind, darstellen;
10 eine schematische Ansicht eines Niederdruckwärmetauschers, der nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, darstellt;
11 Oberflächenmerkmale darstellt, die durch das Laserverschweißen von Stiften mit Platten verursacht werden;
12 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Wärmetauschers entsprechend der Erfindung darstellt, wobei die Stifte zwischen den Lagen abgesetzt voneinander bzw. versetzt zueinander sind;
13 eine Draufsichtsebene des Wärmetauschers, der in 12 dargestellt ist, zeigt;
14 einen Schnitt durch den Wärmetauscher, der in den 12 und 13 dargestellt ist, zeigt;
15 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines anderen Wärmetauschers darstellt, der nicht der Erfindung entspricht, der vier Platten in einer Gruppe und in Linie angeordnete Stifte aufweist; und
16 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers entsprechend der Erfindung darstellt, der vier Platten pro Gruppe und gegeneinander versetzte Stifte aufweist.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen aus dem Hintergrund und von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
In vielen Ausführungsbeispielen, die hier weiter unten beschrieben werden, sind aus Gründen der Vereinfachung nur zwei Gruppen von Platten dargestellt. Jedoch sollte verstanden werden, dass in der Praxis gewöhnlich mehrere solcher Gruppen vorhanden sind.
2 der beiliegenden Zeichnungen zeigt eine perspektivische Ansicht eines Teils eines Kerns 1 einer ersten Art von Wärmetauscher. Der Kern umfasst eine Vielzahl übereinander angeordneter Plattenpaare, jedes verbunden durch durch sie hindurch gehende Stifte. Wie in 2 dargestellt, umfasst ein Teil des Stapels zwei Paare 3, 5 von Platten. Das erste Paar 3, oben in der Zeichnung dargestellt, umfasst eine obere Platte 7 und eine untere Platte 9. Das Plattenpaar 5 unten umfasst ebenfalls eine obere Platte 11 und eine untere Platte 13.
Alle Platten im Kern sind substantiell eben und mit einem Zwischenraum zwischen den großen ebenen Oberflächen parallel zueinander angeordnet.
So weist Platte 7 des oberen Paares 3 eine obere ebene Oberfläche 15 und eine untere ebene Oberfläche 17 auf. Die untere Platte 9 im oberen Paar 3 weist eine obere Oberfläche 19 und eine untere Oberfläche 21 auf. Die untere Oberfläche 17 der oberen Platte 7 liegt nach innen der oberen Oberfläche 19 der unteren Platte 9 gegenüber. Andererseits zeigt die obere Oberfläche 15 der oberen Platte 7 vom Paar her gesehen nach außen, wie auch die untere Oberfläche 21 der unteren Platte 9.
Das obere Paar 3 aus den Platten 7, 9 ist durch eine Vielzahl substantiell zylindrischer massiver Stifte 23 etc. verbunden, die durch die Platten 7, 9 hindurch verlaufen, senkrecht zu deren jeweiligen oberen und unteren Oberflächen 15, 17 und 19, 21. Die Stifte 23 etc. enden in oberen Enden 25 etc. oberhalb der oberen Oberfläche 15 der oberen Platte 7 des oberen Paares 3. Genau so enden die Stifte 23 etc. in unteren Enden 27 etc. unterhalb der unteren Oberfläche 21 der unteren Platte 9 des oberen Paares 3. Die oberen Enden 25 etc. der Stifte sind alle substantiell flach und stehen substantiell parallel zueinander. Gleichfalls sind die unteren Enden 27 etc. der Stifte auch substantiell flach und stehen substantiell parallel zueinander. Die gemeinsamen Ebenen der jeweiligen oberen Enden 25 und unteren Enden 27 stehen ebenfalls substantiell parallel zu den Hauptflächen 15, 17, 19, 21 der Platten.
Die Stifte verlaufen durch Bohrungen in den Platten und sind daran angeschweißt. Wodurch sie die Platten voneinander getrennt halten. Auf diese Art sind die entsprechenden Zwischenräume 29, 31 zwischen den Plattenpaaren 7, 9 und 11, 13 definiert. Ein Zwischenraum 32 ist ebenfalls zwischen der unteren Platte 9 des oberen Paares und der oberen Platte 11 des unteren Paares definiert.
Das untere Paar 5 aus den Platten 11, 13 ist ebenfalls durch eine Vielzahl von Stiften 33 etc. verbunden, die jeweils in oberen Enden 35 etc. und unteren Enden 37 etc. enden. Die Anordnung von Platten und Stiften im oberen Paar 3 und im unteren Paar 5 ist substantiell identisch.
Die Plattenpaare 3, 5 sind so positioniert, dass im Zwischenraum 32 zwischen ihnen die oberen Enden 35 etc. der Stifte des unteren Paares 5 und die unteren Enden 27 etc. des oberen Paares 3 durch einen schmalen Zwischenraum 39 voneinander getrennt sind. Die Platten 7, 9 des ersten oberen Paares und die Platten 11, 13 des unteren Paares 5 werden dadurch in dieser Position gehalten, dass sie durch die Eigenschaft an ihren entsprechenden Rändern 41, 43, 45, 47 fixiert sind, die hermetisch mit den Seitenwänden verschweißt sind, die z.B. jeweils aus einem Paar der selben Platten geformt sind (nicht dargestellt) und durch Enden der Ränder (nicht dargestellt) der Platten, die senkrecht zu den Seitenrändern 41, 43, 45, 47 stehen, die an eine Zuführungseinrichtung für das Einströmen und das Ausströmen von Gas angeschlossen sind. Die Stifte 23 etc., die das obere Plattenpaar 3 verbinden, und die Stifte 33 etc., die das untere Plattenpaar 5 verbinden, sind so angeordnet, dass sie substantiell koaxial zueinander stehen. Jedoch können die Stifte 23 etc. auch abweichend von den Stiften 33 etc. positioniert sein, so dass ihre entsprechenden Achsen versetzt zueinander sind.
