EP3821190A1 - Wärmetauscher und ein verfahren zur herstellung eines wärmetauschers - Google Patents

Wärmetauscher und ein verfahren zur herstellung eines wärmetauschers

Info

Publication number
EP3821190A1
EP3821190A1 EP19740479.1A EP19740479A EP3821190A1 EP 3821190 A1 EP3821190 A1 EP 3821190A1 EP 19740479 A EP19740479 A EP 19740479A EP 3821190 A1 EP3821190 A1 EP 3821190A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat exchanger
phase change
temperature compensation
change element
cavity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19740479.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Steinbauer
Konrad Braun
Alexander WOITALKA
Stefan Gewald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3821190A1 publication Critical patent/EP3821190A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • 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
    • F28D9/0062—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 conduits for one heat-exchange medium being formed by spaced plates with inserted elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J5/00—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants
    • F25J5/002—Arrangements of cold exchangers or cold accumulators in separation or liquefaction plants for continuously recuperating cold, i.e. in a so-called recuperative heat exchanger
    • 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
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
    • F28D20/021—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat the latent heat storage material and the heat-exchanging means being enclosed in one container
    • 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
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2280/00—Control of the process or apparatus
    • F25J2280/02—Control in general, load changes, different modes ("runs"), measurements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/44—Particular materials used, e.g. copper, steel or alloys thereof or surface treatments used, e.g. enhanced surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2290/00—Other details not covered by groups F25J2200/00 - F25J2280/00
    • F25J2290/50—Arrangement of multiple equipments fulfilling the same process step in parallel
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Heat exchangers in particular of straight tube heat exchangers and / or
  • Plate heat exchangers and / or plate fin heat exchangers are Plate heat exchangers and / or plate fin heat exchangers.
  • Plate heat exchangers are known in the prior art, which have at least one heat exchanger block, which is also referred to below as a module, each module having a multiplicity of passages arranged in stacks, through which heat-exchanging media can alternately flow and which are separated from one another by separating plates.
  • the modules can be cuboidal and can be delimited on the outer sides by cover plates.
  • the modules are often arranged next to one another, so that a rectangular side of a cuboid module is immediately adjacent to a corresponding rectangular side of another cuboid module.
  • the modules have means for supplying and removing the heat-exchanging media and means (headers) for distributing and collecting the heat-exchanging media.
  • headers for distributing and collecting the heat-exchanging media.
  • Plate heat exchanger is disclosed for example in EP 2645038 A1.
  • Brazed aluminum plate heat exchangers are used in numerous systems at various pressures and temperatures. They are used, for example, in the separation of air, the liquefaction of natural gas and / or in plants for the production of ethylene.
  • FIG. 1 Such a plate heat exchanger is described, for example, in "The Standards of the brazed aluminum plate-fin heat exchanger manufactures association" ALPEMA report (2000). A picture taken from this is shown in FIG. 1 as prior art and described below.
  • the plate heat exchanger 1 shown in FIG. 1 serves for the heat exchange of five different process streams A, B, C, D and E.
  • the heat exchanger 1 is cuboid and equipped with means 6 for supplying and removing the individual process media. These means 6 are referred to below and in the context of this application as nozzles.
  • the heat exchanger also has a plurality of means 7 for distributing and collecting the individual process streams A, B, C, D and E, which are referred to below as headers in the context of this application.
  • the plate heat exchanger 1 essentially comprises a multiplicity of separating plates 14 arranged in a stack parallel to one another, which form heat exchange passages 16 for at least two fluids which enter into indirect heat exchange.
  • Passages 16 generally have a plurality of flow channels, which are formed by fins 16a, also referred to as fins, and the separating plates 14 or
  • the fins 16a are typically designed as folded sheets, the individual flow channels being created by the individual folds.
  • the slats 16a offer the advantage that they improve
  • Enable heat conduction (compared to plate heat exchangers without fins) and also contribute as tensile elements to the mechanical strength of the plate heat exchanger 1.
  • the various media / fluids flow in the passages 16
  • Heat exchangers 10 can additionally carry out heat exchange indirectly via the cover plate 12, which connects two modules.
  • the individual media A, B, C, D and E are guided into the headers 7 via the connecting piece 6 and thus distributed over the respective passages 16 arranged in stacks.
