EP2810012A1

EP2810012A1 - Wärmetauscher

Info

Publication number: EP2810012A1
Application number: EP12701897.6A
Authority: EP
Inventors: Marek PYZA
Original assignee: A-Heat Allied Heat Exchange Technology AG Austria
Current assignee: A-Heat Allied Heat Exchange Technology AG Austria
Priority date: 2012-01-30
Filing date: 2012-01-30
Publication date: 2014-12-10
Also published as: US20150253086A1; WO2013113362A1; MX2014008724A; JP2015508881A; CN104169670A

Abstract

Ein Wärmetauscher (1) weist ein Gehäuse auf, welches eine Mehrzahl von Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) enthält, wobei die Plattenelementanordnungen eine Mehrzahl von Öffnungen (6) enthalten, wobei benachbarte Öffnungen voneinander getrennt sind, wobei die Öffnungen im Betriebszustand von einem ersten Fluid (7) durchströmt werden. Die Öffnungen verlaufen innerhalb der Plattenelementanordnung zumindest abschnittsweise voneinander getrennt, wobei benachbarte Plattenelementanordnungen jeweils in einem Abstand zueinander angeordnet sind, sodass ein zweites Fluid (8) in dem Zwischenraum (15) zwischen zwei benachbarten Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) strömen kann. Zumindest eine der Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) ist durch eine Ausnehmung (5) unterbrochen, sodass die Plattenelementanordnung zumindest ein erstes Plattenelement (3) und ein zweites Plattenelement (4) aufweist, wobei das zweite Plattenelement (4) derart in Bezug auf das erste Plattenelement (3) angeordnet ist, dass das zweite Plattenelement (4) vom ersten Fluid (7) im Anschluss an das erste Plattenelement (3) durchströmbar ist, wobei die Ausnehmung (5) ein stromlenkendes Element (20) enthält.

Description

A-HEAT Allied Heat Exchange Technology AG, Euro Plaza Gebäude G, Am Europlatz 2 / Stiege 2 / 6. OG, A-1 120 Wien, Austria

Wärmetauscher Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den Austausch von Wärme zwischen einem Kältemittel und einem Gas, bei welchem es sich

insbesondere um Luft handeln kann.

Die Verwendung von Wärmetauschsystemen ist in einer kaum zu

überblickenden Zahl von Anwendungen aus dem Stand der Technik bekannt. Wärmetauscher werden in Kühlanlagen, wie z.B. in gewöhnlichen

Haushaltskühlschränken verwendet, in Klimaanlagen für Gebäude oder in Fahrzeugen aller Art, vor allem in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Schiffen, als Wasser- oder Ölkühler in Verbrennungsmotoren im mobilen oder stationären Betrieb, als Kondensatoren oder Verdampfer in Kühlmittelkreisen. Ein derartiger Wärmetauscher ist beispielsweise aus der US 4876778 bekannt. Der Wärmetauscher ist derart aufgebaut, dass Kühlwasser innerhalb von Röhrchen strömt, die innerhalb einer Mehrzahl von Platten angeordnet sind, und Luft um die Platten herumströmt. Kühlwasser und Luft strömen zueinander im Kreuzstrom. Die Platten vorgesehen, die parallel zueinander angeordnet sind und sind durch Abstandselemente voneinander getrennt. Derartige Abstandselemente können beispielsweise als Wellbleche ausgebildet sein.

In der Folge soll zwischen„lamellierten Wärmetauschern" einerseits, und „Minikanal-" oder„Mikrokanalwärmetauschern" andererseits unterschieden werden.

Die seit sehr langer Zeit wohlbekannten lamellierten Wärmetauscher dienen, wie alle Typen von Wärmetauschern, zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien, z.B. von einem Kühlmedium auf Luft oder umgekehrt. Das im Inneren der Kanäle des Wärmetauschers strömende erste Fluid wird in der Folge auch als Wärmeträger bezeichnet. Das die Kanäle umströmende zweite Fluid wird in der Folge als Transportfluidum bezeichnet. Sowohl der

Wärmeträger als auch das Transportfluidum können in flüssigem oder gasförmigen Zustand vorliegen. Wasser, Öl, Luft oder ein Kältemittel seien beispielhaft für den Wärmeträger oder das Transportfluidum genannt. Eines dieser Medien wird durch den Wärmeübergang entsprechend abgekühlt, während das andere Medium erwärmt wird.

