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Die vorliegende Erfindung betrifft Wärmetauscher
enthaltend einen Stapel von Platten, die in abgedichteter
Weise jeweils so miteinander verbunden sind, daß
zwischen diesen Platten Zwischenräume vorhanden sind, in
denen zwei getrennte, einem Wärmeaustausch unterworfene
Fluidströme fließen.
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Bei einer bekannten, häufig verwendeten Ausgestaltung
ist jede Platte mit vier Öffnungen versehen, wobei sich
jede Öffnung an einer Ecke eines Quadrats befindet.
Zwei Öffnungen dienen als Einlaßöffnungen für die
jeweiligen Fluids und die anderen beiden dienen den
Fluids als Auslaßöffnung. Jedes Fluid unterteilt sich
in mehrere Strome, die der Hälfte der Anzahl aller
Plattenzwischenräume entspricht, und alle Stromanteile
fließen getrennt voneinander durch jeweils einen
anderen Plattenzwischenraum auf dem Weg von der
Einlaßöffnung zur entsprechenden Auslaßöffnung. Bei einer
solchen Ausgestaltung kann man von einer
Parallel-Fließanordnung sprechen.
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In der GB-A-1 430 491 ist eine Anzahl von identischen,
kreisförmigen Platten beschrieben, die jeweils zwei
kurze in Achsrichtung verlaufende Röhrenabschnitte
aufweisen, welche sich von der Platte weg in
entgegengesetzte Richtungen öffnen. Die Platten werden
zusammengebaut, indem die nach oben weisende Röhre auf einer
Platte mit der nach unten weisenden Röhre auf der
nächsten Platte in Eingriff gebracht wird, was automatisch
sicherstellt, daß jede nach oben führende Röhre in
bezug auf die Achse der runden Platte um einen Winkel
verschoben wird und zwei abwechselnd zueinander
angeordnete
Zwischenraumreihen entstehen. Gemäß diesem
Patent werden Fluids durch die beiden Zwischenraumreihen
in einander entgegengesetzten Fließrichtungen geführt.
Dabei fließt das erste Fluid durch die Zwischenräume
mit ungerader Zahl und das zweite durch diejenigen mit
gerader Zahl.
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Der Zusammenbau des Wärmetauschers gemäß dem genannten
Patent erfolgt, indem der sich nach oben erstreckende
Teil mit einem anderen Durchmesser ausgeformt wird als
der sich nach unten erstreckende, wobei dann jeweils
zwei miteinander verbundene Teile teleskopartig
ineinandergeschoben werden und der jeweils kleinere nach
außen aufgeweitet wird. Dadurch werden die Teile sowohl
axial als auch bezüglich ihrer Winkelausrichtung
gemeinsam fixiert. Beim Aufbau der Anordnung wird immer
eine Platte nach der anderen montiert und dabei ist vor
dem Hinzufügen der nächsten Platte jeweils ein
Aufweitschritt zur Herstellung der Verbindung nötig. Darüber
hinaus ist (nach dem ersten Arbeitsschritt) jeweils nur
noch ein Ende des aufzuweitenden Teils mit einem
Formwerkzeug zu erreichen, was eventuell die Verwendung
eines biegsamen Materials notwendig macht. Aber selbst
dann sind der Konstruktion noch technische Grenzen
gesetzt.
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Die EP-A-159 685 behandelt einen Wärmetauscher
enthaltend einen Plattenstapel, wobei die Platten
Ausbuchtungen aufweisen, die die jeweils angrenzenden Platten
stützen. Allerdings stehen die Ausbuchtungen aneinander
angrenzender Platten nicht miteinander in Kontakt, was
die Festlegung der axialen Plattenzwischenräume
kompliziert.
