EP0839308B1 - Plattenwärmetauscher - Google Patents

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EP0839308B1
EP0839308B1 EP96907253A EP96907253A EP0839308B1 EP 0839308 B1 EP0839308 B1 EP 0839308B1 EP 96907253 A EP96907253 A EP 96907253A EP 96907253 A EP96907253 A EP 96907253A EP 0839308 B1 EP0839308 B1 EP 0839308B1
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EP
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heat exchanger
plates
heat
medium
plate
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Michael Rehberg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0012—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S165/00—Heat exchange
    • Y10S165/916—Oil cooler

Definitions

  • the invention relates to a plate heat exchanger which a stack of equally large and uniformly profiled Plates exists in which neighboring plates alternate facing their front or back, and in that the plates where they touch and support each other, welded or soldered.
  • a plate heat exchanger is known from FR-A-2 323 119.
  • Heat exchanger Areas of application of this heat exchanger are primarily those Cooling and freezing technology with evaporating and condensing Media, machine cooling and heat transfer processes, where a medium is free from a container in the Heat exchanger enters.
  • the principle of the largest possible heat exchanger surface applies to heat exchangers to accommodate in the smallest possible construction volume and large heat transfer capacities if possible to achieve low pressure drops.
  • the media are forced to use the entire length of the channels to go through. There is no even heat transfer to achieve a high efficiency of heat transfer, because with the emerging flow a laminar one Boundary layer on the walls, which is the heat transfer with special needs.
  • the profiling usually consists of a wavy one Embossing with wave crests of equal size in cross-section and troughs transverse to the direction of propagation.
  • the oil filter is axially through a screw connection with the heat exchanger and this as well connected to the motor, as in DE-OS 3440064, the DE-OS 3938254, DE-OS 4039776 and DE-OS 4128153 are shown and described.
  • This has the disadvantage that the design and the size of the filter are predetermined by the cooler and that the vibrations occurring on the engine via the heat exchanger are transferred to the filter, which in this type the connection swings on a relatively long lever arm. As a result, the heat exchanger is subject to high dynamic loads exposed.
  • the object of the invention is a compact plate heat exchanger to create with a low power to weight ratio unite under the influence of heat-expanding medium offers growing flow cross-section and a cooling Medium with decreasing volume a decreasing flow cross-section, and thereby stabilizing the flow and favors heat transfer.
  • this plate heat exchanger the conditions for connecting a filter improve.
  • the plates are profiled so that adjacent plates either with its inner and outer flat edge or with touch and support their profiles and between themselves include a gap.
  • the cross section the waves are arbitrary. It can be sinusoidal or trapezoidal be.
  • Each spiral begins and ends in one up to the height of the wave crests embossed plateau, in the middle of each one Breakthrough is formed through the plate.
  • the plates in the stack touch are they welded or soldered, that is to the inner and outer flat edges, at the intersecting Wave crests and the plateaus.
  • the breakthroughs in the middle of the Plateaus thus become axially arranged channels between the Columns for the heat-absorbing medium.
  • the plates are preferably lasered one after the other welded. But you can also provide a solder layer and soldered in the stack with heat.
  • a filter e.g. an oil filter can, which encloses the entire circumference of the heat exchanger and therefore has a filter area many times larger as known axially connectable filters. This filter is characterized by lower pressure drops and a larger one Useful life.
  • the highest efficiency of heat transfer is with the plate heat exchanger according to the invention achieved with media, which during the heat exchange the transition from the gaseous to the liquid phase or from the liquid to the gaseous Go through phase. Change at these phase transitions the media extremely their volumes.
  • the conventional Extreme changes in pressure occurring in heat exchangers are largely with the proposed plate heat exchanger avoided because the expanding medium with the Radius increasing flow cross section and the condensing Medium is a flow cross section that narrows to the same extent is available. That increases efficiency of heat transfer and places lower demands on the Heat exchanger strength.
