DE962889C - Plattenwaermeaustauscher - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 2. MAI 1957

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Plattenwärmeaustauscher

Die Erfindung betrifft Plattenwärmeaustauscher und insbesondere eine verbesserte Rippenform zur Vergrößerung der Wärmeübertragungsfläche für Plattenwärmeaustauscher.

Eine übliche Ausführungsform von Plattenwärmeaustauschern für zwei Mittel weist im Ab-stande voneinander angeordnete Metallplatten auf, welche den Strömungsweg für eines der Mittel bilden, um die Wärme durch die, von den Metallplatten gebildeten Wände auf das andere Mittel im angrenzenden Strömungsweg zu übertragen. Die Strömungswege für das Heizmittel und für das' zu beheizende Mittel sind abwechselnd angeordnet. Die Zwischenräume zwischen benachbarten Platten sind entlang einem Paar gegenüberliegenden Kanten geschlossen, um die Seiten der Strömungswege abzuschließen.

Um die Wärmeübertragung zwischen den beiden Wärmeaustauschmitteln durch die Wände der Ström-ungswege zu verbessern, sind diese Wände häufig mit als Rippen ausgebildeten Flächenvei-größercmgen versehen, welche in die Strömungswege vorspringen. Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen dieser Rippen in Gestalt vorgeformter Elemente, die zwischen parallelen Platten angeordnet und mit ihnen verbunden sind. Insbesondere betrifft die Erfindung eine verbesserte Form der sogenannten unterbrochenen Längsrippenelemente, die

in dem Strömungsweg liegen und sich in Stromrichtung erstrecken.

Beim Bau von Platten-Wärmeaustauschern, insbesondere von solchen für Gasturbinen, wird vorteilhaft Gegenstrom vorgesehen. Besonders wenn höherer Wirkungsgrad gefordert wixd, z.B. 8o% oder mehr, ist das Gegenstromprinzip das einzig praktisch anwendbare. Der einzige Nachteil besteht darin, daß der Konstrukteur das optimale Verhältnis der Stirnquerschnitte für die beiden Wärmeaustauschmittel nicht frei wählen kann, da dieses Verhältnis bei Gegenstrom gegeben ist und für beide Wärmeaustauschmittel üblich ist.

Bei Anwendung für Gasturbinen wird die Wärme übertragen zwischen Gas von etwa atmosphärischem Druck und Luft mit einem Druck von 4 bis 5 Atmosphären. Die Flächenvergrößerung auf der Gasseite muß sehr wirksam sein, wie es z. B. Stabrippen sind, die sich zwischen, in erheblichem Abstände voneinander angeordneten, die Strömungswege bildenden Platten erstrecken. Die Flächenvergrößerungen auf der Luftseite wurden bisher durch rinnenförmige Elemente oder gewellte, für gewöhnlich viereckige Platten gebildet, die als fort-

■25 laufende Streifenrippen dienten, und zwischen, in geringem Abstande voneinander angeordneten, die Luftwege bildenden Platten lagen.

Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung von zur Flächenvergrößerung dienenden Elementen, welche die bisher auf der Luftseite benutzten fortlaufenden Rippen ersetzen. Die der Erfindung entsprechende Fläche ergibt eine bessere Wärmeübertragung. Die Verbesserung der Wärmeübertragung zeigt sich besonders bei niedriger oder teilweiser Belastung, da der Filmkoeffizient bei kontinuierlichen Strömungswegen mit der o,8ten Potenz der Massengeschwindigkeit sinkt und bei unterbrochenen Strömungswegen mit der etwa o,65ten Potenz. Die der Erfindung entsprechenden Längsrippenelemente bestehen je aus einem Metallstreifen, der einen mittleren sich in Längsrichtung erstreckenden Steg und beiderseits davon mit ihren freien Enden die Platten berührende Querstreifen besitzt, welche im wesentlichen parallele Kanäle für die Wärmeaustauschmittel bilden. Erfindungsgemäß sind die Längsrippenelemente so ausgebildet, daß sie sich von entgegengesetzten Kanten des Steges abwechselnd in entgegengesetzter Richtung von der Ebene des Steges erstrecken. Die freien Enden der Querstreifen sind mit Flanschen versehen. Im montierten Zustand berühren sich die freien Enden der Querstreifen oder ihre Flansche mit denselben der benachbarten Längsrippenelemente. Durch diese Anordnung werden innerhalb jedes Längsrippenelements zwei Kanäle gebildet, die mit Vorteil den gleichen hydraulischen Radius besitzen. Dies wird baulich am einfachsten dadurch erreicht, daß der Steg in der Mitte zwischen den beiden den Strömungsweg begrenzenden Platten liegt. Die Kanäle, die durch den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Längsrippenelementen gebildet werden, besitzen vorteilhaft ebenfalls im wesentlichen den gleichen hydraulischen Radius. Soll die Turbulenz erhöhende Wirkung der Längsrippenelemente noch verstärkt werden, so können die Stege zusätzlich in Längsrichtung abwechselnd mit Erhöhungen oder Vertiefungen versehen werden.