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In der GB-A-1 430 491 ist ein Wärmetauscher mit
Plattenstapel beschrieben, wobei die Platten jeweils zwei
Öffnungen aufweisen. Jeweils eine der Öffnungen einer
Platte steht in Verbindung mit einer Öffnung der näch
sten Platte und jede Platte besitzt einen Bund, der
teilweise abgeschrägt ist, um in den Bund der nächsten
Platte einzurasten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen ver
besserten Wärmetauscher der genannten Art zu
beschreiben.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein
Reihenfluß-Wärmetauscher einen Stapel identischer Platten,
von denen jede zwei Öffnungen besitzt, die jeweils in
dieselbe Richtung um einen Winkel relativ zur
benachbarten Platte gedreht werden, so daß die erste Öffnung
der einen Platte mit der zweiten Öffnung der nächsten
Platte in Verbindung steht usw., wodurch zwei jeweils
abwechselnd zueinander angeordnete Schichten von
Zwischenräumen entstehen, in denen zwei Fluids zum
Wärmeaustausch fließen können, wobei jede Platte mit
Vorsprüngen versehen ist, die sich auf die benachbarte
Platte zu erstrecken, die Öffnungen durch sich in
entgegengesetze Richtungen erstreckende Röhrenabschnitte
gebildet werden und wobei jede Platte einen Randflansch
aufweist und jede Platte in die nächste einrastet,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platten quadratisch sind,
wodurch die Öffnungen automatisch exakt miteinander
fluchten, wenn die Platten in der Stapelanordnung
zusammengesetzt werden, daß die zueinander ausgerichteten
Öffnungen mit ihren Enden aneinander anliegen oder
ineinandergeschoben sind und daß die Vorsprünge als
Ausbuchtungen ausgebildet sind, auf beiden Oberflächen
jeder
Platte ein vorspringendes Muster bilden und mit den
entgegengesetzt vorspringenden Ausbuchtungen der
Oberfläche der nächsten, im Stapel benachbarten Platte in
Kontakt kommen, wodurch die axialen Zwischenräume
festgelegt werden.
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Erfindungsgemäß besitzen die Platten eine quadratische
Form, um eine perfekte Winkelausrichtung zwischen einem
Röhrenabschnitt und dem nächsten sicherzustellen, ohne
daß die Röhrenabschnitte zur gegenseitigen Fixierung
aufgeweitet werden müßten. Dadurch können die
Röhrenabschnitte auch, falls gewünscht, an ihren Enden
aneinander anliegen und später durch Löten in einem Lötofen
dicht miteinander verbunden werden. Allerdings wird es
vorgezogen, daß ein Röhrenabschnitt einen kleineren
Durchmesser aufweist als der andere und die beiden
somit eine Teleskopverbindung bilden können, wodurch
nicht Kanten, sondern Flächen miteinander in Kontakt
kommen.
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Die Anordnung der Röhrenabschnitte hängt von der Form
der Platten ab. Die Röhrenabschnitte werden so
angeordnet, daß, wenn eine Platte relativ zur nächsten so
gedreht wird, daß die Kanten auch weiterhin
zusammentreffen, beispielsweise der sich nach oben
erstreckender Röhrenabschnitt einer Platte mit dem sich
nach unten erstreckenden Röhrenabschnitt der nächsten
Platte fluchtet etc.
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Vorzugsweise besitzen die einzelnen Platten einen
durchgehenden Randflansch, der im wesentlichen, jedoch
nicht ganz exakt, senkrecht zur Plattenebene verläuft,
wobei der Winkel, in dem der Flansch geneigt ist, eine
gewisse Auswirkung darauf hat, inwieweit eine Platte in
die nächste einrastet.
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Gemäß einem wichtigen, allerdings nicht unbedingt
nötigen Merkmal der Erfindung weist der Flansch eine
Verlängerung nach außen und einen sich nach unten
erstreckenden Endabschnitt auf. Er kann auch nach außen
umgebogen sein. Der Grund für diese Ausgestaltung wird
später noch genauer erläutert.
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Vorzugsweise besitzen die Platten auf ihren Flächen
auch Ausbuchtungen, die sich in entgegengesetzte
Richtungen erstrecken und so angeordnet sind, daß bei der
richtigen Winkelausrichtung die sich nach oben
erstreckenden Ausbuchtungen einer Platte mit den sich nach
unten erstreckenden Ausbuchtungen der nächsten Platte
fluchten. Werden diese Merkmale miteinander kombiniert,
so kann die Anordnung zusammengesetzt und dann der
Plattenstapel so zusammengepreßt werden, daß die
Ausbuchtungen in engen gegenseitigen Kontakt kommen,
wodurch sich das Ausmaß begrenzen läßt, in dem die
Anordnung axial zusammengepreßt werden kann, und
sichergestellt wird, daß die Flansche über ihre jeweilige Länge
in engen Kontakt miteinander kommen, bevor sie im
Lötofen verlötet oder auf andere Weise dicht miteinander
verbunden werden. Die Teleskopverbindung der
Röhrenabschnitte kann hierbei besonders vorteilhaft sein.