Im Allgemeinen hat das Transportfluidum, also z.B. die Luft, einen wesentlich niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten als der Wärmeträger, also z.B. das Kühlmittel oder Heizmittel, das innerhalb der Kanäle des Wärmetauschers zirkuliert. Dies wird durch stark unterschiedliche Wärmeübertragungsflächen für die beiden Medien ausgeglichen: Das Medium mit dem hohen

Wärmeübergangskoeffizienten strömt im Kanal. Auf dessen Außenseite sind dünne Bleche, z. B. Rippen oder Lamellen angebracht, sodass die

Aussenoberfläche des Kanals eine im Vergleich mit der Innenoberfläche des Kanals vergrößerte Wärmeübertragungsfläche aufweist, an der der

Wärmeübergang mit dem Transportfluidum stattfindet.

Das Verhältnis von Außenoberfläche zur Innenoberfläche des Kanals hängt dabei von der Lamellengeometrie, die wiederum durch den

Kanaldurchmesser, die Anordnung der Kanäle und den Abstand der Kanäle voneinander bestimmt ist, sowie vom Lamellenabstand d' ab. Der

Lamellenabstand d' wird für unterschiedliche Anwendungen unterschiedlich gewählt. Rein thermodynamisch sollte er jedoch möglichst klein sein, jedoch nicht so klein, dass der Druckverlust auf der Seite des Transportfluidums zu groß ist. Ein wirtschaftliches Optimum liegt bei etwa 2 mm, was ein für Verflüssiger und Rückkühler typischer Wert ist.

Der Wirkungsgrad ist dabei wesentlich durch die Tatsache bestimmt, dass die Wärme, die zwischen der Lamellenoberfläche und dem Transportfluidum übertragen wird, über Wärmeleitung durch die Lamellen zum Kanal übertragen werden muss. Diese Wärmeübertragung ist umso effektiver, je höher die Leitfähigkeit bzw. die Dicke der Lamelle ist, aber auch je kleiner der Abstand zwischen den Kanälen ist. Man spricht hier vom

Lamellenwirkungsgrad. Als Lamellenmaterial kommt deshalb heutzutage überwiegend Aluminium zum Einsatz, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit (ca. 220 W/mK) zu wirtschaftlichen Bedingungen aufweist. Der Abstand der Kanäle sollte dabei möglichst klein sein. Thermodynamisch wäre eine

Lösung, welche viele Kanäle in engem Abstand zueinander mit kleinen Durchmessern aufweist, optimal. Ein wesentlicher Kostenfaktor ist jedoch auch die Arbeitszeit zum Aufweiten und Verlöten der Kanäle. Dieser würde bei einer solchen Geometrie unverhältnismässig stark ansteigen.

Daher sind bereits vor einigen Jahren eine neue Klasse von

Wärmetauschern, sogenannte Minikanal- oder auch

Mikrokanalwärmetauscher entwickelt worden, die nach einem völlig anderen Verfahren hergestellt werden und fast dem Idealbild eines lamellierten

Wärmetauschers entsprechen. Sie enthalten Minikanäle oder Mikrokanäle mit einem sehr kleinen Durchmesser, der in der Grössenordnung von 1 mm liegt. Zur Herstellung dieser Minikanäle oder Mikrokanäle werden bevorzugt Aluminiumstrangpressprofile verwendet. Im wesentlichen ist ein Wärmetauscherblock aus einem oder mehreren lamellierten Wärmetauschern bzw. aus ein oder mehreren Mikrokanal- Wärmetauschern aufgebaut, wobei jeweils eine Einlassseite des

Wärmetauscherblocks mit einem Verteilerelement und eine Auslassseite des Wärmetauscherblocks mit einem Sammelelement druckfest verlötet ist. Am Verteilerelement und am Sammelelement des ein oder mehrere

Wärmetauscher umfassenden Wärmetauscherblocks ist dabei jeweils ein Verbindungsanschluss vorgesehen, so dass der Wärmetauscherblock mit einem externen System, z.B. mit einer Kältemaschine derart

strömungsverbunden werden kann, dass der Wärmeträger im

Betriebszustand zum Austausch von Wärme mit dem Transportfluidum unter einem vorgebbaren Betriebsdruck vom Verteilerelement durch den

Wärmetauscher dem Sammelelement zugeführt werden kann.

