DE8006193U1 - Membran-waermetauscher - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. R. LEMCKE

DR.-ING. H. J. BROMMER

AMALIENSTRASSE 28

KARLSRUHE 1

Witzenmann GmbH

Metallschlauch-Fabrik Pforzheim Östliche Karl-Friedrich-Straße 134 7530 Pforzheim

Membran-Wärmetauscher

Die Erfindung bezieht sich auf einen Membran-Wärmetauscher aus zahlreichen übereinander angeordneten, gleichartigen Membranen, die paarv/eise miteinander verbunden sind und geschlossene Strömungskanäle für das eine Medium bilden, während das andere, insbesondere gasförmige, Medium durch zwischen den Membranpaaren durch lokale Ausbeulungen der Membranen erzeugte Spalte strömt.

Bei Wärmetauschern besteht grundsätzlich die Problematik darin, eine große Austauschfläche zwischen den wärmeübertragenden Medien zur Verfügung zu stellen, eine möglichst flache Spaltströmung zu erzeugen, damit der Wärmetransport vom Strömungskern zur Grenzschicht keinen hohen Temperaturgradienten erfordert und schließlich darin, durch eine möglichst turbulente Strömung hohe Warineübergangszahlen zu erreichen. Diese Forderungen sollen durch Wärmetauscher mit möglichst niedrigen Herstellungskosten erfüllt werden.

Zu diesen vorwiegend thermodynamisch bedingten Zielen kommt häufig erschwerend hinzu, daß das eine der beiden wärmetauschenden Medien unter einem erheblich höheren oder niedrigeren Druck als das andere Medium steht. Bei der Auslegung des Wärmetauschers muß in diesem Fall auch für eine ausreichende Druckfestigkeit seiner Bauteile gesorgt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß er sich bei günstigen Wärmeübertragungseigenschaften durch wirtschaftliche Herstellungsweise auszeichnet und auch für Medien geeignet ist, die dem Wärmetauscher mit dark unterschiedlichem Druckniveau zugeführt werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Wärmetauscher der eingangs beschriebenen Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membranen aus ringförmigen Scheiben bestehen, die quer zu ihrer Umfangsrichtung ein wellenförmiges

Profil aufweisen, daß die Membranen eines jeden Membranpaares sich/ihrer in den Strömungskanal ragenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Wellenscheitel aneinander abstützen und daß die Wellung benachbarter Membranpaare jeweils um die halbe Wellenlänge versetzt ist.

Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die wellenförmig profilierten Membranen in Ringform ein preisgünstiger Baustein für die Herstellung von Wärmetauschern sind. Zugleich erhält man für die üblicherweise radial erfolgende Spaltströmung durch das quer angeströmte Wellenprofil ständig neue thermische Anlaufstrecken mit hoher Wärmeübergangszahl. Weiterhin bieten die erfindungsgemäßen wellenförmig profilierten Membranscheiben den Vorteil, daß sie aufgrund ihrer durch die Profilierung erhöhten Formstabilität relati\r dünnwandig ausgeführt werden können. Sie können daher durch Kaltverformung hergestellt werden und bieten wegen iher geringen Wandstärke eine hohe Wärmeleitung zwischen den Wärme austauschenden Medien. Schließlich ist der erfindungsgemäße Wärmetauscher auch außerordentlich stabil gegenüber hohen Überdrücken in der Spaltströmung, da sich die Membranen längs ihrer Wellenscheitel, d.h. über zahlreiche, großflächige Berührungsflächen aneinander stützen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß die Zu- und die Ablauflei-

tung für die ringförmigen Strömungskanäle in den Membranpaaren durch dichtes Verbinden der den Spalt begrenzenden Membranwände längs des gewünschten Leitungsumfanges gebildet sind. Man erhält dadurch den gewünschten Zu- und Ablauf sowie die Verteilung des Strömungsmediums auf die einzelnen übereinander liegenden ringförmigen Strömungskanäle ohne zusätzliche Bauteile und vor allem führt dies Ausbildung der Zu- und Rücklaufleitung automatisch zu einem Verbund der Membranpaare untereinander. Besondere Montageteile zum Zusammenhalten der Merabranpaare erübrigen sich somit.

