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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, gebildet
aus gewellten und übereinandergelagerten Platten, entsprechend der
Präambel des Anspruchs 1. Ein solcher Wärmetauscher ist bekannt
durch GB-A-2 025 026.
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Das Patent GB-A-551 167, ebenso wie das Patent FR-A-
1 325 843, beschreibt einen Wärmetauscher, gebildet aus
übereinanderlagernden Platten mit Flächen mit zwei verschiedenen
Längen, jedoch bilden die Wellungsgeraden benachbarter Platten
Winkel von 0º. Die daraus resultierende Anordnung weist Kanäle
auf, wo enge Durchgänge brüsk abwechseln mit Kammern von im
wesentlichen quadratischem Querschnitt, wo das Fluid wirbelt.
Dieser Effekt ist konträr zu dem der Erfindung, wo man versucht,
eine möglichst gleichmäßig Strömung zu erzielen, mit verringerten
Energieverlusten. Die Kombination von asymetrischen Platten und
Winkeln von 60º bis 180º führt zu einem neuen und
unvorhergesehenen Resultat.
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Das Patent GB-A-2 025 026 betrifft einen Wärmetauscher,
wo die Winkel der Wellungsgeraden oft annähernd 90º betragen, um
den Wärmeübergang durch Erhöhung der Strömungsturbulenz zu
verbessern.
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Diese Platten dienen der Begrenzung benachbarter
Kanäle, in denen beiderseits jeder Platte das zu wärmende Fluid
und das zu kühlende Fluid fließen. Wesentlicher Zweck der
Wellungen ist die Erhöhung der Steifigkeit der Platten, das
Vermischen der Fluids durch Erhöhung der Turbulenz und die
Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche. Im allgemeinsten Fall sind
die Platten übereinandergeschichtet und die Wellungsgeraden sind
überkreuzt. Die Kanäle sind folglich von komplexer Form, mit
Querschnitten von variabler Form längs der Strömungsrichtung. In
einem besonderen Fall sind die Wellungen aller Platten parallel
und die Kanäle haben dann einen Querschnitt von unveränderlicher
Form, senkrecht zu der mittleren Strömungsrichtung, und eine im
wesentlichen sinuskurvenförmige Gesamtform.
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Normalerweise sind in den beiden Fällen die Platten
identisch und hergestellt durch Ziehen von flachen Platten, um
Flächen gleicher Länge zu bilden, mit Neigungen mit wechselnder
Richtung beiderseits der Wellungsgeraden.
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Man stellt jedoch einen weniger großen Wärmeaustausch
fest als man erwarten könnte, hingegen ziemlich große
Strömungswiderstände, die es erforderlich machen, den Überdruck
stromaufwärts zu erhöhen.
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Die Erfindung verfolgt im wesentlichen das Ziel,
gleichzeitig diese beiden Nachteile zu verringern inittels einer
günstigeren Strömung des Fluids in den Kanälen.
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Vorgesehen ist, daß für jede Platte die Flächen
abwechselnd kurz und lang sind und daß die Wellungsgeraden
benachbarter Platten Winkel bilden, die enthalten sind zwischen
60º und 180º, wobei die Winkel von 0º einem Zustand entsprechen,
wo die kurzen Flächen aller Platten nach derselben Richtung
orientiert sind, und daß die langen Flächen jeweils Projektionen
auf eine Mittelebene der Platten aufweisen, die 1,5 bis 2,5 mal
länger sind, als die Projektionen der kurzen Flächen.
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Zwei wichtige Ausführungen werden durch die Ansprüche 2
und 3 definiert.
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Nun wird die Erfindung mehr im Detail beschrieben mit
Hilfe der beigefügten erläuternden und nichteinschränkenden
Zeichnungen:
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-die Figur 1 stellt schematisch einen Wärmetauscher
nach der vorhergehenden Technik dar, bei dem die Wellungsgeraden
aller Platten parallel sind;
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- die Figur 2 stellt ein Schema der Strömung in einem
solchen Wärmetauscher dar;
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- die Figur 3 stellt, in einer der Figur 1 analogen
Ansicht, die Platten eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers dar;
und
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- die Figur 4 stellt die Anordnung der Platten in einem
anderen erfindungskonformen Wärmetauscher dar.
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Die Figur 1 stellt also einen Wärmetauscher dar,
gebildet durch eine Übereinanderlagerung von identischen Platten
1, deren Form einer Sinuskurve gleicht und die hergestellt wurden
durch Tiefungen längs parallelen Wellungsgeraden 2 an der
Verbindungsstelle von wechselweise mit 3 und 4 bezeichneten
Flächen.