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Die Ausbuchtungen können konisch oder halbkugelförmig
ausgebildet sein, allerdings wird eine stumpfkegelige
Form bevorzugt.
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Vorzugsweise sind alle Platten mit Ausnahme der
Endplatten (d.h. alle Zwischenplatten) identisch
ausgeführt
und die Anzahl der Platten (einschließlich der
Endplatten) beträgt xn + 1, wobei x der Anzahl der
Seiten des Vielecks entspricht und n jede beliebige ganze
Zahl sein kann. Hierdurch verlaufen der Einlaß und der
Auslaß der einen Fließreihe ebenso koaxial zueinander
wie der Einlaß und der Auslaß der anderen Fließreihe.
Somit kann der erfindungsgemäße Wärmetauscher einfach
in ein Paar paralleler, die Wärmetauschfluids führender
Rohre eingesetzt werden, indem die Enden der jeweiligen
Teile abgeschnitten und miteinander verbunden werden,
ohne daß irgendwelche weiteren Installationsarbeiten
ausgführt werden müßten. Allerdings ist es für manche
Verwendungszwecke sinnvoll, einen Wärmetauscher mit
drei Platten und zwei Zwischenräumen vorzusehen, bei
dem dann die Einlässe und Auslässe nicht koaxial
verlaufen.
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Ein weiteres wichtiges, zusätzlich vorsehbares Merkmal
der Erfindung besteht darin, jede der Endplatten mit
einer dickeren, ebenen Abdeckplatte zu verstärken,
wobei die der Abdeckplatte benachbarte Endplatte ebenso
gestaltet ist wie eine Zwischenplatte, mit der
Ausnahme, daß sie nur auf der der nächsten Zwischenplatte
zugewandten Seite Ausbuchtungen aufweist und nicht auf
der der Abdeckplatte zugewandten. Der Grund hierfür
wird später noch erläutert.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher
beschrieben.
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In der Zeichnung zeigen
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Fig.1 eine Unteransicht einer Zwischenplatte;
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Fig.2 eine Seitenansicht dieser Zwischenplatte;
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Fig.3 eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in
Fig.1;
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Fig.4 eine schematische, perspektivische Explosi
onsansicht eines die Platten gemäß den Fig.1
bis 3 enthaltenden Wärmetauschers zur
Verdeutlichung der jeweiligen Winkelausrichtung;
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Fig.5 eine Schnittdarstellung durch einen Teil der
Länge des Wärmetauschers entlang der Linie B-
B in den Fig.1, 6 und 7;
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Fig.6 eine Ansicht gemäß Fig.1, wobei allerdings
eine Endplatte dargestellt ist;
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Fig.7 eine Ansicht gemäß Fig.l, wobei die andere
Endplatte dargestellt ist; und
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Fig.8 eine Schnittansicht eines Bestandteils einer
Abwandlung der Erfindung.
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In der Zeichnung ist in Fig.1 eine quadratische
Zwischenplatte 10 dargestellt, die, im vorliegenden Fall,
neunzehn Reihen als Ausbuchtungen ausgebildeter
Vorsprünge aufweist, welche so angeordnet sind, daß sie
sich jeweils zur einen oder anderen Fläche der Platte
hin erstrecken. Die Ausbuchtungen sind jeweils in
gleichmäßigen Abständen zueinander in einem
regelmäßigen Muster angeordnet, wobei die Ausbuchtungsreihen mit
halbem Abstand zueinander gestaffelt sind. Die Platte
ist mit einem Paar von Öffnungen 50, 52 versehen, die
symmetrisch zu einer die Längenabmessung halbierenden
Senkrechten und mit gleichem Abstand zu einer zweiten
Senkrechten, die im rechten Winkel zur ersten steht und
die Querabmessung halbiert, angeordnet sind. Zwei
Bereiche der Platte sind mit Ausbuchtungen versehen, die
sich, abhängig von der Richtung, in die die Platte beim
Zusammenbauen gedreht wird, derart alle entweder nach
oben (Bereich um Punkt 6) bzw. nach unten (Bereich um
Punkt 8) erstrecken, daß die Ausbuchtungen jeweils von
einer mit ihnen fluchtenden Öffnung 50, 52 wegweisen.