  • the connecting piece 6 In the entrance area of the passages 16 so-called
  • Distribution lamellae 2 are located, for a uniform distribution of the medium within the individual passages 16, in particular on the different
  • Such plate heat exchangers 1 are suitable for the indirect heat exchange of at least two media. By means of a suitable construction, however, as shown in FIG. 1, more than two media can also participate in the heat exchange. This allows a very effective process control and effective heat or
  • the conventional plate heat exchanger 1 shown in FIG. 1 has only one heat exchanger block or module 1a (cf. FIG. 6), although other plate heat exchangers are also known which have a plurality of modules which are adjacent to one another and are fastened to one another, as disclosed, for example, in EP2645038A1.
  • Such plate heat exchangers 1 are brazed from aluminum, for example.
  • the individual passages 16 with the fins 16a, possibly distributor fins 2, cover plates 12 and sidebars or edge strips 8 are stacked on top of one another, provided with solder and brazed in an oven. Header 7 and nozzle 6 are then welded onto the block formed in this way.
  • plate heat exchangers In comparison to many other types of heat exchangers, plate heat exchangers have the advantage that they are particularly efficient and / or can be designed to be particularly compact and weight-saving, so that they have little space
  • Heat transfer performance can be achieved. In particular point
  • Plate heat exchangers and very particularly finned plate heat exchangers have a particularly advantageous ratio of surface area to volume, as a result of which a high heat transfer performance can be achieved with a small footprint.
  • heat exchangers in general and in particular also also
  • phase change elements are known in the prior art for use in coolers for electronic components, as is disclosed, for example, in documents EP 1162659 A2 and WO 2003046982 A1.
  • the use of a phase change element in a heat store is also disclosed in US 20170127557 A1.
  • the invention is based on the object of providing a heat exchanger which does not have the disadvantages inherent in the prior art, but is also able to withstand large temperature gradients and / or strong changes in temperature over time.
  • the invention in a first aspect, relates to a heat exchanger comprising at least one temperature compensation element.
  • At least one The temperature compensation element has a casing which forms a cavity and a phase change element, the phase change element being arranged in the cavity and being in thermal contact with the casing.
  • the invention relates to a method for producing a heat exchanger.
  • the method comprises producing a casing of the temperature compensation element in such a way that the casing of the
  • Temperature compensation element encloses a cavity, and arranging a phase change element in the cavity such that the phase change element is in thermal contact with the casing.
  • the temperature compensation element can preferably be a component of the
  • the casing preferably completely encloses the cavity.
  • the cavity in which the phase change element is arranged can be formed in a conventional component of the heat exchanger in order to provide this conventional component with a temperature compensation element or with the phase change element.
  • one or more passages which are each formed by two separating plates and / or a separating plate and a cover plate, can be designed as so-called dummy passages or inactive passages, which are not flowed through by a heat-exchanging fluid, but in which the phase change element is at least partially arranged is.
  • Temperature compensation elements in the heat exchanger a very high level of heat can be absorbed or stored and / or a very high level of stored heat can be released. In particular, that is
  • Phase change element is preferably designed to deliver and / or absorb a greater amount of thermal energy during a phase change than the amount of thermal energy that the phase change element can store due to its specific heat capacity without a phase change.
  • a particularly rapid change in temperature of a component of the heat exchanger which has the temperature compensation element and / or is in thermal contact with it can be slowed down and / or reduced, and thus thermal expansions and the resulting mechanical ones Stresses in the component can be reduced or almost completely avoided.
  • the invention also offers the advantage that large temperature gradients can be at least partially weakened by providing one or more components over which the temperature gradient extends with at least one temperature compensation element. A weakening of the temperature gradient can thus also reduce or almost completely avoid thermal expansions and the mechanical stresses resulting therefrom in the heat exchanger and thus one
  • Fluid-connected fluids so-called “double banking" passages, in which case the heat transfer takes place only from one or from the same fluid to the phase change element, without heat transfer to another fluid;
  • phase change element preferably at least partially formed by one or more components of the heat exchanger itself.
  • a heat exchanger is disclosed in EP 3 330 655 A1, which fundamentally differs in construction and flow from the plate heat exchangers considered in this application. There it is proposed to insert a phase change material into one of the spacing gaps of the
  • the temperature compensation element serves to keep metal temperatures of the components of the plate heat exchanger in a defined temperature range, even if the heat-exchanging fluid flows have large temperature fluctuations (outside this defined temperature range) exhibit. High metal temperatures and the associated high voltages in the heat exchanger should be prevented.