Bei einer bekannten Ausführungsform von die Wärme übertragenden Längsrippenelementen werden diese von bereits obenerwähnten gewellten Blechen gebildet, die an den Platten angebracht sind. Die Wellen der Bleche haben zum Teil ein quadratisches und zum Teil ein dachförmiges Profil, wobei die dachförmigen Profile teilweise ausgeklinkt sind. Ein wesentlicher Nachteil dieser Ausführung, der bei der der Erfindung entsprechenden Ausführung vermieden wird, liegt darin, daß bis zu drei Blechstärken aufeinanderliegen und dadurch der Wärmeübergang verschlechtert wird. Außerdem werden dadurch die Materialunkosten stark erhöht; auch stellt sich das Ausklinken der dachförmigen Profilteile teuer. Diese Form der Rippenelemente befördert außerdem das Entstehen einer turbulenten Strömung nur sehr wenig im Gegensatz zu der der Erfindung entsprechenden Ausführung.

Bei einer anderen bekannten Ausführungsform bestehen die Längsrippen aus U-Profilen, die mit ihrem Rücken an den Platten anliegen. Die Platten mit den daran befindlichen U-Profilen werden dabei durch entsprechend gebogene Drähte im Abstand gehalten. Auch bei dieser Ausführung ist über die Hälfte des Materials gedoppelt, während die den Wärmeübergang begünstigenden Rippen nur sehr wenig in die Strömungswege hineinragen. Der Wärmeübergang ist dabei nur gering, und die Herstellungskosten sind verhältnismäßig hoch. Diese Nachteile werden beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung vermieden, da sie ein Mindestmaß an verdoppelter Wandstärke und ein Höchstmaß an leitender Rippenfläche mit niedrigen Gestehungskosten verbindet.

Bei einer dritten bekannten Ausführung sind die die Strömungswege trennenden Platten zu beiden Seiten mit Blechstreifen besetzt; deren aufgebogene Kanten mit Schlitzen versehen sind, so daß diese Kanten in einzelne Finger aufgelöst werden, die in verschiedenen Richtungen in den Strömungsweg ragen. Auch hier tritt der Nachteil auf, daß die Materialstärke der Trennplatten auf etwa 50% von no deren Fläche verdreifacht ist, wodurch nicht nur der Preis, sondern auch das Gewicht erheblich erhöht wird. Außerdem wird dadurch der Wärmeübergang an diesen Stellen verringert. Der Erfindungsgegenstand weist im Gegensatz hierzu eine einfache und billige Bauart auf. Eine Verdoppelung der Wandstärke tritt nur auf sehr geringen Flächenteilen ein. Die wärmeübertragenden Rippenflächen sind erheblich größer.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der iao Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. ι ist ein senkrechter Querschnitt durch einen Teil eines Wärmeaustauscherelements, bei welchem die Wandungen der Strömungswege mit der Erfindung entsprechenden vergrößerten Flächen ver- las sehen sind;

Fig. 2 zeigt im größeren Maßstab schaubildlich ein Stück eines Längs>rippenelements, wie es in Fig. ι dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf ein streifenförmiges Werkstück, aus welchem das Längsrippenelement gemäß Fig. 2 gebildet wird;

Fig. 4 ist ein senkrechter Längsschnitt durch einen Strömungsweg des Wärmeaustauschers gemäß Linie 4-4 in Fig. 1;

Fig. S zeigt einen Schnitt durch eine abgeänderte Ausfühnungsform.

