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Fachgebiet der Erfindung
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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
weiterer Wärmetauscher,
der Platten mit Zinnen umfasst, die separate Durchflusswege voneinander
trennen, ist in der
US-A-4
771 826 beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Definition der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel dient
die Erfindung als Boiler mit einem Wärmeübertragungsmechanismus in Form
einer Wärmetauschervorrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorliegende Erfindung wird nun genauer in der folgenden Beschreibung
preferierter Ausführungsbeispiele
und mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 eine
schematische Zeichnung der Verwendung eines Wärmetauschers in Zusammenhang mit
einer herkömmlichen
Gasturbine darstellt;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Teils eines Kerns einer ersten Art
von Wärmetauscher,
der nicht der vorliegenden Erfindung entspricht, darstellt;
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Die 3A–3C eine
Auswahl möglicher Stiftgeometrien
mit variierenden Querschnitten darstellen;
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4 eine
schematische Ansicht eines Endes eines Wärmetauscherkerns der Art, die
in 2 dargestellt ist, darstellt;
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5 eine
schematische Ansicht eines alternativen Zuführungsaufbaus darstellt, der
um zwei Kopfleitungen herum angeordnet ist, anstatt um eine einzelne
Leitung, wie in 4 dargestellt;
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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;
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7 eine
alternative Stiftkonfiguration zu der in 2 dargestellten
zeigt;
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8 eine
involute Form einer Plattenkonfiguration darstellt;
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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;
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10 eine
schematische Ansicht eines Niederdruckwärmetauschers, der nicht der
vorliegenden Erfindung entspricht, darstellt;
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11 Oberflächenmerkmale
darstellt, die durch das Laserverschweißen von Stiften mit Platten verursacht
werden;
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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;
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13 eine
Draufsichtsebene des Wärmetauschers,
der in 12 dargestellt ist, zeigt;
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14 einen
Schnitt durch den Wärmetauscher,
der in den 12 und 13 dargestellt
ist, zeigt;
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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
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16 einen
Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel
eines Wärmetauschers
entsprechend der Erfindung darstellt, der vier Platten pro Gruppe
und gegeneinander versetzte Stifte aufweist.
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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.
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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.
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Alle
Platten im Kern sind substantiell eben und mit einem Zwischenraum
zwischen den großen ebenen
Oberflächen
parallel zueinander angeordnet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Zu 10,
hier ist eine weitere Anordnung eines Wärmetauscherkerns 341 dargestellt,
die eine Vielzahl voneinander durch Zwischenräume getrennter Platter 343, 345, 347, 349 aufweist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Fluidströme
sind gegenläufig
zwischen aufeinanderfolgenden Platten in der Art, die mit Bezug
auf 2 beschrieben und in ihr dargestellt wurde.
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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.
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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.
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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.
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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..
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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.
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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.
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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.
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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.
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Figurenbeschreibung
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1
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- EXHAUST = Abluft
- RECUPERATOR = Aufbereiter
- FUEL INPUT = Brennstoffzufuhr
- COMBUSTOR = Brenner
- COMPRESSOR = Kompressor
- TURBINE = Turbine
- GENERATOR = Generator
- ELECTRICITY = Elektrizität