DE9408904U1 - Plattenwärmeaustauscher - Google Patents

Plattenwärmeaustauscher

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Description

..*.., "Patentanwälte
KERN,BREHM & PARTNER
Albert-Rosshaurter-Str. 73 - D - 81369 München - Telefon (039) 760 55 20 760 55 26 - Telefax (069) 760 55 59 - Telex 521 49 50 isar d
Gü-8662/GMKe/He
31. Mai 1994
Hans Güntner GmbH
Indus tries tr. 14 D-82256 Fürstenfeldbruck
Plattenwärmeaustauscher
Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen zwei Flüssigkeiten, zwischen einer Flüssigkeit und einem kondensierenden Kältemittel, zwischen einer Flüssigkeit und einem verdampfenden Kältemittel, zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder zwischen zwei Gasen bzw. zwischen Luft und einem Gas, mit über oder hintereinander liegenden Wärmeübertragungsplatten, deren Oberflächen planar oder grob strukturiert sind und die zur Bildung von Strömungskanälen miteinander verschweißt, gelötet oder durch Dichtungen und Spannelemente miteinander ftüssigkeitsdicht bzw. gasdicht verbunden sind und durch deren Materialdicke hindurch die genannten, im Kreuzstrom oder Gegenstrom geführten Medien im Wärmeaustausch stehen.
Es sind sogenannte ThermoLine-Plattenwärmeaustauscher im Handel, bestehend aus profilierten Platten, deren Oberflächen eine eingeprägte Grobstruktur in Form von Wellen oder Falten aufweisen und die entweder durch medien- und temperaturresistente Dichtungen zu Plattenmodulen miteinander verbunden sind oder verschweißt oder verlötet sind, um nach außen abgedichtete Strömungskanäle zu bilden. Derartige Wärmeaustauscher erfüllen in der Regel zwar die an sie gestellten Anforderungen, sind jedoch hinsichtlich der Kompaktheit ihrer Bauweise, ferner ihres Gewichtes und ihrer spezifischen Wärmeleistung noch verbesserungswürdig.
Es ist ferner zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung bei Wärmeaustauschern bekannt, die Wärmeaustauscherflächen auf einer Seite mit pyramidenförmigen Vorsprüngen zu versehen, während die andere Seite eben oder als Zylindermantel ausgebildet ist (DE-PS 975 075, DE-OS 23 40 711). Der Herstellungsaufwand derartiger Bleche ist jedoch relativ hoch, weil die Oberfläche der Bleche oder Platten zum Erhalt der gewünschten Konfiguration geätzt oder in aufwendiger Weise mechanisch bearbeitet werden muß. Dazu kommt, daß die pyramidenförmigen Hocker vergleichsweise hoch sein müssen, um die gewünschte Oberflächenvergrößerung zu erreichen, die erforderlich ist, um die Wärmeübertragungsleistung im gewünschten Umfang zu steigern. Eine solche Oberflächenstruktur führt jedoch zu einem höheren Druckverlust, der entweder durch eine höhere Gebläseleistung ausgeglichen werden muß oder durch eine Vergrößerung des Plattenabstandes. Letzteres bedingt eine unerwünschte Vergrößerung des Bauvolumens des Wärmeaustauschers.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, den Plattenwärmeaustauscher der genannten Art zur Erreichung einer sehr hohen spezifischen Wärmeaustauschleistung bei kompaktester Bauweise weiter zu verbessern, und zwar für Plattenwärmeaustauscher, bei denen der Wärmeaustausch zwischen flüssigen Medien oder gasförmigen Medien oder zwischen flüssigen und gasförmigen Medien stattfindet. Dieses Ziel soll durch eine besondere Ausbildung der Oberflächen der Wärmeaustauschplatten erreicht werden, wobei im Vergleich mit den bisher bekannten Plattenoberflächen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Platten kein wesentlicher Mehraufwand getrieben werden muß.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die oberflächlich planaren oder grob strukturierten, insbesondere gewellten Wärmeübertragungsplatten, die eine Materialdicke von 0,1 bis 1,5 mm aufweisen, zur Erzeugung hochturbulenter Strömungen der Wärmeaustauschmedien und einer hohen spezifischer Wärmeleistung eine eingeprägte Feinstruktur aufweisen, deren Tiefe 0,3 bis 1,5 mm beträgt und im Falle einer Grobstrukturierung der Plattenoberfläche diese überlagert.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Durch die erfindungsgemäße Strukturierung der Oberflächen der Wärmeübertragungsplatten werden die Wärmeübertragungsflachen wesentlich vergrößert und in hohem Maße Strömungsturbulenzen erzeugt, und zwar unabhängig davon, ob die erfindungsgemäße Feinstruktur in eine planare oder in eine bereits mit einer Grobstruktur versehene Plattenoberfläche eingeprägt wird. Das Einprägen der Feinstruktur in die Plattenoberfläche läßt sich vorteilhafterweise durch einen Preßvorgang ausführen, der gleichzeitig oder aufeinanderfolgend
dazu dient, in die Plattenoberfläche beispielsweise eine gewellte Struktur, einzuprägen, so daß die Wärmeübertragungsplatte insgesamt eine wellenförmige Konfiguration erhält.