Gemäß Fig. 1 sind Metallplatten 10 und 11 im Abstande voneinander angeordnet. Sie bilden einen Strömungsweg 12, durch welchen Luft oder ein anderes Wärmeaustauschmittel strömt, das von einem zweiten Wärmeaustauschmittel, wie z. B. durch Durchlässe 13 strömendem heißem Gas, Wärme aufnehmen soll. Die Strömungswege 13 wechseln mit den Luftströmungswegen 12 ab und sind/ von ihnen durch die Platten 10 und 11 getrennt. Die von den Platten 10 und 11 in den Luftströmungsweg 12 ragende Flächenvergrößerung ist der Erfindung gemäß aus einer Mehrzahl von Längsrippenelementen 14 gebildet, die nebeneinander im Strömungsweg 12 angeordnet sind und vorteilhaft mit den einander gegenüberliegenden Flächen der Platten 10 und 11 verbunden sind.

Jedes der Längsrippenelemente 14 ist aus einem Metallstreifen 15 gebildet, der bei 16 (Fig. 3) quer zur Längskante 17 auf einen Teil der Breite geschlitzt ist, so daß, wie in Fig. 2 gezeigt, Querstreifen nach aufwärts und abwärts vom Steg 18 des Streifens abgebogen werden können. An beiden Seiten des Steges 18 wechseln aufwärts gebogene Querstreifen 20 mit abwärts gebogenen Querstreifen 21 ab. Die freien Enden sämtlicher Querstreifen sind parallel zu dem Steg 18 abgebogen, so daß sie rechtwinklig zu den Querstreifen stehende seitliche Flansche 22 bilden. Diese Flansche 22 stellen fußähnliche Teile dar, die auf den Oberflächen der Platten 10 und 11 aufruhen.

Bei der Herstellung einer Gehäuseeinheit für den Wärmeaustauscher wird eine Mehrzahl der in Fig. 2 dargestellten Längsrippenelemente 14 zwischen zwei die Wände in dem Gehäuse bildenden Platten 10 und 11 nebeneinandergelegt. Die Elemente 14 werden so auf der Platte 11 angeordnet, daß die Seitenflächen 23 der Flansche 22 aneinander angrenzender Elemente 14 sich gegenseitig berühren, wie es Fig. 1 zeigt. Die Platte 10 wird sodann auf die Elemente 14 gelegt und die, an den Seitenkanten der Platten 10 und 11 befindlichen Elemente können sodann mit den Platten durch Punktschweißung verbunden werden, bevor sämtliche Längsrippenelemente mit den Platten 10 und 11 hart verlötet werden. Beim Zusammensetzen wurden hierzu Streifen von Lötmetall oder ähnlichem zwischen die Flansche 22 und die Platten 10, 11 gelegt.

Bei den Längsrippenelementen 14 ist das Verhältnis des Steges 18 und der Querstreifen 20, 21 derart, daß der hydraulische Radius des Zwischenraumes α (Fig. 1) zwischen zwei Querstreifen 20 oder 21 eines Elements 14 gleich dem hydraulischen Radius des Zwischenraumes b ist, der zwischen zwei benachbarten Elementen 14 dadurch gebildet wird, daß diese durch die seitlichen Flansche 22 auseinandergehalten werden.