In der Zeichnung von 2 sind nur zwei Plattenpaare 3, 5 dargestellt. Jedoch in der Realität sind weitere durch Stifte verbundene Plattenpaare über und unter den jeweiligen Paaren 3, 5 in der substantiell gleichen Art angeordnet.
Der Kern, wird innerhalb der Seitenwände gehalten, die mit den Seitenrändern 41, 43, 45, 47 verbunden sind, und durch den Anschluss an entsprechende Zuführungseinrichtungen an den Enden ihrer Ränder, die senkrecht zu den Seitenrändern stehen. Konkret sind die Ränder der oberen und unteren Platten jedes Paares hermetisch mit einer entsprechenden Seitenwand verbunden und die gesamte Einheit wird lose in einem Gehäuse gehalten, das die Zwischenräume zwischen den Rändern der entsprechenden Plattenpaare schließt. Dadurch bildet der Kern mit den Zuführungseinrichtungen effektiv eine hermetisch geschlossene Einheit. Die Zwischenräume 29, 31 etc. zwischen Platten entsprechender Paare bilden einen Durchflussweg für ein erstes Fluid substantiell parallel zu den Seitenrändern 41, 43, 45, 47, jeweils gekennzeichnet durch die Pfeile 51, 53 etc., und so weiter durch die Stapel. Auf gleiche Art und Weise wird ein Fluss eines zweiten Fluids oder Gases in umgekehrter Richtung durch die alternierenden Zwischenräume 32 etc. gebildet, definiert zwischen den äußeren Stirnflächen 15, 21 etc benachbarter Paare 3, 5 etc.. Dieser Strom ist durch die Pfeile 55, 57, 59 etc. bezeichnet.
Die 3A bis 3C zeigen jeweils alternative Stiftgeometrien. Im Ausführungsbeispiel, das in 2 dargestellt ist, sind die Stifte substantiell einheitlich zylindrisch. In 3A sind durch einen Zwischenraum voneinander getrennte Platten 61, 63 durch Stifte 65, 67, 69 etc. verbunden, die durch diese hindurch verlaufen und oberhalb der oberen Platte 61 und der unteren Platte 63 enden. Diese Stifte sind substantiell identisch.
Betrachtet man nur einen der Stifte (69), so ist er massiv und substantiell kreisförmig im Querschnitt, hat jedoch einen Durchmesser, der am größten am oberen Punkt 71 ist, der oberhalb der oberen Platte 69 endet, und auch am untersten Ende 73 unterhalb der unteren Platte 63. Diese beiden dicksten Enden 71, 73 verjüngen sich nach und nach linear im Durchmesser in Richtung eines dünneren mittleren taillierten Teils 75, das substantiell in der Mitte zwischen den Platten 61 und 63 liegt.
In 3B sind durch einen Zwischenraum voneinander getrennte Platten 79, 81 durch substantiell identische Stifte 83, 85, 87 etc. verbunden. Betrachtet man konkret Stift 87, hat dieser ein oberes Ende 89 und verläuft durch die Platten, um in einem unteren Ende 91 zu enden. Diese Stifte sind substantiell massiv und kreisförmig im axialen Querschnitt. Vom oberen Ende 89 ausgehend verjüngt sich Stift 87 linear im Durchmesser über das erste Drittel der Strecke vom oberen Ende 89 zur Platte 79 und bildet einen oberen kegelstumpfförmigen Abschnitt 93. Das mittlere Drittel dieser Strecke, gebildet durch Abschnitt 95, ist gekrümmt und blasenförmig, wobei der axiale Querschnitt (Durchmesser) zuerst zu- und dann abnimmt. Abschließend ist ein unterer Abschnitt 97 unmittelbar an der oberen Platte 79 wiederum kegelstumpfförmig mit linearer Verjüngung nach außen. Der untere Abschnitt 99 des selben Stiftes, der unterhalb der Platte 81 herausragt, hat substantiell das gleiche Profil entlang seiner Längsausdehnung wie der obere Abschnitt 89 oberhalb der oberen Platte 79.
Der mittlere Abschnitt 101 des Stiftes 87 zwischen den Platten 79, 81 hat einen kreisförmigen Querschnitt, der sich linear nach innen, ausgehend von der Unterseite der oberen Platte 79 in einem ersten Abschnitt 103, verjüngt und in einem zentralen Abschnitt 105 etwa in der Mitte zwischen der oberen Platte 79 und der unteren Platte 81 einen substantiell konstanten axialen Querschnitt bzw. Durchmesser aufweist. Dann, im Endabschnitt 107, ausgehend vom mittleren Abschnitt 105 bis hinab zur unteren Platte 81, verjüngt sich der axiale Querschnitt (Durchmesser) substantiell linear nach außen hin.
