DE602004011171T2

DE602004011171T2 - Wärmetauscher mit Plattenstapel

Info

Publication number: DE602004011171T2
Application number: DE602004011171T
Authority: DE
Inventors: Christophe 30150 BOUZON; Jean-Antoine 38170 GRUSS
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-11-20
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2024-11-19
Also published as: CA2485308A1; ES2299798T3; ATE383561T1; US7222664B2; FR2862747B1; EP1533585A3; FR2862747A1; EP1533585B1; DE602004011171D1; US20060016587A1; EP1533585A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher.
Wärmetauscher werden in mehreren technischen Bereichen wie etwa dem der Transporte, der Klimatisierung, der Thermik bzw. Wärme oder der Brennstoffzellen benutzt. Es gibt viele Arten hinsichtlich der Struktur oder der Konstruktion oder Anordnung der Fluidtransportkanäle. Bei den Wärmetauschern, auf die sich die Erfindung bezieht, befinden sich die Fluidtransportkanäle in den Platten. Eine solche Struktur hat den Vorteil, kompakt zu sein und dabei eine gute mechanische Festigkeit aufzuweisen, insbesondere hinsichtlich der Hochdruckfluids. Ein kürzliches Beispiel wird in der Patentschrift US 6 467 535 B1 beschrieben, wo die Platten eine Außenhülle umfassen, die ein Volumen umgibt, das Zwischenwände – aus einem Stück mit der Hülle – in Strömungskanäle der beiden Fluids unterteilen. Solche Platten können durch ein Extrusionsverfahren aus einem Stück hergestellt werden, was zusammen mit einer ausreichenden Dicke der Hülle und der Zwischenwände die gewünschte Festigkeit gewährleistet.
Es bleibt jedoch ein Anschlussproblem der Plattenkanäle bestehen. Da die Kanäle parallel und nebeneinanderliegend sind, müssen die sich über die Breite der Platte abwechselnden Zufluss- und Abflussleitungen der beiden Fluide es auch sein, was sehr kritisch ist, da die Montage schwierig ist und die Leitungen auch den Drücken der Fluids standhalten müssen. Es ist also nicht wahrscheinlich, dass man ihnen die gleiche Festigkeit wie den Kanälen verleihen kann. Die Anschlüsse sind also die Schwachstellen des Wärmetauschers, ohne dass es möglich ist, sie zu verstärken.
Aus diesem Grund schlägt die Erfindung eine Wärmetauscherplatte von spezieller Form vor, die sich gut für Anschlüsse mit einfachen Mitteln eignet.
In seiner allgemeinen Form umfasst die Wärmetauscherplatte eine Außenumhüllung und Zwischenwände, die ein durch die Umhüllung umschlossenes Volumen in Kanäle aufteilen, wobei die Umhüllung Reliefrippen umfasst und die Kanäle sich in einer selben Längsrichtung erstrecken, wobei eine erste Kategorie der Kanäle sich bis in die Reliefrippen erstreckt und die Reliefrippen und die Umhüllung über ein Teilstück in Längsrichtung eingeschnitten sind und dabei die Kanäle der ersten Kategorie öffnen.
Die Reliefrippen können auf zwei entgegengesetzten Seiten der Umhüllung realisiert werden.
Platten dieser Art gehören zu dem Stand der Technik, der dargestellt wird durch US-A-4 746 479 und durch EP-A-1 471 321 , wobei letztere Patentschrift nächstkommend ist nach EPÜ-Artikel 54(3).
Der erfindungskonforme Wärmetauscher umfasst wenigstens eine dieser Platten in einem Stapel sowie einen den Stapel umgebenden Rahmen und den Rahmen durchquerende und mit den Kanälen kommunizierende Eingangs- und Ausgangsleitungen, wobei bemerkenswert ist, dass die Leitungen einerseits Leitungen umfassen, die mit den Kanälen der ersten Kategorie kommunizieren und sich auf einer ersten Seite des Rahmens erstrecken, und andererseits Leitungen, die mit zweiten Kategorie von Kanälen kommunizieren (die von den ersten durch Zwischenwände getrennt sind und das andere Fluid transportieren) und sich auf einer zweiten Seite des Rahmens erstrecken. Der Rahmen umfasst typischerweise vier rechtwinklige Seiten, darunter die genannte erste Seite und die genannte zweite Seite, die senkrecht zueinander sind; die beiden letzten bzw. anderen Seiten, oder eine von ihnen, können weitere Fluideingangs- und -ausgangsleitungen umfassen oder Verbindungsleitungen zwischen zwei Platten. Der Rahmen kann auch einfach durch zwei unabhängige Teile an den Enden der Leitungen gebildet werden.
Im diesem Fall wird die seitliche Dichtheit der Platten realisiert, indem deren Reliefrippen an den seitlichen Enden zusammengebaut werden.
Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, dass die Eingangs- und Ausgangsleitungen der beiden Fluide nicht benachbart sind, sondern getrennt, wobei die zu den Kanälen führenden Leitungen sich in den Reliefrippen erstrecken, die sich auf einer lateralen Seite der Platte befinden, und die zu den anderen Kanälen führenden Leitungen sich auf einer Längsendenseite der Platte befinden.
Die Kanäle beider Kategorien können verschiedene Formen annehmen, aber es ist vorteilhaft, wenn wenigstens die der ersten Kategorie einen länglichen Querschnitt haben und die der zweiten Kategorie einen Querschnitt von gleichmäßigerer Form haben.
Die Austauschfläche wird größer, wenn die Kanäle begrenzende Oberflächen haben, die in Längsrichtung gerillt sind.
Die Platten sind vorteilhafterweise Extrusionsprodukte.
Es folgt nun die Beschreibung der Erfindung, die sich auf die folgenden beigefügten Figuren bezieht:
die 1 und 2 zeigen eine erste Realisierungsart der Erfindung,
die 3, 4 und 5 zeigen bestimmte mögliche Varianten der ersten Realisierungsart,
die 6 und 7 zeigen zwei Ansichten eines Plattenstapels,
die 8 und 9 zeigen zwei Wärmetauscher-Realisierungsarten,
die 10 zeigt eine mögliche Art des Zusammenbaus von Platten,
und die 11 und 12 zeigen zwei andere Wärmetauscher-Realisierungsarten.
Die 1 zeigt den Querschnitt einer Wärmetauscherplatte mit einer Außenumhüllung 1 mit periodischen Reliefrippen 2, die auf zwei entgegengesetzten Hauptseiten 3 und 4 dieser Platte 5 vorstehen und sich in einer Längsrichtung erstrecken. Die Platte 5 umfasst noch Zwischenwände 6, die sich unter den Reliefrippen 2 von der Seite 3 zur Seite 4 erstrecken, und ebenfalls in der Längsrichtung. Diese Zwischenwände 6 begrenzen Kanäle 7 und 8, wobei die der ersten Kategorie 7 sich unter den Reliefrippen 2 und in ihnen erstrecken, und die der zweiten Kategorie 8 sich zwischen den Reliefrippen 2 erstrecken, wobei sie sich mit den vorhergehenden abwechseln. Die Kanäle der ersten Kategorie 7 haben einen im Wesentlichen rechteckigen oder länglichen Querschnitt und die der zweiten Kategorie 8 einen gleichmäßigeren Querschnitt.
Die Reliefrippen 2 werden über wenigstens einen Teil der Länge der Platte 5 durchgeschnitten oder eingeschnitten, um die Kanäle der ersten Kategorie 7 seitlich zu öffnen. Die 2 veranschaulicht durch die Pfeile A, wie ein in die Platte 5 eingespeistes Fluid durch den derart gebildeten Einschnitt 10 in alle Kanäle der ersten Kategorie 7 fließt, und auch, auf den Kanälen der zweiten Kategorie 8, in Kanäle der dritten Kategorie 9, die sich zwischen den Reliefrippen 2 erstrecken. Eines der Wärmetauschfluide folgt effektiv diesen Wegen, und das andere fließt gemäß den Pfeilen B in den Kanälen der zweiten Kategorie 8. Da der Einschnitt 10 nicht bis zu den Kanälen der zweiten Kategorie 8 reicht, bleiben die Fluide getrennt.
Es wurden im Wesentlichen rechteckige Kanäle 7 und 8 dargestellt, jedoch sind auch andere Querschnitte möglich, wie dargestellt in den 3 und 4, die elliptische Kanäle der ersten Kategorie 7 und relativ runde bzw. elliptische Kanäle der zweiten Kategorie 8 zeigen. Andere Kanäle 7 und 8 sind in der 5 dargestellt, deren Wände Mikrolängsrillen aufweisen, was die Wärmetauschfläche zwischen den beiden Fluiden erhöht. Diese Disposition ist vor allem für die seitlichen Zwischenwände vorgesehen, also die Seiten der Zwischenwände 6.