Die Mikrokanäle sind in Plattenelementen angeordnet. Die Mikrokanäle verlaufen im wesentlichen parallel zueinander und sind untereinander nicht verbunden, sodass der Wärmeträger, also das erste Fluid das Plattenelement in einem Mikrokanal zugeführt, das Plattenelement in diesem Mikrokanal durchströmt und im selben Mikrokanal wieder verlässt. Das Transportfluidum strömt kreuzweise zu den Mikrokanälen. Das Transportfluidum gibt Wärme an den Wärmeträger ab oder nimmt Wärme vom Wärmeträger über die Wände des Plattenelements auf. Aufgrund des Kreuzstroms unterscheidet sich daher Eintrittstemperatur des Transportfluidums von dessen Austrittstemperatur, da auf dem Weg durch den Wärmetauscher entweder Wärme aufgenommen wird oder abgegeben wird. Dies bedingt eine inhomogene

Temperaturverteilung in den Mikrokanälen. Bei grossflächigen Wärmetauschern mit einer Wärmeaustauschfläche von mehreren Quadratmetern können diese Temperaturdifferenzen zu

Wärmespannungen und somit zu mechanischen Belastungen der

Mikrokanäle führen, die zu Schäden am Wärmetauscher führen kann.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Temperaturverteilung im

Kühlmittel in Strömungsrichtung des Gases zu vergleichmässigen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Wärmetauscher gelöst, welcher nachfolgende Merkmale aufweist: Der Wärmetauscher weist ein Gehäuse auf, welches eine Mehrzahl von Plattenelementanordnungen enthält. Die

Plattenelementanordnungen enthalten Öffnungen, beispielsweise in der Form von Röhrchen, die im Betriebszustand von einem ersten Fluid durchströmt werden können. Es können auch Mikrokanäle im Sinn der vorhergehenden Ausführungen vorgesehen sein. Die Öffnungen verlaufen innerhalb der Plattenelementanordnung zumindest abschnittsweise voneinander getrennt. Benachbarte Plattenelementanordnungen sind jeweils in einem Abstand zueinander angeordnet, sodass ein zweites Fluid in dem Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Plattenelementanordnungen strömen kann. Die Strömungsrichtung des zweiten Fluids erfolgt vorzugsweise im wesentlichen kreuzweise zur Strömungsrichtung des ersten Fluids. Das heisst, dass das erste Fluid und das zweite Fluid vorzugsweise im Kreuzstrom zueinander strömen.

Zumindest eine der Plattenelementanordnungen ist durch eine Ausnehmung unterbrochen, sodass die Plattenelementanordnung zumindest ein erstes und ein zweites Plattenelement aufweist. Das zweite Plattenelement ist derart in Bezug auf das erste Plattenelement angeordnet, dass das zweite

Plattenelement vom ersten Fluid im Anschluss an das erste Plattenelement durchströmbar ist, wobei die Ausnehmung ein stromlenkendes Element enthält. Innerhalb der Ausnehmung kommt es zu einer Vermischung der Einzelströme des ersten Fluids, welche die Ausnehmung über die Öffnungen erreichen.

Nach einem Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmung derart ausgestaltet ist, dass eine Mehrzahl von Öffnungen an einem zweiten Ende des ersten Plattenelements in die Ausnehmung mündet und das erste Fluid von der Ausnehmung wiederum in eine Mehrzahl von Öffnungen an einem ersten Ende des zweiten Plattenelements einspeisbar ist. Insbesondere kann die Ausnehmung derart ausgestaltet sein, dass eine Mehrzahl von Röhrchen, Kanälen oder Mikrokanälen in eine derartige Ausnehmung an einem ersten Ende derselben mündet sowie das erste Fluid von der Ausnehmung wiederum in eine Mehrzahl von Röhrchen, Kanäle oder Mikrokanäle des zweiten Plattenelements eingespeist wird.

Nach einem Ausführungsbeispiel weist enthält Ausnehmung ein

Stromstörelement, sodass eine Wirbelbildung und/oder Umlenkung der Strömung erfolgt. Alternativ oder in Ergänzung hierzu kann die Ausnehmung einen statischen Mischer enthalten. Die Ausnehmung kann von einem

Mantelelement umgeben sein, welches fluiddicht mit dem ersten und dem zweiten Plattenelement verbunden ist. Insbesondere kann das

Mantelelement das stromlenkende Element enthalten, wie beispielsweise Rillen enthalten und/oder Rippen und/oder Vorsprünge aufweisen. Die

Ausnehmung ist von dem zweiten Ende des ersten Plattenelements, dem ersten Ende des zweiten Plattenelements sowie dem Mantelelement gebildet, wobei das erste Plattenelement und das zweite Plattenelement eine gemeinsame Mittenebene aufweisen und die Plattenelemente in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluids hintereinander angeordnet sind. Insbesondere können die Öffnungen in den Plattenelementen als Kanäle ausgebildet sein. Die Rillen können zumindest abschnittsweise in einem Winkel zu den Kanälen angeordnet sein. Die Rillen können mit den Kanälen einen Winkel einschliessen der im Bereich von 10° bis einschliesslich 75°, vorzugsweise im Bereich von 10° bis einschliesslich 60°, besonders bevorzugt im Bereich von 10° bis einschliesslich 45° ist.

Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Mantelelement Vorsprünge enthalten, welche in die Ausnehmung hineinragen und

Stromstörelemente ausbilden. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Ausnehmung über zwischen 5 und 40% der Länge des Wärmetauschers erstreckt, wobei die Länge des

Wärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung des innerhalb der

Plattenelemente strömenden ersten Fluids gemessen wird. Um einen Temperaturausgleich über die gesamte Breite des Wärmetauschers zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn die Ausnehmung sich im wesentlichen über die gesamte Breite des Wärmetauschers erstreckt.

Ein Einbauelement kann nach einem Ausführungsbeispiel zum Einhalten des Abstandes zwischen zwei benachbarten Plattenelementen vorgesehen sein. Das Einbauelement kann insbesondere als wellenförmiges, dünnwandiges Abstandselement ausgebildet sein.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, umfassend einen Schritt, in welchem das erste Fluid auf dessen Strömungsweg innerhalb der Plattenelementanordnung zwischen dessen Eintritt in die

Plattenelementanordnung und dessen Austritt aus der

Plattenelementanordnung vermischt wird. Nach einer vorteilhaften Variante strömt das zweite Fluid zwischen benachbarten Plattenelementanordnungen im Kreuzstrom zu dem ersten Fluid. Das zweite Fluid strömt somit quer zum ersten Fluid. Das erste Fluid kann insbesondere ein Kältemittel sein. Das zweite Fluid kann insbesondere ein Gas sein, vorteilhafterweise Luft. Die Plattenelemente können als Profile ausgebildet sein, in welchen sich das Kältemittel in mehreren getrennten parallelen Kanälen bewegt. Gesehen in Richtung des ersten Fluids, liegen diese Kanäle für das erste Fluid

hintereinander.

Die Wärmeübertragung unterscheidet sich aus mehreren Gründen von einem Kanal zum nächsten Kanal. Zum einen ändert sich die treibende

Temperaturdifferenz aufgrund von unterschiedlichen örtlichen Temperaturen des ersten Fluids, zum andern kann sich das Verhältnis von flüssiger Phase zu gasförmiger Phase, wenn das zweite Fluid in flüssiger und gasförmiger Phase vorliegt, was die Gesamtleistung des Wärmetauschers beeinflusst.

Insbesondere kann mehr als eine Ausnehmung in einer

Plattenelementanordnung vorgesehen sein. Wenn eine Mehrzahl von

Ausnehmungen vorgesehen ist, kann jede der Ausnehmungen ein

stromlenkendes Element enthalten. Insbesondere kann es zur Vermischung des zweiten Fluids kommen, sodass es zu einem Temperaturausgleich im zweiten Fluid kommt und einer Vergleichmässigung des Temperaturprofils über der Länge sowie der Breite des Wärmetauschers.

Die Leistung eines Wärmetauschers kann insbesondere dann erheblich gesteigert werden, wenn die Plattenelementanordnungen eine grosse Breite und/oder Länge aufweisen und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des ersten Fluides klein ist. Insbesondere kann ein Wärmetauscher gemäss der Erfindung in grösserer Länge gebaut werden und die Anzahl der Plattenanordnungen kann um bis zu zwei Drittel gegenüber dem Stand der Technik reduziert werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen: eine Ansicht auf eine Plattenelementanordnung gemäss eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 2 eine Ansicht eines Stapels von Plattenelementanordnungen, Fig. 3 eine Seitenansicht einer Anordnung von Plattenelementen,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die Anordnung von Plattenelementen

gemäss Fig. 3,

Fig. 5 einen Ausschnitt der Draufsicht gemäss Fig. 4 Fig. 6 eine Seitenansicht einer Anordnung von Plattenelementen nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Anordnung von Plattenelementen

gemäss Fig. 6,

Fig. 8 ein Detail der Seitenansicht gemäss Fig. 6. Fig. 9 eine Ansicht eines Stapels von Plattenelementen