  • phase change elements allows the respective temperatures to be kept longer, so the temperature compensation can be slowed down. This is advantageous in the case of a restart, since the gradient between the fluid and metal temperatures at said points can then be kept lower, which has a positive influence on the energy balance and, in turn, high material stresses at these points are avoided.
  • the invention offers the advantage that the service life of heat exchangers can be extended and / or wear of the heat exchanger can be reduced.
  • the invention also offers the advantage that the maintenance work and / or maintenance costs and / or operating costs can be reduced, since preferably an exchange of components and / or a reworking of
  • the cavity in which the phase change element is arranged is preferably formed by a passage of the heat exchanger.
  • the casing can preferably be formed at least partially by at least one separating plate and / or at least one lamella.
  • a passage of the heat exchanger is formed by two opposing partition plates (also referred to as partition plates) and / or by a partition plate and a cover plate (also referred to as cover plate), in which the phase change element is then at least partially arranged.
  • a passage through which heat-exchanging fluid conventionally flows can be converted into a dummy passage and, at least in part, with the Phase change element are filled.
  • the heat exchanger is thus preferably designed such that the passage in which the phase change element is arranged is not flowed through by a heat-exchanging fluid, but rather as
  • Temperature compensation element is used. This offers the advantage that no complex structural modifications to the heat exchanger are required in order to arrange the phase change element or temperature compensation element at the desired position in the heat exchanger. This also has the advantage that good thermal contact between the dummy passage and the
  • Phase change element and the adjacent passages is made possible.
  • Phase change elements strong temperature gradients over the stack height can be avoided and / or reduced.
  • At least one separating plate and / or at least one cover plate, each with at least one integrated one can also be used
  • Phase change element are provided. In other words, you can
  • At least one cover plate and / or at least one separating plate itself can be designed as a temperature compensation element. This can offer the advantage that the production of a block can be simplified, since only one is used to provide a phase change element
  • Temperature compensation element trained cover plate and / or partition plate may be sufficient.
  • the heat exchanger optionally has a plurality of heat exchanger blocks (modules) which are arranged parallel to one another and a module connection layer which is arranged between two adjacent modules of the plurality of modules.
  • the at least one module connection layer preferably includes or is embodied as the at least one temperature compensation element. This is particularly advantageous because in a heat exchanger with several modules
  • Module connection layer often experiences a very strong thermal stress and thus the provision of at least one temperature compensation element in one or more module connection layers offers a particularly advantageous effect with regard to the reduction of thermal stresses.
  • the thermal stresses with a module connection layer can result, in particular, from the fact that the two modules of fluids with greatly different adjoining the module connection layer Temperatures can be flowed through and can therefore prevail greatly different temperatures on opposite sides of the module connection layer. In other words, this can conventionally lead to a strong temperature gradient dropping across the module connection layer and the
  • Module connection layer is therefore susceptible to deformation and / or hairline cracks due to high mechanical stresses.
  • This conventionally occurring strong temperature gradient can be at least partially reduced by the formation of the temperature compensation element and / or the phase change element within the module connection system, since the temperature compensation element or the phase change element can absorb and / or release a large amount of heat and thus lead to thermal relaxation within the
  • Module connection position can lead.
  • the plate heat exchanger and in particular the module connection layer can also be exposed to a strong change in temperature over time, for example when the heat exchanger is put into operation and the two are connected to the
  • Module connection position adjacent modules are brought into contact with the fluids at different times with heat exchangers and / or are brought into contact with fluids at very different temperatures. This can also be done at least partially with a temperature compensation element and / or a
  • Compensate phase change element within the module connection layer so that the thermal stresses within the module connection layer can be at least partially reduced.
  • the phase change element is completely of the
  • Module connection layer enclosed and / or fully integrated into the module connection layer. This offers the advantage that the phase change element is securely encased in the module connection position and preferably an intrusion of
  • the module connection layer can be made particularly compact and / or particularly robust and preferably does not have to be produced as a multi-layer component by applying several layers to one another.