Die 6 und 7 zeigen einen Stapel von Platten 5, wobei die Reliefrippen 2 der gestapelten Platten 5 sich gegenseitig abstützen und die Querschnitte der Kanäle der dritten Kategorie 9 schließen. Der Wärmtauscher kann durch einen Rahmen 12 vervollständigt werden, der den Plattenstapel umschließt (und auch zwei nicht dargestellte volle Endplatten umfasst). Der Rahmen 12 besitzt vier rechtwinklige Seiten, umgibt die Platten 5 und ist angeschlossen an die Kanäle 7 und B. Er wird gebildet durch elementare Rahmen 15, die mindestens so hoch sind wie die Platten 5, die sie jeweils umgeben und die wie sie gestapelt sind. Die Kanäle 8 der zweiten Kategorie werden frei gemacht durch eine Bearbeitung über den Einschnitt 10 hinaus und sind auf Kerben 40 justiert, die in eine erste Seite 14 der elementaren Rahmen 15 eingearbeitet sind. Eine zweite Seite 16 der elementaren Rahmen 15, der vorhergehenden benachbart, umfasst dem Einschnitt 10 gegenüber Öffnungen 41. Festzustellen ist, dass der Wärmeaustausch mit den Kanälen 7 und 9 der ersten und der dritten Kategorie durch alle Seiten der Kanäle 8 der zweiten Kategorie erfolgt, die sie fast vollständig umgeben, so dass dieser Wärmeaustausch sehr gut ist.
Die Dichtheit und die Kohäsion des Wärmetauschers werden durch Lötungen oder Klebungen 42 zwischen den elementaren Rahmen 15 realisiert. Die Dichtheit kann auch durch peripheres Löten realisiert werden. Das Hinzufügen anderweitiger Abdichtungsgarnituren ist nicht nötig.
Das Ganze wird vervollständigt durch Verteiler wie dem der 8. Die erste Seite 14 erhält einen Ausgangsverteiler 18 des zweiten Fluids und ermöglicht das Kommunizieren der Kanäle der zweiten Kategorie 8 mit einer Ausgangsleitung 19. Eine dritte Seite 20 des Rahmens 12, der ersten gegenüberliegend und in gleicher Weise angeschlossen an die Kanäle der zweiten Kategorie 8, erhält einen Verteiler 21, der dem vorhergehenden entspricht und eine Eingangsleitung 22 des zweiten Fluids umfasst. Die zweite Seite 16 des Rahmens 12 erhält einen dritten Verteiler 23, der ein Eingangsverteiler des ersten Fluids ist und das Kommunizieren einer Eingangsleitung 24 mit den Öffnungen 41, mit den Einschnitten 10 und mit den Kanälen der ersten und dritten Kategorie 7 und 9 ermöglicht. Eine vierte Seite 25 des Rahmens 12 erhält schließlich einen Ausgangsverteiler 26 des durch eine Leitung 27 gelieferten ersten Fluids; dieser Verteiler 26 befindet sich an dem dem Verteiler 23 entgegengesetzten Längsende; die Verteiler 23 und 26 und ihre Anschlüsse und Kommunikationen sind ähnlich bzw. gleich.
Diese Vorrichtung ermöglicht in dem Wärmetauscher eine Gegenstromströmung. Es ist auch eine Gegenstromströmungskonfiguration möglich. Andere Modelle sind natürlich möglich, und eines von ihnen ist in der 9 dargestellt, wo die Verteiler 18 und 23 durch Verteiler 28 und 29 ersetzt wurden, von denen jeder eine Eingangsleitung 30 oder 31 mit jeweils einer Eingangsleitung 30 oder 31 aufweist sowie eine Ausgangsleitung 32 oder 33, von denen jede jeweils mit einem Teil des Verteilers und jeweils einer Gruppe der Platten 5 und der Kanäle kommuniziert. Die anderen Verteiler 21 und 26 wurden durch blinde Kästen 34 und 35 ersetzt, die jeweils den Durchfluss des Fluids von einer der Gruppen der Platten 5 und der Kanäle zur anderen Gruppe ermöglichen. Diese Vorrichtung ermöglicht also Multipass- Strömungskonfigurationen mit jedem der beiden Fluids. Zwei Gruppen von Platten 5 und von Kanälen müssen selbstverständlich durch eine durchgehende Platte getrennt sein.
Die Platten 5 können mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt werden, wobei man ein passendes metallisches oder polymeres Material verwendet, was ihnen eine einheitliche Struktur mit gleichmäßigem Querschnitt verleiht. Anschließend wird durch eine einfache Bearbeitung der Einschnitt 10 realisiert. Es ist möglich, Anschläge 36 vorzusehen, um das Eindringen der Platten 5 in die Längsenden des Rahmens 12 zu begrenzen. Erwähnt sei auch die Möglichkeit, dargestellt in der 10, die Enden der Platten 5 in Querrichtung mit komplementären Formen 37 und 38 zu versehen, um durch Ineinanderfügung einen Zusammenbau zu ermöglichen, aus dem eine breitere Platte resultiert.