Fig. 10 eine Ansicht auf eine Plattenelementanordnung gemäss des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig. 1 veranschaulicht eine Ansicht auf eine Plattenelementanordnung 2 gemäss eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung für einen

Wärmetauscher 1 . Die Plattenelementanordnung umfasst erstes

Plattenelement 3, ein zweites Plattenelement 4 und eine Ausnehmung 5, welche zwischen dem ersten Plattenelement 3 und dem zweiten

Plattenelement 4 angeordnet ist. In das erste Plattenelement 3 tritt ein erstes Fluid 7 ein, strömt durch die Öffnungen 6 in Richtung der Ausnehmung 5, in die Ausnehmung 5 hinein und verlässt die Ausnehmung 5 anschliessend durch die Öffnungen 6 des zweiten Plattenelements 4.

Das erste Fluid 7 ist ein Wärmeträger und kann entweder ein Heizmittel oder ein Kühlmittel sein. Das erste Fluid 7 liegt vorzugsweise in flüssigem

Aggregatzustand vor, da dessen Wärmeleitung wesentlich höher ist als die eines gasförmigen Fluids und die für das erste Fluid zur Verfügung stehende Wärmeaustauschfläche kleiner als für das zweite Fluid ist. Die Öffnungen 6 weisen in den ersten und zweiten Plattenelementen 3,4 einen Abstand voneinander auf, sodass jede der Öffnungen 6 einen von den anderen Öffnungen getrennten, mantelseitig geschlossenen Kanal 9 ausbildet. Der Kanal 9 kann insbesondere die Form eines Röhrchens haben und/oder als Mikrokanal mit den in der Einleitung beschriebenen Abmessungen

ausgebildet sein. Das erste Fluid 7 durchströmt diese Mikrokanale, die wellenförmige Einbauten aufweisen können, die zeichnerisch nicht dargestellt sind. Diese

wellenförmigen Einbauten dienen der Vergrösserung der für den

Wärmeübergang zur Verfügung stehenden Wärmeaustauschfläche.

Selbstverständlich können anstelle der wellenförmigen Einbauten auch Gitterstrukturen, netzartige Strukturen oder poröse Strukturen vorgesehen werden. Die Kanäle 9 können als kreisförmige Rohre ausgebildet sein oder auch als ovale oder viereckige, insbesondere rechteckige Kanäle, die aus einem Strangpressprofil mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt worden sind. Hierdurch kann eine Vielzahl von Mikrokanälen in der

Plattenelementanordnung angeordnet werden. Als Material für die Kanäle 9 hat sich insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung bewährt.

Das erste Plattenelement 3 weist ein erstes Ende 16 auf, welches die

Eintrittsöffnungen der Öffnungen 6 enthält, durch welche das erste Fluid 7 in das erste Plattenelement 3 geleitet wird. Die Austrittsöffnungen der

Öffnungen 6 sind an einem zweiten Ende 17 des ersten Plattenelements 3 angeordnet.

Das zweite Plattenelement 4 weist ein erstes Ende 18 auf, welches die Eintrittsöffnungen der Öffnungen 6 enthält, durch welche das erste Fluid 7 in das zweite Plattenelement 4 geleitet wird. Die Austrittsöffnungen der

Öffnungen 6 sind an einem zweiten Ende 19 des zweiten Plattenelements 4 angeordnet.

Insbesondere ist gemäss Fig. 1 die Ausnehmung 5 derart ausgestaltet, dass eine Mehrzahl von Öffnungen 6 an dem zweiten Ende 17 des ersten

Plattenelements 3 in die Ausnehmung 5 mündet und das erste Fluid 7 von der Ausnehmung 5 wiederum in eine Mehrzahl von Öffnungen einspeisbar ist, die an dem ersten Ende 18 des zweiten Plattenelements 4 angeordnet sind.

Die Ausnehmung ist ein sich zwischen dem ersten und zweiten

Plattenelement 3,4 erstreckender Hohlraum, welcher von einem

Mantelelement umgeben ist. Die Ausnehmung 5 ist von dem zweiten Ende 17 des ersten Plattenelements 3, dem ersten Ende 18 des zweiten

Plattenelements 19 sowie dem Mantelelement gebildet ist, wobei das erste Plattenelement 3 und das zweite Plattenelement 4 eine gemeinsame

Mittenebene aufweisen und die Plattenelemente 3, 4 in Bezug auf die

Strömungsrichtung des ersten Fluids 7 hintereinander angeordnet sind.