Auf der Gasseite der Platten 10, 11 können Flächen Vergrößerungen im Strömungsweg 13 durch Stabrippen 30 gebildet werden. Bei einem aus einer Mehrzahl von Einheiten der beschriebenen Art aufgebauten Wärmeaustauscher werden die Seitenkanten der Strömungswege 12 durch Platten 31 geschlossen. Wenn das Gas in den Strömungswegen 13 im Gegenstrom zu der Luft im Strömungsweg 12 fließt, werden die entsprechenden Zwischenräume zwischen benachbarten Gehäuseeinheiten entlang den Seitenkanten durch andere Überbrückungsteile oder Streifen 32 in geeigneter Weise geschlossen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Steg33 jedes Längsrippenelements abwechselnd mit hoch- und niedergedrückten Teilen 35 und 36 versehen, so daß die Fläche des Steges in Richtung der Gasströmung unterbrochen und nicht eben ist, um so die Bildung einer laminaren Grenzschicht entlang der Fläche des Steges 33 zu verhüten.

Die beschriebenen Längsrippenelemente 14 gestatten den Bau eines ausgeglichenen Wärmeaustauschers, wenn sie zusammen mit anderen. hochwirksamen Flächen auf der anderen Seite der Trennwand benutzt werden und ermöglichen damit einen kurzen Strömungsweg im Wärmeaustauscher. Die Elemente 14 halten ihren Abstand selbst aufrecht. Die Gehäuseeinheit kann mit den Elementen gefüllt werden, von denen die äußeren vor dem Hartlöten mit den Platten durch Punktschweißung verbunden werden können. Bei dem Bau gemäß Erfindung ergibt sich ein Minimum an Verdopplung der Materialstärke. Eine übliche, aus Rippenteilen oder gewellten Blechen aufgebaute Fläche weist 5o°/o angedoppelter Fläche auf, d. h., die Hälfte der Wandüngsfläche wird durch einen entsprechenden Teil einer Rippe berührt und^! überlagert, so daß in diesen Bereichen die Wandstärke verdoppelt ist. Bei der der Erfindung entsprechenden Bauart sind nur 16 his 17% der Flächen gedoppelt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß ein unterbrochener Rippenstreifen ohne den üblichen großen Materialverlust hergestellt werden kann, der dadurch entstand, daß zur Herstellung der unterbrochenen Form Teile der fortlaufenden Längsrippen weggeschnitten werden mußten. Im vorliegenden Fall geht nur eine geringe Materialmenge durch Bilden der Schlitze 16 verloren.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Plattenwärmeaustauscher mit in dem Strömungsweg der Wärmeaustauschmittel angeordneten Längsrippenelementen, die je aus einem Metallstreifen bestehen, der-einen mittleren sich in Längsrichtung erstreckenden Steg und beiderseits davon mit ihren freien Enden die Platten berührenden Querstreifen besitzt, welche im

   wesentlichen parallele Kanäle für die Wärmeaustauschmittel bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Querstreifen (20, 21) sich von entgegengesetzten Kanten des Steges (18) abwechselnd in entgegengesetzter Richtung von der Ebene des Steges erstrecken.
2. 2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Quesrstreifen (20, 21) mit Flanschen (22) versehen sind.
3. 3. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Enden der Querstreifen (20,21) oder ihre Flansche (22) sich mit denen benachbarter Metallstreifen (14) berühren.
4. 4. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die quer zum Steg abgebogenen Querstreifen begrenzten Kanäle (α) den gleichen hydraulischen Radius besitzen.
5. 5. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle

   (b) zwischen zwei benachbarten Längsrippenelementen (14) im wesentlichen denselben hydraulischen Radius besitzen wie die durch zwei an entgegengesetzten Kanten des Steges angeordnete und nach derselben Richtung gebogene Querstreifen (20, 21) und den Steg (18) gebildeten Kanäle (a).
6. 6. Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (18) der Längsrippenelemente (14) im wesentlichen in der Mitte zwischen den Wänden des Strömungsweges (12) angeordnet sind.
7. 7. Plattenwärmeaustauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (18) in Längsrichtung abwechselnd mit Erhöhungen (35) und Vertiefungen (36) versehen sind (Fig. 5).

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Britische Patentschrift Nr. 574210;
   USA.-Patentschriften Nr. 2 378 646, 2 505 619.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   1 609 706/260 10.56 (609 873 4.57)