Nun zu 3C, zwischen durch einen Zwischenraum voneinander getrennte Platten 109, 111 und durch diese hindurch verlaufen substantiell zylindrische Stifte 113, 115, 117. Diese sind dadurch substantiell identisch, dass sie massiv sind und einen konstanten Querschnittsdurchmesser aufweisen. Jeder dieser Stifte ist wie Stift 117 mit einer spiralförmigen Rippe 119 und 121 jeweils auf der gebogenen Oberfläche des oberen Abschnittes 123 oberhalb der oberen Platte 109 und des unteren Abschnittes 125 unterhalb der unteren Platte 111 versehen.
Betreffend 4, diese zeigt eine schematische Ansicht eines Endes eines Wärmetauscherabschnittes, wie in 2 dargestellt. In den 4–6 sind der Einfachheit halber die Stifte nicht dargestellt, jedoch sind diese Zeichnungen so zu interpretieren, als wären die Stifte vorhanden. Dies ist keine exakte Darstellung des Aufbaus dieses Abschnittes des Wärmetauschers, sondern sie ist vereinfacht, um das Funktionsprinzip zu zeigen.
An diesem Ende befindet sich der Zufluss von Fluid mit einem Druck, der höher ist als der des korrespondierenden Fluids im Gegenfluss. Das Fluid mit dem relativ geringeren Druck tritt an diesem Ende aus. Im Ausführungsbeispiel der 2 hat der Fluss, der mit den Pfeilen 51, 53 bezeichnet ist, einen höheren Druck als der, der mit den Pfeilen 55, 57, 59 bezeichnet ist (der Letztere fließt in den alternativen Zwischenräumen zwischen den Platten, in denen sich gegenseitig gegenüber stehende Stiftenden vorhanden sind).
Wiederum, wie in 4 dargestellt, konvergieren die Ränder 161, 163 etc. des Plattenstapels auch in der Fließrichtung des mit dem Pfeil 165 bezeichneten abfließenden Fluids mit geringerem Druck. Das abfließende Fluid mit geringerem Druck tritt aus den Zwischenräumen zwischen den Platten aus, wie durch die Pfeile 167 etc. bezeichnet, und wird im Raum zwischen einer Verteilerwand 169 und den Enden der Platten aufgefangen, die eine Zuflusskopfleitung 171 umgeben, die Fluid mit höherem Druck, bezeichnet durch Pfeil 173, durch Bohrungen (nicht dargestellt) in der Rohrwand in den Plattenstapel leitet, das hinsichtlich des abfließenden Fluids mit geringerem Druck, bezeichnet durch Pfeil 165, in entgegengesetzter Fließrichtung zwischen den alternierenden Zwischenräumen zwischen den Platten geleitet wird. Somit wird bei diesem Aufbau abfließendes Fluid mit geringerem Druck aufwärts geleitet, senkrecht zu den Hauptoberflächen der Platten in der Verteilerregion, die durch Wand 169 und die Plattenenden begrenzt wird, während das zufließende Fluid mit dem höheren Druck ebenfalls senkrecht zu den Hauptoberflächen der Platten geführt wird, bevor es in den Kern des Wärmetauschers selbst geleitet wird.
5 zeigt eine Konstruktion analog zu der in 4 dargestellten. Hier sind die Platten mit den Zahlen 191, 193, 195 und 197 bezeichnet. Die Verteilerregion ist durch eine Wand mit der Bezeichnung 199 begrenzt. Anstelle einer einzelnen Zuflusskopfleitung 171 ist die Vorrichtung mit einem Paar Kopfleitungen 201, 203 versehen, zwischen denen das Ende der Platten 191 etc. als Ausschnitt 205 ausgebildet ist. Die Platten haben eine reduzierte Breite, die Ränder verjüngen sich nach innen im Endabschnitt 207, in dem sie in den Bereich der Verteilerwand 199 eintreten. Bohrungen (nicht dargestellt) in den Wänden der Kopfleitungen ermöglichen das Durchlassen von Fluid aus den Rohren in die relevanten Zwischenräume zwischen den Platten.
Noch eine weitere Konfiguration analog denen in den 4 und 5 ist in 6 dargestellt. Hier sind die Platten mit den Zahlen 209, 211, 213 und 215 bezeichnet. Das Hochdruckeinlassende 217 weist ein Paar Kopfleitungen 219, 221 auf, zwischen denen sich ein Ausschnitt 223 befindet. Die Enden der Ränder der Platten in diesem Endbereich 223 verjüngen sich nach innen, wie in dem Ausführungsbeispiel, das in 5 dargestellt ist.
Am Einlassende 225 für den niedrigeren Druck verjüngen sich die Platten ebenfalls in einem Bereich 227 nach innen, jedoch stehen drei Kopfleitungen 229, 231 und 233 für den Abfluss des Fluids mit dem höheren Druck durch Bohrungen in den Leitungswänden (nicht dargestellt) zur Verfügung. Diese sind jeweils teilweise durch Ausschnittbereiche 235, 237 in den Platten voneinander getrennt. In diesem Ausführungsbeispiel sind Verteilerwände an beiden Enden aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung nicht dargestellt.
Aus 2 ist ersichtlich, dass die Stifte in versetzten Reihen substantiell senkrecht zur Richtung des Fluidflusses angeordnet sind. Jedoch, wie in 7 dargestellt, sind die Stifte 281 etc. in Reihen 283, 285, 287 angeordnet, die hinsichtlich der Richtung des Fluids mit höherem Druck und des Fluids mit geringerem Druck, bezeichnet durch Pfeile 289, 291, einen stumpfen Winkel aufweisen.