  • the plate heat exchanger consists of a stack of the same size and similarly profiled annular plates 1, in the adjacent plates 1 are turned against each other by 180 ° and either their front 2 or their back 3 turn to.
  • each plate 1 includes the heat exchanger surface 6, which in the form of a Wave 7 is profiled, its wave crests like an Archimedean Spiral run and in one up to the height of the wave crests self-marked plateau 8 begin and end in their In the middle, an opening 9 is formed through the plate 1 is.
  • the outer diameter of the plate 1 is many times over larger than their inner diameter to have a large heat exchanger area 6 to get.
  • adjacent plates 1 are either the touching flat edges 4 and 5 or the touching plateaus 8 and the crossing waves 7 at their points of contact welded by laser.
  • the axial channels 10 and 10 formed by the openings 9 11 are with the ring lines 12 and 13 on the end faces of the plate heat exchanger connected.
  • the plate heat exchanger is enclosed by a housing 14 in the scope of which a filter 15 is arranged.
  • the filter 15 is hot oil from the engine via line 16 fed that through the filter 15 into the plate heat exchanger flows and after cooling via line 17 again Motor is fed.
  • the oil is cooled by water is supplied and discharged via the ring lines 12 and 13.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher, der aus einem Stapel gleichgroßer und gleichförmig profilierter Platten besteht, in dem benachbarte Platten sich abwechselnd ihre Vorderseiten oder ihre Rückseiten zuwenden, und in dem die Platten an den Stellen, an denen sie sich berühren und gegeneinander abstützen, verschweißt oder verlötet sind. Ein derartiger Plattenwärmetauscher ist aus der FR-A-2 323 119 bekannt.
Anwendungsgebiete dieses Wärmetauschers sind vor allem die Kühl- und Gefriertechnik mit verdampfenden und kondensierenden Medien, die Maschinenkühlung sowie Wärmeübertragungsvorgänge, bei denen ein Medium frei aus einem Behälter in den Wärmetauscher eintritt.
Bei bekannten Wärmetauschern durchströmen wärmeabgebende und wärmeaufnehmende Medien Kanäle mit annähernd konstantem Querschnitt. Dieser Querschnitt kann um einen Mittelwert schwanken, z.B. durch den Einbau von Hindernissen, welche die Turbulenz der Strömung erhöhen und damit den Wärmeübergang verbessern sollen, er nimmt aber während des Wärmeaustausches weder kontinuierlich ab noch zu. Das gilt für die bekannten Röhrenwärmetauscher ebenso wie für bekannte Spiral- und Plattenwärmetauscher.
Für Wärmetauscher gilt das Prinzip, möglichst große Wärmetauscherflächen in einem möglichst kleinen Bauvolumen unterzubringen und große Wärmeübertragungsleistungen bei möglichst geringen Druckverlusten zu erreichen.
In den DE-PS 669442 und 862757 sowie in der DE-AS 1913226 wurde versucht, dieses Prinzip durch übereiandergeschichtete Platten zu realisieren, zwischen denen für jedes der am Wärmetausch beteiligte Medium ein in Form einer Spirale verlaufender Kanal angeordnet ist. Nach der FR-PS 2323119 werden diese Kanäle durch Warmpressen eingeformt. Beim Zusammenfügen der gleichgroßen und gleichförmigen Platten zu einem Stapel wird jede zweite gewendet, wodurch die Kanäle an den Seiten einer jeden Platte gegenläufig angeordnet sind. Sie haben einen annähernd konstanten Querschnitt.
Die Medien sind gezwungen, die Kanäle in ihrer ganzen Länge zu durchlaufen. Dabei ist kein gleichmäßiger Wärmeübergang mit einem hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung zu erreichen, weil bei der sich herausbildenden Strömung eine laminare Grenzschicht an den Wandungen entsteht, welche den Wärmeübergang behindert.