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Die Platten 1 dienen der Trennung von Kanälen 5, von
denen bestimmte stromaufwärts in einen ersten Verteiler 6 und
stromabwärts in einem ersten Sammler 7 münden, und die anderen
stromaufwärts in einem zweiten Verteiler 8 und stromabwärts in
einem zweiten Sammler 9 münden. Die ersten Kanäle 5 werden von
einem zu erwärmenden Fluid durchströmt und die zweiten von einem
zu kühlenden Fluid; die ersten und die zweiten Kanäle 5 wechseln
entlang der Höhe des Wärmetauschers so ab, daß jede Platte 1, mit
Ausnahme derer an den Enden, einer Wärmeaustauschfläche zwischen
den beiden Fluiden entspricht. Im vorliegenden Fall wurden
Gegenstrom-Strömungen dargestellt, bei denen das erste Fluid nach
rechts fließt und das zweite nach links.
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Die Kanäle 5 können an ihren Seitenflächen abgedichtet
werden mittels Dichtungen und auf Abstand gehalten werden mittels
Abstandsstücken. Diese wohlbekannten technischen Details werden
hier nicht näher behandelt.
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Die Flächen 3 und 4 sind symetrisch bezüglich der
Wellungsgeraden 2, haben eine in der Projektion auf die Achse E,
der mittleren Richtung der Strömung der beiden Fluids
entsprechend, identische Länge 13 oder 14, und unterscheiden sich
nur durch die Richtung ihrer Neigung längs der Achse E.
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Betrachten wir einen Kanal 5, begrenzt durch eine obere
Platte la und durch eine untere Platte 1b, wie dargestellt in
Figur 2. Obwohl der Querschnitt des Kanals 5 gleichförmig ist über
seine gesamte Länge, kann das Fluid den Wellungen der Platten 1a
und 1b nicht folgen und Stömungsungleichheiten treten auf: die
Flächen, die im Innern des Kanals nach hinten gerichtet sind, d.h.
die Flächen 3 der unteren Platte 1b und die Flächen 4 der oberen
Platte 1a entsprechen Flächen, die ein Hindernis darstellen für
das Fluid, während die anderen Flächen, nach vorn gerichtet, diese
Funktion nicht ausüben können, und folglich von einem Fluid
bespült werden, dessen Fließgeschwindigkeit sehr gering ist oder
örtlich sogar der mittleren Fließrichtung im Kanal 5
entgegengesetzt. Daraus resultieren große Energieverluste durch
Reibung und ein geringerer Wärmeaustausch auf Grund dieser Zonen
10 mit kleiner Geschwindigkeit, die sich, wie Figur 2 zeigt, über
die Gesamtheit der nach vorn gerichteten Flächen erstrecken und
sogar über einen hinteren Teil der nach hinten gerichteten
Flächen, und dies unabhängig von der Reynolds-Zahl der Strömung.
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Nun wird Bezug genommen auf die Figur 3, die eine
Ausführung der Erfindung darstellt. Die Platten y sind mit 11
bezeichnet und werden, wie bei der vorhergehenden Technik,
hergestellt mittels Ziehen einer flachen Platte, um Wellungen zu
erzeugen. Ihre hier mit 13 und 14 bezeichneten Flächen sind
asymetrisch: die projizierte Länge l&sub1;&sub3; der Flächen 13, projiziert
auf eine der parallelen Ebenen P1 oder P2, die die Wellungsgeraden
12 enthalten und zwischen denen die Platten 11 sich folglich
erstrecken, oder auf eine Platten-Mittelebene P&sub3;, parallel zu den
vorhergehenden, ist zweimal größer als die Länge l&sub1;&sub4; der anderen
Flächen 14. Man wird folglich künftig die Flächen 13 lange Flächen
nennen, und die Flächen 14 kurze Flächen.
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Die Flächen 13 und 14 wechseln sich an den Platten 11
so ab, daß für jede Platte 11 die längen Flächen 13 zueinander
parallel sind, ebenso wie die kurzen Flächen 14 und, um den
Wärmetauscher zu bilden, sind die übereinandergelagerten Platten
11 so ausgerichtet, daß die Wellungsgeraden 12 der benachbarten
Platten 11 Winkel bilden, die enthalten sind zwischen 60º und 180º
(wobei der Winkel 0º Flächen der gleichen Art, nach derselben
Richtung orientiert, auf benachbarten Platten entspricht).
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Die Figur 4 stellt einen allgemeinen Fall dar und zeigt
zwei übereinandergelagerte Platten 11a und 11b, deren
Wellungsgeraden 12 an der Verbindungsstelle der Flächen 13 und 14
jeweils orientiert sind nach den Richtungen Da und Db, einen
Drehwinkel α bildend. Die anderen Platten des Wärmetauschers, die
nicht dargestellt sind, haben Wellungsgeraden, die abwechselnd
nach Da und Db orientiert sind.