8 zeigt eine weitere Anordnung, wobei die Platten, anstatt substantiell flach zu sein, gebogen sind. Bei dieser Anordnung sind die Platten 301, 303, 305, 307 vom Rand her betrachtet gebogen und so angeordnet, dass sie eine involute Form bilden, wenn sie in dieser Form von Rand zu Rand betrachtet werden. Es sind nur vier Platten dargestellt. In Wirklichkeit würde eine vollständige zylindrische Anordnung von gebogenen Platten zur Verfügung stehen. Bei solch einer Konfiguration verläuft die Fließrichtung des jeweiligen Fluids in die Ebene der Zeichnung hinein und aus ihr heraus. In einer Variante dieses Ausführungsbeispiels können entsprechende Flüsse von einer axialen Kopfleitung (nicht dargestellt) am Umfang 309 zu einer axialen Kopfleitung 310 im Zentrum und von einem Verteiler am Umfang zu einem Verteiler im Zentrum verlaufen. In noch einer weiteren Variante dieses Ausführungsbeispiels können entsprechende Flüsse von einer axialen Kopfleitung am Umfang zu einem Verteiler im Zentrum und umgekehrt verlaufen.
Wie in 9A dargestellt, ist ein Schnitt durch Teile eines Plattenpaares, bezeichnet durch die Zahlen 311, 313, im wesentlichen wie die Platten 7, 9, im Kern des Wärmetauschers, der in 3 dargestellt ist, zu sehen. In 9A weisen diese Platten 311, 313 die Stifte 315, 317 etc. auf, die durch die Bohrungen 319, 321 etc. (obere Platte 311) und 323, 325 (untere Platte 313) verlaufen. Die Stifte sind durch durchgehende Schweißnähte bzw. Schweißpunkte (nicht dargestellt) zwischen den Stiften und dem Umfang der Bohrungen in den Platten fixiert.
Andererseits, damit zu 9B, weist ein Plattenpaar 331, 333 eine Vielzahl von Stiften 335, 337 auf, die durch diese verlaufen, aber integriert in diese ausgebildet sind. So eine Konstruktionsweise kann durch Gießen erzielt werden.
Zu 10, hier ist eine weitere Anordnung eines Wärmetauscherkerns 341 dargestellt, die eine Vielzahl voneinander durch Zwischenräume getrennter Platter 343, 345, 347, 349 aufweist.
Eine Vielzahl von Stiften wie 351, 353 etc. verläuft so durch die Platten, dass die Enden 355, 357 etc. dieser Stifte 351, 353 in der Mitte der Zwischenräume 359, 361, 363 zwischen den Platten 343 etc. enden. Wie in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel, sind sich gegenseitig gegenüber stehende Stiftenden, die oberhalb oder unterhalb der jeweilige(n) Platte(n) hinausragen, durch einen Luftspalt wie 365 voneinander getrennt. Jedoch der Unterschied zwischen dieser Anordnung und der in 2 dargestellten ist, dass jeder Stift nur durch eine der jeweiligen Platten verläuft, so dass eines seiner Enden dem korrespondierenden Ende eines Stiftes gegenüber liegt, der durch die unmittelbar benachbarte Platte verläuft. So eine Konfiguration kann durch fotochemisches Ätzen aus einem massiven Werkstück hergestellt werden, und die resultierenden Platten mit Halbstiften auf jeder Seite können einfach zu einem Paket zusammen gesetzt werden, indem sie in einem Rahmen 367 durch Eckbolzen 369, 371 etc. zusammen gehalten werden. Um so eine Vorrichtung für den Betrieb bei geringfügig höheren Drücken anzupassen, ist es möglich in Intervallen einen durchgehenden Stift durch das gesamte Paket einzusetzen, zum Beispiel so, dass jeder zehnte Stift per Reihe und per Säule durchgehend ist und die restlichen nicht durchgehend sind und nur durch eine einzige Platte verlaufen. Alternativ könnten die nicht durchgehenden Stifte in Intervallen zusammen geschweißt werden, so dass jeder zehnte Stift eine durchgehende Verbindung zwischen den Platten ausbildet.
Zu 11, hier ist ein nützlicher Effekt dargestellt der beim Laserschweißen der Stifte an die Platten entsteht. Konkret stellt 11 ein einzelnes Paar Platten 381, 383 dar. Diese sind durch einen Zwischenraum voneinander getrennt und durch Stifte 385, 387, 389 verbunden. In der realen Vorrichtung würde eine Vielzahl solcher Plattenpaare und viel mehr Stifte vorhanden sein, wie in den anderen spezifischen Ausführungsbeispielen. Die Stifte sind substantiell identisch. Aus Gründen der Vereinfachung wird nur auf einen dieser Stifte 389 Bezug genommen, er umfasst einen zentralen zylindrischen Abschnitt 391 zwischen den beiden Platten 381, 383 sowie einen oberen Abschnitt 393, der oberhalb der Platte 381 herausragt und in einem oberen Ende 395 endet, und einen unteren Abschnitt 397, der unterhalb der unteren Platte 383 herausragt und im unteren Ende 399 endet.