Um den Wärmeübergang zu verbessern, wurden Überströmöffnungen in die spiralig gewundenen Trennwände (DE-PS 2615977) oder axial in jede zweite Platte des Wärmetauschers (DE-PS 3210168) eingebracht. Der Fertigungsaufwand und der Materialeinsatz bei derartigen Wärmetauschern ist jedoch sehr hoch, ohne daß der Wirkungsgrad durch diese Maßnahmen wesentlich verbessert wird.
Mit dem Wärmetauscher nach der DE-OS 3827828 soll dieser Nachteil soweit behoben werden, daß sogar ein Einsatz in der Raumfahrt in Erwägung gezogen wird. Dabei wird ein Medium durch spiralförmig angeordnete Rohre geleitet, während das andere Medium diese Rohre radial vom Umfang ins Zentrum umströmt, in dem ein geringerer Druck als am Umfang herrscht. Auch bei diesem Wärmetauscher überwiegt in den Rohrleitungen die laminare Grenzschicht.
Als man erkannt hatte, daß Turbulenzen den Wärmeübergang fördern, wurde die Strömung durch den Einbau von Hindernissen turbulenter gestaltet.
Bei Plattenwärmetauschern erfolgte dies vorrangig durch die Profilierung der Platten, wie z.B. in der DE-OS 4020735 dargelegt. Die Profilierung besteht meist aus einer wellenförmigen Prägung mit im Querschnitt gleichgroßen Wellenbergen und Wellentälern quer zur Ausbreitungsrichtung.
Die gerade verlaufenden wellenförmigen Profilierungen bilden einen spitzen Winkel mit den Längsachsen der Platten, so daß bei Platten, die gegeneinander um 180° gedreht sind, sich die Wellen kreuzen und die Platten auf Abstand halten. In dem sich bildenden Spalt zwischen den Platten ist das in ihm strömende Medium einer ständigen Richtungsänderung bei sich periodisch änderndem Strömungsquerschnitt unterworfen. Die wellenförmige Profilierung stabilisiert außerdem die Platten, wodurch sie sehr dünn ausgebildet werden können. Das begünstigt ebenfalls den Wärmeübergang.
Diese Vorteile hat man sich auch bei Plattenwärmetauschern für Regenerativ-Gasturbinen zunutze gemacht, zum Beispiel nach der US-PS 3424240. Bei derartigen Wärmetauschern begrenzt ein Stapel gewellter, ringförmiger Wärmetauscherplatten einen zentralen Eintrittskanal für die heißen Abgase der Turbine. Diese Abgase strömen radial zwischen Plattenpaaren, die ihrerseits im Gegenstrom von kühler Kompressorluft durchströmt werden, zu einer am Umfang angeordneten Auslaßleitung, die mit der Verbrennungskammer der Turbine in Verbindung steht. Die Platten sind gewellt, um den Wärmetausch zwischen dem heißen Gasstrom und der Kompressorluft zu verbessern. Die Energie der Abwärme der Turbine wird so auf die komprimierte Luft übertragen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Turbine erhöht. Die ringförmigen Platten haben radial nur eine geringe Breite, so daß sich die vergrößernden Querschnitte zwischen den Platten auf die radial nach außen strömenden heißen Abgase kaum auswirken.
Bei den bekannten Ölkühlern wird der Ölfilter axial durch eine Schraubverbindung mit dem Wärmetauscher und dieser ebenso mit dem Motor verbunden, wie in der DE-OS 3440064, der DE-OS 3938254, der DE-OS 4039776 und der DE-OS 4128153 dargestellt und beschrieben. Das hat den Nachteil, daß die Bauform und die Größe des Filters durch den Kühler vorgegeben sind und daß die am Motor auftretenden Vibrationen über den Wärmetauscher auf den Filter übertragen werden, der bei dieser Art der Verbindung an einem relativ langem Hebelarm schwingt. Dadurch ist der Wärmetauscher großen dynamischen Belastungen ausgesetzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen kompakten Plattenwärmescher mit geringem Leistungsgewicht zu schaffen, der einem sich unter dem Einfluß von Wärme ausdehnenden Medium einen wachsenden Strömungsquerschnitt bietet und einem abkühlenden Medium mit abnehmendem Volumen einen sich verringernden Strömungsquerschnitt, und der dadurch die Strömung stabilisiert und den Wärmeübergang begünstigt. Außerdem soll dieser Plattenwärmetauscher die Bedingungen für den Anschluß eines Filters verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.