Die Amplitude solcher Wellen sowie die Wellenlänge lassen sich vom Fachmann entsprechend den gestellten Anforderungen, zu denen auch die Stabilität einer solchen Platte gehört, die bei ihrer Montage wichtig ist, wählen.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, lh der Zeichnung zeigen:
10
Fig. 1 einen Teil eines aufgeschnittenen Plattenwärmeaustauschers in perspektivischer Darstellung, der mit den erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsplatten ausgestattet ist und zum Wärmeaustausch zwischen zwei gasförmigen Medien dient, die in den
durch die Pfeile A und B gekennzeichneten Strömungsriehtungen den Apparat im
Kreuzstrom durchqueren;
Fig. 2 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung eines Plattenwärmeaustauschers für zwei im Gegenstrom geführte Flüssigkeiten, wobei jeweils zwei Austauschplatten zu einem Plattenmodul zusammengesetzt sind, und
Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht einer in Fig. 2 verwendeten Wärmeübertragungsplatte.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel weist der Plattenwärmeaustauscher 1 parallel im gegenseitigen Abstand voneinander angeordnete Wärmeübertragungspktten 2 von 1 mm Stärke am; zwischen denen in Richtung des Pfeils A Luft hindurchgeführt wird und senkrecht dazu, also im Kreuzstrom gemäß den Pfeilen B ein Gas, beispielsweise Rauchgas, das über die Leitbleche 4 stirnseitig in die Plattenzwischenräume gelangt, so daß die Wärmeübertragungspkttenzwischenräume abwechselnd mit Luft und dem Gas beaufschlagt werden zu dem Zweck, die Wärme des Rauchgases auf die Luft zu übertragen und diese dadurch zu erhitzen. Die Wärmeübertragungspktten 2 werden durch verschraubte Verankerungs- und Distanzstangen 3 auf Abstand gehalten und zu einem Paket fest miteinander verbunden.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel ursprünglich pknaren Oberflächen der aus Chromstahl bestehenden Pktten 2 durch Prägen mit Hufe entsprechend ausgestatteter Pressen mit einer Feinstruktur versehen, wie sie bei 5 bis 12 der Einfachheit halber auf einer einzigen Pkttenoberfläche dargestellt ist. Ih der Reali-
tat ist eine solchen Plattenoberfläche gewöhnlich mit einer einzigen Feinstruktur versehen, die aus einem Linien- oder Streifenmuster 6,1, 10 oder einem rauten- oder waffeh%migen Muster 5, 8,12 gebildet sein kann, das sich aus sich kreuzenden Linien oder Streifen zusammensetzt.
Die Tiefe der eingeprägten Feinstruktur beträgt 0,3 mm bis 1,5 mm; wodurch die gesamte Plattenoberfläche und damit die für den Wärmeaustausch zur Verfugung stehende Oberfläche eine wesentliche Vergrößerung erfahrt.
Darüber hinaus wird durch die Feinstruktur der dargestellten Art auf der Plattenoberfläche eine intensive Strömungsturbulenz erzeugt, die zu einem überraschend intensiven Wärmeaustausch führt, so daß die Wärmeübertragungsleistung eines solchen Wärmetauschers im Vergleich zu Plattenwärmeaustauschem gleicher Baugröße, jedoch ohne die erftndungsgemäße Oberflächenstruktur ganz erheblich gesteigert wird.
Darüber hinaus kann die Feinstruktur auch aus einem Linien- oder Streifenmuster bestehen, das einem Muster 9, 11 aus loch- oder schlitzförmigen Vertiefungen überlagert ist, um eine möglichst hohe Turbulenz auf der Plattenoberfläche und damit eine günstige Wärmeübergangszahl &agr; und in ihrer Folge eine günstige Wärmedurchgangszahl k zu erreichen, ohne daß der Druckverlust dadurch erheblich vergrößert wird. Loch- oder schlitzförmig bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Plattenoberfläche nicht tatsächlich durchbrochen ist, da anderenfalls eine Vermischung der miteinander im Wärmeaustausch stehenden Medien bewirkt würde, sondern daß nur Vertiefungen der genannten Art in der Oberfläche vorgesehen werden.