Wo das obere Ende 393 aus der oberen Oberfläche 401 der oberen Platte 381 austritt und auch, wo das untere Ende 397 aus der unteren Oberfläche 403 der unteren Platte 383 austritt, ist der Stift 389 durch Punktschweißen an die jeweilige Platte 381, 383 angeschweißt. Am Austrittspunkt weisen das obere Ende 393 und das untere Ende 397 entsprechende Bereiche 405, 407 mit kleinerem Durchmesser auf. Das ist durch das Laserschweißen verursacht, das, was von größerer Bedeutung ist, die Bildung von Oberflächenerhebungen verursacht, zum Beispiel bezeichnet durch die Zahlen 411 und 413. Diese sind für die Wärmeübertragung nützlich.
Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmetauschers 421, das der vorliegenden Erfindung entspricht, in dem Stifte radial abgesetzt oder versetzt sind, ist in den 12 bis 14 dargestellt. Der Wärmetauscher 421 umfasst eine Vielzahl von Plattenpaaren. Aus Gründen der Vereinfachung sind lediglich zwei Paare 423, 425 dargestellt.
Das erste Paar 423 umfasst eine obere Platte 427 und eine untere Platte 429, die parallel zueinander angeordnet sind und durch einen Zwischenraum 431 zwischen ihnen getrennt sind. Das untere Paar 425 umfasst gleichfalls eine obere Platte 433 und substantiell parallel dazu eine untere Platte 435. Die Platten 433, 435 des unteren Paares 425 sind ebenfalls durch einen Zwischenraum 437 getrennt. Das obere Paar 423 ist vom unteren Paar 425 durch einen weiteren Zwischenraum 439 zwischen dem oberen und unteren Plattenpaar 423, 425 getrennt. Die untere Platte 429 des oberen Paares 423 ist ebenfalls substantiell parallel zur oberen Platte 433 des unteren Paares 425 angeordnet. Eine Vielzahl von Stiften 441 etc. ragt nach oben so über eine obere Oberfläche 442 der oberen Platte 427 hinaus, dass sie axial senkrecht dazu steht. Diese nach oben überragenden Stifte 441 etc. enden in freien Enden 443 etc.. Die Platten 427, 429 des oberen Paares 423 sind über den Zwischenraum 431 durch eine weitere Vielzahl von Stiften 444 etc. verbunden. So sind die Stifte 444 etc. an einem Ende mit der unteren Oberfläche 445 der oberen Platte 427 verbunden und am anderen Ende mit der oberen Oberfläche 447 der unteren Platte 429. Die Stifte 444, die die Platten 427, 429 verbinden, sind radial abgesetzt bzw. versetzt bezüglich der Stifte 441 etc., die von der oberen Oberfläche der oberen Platte 427 aufragen. Das ist in 13 besser zu sehen, in der die nach oben überragenden Stifte 441 etc. mit einer durchgehenden Linie dargestellt sind, während die Verbindungsstifte 444 mit einer gestrichelten Linie dargestellt sind. Diese Stifte sind alle substantiell zylindrisch und die Verbindungsstifte 443 sind radial abgesetzt, so dass ihre Symmetrieachse von den Symmetrieachsen der drei nächstgelegenen nach oben überragenden Stifte 441 etc. substantiell gleich weit entfernt ist.
Eine andere Vielzahl von Stiften 449 etc. ragt axial senkrecht nach unten über die untere Oberfläche 451 der unteren Platte 429 des oberen Paares 423 hinaus. Diese nach unten herausragenden Stifte 449 etc. sind ebenfalls axial abgesetzt von den Verbindungsstiften 444, jedoch so, dass ihre Symmetrieachsen in einer Linie mit denen der nach oben herausragenden Stifte 441 stehen.
Die Stiftanordnung für das untere Plattenpaar 425 ist substantiell identisch wie die für das obere Plattenpaar 423. Eine weitere Vielzahl von Stiften 453 etc. verläuft axial senkrecht von der unteren Oberfläche 455 der oberen Platte 433 des unteren Paares 425 nach oben. Eine Gruppe axial abgesetzter Verbindungsstifte 457 verläuft axial senkrecht zwischen der unteren Oberfläche 459 der oberen Platte 433 des unteren Paares 425 und der oberen Oberfläche 461 der unteren Platte 435 des unteren Paares 425.
Eine andere Gruppe von Stiften 463 etc. verläuft von der unteren Oberfläche 465 der unteren Platte 435 des unteren Paares 425 nach unten. Diese nach unten verlaufenden Stifte 463 sind axial abgesetzt von den Verbindungsstiften 457, jedoch axial in-line mit den nach oben verlaufenden Stiften 453 des unteren Plattenpaares 425.
Jedoch die unteren Enden 467 etc. der nach unten herausragenden Stifte der unteren Platte 429 des oberen Paares 423 und die oberen freien Enden 469 der Stifte 453 etc., die oben aus der oberen Platte 459 des unteren Paares 425 hervorragen, sind durch entsprechende Zwischenräume 471 etc. getrennt. Überdies stehen die nach unten herausragenden Stifte 449 etc. des oberen Paares 423 und die nach oben herausragenden Stifte 453 etc. des unteren Paares 425 axial substantiell in einer Linie. Somit kann davon ausgegangen werden, dass Stifte in alternierenden Zwischenräumen von Platten zueinander axial versetzt sind, ausgenommen die Stifte in jedem zweiten Zwischenraum, die effektiv getrennt sind, so dass sie entsprechende Zwischenräume zwischen freien Stiftenden bilden.