Die Platten sind so profiliert, daß sich benachbarte Platten entweder mit ihrem inneren und äußeren ebenen Rand oder mit ihren Profilierungen berühren und abstützen und zwischen sich einen Spalt einschließen. Vorzugsweise werden wellenförmige Profilierungen eingeprägt, die spiralförmig, insbesondere in Form einer archimedischen Spirale, verlaufen. Der Querschnitt der Wellen ist beliebig. Er kann sinus- oder trapezförmig sein. Jede Spirale beginnt und endet in einem bis zur Höhe der Wellenberge eingeprägten Plateau, in dessen Mitte je ein Durchbruch durch die Platte eingeformt ist.
An den Stellen, an denen sich die Platten im Stapel berühren, werden sie verschweißt oder verlötet, das heißt an den inneren und äußeren ebenen Rändern, an den sich kreuzenden Wellenbergen und den Plateaus. Die Durchbrüche inmitten der Plateaus werden so zu axial angeordneten Kanälen zwischen den Spalten für das wärmeaufnehmende Medium.
Die Platten werden vorzugsweise nacheinander mittels Laser verschweißt. Sie können aber auch mit einer Lotschicht versehen und unter Wärmezuführung im Stapel verlötet werden. Der Plattenwärmetauscher ist von eine Gehäuse umschlossen, in dem vorteilhaft ein Filter, z.B. ein Ölfilter, angeordnet werden kann, der den gesamten Umfang des Wärmetauschers umschließt und daher eine um ein Vielfaches größere Filterfläche aufweist als bekannte axial anzuschließende Filter. Dieser Filter zeichnet sich durch geringere Druckverluste und eine größere Nutzungsdauer aus.
Bei dieser Anordnung des Filters werden die vom Motor übertragenen Vibrationen gedämpft und beeinträchtigen kaum noch die Stabilität des Wärmetauschers.
Der höchste Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wird mit dem erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher mit Medien erreicht, die während des Wärmetausches den Übergang von der gasförmigen zur flüssigen Phase oder von der flüssigen zur gasförmigen Phase durchlaufen. Bei diesen Phasenübergängen verändern die Medien extrem ihre Volumina. Die damit bei herkömmlichen Wärmetauschern auftretenden extremen Änderungen des Druckes werden mit dem vorgeschlagenen Plattenwärmetauscher weitgehend vermieden, weil dem expadierenden Medium ein mit dem Radius wachsender Strömungsquerschnitt und dem kondensierenden Medium ein sich im gleichen Maße verengender Strömungsquerschnitt zur Verfügung steht. Das erhöht den Wirkungsgrad des Wärmeüberganges und stellt geringere Anforderungen an die Festigkeit des Wärmetauschers.
Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen beschrieben:
Fig. 1
zeigt die Ansicht einer Platte und
Fig. 2
den radialen Schnitt durch einen Plattenwärmetauscher ohne Gehäuse,
Fig. 3
einen axialen Schnitt AA durch einen Plattenwärmetauscher mit Gehäuse.
Der Plattenwärmetauscher besteht aus einem Stapel gleichgroßer und gleichartig profilierter ringförmiger Platten 1, in dem benachbarte Platten 1 gegeneinander um 180° gewendet sind und sich entweder ihre Vorderseiten 2 oder ihre Rückseiten 3 zuwenden.
Der innere Rand 4 und der äußere Rand 5 einer jeden Platte 1 schließen die Wärmetauscherfläche 6 ein, die in Form einer Welle 7 profiliert ist, deren Wellenberge wie eine archimedische Spirale verlaufen und in je einem bis zur Höhe der Wellenberge eigeprägten Plateau 8 beginnen und enden, in deren Mitte jeweils ein Durchbruch 9 durch die Platte 1 eingeformt ist.