Die paarweise dichte Verbindung der Membranen an ihrem inneren und äußeren Umfang erfolgt zweckmäßigerweise längs der aneinander liegenden Wellenscheitel, so daß man keine zusätzlichen Verformungen oder Verbindungsteile benötigt. Die Verbindung kann durch Löten oder Schweißen erfolgen. Kommt es hingegen darauf an, daß alle Membranpaare den gleichen Innen- oder Außendurchmesser aufweisen, so können gegebenenfalls die Enden der Membranen abgewinkelt werden, so daß sie sich gegenseitig überlappen und eine zylindrische Ringfläche bilden, längs derer die Verschweißung stattfindet.

Die Zu- und Ablaufleitungen können die koaxial übereinander liegenden Strörnungskanale in den Mebranpaaren durchgehend im rechten Winkel durchqueren. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Öffnungen in den einzel-

nen Membranpaaren in Umfangsrichtung jeweils ein Stück zu versetzen. Durch einen solchen Versatz kann die Aufteilung der des in Querrichtung zugefünrten Ströniungsmediums auf die einzelnen Strömungskanäle vergleichmäßigt v/erden, d.h. , daß die der Zulauföffnung benachbarten Membranpaare etwa von derselben Menge durchströmt v/erden, wie die Membranpaare am anderen Ende des Wärmetauschers,

Um das Verlöten oder Verschweißen der den Spalt begrenzenden Membranwände längs des gewünschten Leitungs umfanges der Zu- bzw. Ablaufleitung zu erleichtern, empfiehlt es sich, die Membranen in diesem Bereich flach zu drücken, so daß man eine ebene Verbindungsstelle erhält.

Die lokalen Ausbeulungen, die die benachbarten Membranpaare auf einer für die Spa-ttströmung ausreichenden Distanz halten, sind zweckmäßigerweise auf den Wellenbergen der Membranen angeordnet. Dadurch können alle Membranen in gleicher Form ausgebildet sein, denn durch den Versatz benachbarter Lamellenpaare um eine halbe Wellenlänge ist sichergestellt, daß die Ausbeulu gen immer an der richtigen Stelle liegen. Werden die Membranen nicht in gleicher Form hergestellt, ist es gleichwohl zweckmäßig, daß jede Membran etwa gleichviel Ausbeulungen aufv/eist, d.h., daß jede Membran etwa 50% der Stützstellen zwischen benachbarten Membranpaaren zur Verfügung stellt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung von Ausführungsbeispielen; Dabei zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgeraäßen Wärmetauscher, teilweise geschnitten;

Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt durch einige übereinander angeordnete Membranpaare;

Fig. 3 einen entsprechenden Querschnitt wie Fig- 2j jedoch mit anderer Endverbindung der Membranen;

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung einiger Membranpaare im Durchquerungsbereich einer Zulaufleitung.

Wie Fig. 1 zeigt, besteht der erfindungsgemäße Wärmetauscher aus einer Vielzahl übereinander angeordneter, ringförmiger Membranen. Die Membranen haben im Prinzip allesamt denselben Aufbau, d.h., sie sind quer zur Umfangsrichtung mit einer wellenförmigen Profilierung versehen. Diese Profilierung entspricht etwa einer Sinuslinie.

Zur Verdeutlichung der Membranenanordnung sei auf Fig. 2 verwiesen. Dort sind einige gleichartige Membranen mit den Bezugszeichen 1 bis 8 versehen. Zu ihrer paar-

weisen Verbindung sind sie jeweils spiegelbildich aufeinander gelegt und an ihrem inneren und äußeren Umfang dicht miteinander verbunden, vorzugsweise durch Schweißen. Dadurch entstehen in jedem Membranpaar (beispielsweise gebildet durch die Membranen

I und 2) zahlreiche konzentrische, in Umfangsrichtung umlaufende Strömungskanäle (beispielsweise 12a, 12b und 12c).