Wie sich Fig.3 entnehmen läßt, ist einer der Vorsprünge
als Röhrenabschnitt bzw. Hülse 54 ausgebildet, der sich
in eine Richtung erstreckt, während sich der zweite
Röhrenabschnitt 56 in die entgegengesetzte Richtung
erstreckt. Ein Röhrenabschnitt ist jeweils so geformt,
daß er mit dem nächsten beispielsweise durch Löten in
einem Lötofen dicht verbunden werden kann, und zu
diesem Zweck können die Röhrenabschnitte, wie bereits
erwähnt, teleskopartig ineinander eingreifen oder mit
ihren Enden aneinander anliegen. Die Verwendung von nicht
runden Platten ist deshalb besonders vorteilhaft, weil
die Kanten der Platten die Röhren in exakter
Winkelausrichtung halten, ohne daß die Gefahr besteht, die
Röhrenabschnitte könnten nicht koaxial zueinander ausge
richtet sein, was zumindest zu einem Auseinanderklaffen
führen und ihr dichtes Verbinden im Lötofen verhindern
würde, wobei dann der Wärmetauscher nutzlos würde, da
es beim Einsatz eines solchen Wärmetauschers zur
Vermischung der im Wärmetauscher eingesetzten Fluids kommen
würde.
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Jede Platte weist eine hochstehende Randkante 30 auf,
die leicht geneigt ist, wodurch die nächste Platte
teilweise in sie einrasten kann.
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Die Anordnung dieser in Fig.1 dargestellten
Zwischenplatten in einem typischen Wärmetauscher ist in Fig.4
gezeigt. Damit Einlässe und Auslässe axial miteinander
fluchten und der Wärmetauscher somit in einem Paar
parallel zueinander verlaufender Rohre installiert werden
kann, beträgt die Anzahl der Zwischenräume jeweils ein
Vielfaches von 4 und die Anzahl der Platten ein
entsprechendes Vielfaches plus 1, d.h. es werden
beispielsweise drei, neun, dreizehn... Platten vorgesehen.
In Fig.4 sind fünf Platten dargestellt und somit sind
zwischen den Platten vier Zwischenräume vorhanden.
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Es ist selbstverständlich nicht unbedingt nötig, bei
quadratischen Platten eine Anzahl von Platten
vorzusehen, die ein Vielfaches von 4 plus 1 beträgt,
vorausgesetzt man kann darauf verzichten, daß Einlaß- und
Auslaßröhren miteinander fluchten. Eine Möglichkeit, die
besonders dann sinnvoll ist, wenn eine kleine Anzahl
von Platten benötigt wird, besteht beispielsweise
darin, vier Platten mit drei Zwischenräumen vorzusehen,
von denen der erste und dritte miteinander in Reihe
verbunden sind und einen Fließweg für ein Fluid bilden,
während im zweiten das andere Fluid fließt. Bei einer
weiteren, ähnlichen Anordnung werden sechs Platten dazu
verwendet, fünf Zwischenräume zu bilden, von denen der
erste, dritte und fünfte miteinander in Reihe verbunden
sind und einen Fließweg für das erste Fluid bilden,
während der zweite und vierte das zweite Fluid aufneh
men. Für einen Fachmann ist klar, daß es beim Fließen
durch einen Raum zu einem Druckabfall kommt und daß bei
ansonsten gleichen Bedingungen der Druckverlust um so
größer ist, je länger die Wärmestrecke ist. Somit tritt
bei dem ersten genannten Beispiel mit drei
Zwischenräumen
bei dem Fluid, das durch zwei Zwischenräume fließt,
ein wesentlich größerer Druckabfall auf als bei dem
Fluid, das durch nur einen Zwischenraum fließt.