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Die Platten sind aufeinandergeschichtet an
Berührungspunkten 19 am Schnittpunkt der gekreuzten Wellungsgeraden 12.
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Die in Figur 3 dargestellte Formgebung entspricht einem
Drehwinkel von 180º, für den die Wellungsgeraden 12 aller Platten
11 parallel sind, wobei aber die langen Flächen 13 jeder Platte 11
nach derselben Richtung orientiert sind wie die kurzen Flächen 14
der benachbarten Platten 11, abgesehen von den
Neigungsunterschieden. Für den durch die Platten 11c und 11d
begrenzten Kanal 15a haben die Flächen 13 eine Innennormale nach
vorn (in Richtung der Strömung, rechts in der Figur), und die
kurzen Flächen 14 eine Innennormale nach hinten. Außerdem
erstrecken sich die kurzen Flächen 14 senkrecht zu einer der
Ebenen P&sub1;, P&sub2; oder P&sub3; in der Mitte einer langen Fläche 13 der
benachbarten Platte 11. Man kann folglich für die gesamte lange
Fläche 13 eine zentrale Zone der Länge l&sub1;&sub4; erkennen, die einer
kurzen Fläche 14 der benachbarten Platte 11 gegenübersteht, und
zwei Endabschnitte, wovon jeder eine Länge l&sub1;&sub5; hat, die dem Ende
einer langen Fläche 13 der benachbarten Platte gegenüberstehen. In
dem vorliegenden Fall, wo l&sub1;&sub3; = 2.1&sub1;&sub4; ist, ist l&sub1;&sub5; = l&sub1;&sub4; / 2. Die
Neigungswinkel der langen und kurzen Flächen 13, 14 sind, bezogen
auf die Ebenen P&sub1;, P&sub2; und P&sub3;, jeweils 18º und 36º. Gute Resultate
wurden erzielt für
wo XD den auf die Ebene P&sub3; projizierten Abstand zwischen einer
Wellung 12 einer Platte 11, die unmittelbar stromaufwärts eine
kurze Fläche 14 hat, und der Wellung 12 bezeichnet, die sich
unmittelbar stromabwärts befindet und eine lange Fläche 13 einer
benachbarten Platte 11 unmittelbar stromäufwärts hat; a bezeichnet
den Abstand, senkrecht zur Ebene P&sub3;, zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Wellungen derselben Platte 11.
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Mit solchen Formen sind die hydraulischen und
thermischen Leistungen des Wärmetauschers besser für
Reynolds-Zahlen, die enthalten sind zwischen 50 und 15 000, denn die
Neigung der Flächen an der Strömungsvorderseite innerhalb der
Kanäle 15 ist weniger groß. Daraus resultiert, daß die Zonen mit
geringer Fluidgeschwindigkeit von geringer Ausdehnung sind, da das
Fluid besser geleitet wird. Wenn man mit Figur 1 vergleicht,
stellt man fest, daß die Zonen 10 künftig aufgeteilt sind, jede in
zwei Zonen 17 und 18, deren Gesamtvolumen sehr viel kleiner ist,
und die sich jeweils hinten an langen Flächen 13 und vorn an eben
diesen Flächen erstrecken, wobei letztere vordringen auf den
hinteren Teil nach hinten gerichteter Flächen, wie vorhergehend.
Die langen Flächen 13 werden künftig über eine große mittlere
Länge l&sub1;&sub6; mit Fluid von nicht zu vernachlässigender
Geschwindigkeit bespült, was dazu beiträgt, den Wärmeaustausch zwischen
benachbarten Kanälen 15 zu erhöhen und die Reibungsverluste zu
reduzieren.
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Diese Vorteile werden ebenfalls erzielt mit Kanälen von
komplizierterer Form, hergestellt mit der Anordnung der Figur 4.
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Die Konzeption der Erfindung ist besonders vorteilhaft
in dem Fall, wo die Fluidströme Gegenströme sind, denn dann sind
für jeden Kanal die nach vorn weisenden Flächen lange Flächen, und
man erhält die angegebenen Vorteile.
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Im Falle der Figur 3 hat man einen
Reibungskoeffizienten erzielt, der um ein Mehrfaches kleiner ist als der
Reibungskoeffizient der erzielt worden wäre mit einer der Figur 1
entsprechenden Gestaltung, wobei die Periodizitätsteilungen der
Platten identisch sind, und dies unabhängig von der
Strömungsgeschwindigkeit.