Das darunter befindliche Membranpaar, bestehend aus den Membranen 3 und 4, ist gleichermaßen aus spiegelbildlichen Membranen zusammengesetzt und längs des äußeren und inneren Umfanges durch Verschweißen abgedichtet. Dieses Membranpaar ist jedoch gegenüber dem Membranpaar 1, 2 um eine halbe Wellenlänge versetzt, so daß die Wellen der benachbarten Membranen 2 und 3 ineinander zu liegen kommen. Dabei ist aber durch lokale Ausbeulungen 9 und 10 auf den Wellenbergen dieser benachbarten Membranen 2 und. 3 dafür gesorgt, daß zwischen diesen Membranen ein Spalt frei bleibt. Dieser Spalt 11 bildet den Ströraungsweg für das andere Wärmetauschermedium. Während also in den konzentrischen Strömungskanälen 12a, 12b, 12c und in den versetzten Strömungskanälen 13a, 13b usw. vorzugsweise Flüssigkeit jeweils in Umfangsrichtung den Wärmetauscher durchströmt, strömt in den dazwischen liegenden Spalten

II bzw. 14 vorzugsweise ein gasförmiges Medium, und zwar quer zur Flüssigkeit, also radial durch den Wärmetauscher hindurch.

Die darunter befindlichen Membranpaare sind in entsprechender V/eise aufgebaut bzw. angeordnet, so daß eine Vielzahl übereinander befindlicher Strömungswege für die Flüssigkeit bzw. für das Gas entstehen.

Die Fig. 2 und 3 zeigen verschiedene Möglichkeiten für die endständige dichte Verbindung zusammengehöriger Membranen. In Fig. 2 sind dabei die Enden jedes zweiten Membranpaares (1, 2; 5, 6) abgewinkelt, so daß sie sich gegenseitig überlappen und eine zylindrische Ringfläche bilden, längs derer die Verschweißung stattfindet.

Kann das radiale Vorstehen jedes zweiten Membranpaares in Kauf genommen werden, so empfiehlt sich die Verbindung der Membranpaare gemäß Fig. 3, wo sämtliche Membranpaare an ihren aneinanderliegenden Wellenscheiteln verschweißt sind. Zusätzliche Verformungen der Membrannen entfallen hier. Selbstverständlich besteht aber auch bei entsprechenden Bedarfsfällen die Möglichkeit, Membranpaare am äußeren oder inneren Umfang des Wärmetauschers durch eingeschweißte, zylindrische Abschlußringe zu verschließen.

In Fig. >f ist die Ausbildung einer Zulauf leitung 15 zu den ringförmigen Strömungskanälen 12a, 12b, 12c und 13a, 13b, 13c dargestellt. Man erkennt, daß die Membranen im Bereich der Zulaufleitung, also praktisch über ihre gesamte Breite flachgedrückt sind; im Gegensatz zu dem strichpunktiert eingezeichneten wellenförmigen Verlauf außerhalb der Zulaufleitung. Dieses Flachdrücken erfolgt etwa auf einem Niveau zwischen

Wellental und Wellenberg. Dadurch wird für die Strömungskanäle in übereinanderliegenden Membranpaaren stets etwa der gleiche Verbindungsquerschnitt zwischer den einzelnen Strömungskanälen und der Zulaufleitung erzeugt.

Aus Fig. 4 wird ferner deutlich, daß in dem flachgedrückten Bereich der Membranen der zwischen benachbarten Membranpaaren befindliche Spalt 11, 14 lokal verschwindet, da die benachbarten Membranen, beispiels weise 2 und 3, in dem flachgedrückten Bereich dicht aneinander liegen.

Daher genügt es zur Bildung der Zulaufleitung 15 die Membranen im Bereich der gewünschten Zulaufleitung in der beschriebenen Weise flach zu drücken, sie sodann mit einem etwas geringeren Durchmesser als es dem flach gedrückten Bereich entspricht, durchzubohren und schließlich die aneinander- liegenden Membranen längs des BohrungsumfangRs zu verschweißen. Die ringförmigen Schweißnähte sind mit den Bezugszeichen 17, 18 und 19 bezeichnet.

Die Ablaufleitung 16 wird in gleicher Weise gebildet. Sie ist zv/eckmäßig an der gegenüberliegenden Seite des Wäreratauschers angeordnet, wie in Fig. 1 dargestellt, sofern man aus baulichen Gründen nicht gezwungen ist, die Anschlußleitungen nebeneinander zu legen, mit dem Erforderniss einer vertikalen Trennwand in den Strömungskanälen.