Erfindungsgemäß kann der Wärmetauscher speziell so konstru
iert werden, daß diese Faktoren gemäß den von außen
vorgegebenen Parametern berücksichtigt werden.
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In jedem Fall umfaßt der Plattenstapel beim bevorzugten
Ausführungsbeispiel sowohl Zwischenplatten als auch
zwei Endplatten 70, 72. Die Platte 70 ist in Fig.6
dargestellt. Diese gezeigte Platte weist, wie sich Fig.4
entnehmen läßt, nur nach unten gerichtete Ausbuchtungen
42 auf, und diese Ausbuchtungen sind an genau den
gleichen Stellen angeordnet wie die sich nach unten
erstreckenden Ausbuchtungen in Fig.1, wenn sich die
Platte in der in Fig.1 gezeigten Winkelausrichtung
befindet. In ähnlicher Weise besitzt die Platte 72 nur
nach oben gerichtete Ausbuchtungen 42, die, wiederum
bei gleicher Winkelausrichtung, an exakt den gleichen
Stellen angeordnet sind, wie die sich nach oben
erstreckenden Ausbuchtungen in Fig.1. Die Herstellung
dieser Platten ist einfach, da zur Fertigung aller
Zwischen- und Endplatten derselbe Satz von Formwerkzeugen
verwendet werden kann. Die oberen bzw. unteren Formge
senke werden zur Herstellung der Ausbuchtungen mit
einsteckbaren Stiften versehen und diese Stifte werden
einfach entfernt, wenn an gewissen Stellen keine
Ausbuchtungen benötigt werden, und dort eingesetzt, wo
Ausbuchtungen gewünscht sind.
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Die als Ausbuchtungen ausgeformten Vorsprünge sind in
jeder Reihe so angeordnet, daß die Oberfläche 40 jeder
Ausbuchtung 42 die entsprechende Oberfläche der damit
fluchtenden Ausbuchtung auf der nächsten Platte,
beispielsweise 10, 70 oder 72, berührt, wodurch die
Zwischenräume zwischen den Platten festgelegt werden
können, wenn diese beim Zusammenbau vor dem Löten oder
sonstigen Verbinden zusammengepreßt und die
Ausbuchtungen miteinander verlötet werden sollen, um der
Anordnung eine hohe strukturelle Festigkeit zu verleihen.
Allerdings dienen die Ausbuchtungen auch dazu, eine
Vielzahl von Fließwegen entlang der Platten
herzustellen, die Turbulenzen und Vermischungen verursachen, und
sie bieten zusätzliche Oberflächen für den Wärmetausch
von Fluid zu Platte und von Platte zu Fluid. Durch das
Löten werden im wesentlichen jeweils die Kanten der
Platten, die Röhrenabschnitte und vorzugsweise auch die
Ausbuchtungen miteinander verbunden.
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In Fig.1 sind die nach oben- gerichteten (konvexen)
Vorsprünge als einfache Kreise dargestellt und die nach
unten gerichteten (konkaven) Vorsprünge mit einem Kreuz
gekennzeichnet. Diese Darstellungsweise ist rein sche
matisch und dient allein dem besseren Verständnis, d.h.
die Kreuze erscheinen zwar in der Zeichnung, aber nicht
an den eigentlichen Ausbuchtungen.
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Die Anordnung wird durch verstärkende Abdeckplatten 20
vervollständigt, wobei es sich um relativ dicke und
massive Platten handelt, die Öffnungen aufweisen,
welche es ermöglichen, Verbindungsrohre 14, 16 an die
Anordnung anzufügen und direkt an die Endplatten 70, 72
anzulegen. Auch diese Abdeckplatten sind einander im
wesentlichen identisch und so dimensioniert, daß sie in
die Randkante 30 einrasten können. Da keine sich von
den anliegenden Endplatten 70, 72 auf die Abdeckplatten
zu erstreckenden Ausbuchtungen vorhanden sind, können
die Abdeckplatten im wesentlichen über ihre ganze
Fläche
mit der Fläche der anliegenden Endplatten verlötet
werden, was die Druckfestigkeit der gesamten Anordnung
erheblich erhöht.