Die Fluidströme sind gegenläufig zwischen aufeinanderfolgenden Platten in der Art, die mit Bezug auf 2 beschrieben und in ihr dargestellt wurde.
In den verschiedenen oben beschriebenen Ausführungsbeispielen umfassen "Zellen" oder Gruppen von Platter entsprechende Plattenpaare, die Platten sind durch Stifte verbunden, die entweder in einer Linie stehen oder versetzt zueinander sind. Überdies ragen in allen obigen Ausführungsbeispielen über die äußersten Wärme übertragenden Oberflächen der oberen und unteren Platten in jedem Paar hinaus. Die 15 und 16 illustrieren durch Schnittdarstellungen Wärmetauscher mit Anordnungen, die sich vom zuvor Gesagten unterscheiden.
15 zeigt einen Teil einer Schnittdarstellung eines Wärmetauschers, in dem sich vier Platten in jeder Gruppe befinden. Aus Gründen der Vereinfachung sind nur zwei Gruppen dargestellt, nämlich ein oberes Paar 503 und ein unteres Paar 505, getrennt durch einen dazwischen liegenden Zwischenraum 507. Die Platten 509, 511, 513 und 515 der oberen Gruppe 503 sind durch Stifte 517 etc., 519 etc., 521 etc., jeweils für jeden der Zwischenräume 523, 525 und 527 zwischen den Platten, verbunden. Zwischen einer Lage und der nächsten stehen alle diese Stifte in einer Linie. Jedoch ragen keine Stifte über die obere Oberfläche 529 der oberen Platte 509 der oberen Gruppe 503 noch über die untere Oberfläche 531 der unteren Platte 515 hinaus.
Die Struktur der unteren dargestellten Gruppe 505 ist substantiell identisch, wobei die Stifte 533 etc. sowohl zwischen den Lagen dieser Gruppe als auch mit denen der oberen Gruppe 503 in einer Linie angeordnet. sind.
Nun zu dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in 16 dargestellt ist, wiederum sind nur zwei Gruppen von der gesamten Anzahl der Plattengruppen aus Gründen der Vereinfachung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es wiederum eine obere Gruppe 551 und eine untere Gruppe 553, jede Gruppe beinhaltet vier parallele voneinander getrennte Platten. Die Platten der oberen Gruppe sind durch die Zahlen 555, 557, 559 und 561 bezeichnet. Die Zwischenräume zwischen den Platten der oberen Gruppe sind entsprechend mit 563, 565 und 567 bezeichnet. Benachbarte Platten in der oberen Gruppe sind durch entsprechende Stifte 569 etc., 571 etc., 573 etc. verbunden. Zusätzlich gehen von der oberen Oberfläche 575 der oberen Platte 555 Stifte 577 etc. aus. Von der unteren Oberfläche 579 der unteren Platte 561 gehen Stifte 581 etc. aus. Die Stifte, die von der oberen Oberfläche 575 der oberen Platte 555 und der unteren Oberfläche 579 der unteren Platte 561 ausgehen, enden in entsprechenden freien Enden 583 etc., 585 etc..
Die untere Plattengruppe 553 ist substantiell identisch mit der oberen Gruppe 551. Hier ist zu sehen, dass von einer oberen Oberfläche 587 einer oberen Platte 589 in der unteren Gruppe Stifte 591 etc. ausgehen, die in entsprechenden freien Enden 593 etc. enden. Genauso gehen Stifte 595 mit freien Enden 597 etc. von der unteren Oberfläche 599 der unteren Platte 601 der unteren Gruppe 553 aus.
Die obere und untere Plattengruppe sind durch einen Zwischenraum 603 und die freien Enden 585 etc. der nach unten überstehenden Stifte 581 etc. durch eine schmale Lücke 605 von den oberen freien Enden 593 etc. der Stifte 591 etc., die oben über die obere Oberfläche 587 der oberen Platte 589 der unteren Gruppe 553 hinausragen, getrennt.
Innerhalb jeder Gruppe des Ausführungsbeispiels in 16 sind, wie in der vorliegenden Erfindung gefordert, die Stifte von einer Lage zur nächsten, die durch die Zwischenräume zwischen den Platten definiert sind, in der Art des Ausführungsbeispiels voneinander abgesetzt bzw. versetzt, die mit Bezug zu den 13 und 14 beschrieben und illustriert wurde. Die sich einander gegenüber stehenden Stifte 581 etc., 591 sind trotzdem in einer Linie angeordnet.
Sowohl Variationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele als auch andere Ausführungsbeispiele im Rahmen der anliegenden Ansprüche werden nun für Personen ersichtlich, die sich in dem Fachgebiet auskennen.