Zur Realisierung eines Wärmetauschers ist es nicht notwendig, die Platten 5 vollständig zu umhüllen. Man kann Endstücke verwenden, die man nur an den Längsenden der Platten anbringt. Wie bei der vorhergehenden Realisierung ist es möglich, Teile mit derselben Höhe wie die Platten 5 zu stapeln und zusammenzubauen. Eines dieser Teile mit der Form eines Kamms ist in der 11 dargestellt und trägt die Referenz 50. Es umfasst eine Grundplatte 43 und von ihr emporragende Zähne 44. Die Kanäle 8 der zweiten Kategorie passen in die Kerben 45 zwischen den Zähnen 44. Die Platte 5 wird durch die Grundplatte 43 eines anderen Endteils 50 in Position gehalten, die man auf der vorhergehenden anbringt und die eine andere Platte 5 aufnehmen wird.
Ein Endteil 51 in Form einer Lochplatte, die von den Enden der Kanäle 8 der zweiten Kategorie des gesamten Plattenstapels durchquert wird, ist in der 12 dargestellt. Diese Lochplatte 51 weist von Anfang an eine einheitliche Struktur auf.
Den Vorhergehenden entsprechende Verteiler können mit den Kanälen 7 und 9 der ersten und dritten Kategorie kommunizieren, selbst wenn die lateralen Seiten des Stapels der Platten 5 nicht verkleidet sind. Da die Platten 5 an ihren Stoßstellen zusammengelötet oder – geklebt sind, ist kein Abdichtungsmaterial nötig.
Die Erfindung kann mit niedrigen Herstellungskosten auf Kanäle angewendet werden, deren hydraulischer Durchmesser ungefähr 0,5 mm beträgt.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE REFERENZEN
Diese Liste der durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu, dem Leser zu helfen und ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt erstellt worden ist, können Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab.
In der Beschreibung genannte Patentschriften

Claims

Wärmetauscher mit einem Stapel Kanäle-begrenzender Platten, Eingangs- und Ausgangsverteilern der Fluide, bei dem wenigstens eine der Platten eine Außenumhüllung (1) und Zwischenwände (6) umfasst, die ein durch die Umhüllung umgrenztes Volumen in Kanäle einer ersten Kategorie (7) und einer zweiten Kategorie (8) aufteilen, wobei die Verteiler mit den Kanälen der ersten Kategorie kommunizierende und mit den Kanälen der zweiten Kategorie kommunizierende Verteiler umfassen und die Kanäle der zweiten Kategorie (8) von den Kanälen der ersten Kategorie (7) durch Zwischenwände (6) getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung Reliefrippen (2) aufweist, wobei die Reliefrippen und die Kanäle sich in einer selben Längsrichtung erstrecken, die erste Kategorie der Kanäle (7) sich dabei in den Reliefrippen erstreckt und die Reliefrippen und die Umhüllung in Längsrichtung über einen Abschnitt so eingeschnitten sind (10), dass die Kanäle der ersten Kategorie offen sind und mit den Verteilern kommunizieren, die mit den Kanälen der ersten Kategorie (7) kommunizieren.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines den Plattenstapel (5) umgebenden Rahmens (12), wobei die Verteiler Verteiler umfassen, die mit Kanälen der ersten Kategorie kommunizieren und sich auf einer ersten Seite des Rahmens erstrecken, und Verteiler, die mit einer zweiten Kategorie der Kanäle kommunizieren und sich auf einer zweiten Seite des Rahmens erstrecken, wobei die Kanäle der zweiten Kategorie (8) von den Kanälen der ersten Kategorie (7) durch die Zwischenwände (6) getrennt sind und die erste Seite und die zweite Seite des Rahmens unterschiedlich sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Längsenden-Endstücken, wobei die Verteiler Verteiler umfassen, die mit den Kanälen der ersten Kategorie kommunizieren und sich auf einer lateralen Seite des Stapels erstrecken, und Verteiler umfassen, die mit einer zweiten Kategorie der Kanäle kommunizieren und sich auf einem Endstück erstrecken, wobei die Kanäle der zweiten Kategorie (8) von den Kanälen der ersten Kategorie (7) durch Zwischenwände (6) getrennt sind und die erste Seite und die zweite Seite des Rahmens unterschiedlich sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen rechteckförmig vier Seiten umfasst, wobei die erste Seite und die zweite Seite senkrecht zueinander sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (12) durch Elementarrahmen (15) mit derselben Hohe wie die Platten, gestapelt und miteinander verbunden (42), gebildet wird und Kerben (40) als Sitz für freie Enden der Kanäle der zweiten Kategorie und Öffnungen (41) umfasst, angeordnet vor den eingeschnittenen Abschnitten der Reliefrippen und der Umhüllung.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der ersten Kategorie einen länglichen Querschnitt haben.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle in Längsrichtung gerillte begrenzende Oberflächen haben.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reliefrippen (2) auf den beiden entgegengesetzten Seiten (3, 4) der Umhüllung ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte von einheitlicher Struktur, gleichförmigem Querschnitt und stranggepresst ist.