In den Fällen, in denen die Feinstruktur aus einem rauten- oder waffeiförmigen Muster aus sich kreuzenden Linien oder Streifen gebildet ist, wie dies bei 5, 8 und 12 in der Fig. 1 schematisch und partiell dargestellt ist, kann dieses Muster ebenfalls von einem Muster aus loch- oder schlitzförmigen Vertiefungen überlagert sein.
Der in Fig. 2 dargestellte Plattenwärmeaustauscher, der ebenfalls mit Wärmeübertragungsplatten 2 ausgestattet ist, dient beispielsweise zur Wärmeübertragung zwischen zwei Flüssigkeiten, von denen die eine in Richtung des Pfeils Cj in den Wärmeaustauscher eintritt, in ihm in den von den Platten 2 gebildeten Strömungskanälen in Richtung des Pfeils C3 über die Plattenoberfläche unter Abgabe bzw. Aufnahme von Wärme durch die Platte hindurch hinwegströmt und den Wärmeaustauscher in Richtung des Pfeils C2 wieder verläßt, während die andere Flüssigkeit in Richtung des Pfeils Dj in den Wärmeaustauscher einströmt, in
Gegenrichtung zur ersten Flüssigkeit in den den ersten Strömungskanälen benachbarten Strömungskanälen über die Plattenoberfläche in Richtung des Pfeils D3 entlangströmt und den Wärmeaustauscher in Richtung des Pfeils D2 wieder verläßt. Die beiden Flüssigkeiten stehen dabei durch die Plattenwand hindurch im Wärmeaustausch.
Die Wärmeübertragungsplatten des Plattenwärmeaustauschers 20, die aus einem Edelstahl bestehen, jedoch auch aus anderen, für den jeweiligen Verwendungszweck geeigneten Werkstoffen bestehen könnten, so beispielsweise auch aus Kunststoff, weisen eine Materialdicke d von 0,1 mm bis 1,5 mm auf und sind auf ihrer Oberfläche mit einer Grobstruktur in Form von aufeinanderfolgenden, parallelen Wellen 25 versehen, die geneigt sind und zur Plattenlängsachse als Symmetrieachse eine V-förmige Anordnung bilden. Diese Grobstruktur ist von einer Feinstruktur überlagert, deren einzelne Gestaltungsmöglichkeiten beispielshalber auf der rechten Seite der V-förmigen Grobstruktur der Wärmeübertragungsplatte 2 von Fig. 3 dargestellt sind und, wie bereits bei den Platten 2 des Austauschers von Fig. 1 erläutert, aus einem Linien- oder Streifenmuster 6, 7, 10, einem rauten- oder waffelartigen Muster 5, 8, gebildet durch sich kreuzende Linien oder Streifen, oder aus einem linien- oder streifenförmigen Muster bestehen können, das von einem Muster 9, 11 aus loch- oder schlitzförmigen Vertiefungen überlagert ist.
Jede der dargestellten, aus einem Stahlblech bestehenden Wärmeübertragungsplatten 2 ist mit einer umlaufenden Dichtung 19 versehen, die sicherstellt, daß bei Zusammenfügen zweier benachbarter Platten zu einem Plattenmodul ein nach außen abgeriegelter Strömungskanal gebildet wird, in den die eine der miteinander im Wärmeaustausch stehenden Flüssigkeiten durch die Offhung 23 einströmt und nach erfolgtem Wärmeaustausch diesen Kanal durch die Offhung 24 wieder verläßt, während die andere Flüssigkeit durch die abgedichtete Offhung 21 der Platte hindurchströmt und auf der entgegengesetzten Oberfläche, wie aus Fig. 2 ersichtlich, im Gegenstrom zum erstgenannten Flüssigkeitsstrom durch den benachbarten Strömungskanal strömt, um diesen durch die Offhung 22 wieder zu verlassen.
Dieses bekannte Wärmeaustauschprinzip bedarf hier keiner weiteren Erläuterung, wie auch der Aufbau des Plattenwärmeaustauschers von Fig. 2 grundsätzlich bekannt und deshalb nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, die - wie bereits ausgeführt - sich nur mit der Strukturierung der Plattenoberfläche befaßt.