  • the module connection layer and / or the passage in which the phase change element is arranged are particularly preferably planar and that
  • Phase change element in at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75%, most preferably at least 90% of the area of the
  • the phase change element extends over at least 25%, preferably at least 50%, more preferably at least 75%, most preferably at least 90% of the area of a cover plate or partition plate of the
  • Module connection layer can be improved in terms of their thermal resistance by the phase change element or the temperature compensation element and thus preferably the occurrence of strong thermal gradients and / or rapid temperature changes can be reduced or even avoided over the entire module connection layer.
  • the phase change of the phase change element preferably comprises a change from the solid phase to the liquid phase and / or vice versa.
  • the phase change of the phase change element can preferably comprise a change from a crystalline solid phase to an amorphous solid phase and / or vice versa.
  • a large amount of thermal energy can be stored in the phase change element and / or a large amount of thermal energy stored in the phase change element, which is inherent in the phase change element, can be emitted with a small space requirement
  • Heat of fusion and / or heat of solution and / or heat of absorption can be used, which is often significantly larger than the regular specific
  • the phase change element is preferably in the solid phase as granules and / or as powder and / or in crystalline form and / or in polycrystalline form.
  • the phase change element is preferably in fluid form in the liquid phase.
  • the phase change element contains at least one salt and / or at least one paraffin.
  • phase change materials can be advantageous for the phase change element, the phase change temperature of which is significantly below 0 ° C.
  • eutectic mixtures based on water and salts and / or based on organic substances may be suitable for this purpose.
  • the manufacture of a plate heat exchanger can be according to a preferred one
  • Embodiment take place in such a way that a plurality of partition plates and fins are connected to a preferably cuboid block or module which then has the passages formed by the partition plates and the fins.
  • one or more phase change elements can then be introduced into one or more passages of the block or module, in order to provide the one or more passages with a phase change element or to form a temperature compensation element.
  • phase change element which are arranged between passages in which a particularly large temperature difference with respect to the fluids flowing through the passages is to be expected.
  • arranging the phase change element which are arranged between passages in which a particularly large temperature difference with respect to the fluids flowing through the passages is to be expected.
  • Phase change element in the passage does not necessarily take place after soldering. According to other preferred embodiments, that
  • Phase change element can also be arranged in the heat exchanger block before soldering, provided that the phase change element is not damaged by the soldering process.
  • the block with the passages is first produced, but is not necessarily already soldered, and only then is the phase change element arranged in the desired passage.
  • Plate heat exchangers which are made up of several interconnected blocks or modules.
  • the blocks or modules are preferably connected to one another at their opposite cover plates or partition plates via edge strips, which are preferably welded to the cover plates.
  • Edge strips are preferably flush with the cover plates or partition plates, so that the edge strips form a kind of surrounding frame on the cover plate or partition plate of the respective block or module. If the respective block or module is subjected to high thermal loads, cracks may occur at the welds between the cover plates and the edge strips. If several modules or blocks are connected to one another on their cover plates, large mechanical stresses and / or strains can also occur between the adjacent blocks, which can damage the weld seams. Because of this, the use of a
  • Temperature compensation elements and / or a phase change element may be advantageous in order to reduce the thermal load on adjacent blocks and in particular their weld seams.
  • the blocks can be connected to one another in such a way that a cavity or space is created between the adjacent cover plates of the adjacent blocks, in which a phase change element or temperature compensation element can then be arranged.
  • a module connection layer can accordingly be formed between the adjacent blocks or modules, which as
  • Temperature compensation element is used or has one. As a result, the thermal and thermal mechanical stress on the weld seams that connects the adjacent blocks or modules can be reduced.
  • the space provided with a phase change element between the adjacent cover plates of two adjacent blocks or modules creates a module connection layer which is designed to reduce or avoid and / or reduce temperature peaks and consequently thermal mechanical loads.
  • the adjacent blocks and / or modules can first be welded to one another in such a way that a cavity or space is created between the respective cover plates and then a phase change element can be arranged in the cavity or space.
  • temperature compensation elements can be present in the respective block or module. In general, two or more spatially separated temperature compensation elements or the associated ones
  • Phase change elements can also be connected to one another.
  • Temperature compensation element and / or the casing at least partially produced by means of an additive manufacturing process.
  • the phase change element can preferably also be arranged in the cavity formed by the jacket during the manufacture of the jacket without the jacket having already been completed and / or without the cavity having already been completely closed by the jacket.