Der Aufbau des Menbranwärmctauschers gemäß den Fig. 1 ■] bis 3 ist speziell für solche Verhältnisse geeignet. jy bei denen die Spaltströmung einen Überdruck aufweist. % Ist hingegen mit Überdruck in den ringförmigen Strij- |] mungskanälen zu rechnen, so empfiehlt sich eine äußere '4, Abstützung der übereinander angeordneten Membranpaare. Eine solche äußere Abstützung kann beispielsweise mit Hilfe vor. ringförmigen Flanschen erfolgen, die an der Ober- und an der Unterseite der aufeinandergestapelten '■ Membranpaare angeordnet und durch Verbindungsschrauben mehr oder weniger stark gegeneinander verspannt werden. Dadurch wird der in den ringförmigen Strömungskanälen auftretende Druck von den Flanschen und den Veruindungsschrauben aufgenommen. In Fig. 4 ist beispielhaft ein solcher Flansch 20 dargestellt, der am oberen Ende der Membranpaare angeordnet und mittels ^:

mehrerer, über den Umfang verteilter Verbindungsschrau- I ben 21 mit einem entsprechenden, an der Unterseite ;>']

des Wärmetauschers angeordneten, nicht näher dargestellten Flansch verbunden ist. Man erkennt dabei in Fig. h, daß der Flansch 20 auch die Anschlußbohrungen ; für die Zulauf- und Ablaufleitungen des Wärmetauschers enthält.

Der Hauptvortuil des beschriebenen ''Wärmetauschers besteht zusammenfassend darin, daß er aus einfach herzustellenden, gleichartigen Membranen besteht, daß diese Membranen dünnwandig und trotzdem formstabil sowie fügegerecht ausführbar sind, daß man durch die Spaltströmung in Verbindung mit den ständigen Umlenkungen hohe Wärmeübergangszahlen erzielt und daß der Wärmetauscher schließlich auch für hohe Drücke der wärmetauschenden Medien geeignet ist.

Claims (7)

PATENTANWÄLTE DIPL-ING. R. LEMCKE DR.-ING. H. J. BROMMER AMALIENSTRASSE 28 KARLSRUHE 1 '■■ Schutzansprüche

1. Membran-Wärmetauscher aus zahlreichen übereinander angeordneten, gleichartigen Membranen, die paarweise miteinander verbunden sind und geschlossene Strömungskanäle für das eine Medium einschließen, während das andere, insbesondere gasförmige, Medium durch zwischen den Membranpaaren durch lokale Ausbeulungen der Membranen erzeugte Spalte strömt,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Membranen aus ringsförmigen Scheiben (1 bis 8) bestehen, die quer zu ihrer Umfangsrichtung ein wellenförmiges Profil aufweisen, daß die Membranen eines jeden Membranpaares sich längs ihrer in den Strömungskanal (12a, 12b, 12c) ragenden und in Umfangsrichtung umlaufenden Wellenscheitel aneinander abstützen und daß die Wellung benachbarter Membranpaare jeweils um die halbe Wellenlänge versetzt ist.

2. Membran-Wärmetauscher nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- und die Ablaufleitung 05, 16) für die ringförmigen Strömungskanäle (12a, 12b, 12c) in den Membranpaaren durch dichtes Verbin-

den der den Spalt (11, 14) begrenzenden Membranwände längs des gewünschten Leitungsumfanges gebildet sind.

3. Membran-Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß die paarweise Verbindung der Membranen am inneren und äußeren Umfang jeweils längs aneinanderliegender Wellenscheitel erfolgt.

4. Membran-Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zu- bzw. Ablaufleitungen (15, 16) die ringförmigen Strömungskanäle stufenförmig unter jeweiligenm Versatz in Umfangsrichtung durchqueren.

5. Membran-Wäremtauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen im Bereich ihrer Verbindung für die Bildung der Zu- bzw. Ablaufleitungen (15, 16) flachgedrückt sind.

6. Membran-Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die lokalen Ausbeulungen (9, 10) jeweils auf den Wellegenbergen der Membranen angeordnet sind.

7. Membran-Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membran etwa gleichviel Ausbeulungen aufweist.