Figurenbeschreibung
1

EXHAUST = Abluft
RECUPERATOR = Aufbereiter
FUEL INPUT = Brennstoffzufuhr
COMBUSTOR = Brenner
COMPRESSOR = Kompressor
TURBINE = Turbine
GENERATOR = Generator
ELECTRICITY = Elektrizität

Claims

Wärmetauscher (421) umfassend mehrere Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589), von denen jede eine erste und eine zweite Oberfläche zur Wärmeübertragung (442, 445, 447, 451, 455, 457, 459, 465, 575, 579) auf reversen Seiten aufweist, diese Platten in Paketen mit Zwischenräumen zwischen einander gegenüber liegenden Oberflächen zur Wärmeübertragung von einander benachbarten Platten angeordnet sind, alternierende Zwischenräume (431, 437, 439, 563, 565, 567) in dem Paket jeweils einen ersten Fluiddurchflussweg für ein erstes Fluid und einen zweiten Fluiddurchflussweg für ein zweites Fluid bilden, und wobei die Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) in mehreren Gruppen angeordnet (423, 425, 551, 553) sind, von denen jede mindestens zwei Platten umfasst, Stiftelemente vorgesehen sind, die eine Mehrzahl von Stiftgruppen umfassen, die Stifte (444, 457, 569, 571, 573) jeder Stiftgruppe angeordnet sind, um Platten einer entsprechenden Plattengruppe zu verbinden, wobei die Stiftelemente auch äußere Stifte (441, 449, 453, 463, 577, 581, 591) umfassen, die von den äußersten Oberflächen zur Wärmeübertragung (442, 451, 455, 465, 575, 579) von mindestens einer Plattengruppe ausgehen, diese außen liegenden Stifte in entsprechenden stiftfreien Enden (443,467, 469, 583, 585, 593, 597) enden, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige Stifte nur von der ersten Oberfläche zur Wärmeübertragung von mindestens einer Platte in mindestens einer Gruppe (423, 425, 551, 553) ausgehen und hinsichtlich der Stifte, die nur von der zweiten Oberfläche zur Wärmeübertragung dieser Platte ausgehen, versetzt sind, diese voneinander versetzten Stifte an diese Platte hart angelötet oder angeschweißt sind.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 1, in dem die Gruppen von Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) so angeordnet sind, dass eine Lücke (471, 605) zwischen den freien Enden der äußeren Stifte (443, 467, 469, 583, 585, 593, 597), die von einer äußersten Oberfläche zur Wärmeübertragung (442, 451, 455, 465, 575, 579) einer Gruppe ausgehen und den freien Enden (443, 467, 469, 583, 585, 593, 597) der außen liegenden Stifte, die von einer äußersten Oberfläche zur Wärmeübertragung (442, 451, 455, 465, 575, 579) einer benachbarten Gruppe ausgehen, vorhanden ist.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem Stifte (449, 453, 581, 591), die einander gegenüberliegende freie Enden aufweisen, im Wesentlichen in einer Linie angeordnet sind.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem Stifte, die einander gegenüberliegende freie Enden aufweisen, im Wesentlichen zueinander versetzt sind.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem jede Gruppe von Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) aus einer geraden Anzahl der Platten besteht.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem jede Gruppe von Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) aus zwei der Platten besteht.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der erste Fluiddurchflussweg mit einer Quelle des ersten Fluids verbunden ist, um das erste Fluid von dort aufzunehmen, und der zweite Fluiddurchflussweg mit einer Quelle des zweiten Fluids verbunden ist, von der das zweite Fluid kommt.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 7, in dem der Druck des ersten Fluids an seiner Quelle 100 % bis 2000 % des Drucks des zweiten Fluids an seiner Quelle beträgt.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Stiftelemente Stifte (441, 444, 449, 453, 457, 463, 569, 571, 573, 577, 581, 591) umfassen, die in Reihen mit im Wesentlichen einheitlichem Abstand ausgerichtet sind, und das erste und das zweite Fluid so geleitet werden, dass sie in die im Wesentlichen gleiche Richtung oder in im Wesentlichen entgegengesetzte Richtungen in den entsprechenden Durchflusswegen des ersten und zweiten Fluids fließen.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 9, in dem die Reihen im Wesentlichen senkrecht zur Fließrichtung des ersten und zweiten Fluids stehen.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 9, in dem die Reihen in einem Winkel von 45° bis 85° zur Fließrichtung des ersten und zweiten Fluids stehen.
Wärmetauscher (421) nach jedem der Ansprüche 9–11, in dem die Stifte (441, 444, 453, 457, 569, 571, 573) in alternierenden Reihen versetzt zueinander angeordnet sind.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Stiftelemente mindestens einige Stifte (441, 444, 453, 457, 569, 571, 573) umfassen, die einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 13, in dem das Verhältnis des durchschnittlichen Abstandes zwischen den Mittelpunkten der Stifte zum Stiftdurchmesser 1,25 bis 4,0 beträgt.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Stiftelemente mindestens einige Stifte umfassen, die mit mindestens einer Oberflächeneigenschaft versehen sind, die den aerodynamischen Fluss und/oder die Wärmeübertragung erhöhen.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Verhältnis des mittleren Abstandes zwischen Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589), die den Durchflussweg des ersten Fluids in einer zentralen Region des Tauschers definieren, zum mittleren Abstand zwischen Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589), die den Durchflussweg des zweiten Fluids in der selben Region definieren, von 1 : 10 bis 100 : 1, vorzugsweise 1 : 10 bis 10 : 1, beträgt.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem sich die Ausdehnung der Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) in einer Richtung, die annähernd oder im Wesentlichen orthogonal zur Richtung des Flusses von mindestens einem der ersten oder zweiten Fluids ist, progressiv in einer entsprechenden Region verringert, die sich am Zufluss des ersten und/oder zweiten Fluids befindet.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der Zufluss und/oder Abfluss des ersten und zweiten Fluids durch entsprechende Rohrelemente geleitet wird, die durch das Plattenpaket (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) führen und mit mindestens einer Öffnung in den entsprechenden Durchflussweg des ersten Fluids und/oder Durchflussweg des zweiten Fluids versehen sind.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 18, in dem der Zufluss und/oder Abfluss des anderen von den ersten oder zweiten Fluids innerhalb einer entsprechenden Wand eines Verteilerrohrs geführt wird, die die entsprechenden Rohrelemente zumindest teilweise umgibt.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Platten (427, 429, 433, 435, 555, 557, 559, 561, 589) im Wesentlichen flach sind.