  • the production of the casing and the arrangement of the phase change element in the cavity enclosed by the casing take place at least at the same time.
  • a module connection layer and / or a passage which has a temperature compensation element and / or is designed as such, can also be produced by means of an additive manufacturing method.
  • the temperature compensation element can be manufactured such that the
  • Phase change element is introduced into an already finished casing.
  • the casing can have a corresponding opening, which can be closed after the phase change element has been introduced.
  • the method for producing a heat exchanger preferably comprises determining in advance a spatial distribution of an expected thermal one
  • the jacket subsequently being produced in such a way that the cavity and the phase change element on at least a section of the heat exchanger and / or the
  • Temperature compensation elements are arranged, on which the expected thermal stress exceeds a predetermined level. In other words, preferably before the manufacture of the heat exchanger and / or the
  • Temperature compensation elements determine where particularly large thermal stresses are to be expected in the heat exchanger and / or where the attachment of a
  • Temperature compensation elements could be particularly useful.
  • the at least one temperature compensation element is then particularly preferably provided and or produced and / or arranged wherever particularly large ones
  • a temperature compensation element for example also in pipelines, in particular in the walls of pipelines, and / or in chemical reactors can be advantageous in order to place and / or on components which are particularly thermally sensitive Stand load to reduce a reduction in the thermal load and / or mechanical stresses due to the thermal load.
  • This can be particularly advantageous particularly at points and / or on components which are exposed to particularly low and / or particularly high temperatures and / or usually themselves reach particularly low and / or particularly high temperatures.
  • Figure 1 shows a plate heat exchanger according to the prior art.
  • FIGS 2 and 3 show a heat exchanger according to a preferred
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration
  • FIG. 5 schematically shows an example of a temperature profile of components in a diagram.
  • Figure 6 shows a schematic representation of a plate heat exchanger 10 according to another preferred embodiment.
  • FIG. 1 was already explained in the introduction to the description when evaluating the prior art.
  • Figure 2 shows a schematic cross-sectional view
  • Plate heat exchanger 10 according to a preferred embodiment of the invention.
  • the structural structure of the plate heat exchanger 10 can be the
  • the plate heat exchanger 10 has two
  • Cover plates 12 which cover the plate heat exchanger 10 or the block, and a plurality of partition plates 14, which divide the block or plate heat exchanger 10 into a plurality of passages 16.
  • Embodiment of the plate heat exchanger 10 has only one block or only one module, a plate heat exchanger according to other preferred
  • Embodiments have several blocks or modules, which are preferably connected to one another at their opposite cover plates 12. Between the partition plates 14 there are the passages 16, through which fluids can flow for heat exchange, the fluids in adjacent passages 16 being able to have different temperatures in order to exchange heat via the partition plates 14 and the fins 16a preferably arranged in the passages 16 (see Figure 1) perform.
  • the separating plates 14 and / or the passages 16 or fins 16a are preferably made of a material with good thermal conductivity.
  • the partition plates 14 and / or passages 16 can be made of a metal.
  • the separating plates 14 and / or the passages 16 are particularly preferably made of aluminum.
  • the plate heat exchanger 10 also has a phase change element 18, which is designed to be subjected to a phase change and to absorb or emit a large amount of heat.
  • the phase change element 18 is arranged in a cavity 20 which is delimited, inter alia, by two adjacent separating plates 14, which thus form part of a casing of the
  • phase change element 18 does not necessarily have to fill the entire cavity 20, as will be explained below with reference to FIG. 3, but according to some in the figures this cannot be
  • one of the cavities 20, which could serve as an active passage 16 is designed to form a temperature compensation element 22, as a result of which the thermal stresses in the heat exchanger 10 that often occur when fluids of significantly different temperatures flow through the heat exchanger 10 can be reduced.
  • the cavity 20 can also be closed on all sides, for example by edge strips, in order to prevent the phase change material 18 from escaping from the cavity and / or the penetration of fluids or contaminants into the
  • Phase change material 18 is in thermal contact with the partition plates 14 delimiting the cavity, at least in some places, since this enables a particularly effective heat transfer from the fluids flowing in the adjacent active layers to the phase change material 18 via the partition plates 14.
  • This embodiment offers the advantage that the temperature compensation element 22 can be integrated into the heat exchanger in a particularly simple manner, since a conventional passage 16 can be designed for this. However, the previously active passage 16 then becomes a passage or dummy passage which is inactive for the heat exchange between the fluids and through which fluids can no longer flow.