Der Außendurchmesser der Platte 1 ist um ein Vielfaches größer als ihr Innendurchmesser, um eine große Wärmetauscherfläche 6 zu erhalten.
Bei benachbarten Platten 1 sind entweder die sich berührenden ebenenen Ränder 4 und 5 oder die sich berührenden Plateaus 8 und die sich kreuzenden Wellen 7 an ihren Berührungspunkten mittels Laser verschweißt.
Die durch die Durchbrüche 9 gebildeten axialen Kanäle 10 und 11 sind mit den Ringleitungen 12 und 13 an den Stirnseiten des Plattenwärmetauschers verbunden.
Der Plattenwärmetauscher ist von einem Gehäuse 14 eingeschlossen in dessen Umfang ein Filter 15 angeordnet ist. Dem Filter 15 wird über die Leitung 16 vom Motor heißes Öl zugeführt, das durch den Filter 15 in den Plattenwärmetauscher strömt und nach dem Kühlen über die Leitung 17 wieder dem Motor zugeführt wird. Gekühlt wird das Öl durch Wasser, das über die Ringleitungen 12 und 13 zu- und abgeführt wird.
Verwendete Bezugszeichen
1
Platte des Plattenwärmetauschers
2
Vorderseite der Platte 1
3
Rückseite der Platte 1
4
innerer ebener Rand der Platte 1
5
äußerer ebener Rand der Platte 1
6
Wärmetauscherfläche der Platte 1
7
eingeprägte Welle in der Wärmetauscherfläche 6
8
eingeprägtes Plateau am Anfang und Ende einer jeden Welle 7
9
Durchbruch durch die Platte 1
10
axiale Kanäle am inneren Rand 4
11
axiale Kanäle am äußeren Rand 5
12
Ringleitung an den Kanälen 10
13
Ringleitung an den Kanälen 11
14
Gehäuse des Plattenwärmetauschers
15
Filter
16
Leitung vom Motor zum Plattenwärmetauscher
17
Leitung vom Plattenwärmetauscher zum Motor

Claims (4)

  1. Plattenwärmetauscher, bestehend aus einem Stapel gleichgroßer und gleichförmig profilierter ringförmiger Platten (1), die sich abwechselnd ihre Vorderseiten (2) und ihre Rückseiten (3) zuwenden, durch die Profilierung auf Abstand gehalten werden und die auf der einen Seite von einem wärmeabgebenden Medium und auf der anderen Seite von einem wärmeaufnehmenden Medium umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) einen inneren ebenen Rand (4) und einen äußeren ebenen Rand (5) sowie eine von diesen eingeschlossene Wärmetauscherfläche (6) aufweisen, die in Form von Wellen (7) profiliert ist, die spiralig verlaufen und jeweils in einem bis zur Höhe der Wellenberge eingeprägten Plateau (8) beginnen und enden, in deren Mitte jeweils ein Durchbruch (9) durch die Platte (1) eingeformt ist, daß die sich im Stapel berührenden inneren und äußeren Ränder (4) und (5), Plateaus (8) und kreuzenden Wellen (7) der Platten (1) miteinander verschweißt oder verlötet sind und daß den so verbundenen Platten (1) das wärmeabgebende Medium über ihren gesamten Umfang zugeführt wird, von wo es radial zu dem von den ringförmigen Platten (1) eingeschlossenen zentralen Kanal (17) strömt, während das wärmeaufnehmende Medium in eine an der Stirnseite angebrachte Ringleitung (12) eingeleitet wird, um von dort im radialen Gegenstrom zum anderen Medium zur Ringleitung (13) zu strömen.
  2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenförmigen Profilierungen in Form archimedischer Spiralen verlaufen.
  3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen (7) einen sinusförmigen oder trapezförmigen Querschnitt haben.
  4. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, das er von einem Gehäuse (14) eingeschlossen ist, in dessen Umfang ein Filter (15) angeordnet ist.
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