In der vorliegenden Darstellung besteht das Mantelelement aus einem oberen Mantelteil 10 und einem unteren Mantelteil 1 1 . Der obere Mantelteil 10 ist nach Art einer Explosionszeichnung im nicht zusammengebauten Zustand gezeigt, damit die Struktur des unteren Mantelteils 1 1 sichtbar ist. Anstatt eines oberen und unteren Mantelteils kann das Mantelelement auch einstückig ausgebildet sein. Die ersten und zweiten Plattenelemente können nachträglich mit dem Mantelelement verbunden werden, das heisst beispielsweise in Öffnungen des Mantelelements für die ersten und zweiten Plattenelemente eingesteckt werden. Eine fluiddichte Verbindung zwischen Plattenelement ist durch ein Dichtungselement, durch ein geringfügiges Übermass des Plattenelements relativ zum Mantelelement, oder durch nachträgliches Verschweissen von Mantelelement und Plattenelement ermöglicht.

Das obere Mantelteil 10 und das untere Mantelteil 1 1 weisen stromlenkende Elemente 20 auf. Diese stromlenkenden Elemente 20 sind als Rippen 21 ausgebildet. Selbstverständlich kann alternativ dazu nur einer der oberen oder unteren Mantelteile Rippen 21 aufweisen und der jeweils andere der oberen oder unteren Mantelteile eine glatte Oberfläche oder Rillen 23 aufweisen. Zumeist ist eine Mehrzahl an stromlenkenden Elemente 20 vorgesehen, insbesondere wenn der Wärmetauscher eine grosse Breite hat. Allerdings würde ein einziges stromlenkendes Element die Funktion einer Umlenkung der Strömung des ersten Fluids 7 erfüllen. Insbesondere kann das stromlenkende Element 20 zumindest

abschnittsweise in einem Winkel zu den Kanälen 9 angeordnet sein.

Vorzugsweise schliesst das stromlenkende Element 20 mit den Kanälen 9 einen Winkel ein, der im Bereich von 10° bis einschliesslich 75°,

vorzugsweise im Bereich von 10° bis einschliesslich 60°, besonders bevorzugt im Bereich von 10° bis einschliesslich 45° liegt.

Um eine verbesserte Vermischung zu erreichen, können die stromlenkenden Elemente 20 des oberen Mantelteils 10 einen anderen Winkel 27 mit den Kanälen 9 einschliessen, als die stromlenkenden Elemente 20 des unteren Mantelteils 1 1 . Der Winkel 27 ist in Fig. 5 dargestellt.

Nach einem alternativen Ausführungsbeispiel enthält das Mantelelement, oder zumindest einer der oberen oder unteren Mantelteile 10, 1 1 Vorsprünge 25, welche in die Ausnehmung 5 hineinragen und Stromstörelemente ausbilden. Die Ausnehmung 5 erstreckt sich vorteilhafterweise über zwischen 5% und 40% der Länge 26 des Wärmetauschers, wobei die Länge 26 des

Wärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung des innerhalb der

Plattenelemente 3, 4 strömenden ersten Fluids 7 gemessen wird. In Fig. 3 ist die Länge 26 des Wärmetauschers als die Summe der Längen der

Plattenelemente und der Ausnehmung 5 dargestellt.

Insbesondere kann sich die Ausnehmung 5 im wesentlichen über die gesamte Breite 28 des Wärmetauschers 1 erstrecken. Die Breite 28 des Wärmetauschers 1 entspricht im wesentlichen der Breite der

Plattenelementanordnung und ist in Fig. 5 gezeigt. Fig. 2 zeigt einen Stapel von Plattenelementanordnungen 2, 12, 22, welche einen Wärmetauscher 1 ausbilden. Diese Plattenelementanordnungen 2, 12, 22 befinden sich in einem Gehäuse, welches in der Darstellung weggelassen ist, um die Funktionsweise des Wärmetauschers besser verdeutlichen zu können. Jede der Plattenelementanordnungen 2, 12, 22 kann aus den in Fig. 1 gezeigten ersten und zweiten Plattenelementen 3, 4 sowie einer

Ausnehmung 5 aufgebaut sein.

Ein zweites Fluid 8, auch als Transportfluidum bezeichnet, kann oberhalb und/oder unterhalb jeder Plattenelementanordnung 2, 12, 22 strömen. Das zweite Fluid 8, welches zumeist gasförmig ist, kann mittels des Heizmittels beheizt oder mittels des Kühlmittels abgekühlt werden, je nach gewünschter Funktionsweise des Wärmetauschers 1 .