Wärmetauscher (421) nach jedem der Ansprüche 1–19, in dem die Platten zumindest teilweise gebogen sind.
Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche, in dem das Paket im Wesentlichen kubisch ist.
Wärmetauscher (421) nach jedem der Ansprüche 1–21, in dem die Platten radial, vorzugsweise gerollt, angeordnet sind.
Wärmetauscher (421) umfassend mehrere übereinander angeordnete Paare (423, 425) von Platten (427, 429, 433, 435), zwischen denen sich ein Zwischenraum befindet, die Platten in jedem Paar (423, 425) eine entsprechende sich jeweils gegenüber liegende innere Oberfläche zur Wärmeübertragung (445, 447, 459, 461) besitzen, deren Zwischenraum einen ersten Durchflussweg für ein erstes Fluid definieren, und die Platten in jedem Paar (423, 425) jeweils eine entsprechende äußere Oberfläche zur Wärmeübertragung (442, 451, 455, 465), die auf der Rückseite der Oberfläche zur Wärmeübertragung liegt, die äußere Oberfläche zur Wärmeübertragung einer Platte in einem Paar (451) mit einem Zwischenraum zu einer gegenüber liegenden Oberfläche zur Wärmeübertragung (455) einer Platte in einem benachbarten Paar versehen ist, der einen zweiten Durchflussweg für ein zweites Fluid definiert, die Platten eines Paares durch den ersten Durchflussweg hindurch durch mehrere Stifte (444, 457) verbunden sind, wobei die Stiftelemente auch äußere Stifte (441, 449, 453, 463) umfassen, die von den äußersten Oberflächen zur Wärmeübertragung von mindestens einem Plattenpaar ausgehen, diese äußeren Stifte (441, 449, 453, 463) enden in entsprechenden stiftfreien Enden (443, 467, 469), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige Stifte (441, 444, 457) nur von der ersten Oberfläche zur Wärmeübertragung von mindestens einer Platte in mindestens einem Paar (423, 425) ausgehen und hinsichtlich der Stifte, die nur von der zweiten Oberfläche zur Wärmeübertragung dieser Platte ausgehen, versetzt sind, diese voneinander versetzten Stifte an diese Platte hart angelötet oder angeschweißt sind.
Wärmetauscher (421) nach Anspruch 24, in dem die Paare (423, 425) der Platten (427, 429, 433, 435) so angeordnet sind, dass eine Lücke (471) zwischen den freien Enden der außen liegenden Stifte (441, 449, 453, 463), die von einer äußersten Oberfläche zur Wärmeübertragung eines Paares ausgehen und den freien Enden der außen liegenden Stifte (441, 449, 453, 463), die von einer äußersten Oberfläche zur Wärmeübertragung eines benachbarten Paares ausgehen, vorhanden ist.
Wärmetauscher (421) nach den Ansprüchen 24 oder 25, in dem Stifte (441, 449, 453), die einander gegenüber liegende freie Enden aufweisen, im Wesentlichen in einer Linie angeordnet sind.
Wärmetauscher (421) nach den Ansprüchen 24–26, in dem Stifte (441, 449, 453), die einander gegenüber liegende freie Enden aufweisen, im Wesentlichen zueinander versetzt sind.
Energie erzeugende Vorrichtung umfassend eine Energie erzeugende Maschine und einen Wärmetauscher (421) nach jedem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach Anspruch 28, in der der Wärmetauscher (421) angeordnet ist, um Wärme aus Auslassfluids aus der Energie erzeugenden Maschine wiederzugewinnen, um Fluids nach Verdichtung zu erhitzen.
Vorrichtung nach Anspruch 29 in so einer Anordnung, dass Abgase, die die Energie erzeugende Maschine verlassen, Luft von der Maschine nach der Verdichtung erhitzen.
Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 28–30, in der die Energie erzeugende Maschine eine Gasturbine umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 28, in der der Wärmetauscher (421) an einen Turbolader oder Superlader einer Kolbenkraftmaschine angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 28, in der der Wärmetauscher (421) genutzt wird, um Luft zu kühlen, bevor die Luft in die Kolbenkraftmaschine gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 33, in der der Wärmetauscher (421) genutzt wird, um Luft zu kühlen, nachdem die Luft im Turbolader oder Superlader verdichtet wurde.
Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 28–34, in der der Wärmetauscher (421) segmentiert ist und die Segmente um die Welle der Energie erzeugenden Maschine herum angeordnet sind.
Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 28–34, in der der Wärmetauscher (421) zylindrisch ist und eine Welle der Energie erzeugenden Maschine axial durch die Mitte des Zylinders verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 28, in der die Energie erzeugende Maschine eine Brennstoffzelle umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers nach jedem der Ansprüche 1–27, das Verfahren umfasst die Zurverfügungstellung eines oder mehrerer Werkstücke und die Formung der Platten (427, 429, 459, 435, 555, 557, 559, 561, 589) und der Stiftelemente als Bestandteile dieses Werkstückes oder dieser Werkstücke durch Schweißen oder Hartlöten der Stiftelemente an die Platten.