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In Fig.5 ist eine geschnittene Teilansicht einer
erfindungsgemäßen Neun-Platten-Anordnung dargestellt, die
sieben Zwischenplatten 10¹, 10², 10³... 10&sup7; aufweist.
Der Schnitt ist dabei durch drei sich nach unten
erstreckende Ausbuchtungen in einer Reihe der Platte 10¹
(gemäß Fig.1) auf der linken Seite von Fig.5 und danach
durch drei sich nach oben erstreckende Ausbuchtungen in
der angrenzenden Reihe, auf der rechten Seite von
Fig.5, geführt. Hierbei lassen sich die axialen
Dimensionsveränderungen der Zwischenräume zwischen den
Platten des Stapels erkennen, die zu einer Verbesserung des
Fließverhaltens beitragen, eine Filmbildung verhindern
und somit den Wärmeaustausch fördern. In der Praxis
fließt eines der beiden Fluids nacheinander durch die
Zwischenräume 90, 92, 94 und 96 (bzw. in umgekehrter
Richtung), während das andere nacheinander durch die
Zwischenräume 98, 100, 102, 104 (bzw. in umgekehrter
Richtung) fließt.
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Die Anordnung wird hergestellt, indem jede Platte
jeweils um 90º gegenüber den nächsten Platte in immer
derselben Richtung gedreht und die Platten zu einem
Stapel zusammengesetzt werden. Die Ausbuchtungen werden
so angeordnet, daß jede nach unten gerichtete
Ausbuchtung nun mit einer nach oben gerichteten Ausbuchtung
fluchtet (und umgekehrt). Bei den Endplatten 70, 72
sind die Ausbuchtungen auf das Stapelinnere hin
ausgerichtet, während den verstärkenden Abdeckplatten im
wesentlichen ebene Flächen zugewandt sind.
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Eine in Fig.8 dargestellte Abwandlung der Erfindung
trägt weiter zur Erhöhung der Druckfestigkeit bei. Bei
dieser Abwandlung ist die Kante 30 an der Stelle 80
umgebogen. Dieses Umbiegen kann um einen Winkel von
weniger als 180º, aber auch um einen Winkel von mehr als
180º erfolgen. Stattdessen kann eine ähnliche
Ausbildung auch aus einer Reihe von winklig zueinander
angeordneten ebenen Bereichen, namlich einem nach außen
vorstehenden Flansch und dann wenigstens einem nach un
ten vorstehenden Flansch, bestehen&sub0; Diese Ausgestaltung
führt zu einer Versteifung jeder Platte. Darüber hinaus
kann es von Vorteil sein, daß hierbei beim
Zusammensetzten eine natürliche, um den Rand verlaufende Nut
zwischen jeweils zwei Platten entsteht, die eine aus
dem beim Herstellen der Anordnung verwendeten
Lötmaterial bestehende Naht aufnehmen kann.
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An den an entgegengesetzten Enden der fertigen
Anordnung hervorstehenden Röhrenabschnitten 50, 52 können
kurze Röhrenstücke befestigt werden. Die Befestigung
kann durch Löten im Lötofen oder durch ähnliche
Arbeitsschritte erfolgen, die ein Abdichten aller Teile
der Anordnung ermöglichen. So können diese Röhren
beispielsweise ein Innengewinde aufweisen, mit dessen
Hilfe bereits vorhandene Rohre an den Wärmetauscher
angeschlossen werden können. Natürlich bildet dabei eine
der Röhren an einem Ende eine Öffnung für den
Plattenzwischenraum zwischen dem ersten Paar von Platten 10,
während die andere Röhre am selben Ende als Zugang zum
zweiten Plattenzwischenraum zwischen der zweiten und
der dritten Platte 10 dient. Gleiches gilt für das
andere Ende.
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In Fig.5 sind Abstände zwischen den Teilen dargestellt,
wie sie vor dem zum Abschluß des Herstellungsprozesses
erfolgenden Preßverklemmen und Löten bzw. anderen
Abdichtschritten vorhanden sind.