Der Zwischenraum 15, der vom zweiten Fluid 8 durchströmt wird, kann Einbauelemente 13 enthalten, die in Fig. 2 als gewellte Struktur dargestellt sind. Die Einbauelemente 13 stehen mit den jeweils benachbarten

Plattenelementanordnungen in wärmeleitendem Kontakt, sodass Wärme über die Einbauelemente 13 übertragen werden kann. Somit dienen auch die Einbauelemente 13 der Erhöhung der Wärmeaustauschfläche. Die

Einbauelemente können auch als Rippen ausgebildet sein oder wie oben Gitterstrukturen, netzartige Strukturen oder poröse Strukturen enthalten. Des weiteren können die Einbauelemente auch als gezackte Profile in V oder W- Form ausgebildet sein.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer Plattenelementanordnung nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Dicke des Mantelelements, bestehend aus oberem und unterem Mantelteil 10, 1 1 überschreitet hierbei die Dicke der ersten und zweiten Plattenelemente 3, 4. Dies hat zur Folge, dass der Abstand zwischen benachbarten Plattenelementanordnungen an der Stelle geringer ist, an welcher sich das Mantelelement befindet. Gemäss der in Fig. 10 dargestellten Variante werden daher zwischen den Mantelelementen benachbarter Plattenelementanordnungen Einbauelemente 29 vorgesehen, welche eine geringere Höhe aufweisen als die Einbauelemente 13.

Fig. 4zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung von Plattenelementen gemäss Fig. 3. Diese Ansicht entspricht der Anordnung von Fig. 1 , wenn man den oberen Mantelteil 10 entfernt. Die Länge der Plattenelementanordnung 2 wird hier definiert als die Länge des ersten und zweiten Plattenelements 3, 4 sowie die Länge der Ausnehmung 5, welche hier nicht sichtbar ist. , Fig. 5 ist ein Ausschnitt der Draufsicht gemäss Fig. 4 und zeigt einen Teil des unteren Mantelelements 1 1 sowie die Rippen 21 , welche das stromlenkende Element 20 bilden. Die Breite 28 der Plattenelementanordnung ist ebenfalls gezeigt. Fig. 6 zeigt eine Seitenansicht einer Plattenelementanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Plattenelementanordnung unterscheidet sich durch den Aufbau der ersten und zweiten Plattenelemente 3, 4, welche anstelle von Kanälen eine poröse Struktur aufweisen, durch welche das erste Fluid 7 hindurch strömen kann. Die Ausnehmung enthält als stromlenkende Elemente eine Mehrzahl von Vorsprüngen 25, welche

Störelemente 24 für die Strömung ausbilden können. Diese Vorsprünge können lokale Erhebungen sein, oder auch sich über einen Teil der Länge und/oder Breite der Ausnehmung erstreckende Rippen oder Rillen sein.

Fig. 7 eine Draufsicht auf die Anordnung von Plattenelementen gemäss Fig. 6 und ist analog Fig. 3 aufgebaut, siehe daher die Beschreibung zu Fig. 3.

Fig. 8 zeigt ein Detail der Seitenansicht gemäss Fig. 6. Die stromlenkenden Elemente 20 sind als Rippen ausgebildet. Die Rippen des oberen Mantelteils und des unteren Mantelteils kommen im eingebauten Zustand aufeinander zu liegen. Das erste Fluid kann somit nur an diesen Rippen vorbei strömen und wird durch die Rippen umgelenkt und durch die Umlenkung und/oder

Verwirbelung vermischt. Hierdurch wird das Temperaturgefälle, welches das erste Fluid in Richtung der Breite des Wärmetauschers aufweist,

ausgeglichen.

Fig. 9 zeigt eine Ansicht eines Stapels von Plattenelementen, ähnlich Fig. 2. Im Unterschied zu Fig. 2 sind auch die Einbauelemente 29 zwischen den

Mantelelementen der Ausnehmungen 5 dargestellt, die sich in ihrer Höhe von den Einbauelementen 13 unterscheiden, welche zwischen den

Plattenelementen 3, 4 angeordnet sind. Fig. 10 zeigt eine Ansicht auf eine Plattenelementanordnung gemäss des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Der obere und untere Mantelteil 10, 1 1 sind als transparentes Element dargestellt, sodass die Vorsprünge, welche sich kreuzweise über einen Teil der inneren Oberfläche zumindest eines der Mantelteile in der Form von Rippenpaaren erstrecken, sichtbar sind.