Nur der Vollständigkeit halber sei daraufhingewiesen, daß die Wärmeübertragungsplatten 2 beim Apparat gemäß Fig. 2 auf Grund des bereits geschilderten Plattenaufbaus zu einem Paket zusammengesetzt sind, das durch die Druckplatten 13, 19 beidseitig zusammengehalten
wird, welche mit HiMe von Spannschrauben 14 und Schraubenbolzen 15 fest miteinander verbunden sind, so daß die erforderliche Abdichtung der einzelnen Platten 2 mit Hilfe der umlaufenden Dichtungen 19 zur Bildung der erwähnten Strömungskanäle auch erreicht wird. Obere und untere Tragstangen 16,17, die an einer Stütze 18 angebracht sind, nehmen dabei das Gewicht der Wärmeübertragungsplatten 2 sowie ihres Füllvolumens auf
Mit dem erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher werden die Wärmeübertragungsverhältnisse durch Vergrößerung der Plattenoberfläche sowie durch Erzeugung zusätzlicher Turbulenzen ohne erheblichen Kostenmehraufwand wesentlich verbessert, und zwar bei &ogr; kompaktester Bauweise, geringem Platzbedarf und vergleichsweise geringem Gewicht.
• ·

Claims (14)

  1. KERN,BREHM & PARTNER
    Albert-Rosshaupter-Str. 73-D -81369München -Telefon (069) 7605520 7605526-Telefax(069)7605559-Telex521 4950isard
    Gü-8662/GMKe/He 31. Mai 1994 Hans Güntner GmbH
    Industriestr. 14 D-82256 Fürstenfeldbruck
    Plattenwärmeaustauscher
    Ansprüche
    1. Plattenwärmeaustauscher zum Wärmeaustausch zwischen zwei Flüssigkeiten, zwischen einer Flüssigkeit und einem kondensierenden Kältemittel, zwischen einer Flüssigkeit und einem verdampfenden Kältemittel, zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder zwischen zwei Gasen bzw. zwischen Luft und einem Gas, mit über oder hintereinander Hegenden Wärmeübertragungsplatten, deren Oberflächen planar oder grob strukturiert sind und die zur Bildung von Strömungskanälen miteinander verschweißt, gelötet oder durch Dichtungen und Spannelemente miteinander flüssigkeitsdicht bzw. gasdicht verbunden sind und durch deren Materialdicke hindurch die genannten, im Kreuzstrom oder Gegenstrom geführten Medien im Wärmeaustausch stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächlich planaren oder grob strukturierten, insbesondere gewellten Wärmeübertragungsplatten (2), die eine Materialdicke von 0,1 bis 1,5 mm aufweisen, zur Erzeugung hochturbulenter Strömungen der Wärmeaustauschmedien und einer hohen spezifischer Wärmeleistung eine eingeprägte Feinstruktur (5 bis 12)aufweisen, deren Tiefe 0,3 bis 1,5 mm beträgt und im Falle einer Grobstrukturierung der Plattenoberfläche diese überlagert.
  2. 2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenoberflächen im wesentlichen vollständig mit der Feinstruktur (5 bis 12) versehen sind.
  3. 3. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstruktur aus einem Linien- oder Streifenmuster (6,7,10) besteht.
  4. 4. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Linien oder Streifen kreuzen und ein rauten- oder waffelartiges Muster (5, 8,12) bilden.
  5. 5. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstruktur aus einem linien- oder streifenförmigen Muster besteht, das einem Muster (9, 11) aus loch- oder schlitzförmigen Vertiefungen überlagert ist.
  6. 6. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstruktur aus einem rauten- oder waffeiförmigen Muster (5, 8, 12) aus sich kreuzenden Linien oder Streifen gebildet ist, das von einem Muster aus loch- oder schlitzförmigen Vertiefungen überlagert ist.
  7. 7. Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstruktur auf den aufeinander folgenden, ein Plattenpaket bildenden Wärmeübertragungsplatten (2) unterschiedlich ausgebildet ist.
  8. 8. Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Feinstruktur innerhalb der Oberfläche einer Wärmeübertragungsplatte
    (2) unterschiedlich ist.
  9. 9. Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragungsplatten (2) aus Chromstahl, Aluminium, Kupfer oder deren , Legierungen oder aus Kunststoff bestehen.
  10. 10. Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster der Feinstruktur innerhalb einer Plattenoberfläche verschiedenartig ist.
  11. 11. Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeprägte Feinstruktur eine Vielzahl pyramidenförmiger Hocker bildet.
  12. 12. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundlinie eiaes pyramidenförmigen Höckers 0,5 bis 1,5 mm lang ist.
  13. 13. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiswinkel des pyramidenförmigen Höckers 45 beträgt.
  14. 14. Plattenwärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinstruktur eine Vielzahl kegelförmiger Hocker bildet.
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