Claims

Patentansprüche

1 . Wärmetauscher (1 ), der ein Gehäuse aufweist, welches eine Mehrzahl von Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) enthält, wobei die

Plattenelementanordnungen eine Mehrzahl von Öffnungen (6) enthalten, wobei benachbarte Öffnungen voneinander getrennt sind, wobei die

Öffnungen im Betriebszustand von einem ersten Fluid (7) durchströmt werden, wobei die Öffnungen innerhalb der Plattenelementanordnung zumindest abschnittsweise voneinander getrennt verlaufen, wobei

benachbarte Plattenelementanordnungen jeweils in einem Abstand

zueinander angeordnet sind, sodass ein zweites Fluid (8) in dem

Zwischenraum (15) zwischen zwei benachbarten Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) durch eine Ausnehmung (5) unterbrochen ist, sodass die Plattenelementanordnung zumindest ein erstes Plattenelement (3) und ein zweites Plattenelement (4) aufweist, wobei das zweite Plattenelement (4) derart in Bezug auf das erste Plattenelement (3) angeordnet ist, dass das zweite Plattenelement (4) vom ersten Fluid (7) im Anschluss an das erste Plattenelement (3) durchströmbar ist, wobei die Ausnehmung (5) ein stromlenkendes Element (20) enthält.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , wobei die Ausnehmung (5) derart ausgestaltet ist, dass eine Mehrzahl von Öffnungen (6) an einem zweiten Ende (17) des ersten Plattenelements (3) in die Ausnehmung (5) mündet und das erste Fluid (7) von der Ausnehmung (5) wiederum in eine Mehrzahl von Öffnungen (6) an einem ersten Ende (18) des zweiten Plattenelements (4) einspeisbar ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Ausnehmung ein Stromstörelement und/oder einen statischen Mischer enthält.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung von einem Mantelelement umgeben ist, welches fluiddicht mit dem ersten und dem zweiten Plattenelement verbunden ist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei das Mantelelement das

stromlenkende Element (20) enthält, welches als Rippe (21 ) und/oder Rille (23) und/oder Vorsprung (25) ausgestaltet sein kann.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (5) von dem zweiten Ende (17) des ersten Plattenelements (3), dem ersten Ende (18) des zweiten Plattenelements (4) sowie dem

Mantelelement (10, 1 1 ) gebildet ist, wobei das erste Plattenelement (3) und das zweite Plattenelement (4) eine gemeinsame Mittenebene aufweisen und die Plattenelemente in Bezug auf die Strömungsrichtung des ersten Fluids (7) hintereinander angeordnet sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen (6) in den Plattenelementen (3, 4) als Kanäle (9) ausgebildet sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, wobei das stromlenkende Element (20) zumindest abschnittsweise in einem Winkel (27) zu den Kanälen (9) angeordnet ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 7 oder 8, wobei das stromlenkende

Element (20) mit den Kanälen (9) einen Winkel (27) einschliesst, der im

Bereich von 10° bis einschliesslich 75°, vorzugsweise im Bereich von 10° bis einschliesslich 60°, besonders bevorzugt im Bereich von 10° bis

einschliesslich 45° liegt.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei das Mantelelement Vorsprünge enthält, welche in die Ausnehmung hineinragen und Stromstörelemente ausbilden.

1 1 . Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Ausnehmung über zwischen 5% und 40% der Länge (26) des

Wärmetauschers erstreckt, wobei die Länge (26) des Wärmetauschers in der Hauptströmungsrichtung des innerhalb der Plattenelemente strömenden ersten Fluids (7) gemessen wird.

12. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Ausnehmung (5) im wesentlichen über die gesamte Breite (28) des Wärmetauschers erstreckt.

13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Einbauelement (13) zum Einhalten des Abstandes zwischen zwei benachbarten Plattenelementanordnungen (2, 12, 22) vorgesehen ist.

14. Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Schritt, in welchem das erste Fluid (7) auf dessen Strömungsweg innerhalb der Plattenelementanordnung (2, 12, 22) zwischen dessen Eintritt in die Plattenelementanordnung und dessen Austritt aus der Plattenelementanordnung vermischt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das zwischen benachbarten Plattenelementanordnungen strömende zweite Fluid (8) im Kreuzstrom zu dem ersten Fluid (7) strömt.