  • the cover plates 12 and / or the sidebars 8 and / or the headers 7 and / or can be used as an alternative or in addition to the embodiment described above the separating plates 14 are designed with a temperature compensation element 22 or phase change element 18 integrated therein or mounted thereon.
  • this may increase the manufacturing outlay, but this can offer the advantage that no active passage 16 has to be abandoned in favor of a temperature compensation element, but is retained for the operation of the heat exchanger 10. It can also be advantageous to arrange a temperature compensation element 22 or phase change element 18 between two passages of the same fluid flow, ie a fluid in fluid communication, so-called "double banking" passages, in which case the heat transfer from the same fluid to the phase change element takes place without heat transfer to another fluid.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of the heat exchanger 10 along the section line A-A drawn in FIG. 2. It can be seen here that the cavity 20 is only partially provided or filled with the phase change element 18, while another part 24 of the cavity 20 is not provided with the phase change element 18.
  • the phase change element 18 is particularly preferably arranged only and / or primarily where particularly large temperature differences are to be expected. For example, since the heat exchanger 10 according to the embodiment shown is designed so that the active passages 16 adjoining the temperature compensation element 22 are flowed through from one side, starting with fluids which can have significantly different temperatures, the expected temperature difference and / or temperature gradient initially, ie on one side of the heat exchanger 10, the largest before this is at
  • the cavity 20 is delimited by side walls 26, which can be, in particular, soldered or welded sidebars, and the partition plates 14 in order to prevent the Phase change element 18 and / or to prevent foreign bodies and / or heat-exchanging fluid from entering the cavity 20.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional illustration
  • Temperature compensation element 22 according to another preferred embodiment
  • Embodiment which can be installed, for example, in a heat exchanger 10 and / or arranged thereon and / or integrated therein.
  • the temperature compensation element 22 has a casing 28, which is preferably formed from a material with high thermal conductivity.
  • shroud 28 may be formed from a metal, such as aluminum.
  • the casing 28 forms and encloses a cavity 20.
  • a phase change material 18 is embedded in the cavity 20, so that the
  • Sheath 28 completely encloses the cavity 20. Although not recognizable in the cross-sectional view in FIG. 3, the cavity 20 can be closed on all sides by the casing 28, so that the
  • Cavity 20 is prevented.
  • the manufacture of the product of the product of the product of the product is prevented.
  • Temperature compensation elements 22 first of all produce the casing, so that the cavity is at least partially formed, then the phase change material 18 is filled into the cavity 20 and then the cavity 20 or the casing 28 are closed.
  • the entire temperature compensation element 22 can be produced at least partially by means of an additive manufacturing method, for example by means of 3D printing. This can offer the possibility of already arranging the phase change material 18 in the at least partially completed cavity 20, even if the production of the casing 28 has not yet been completed. This can be advantageous in order to produce temperature compensation elements 22 with particularly complex structures, in which the
  • the temperature compensation element 22 can be dimensioned and / or configured such that the temperature compensation element 22 as a separating plate 14 and / or as a cover plate 12 with an integrated one Phase change element 18 can be used in a plate heat exchanger 10.
  • FIG. 5 shows in a diagram 100 schematically an exemplary course of the temperature (axis 104) versus time (axis 102) of a component with a
  • Temperature compensation element 22 (graph 1 10) compared to the temperature profile of a component without temperature compensation element 22 (diagram 1 12), if they are exposed to a strong external temperature change. It can be seen here that the temperature of the component with temperature compensation element 22 changes significantly more slowly and continuously than is the case with the component without temperature compensation element. As a result, thermal and mechanical loads on the component can be reduced by introducing and / or attaching a phase change element 18.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a plate heat exchanger 10 according to another preferred embodiment.
  • the plate heat exchanger 10 has two cuboid modules 1 a and 1 b, which are connected to one another.
  • the two modules 1 a and 1 b can be designed as modules as explained with reference to FIG. 1.
  • the two modules 1 a and 1 b are cuboid and are each closed off from the outside by cover plates 12. Both modules 1 a and 1 b are arranged in such a way that they face each other and are immediately adjacent with cover plates 12 of the same size. The two modules 1 a and 1 b are further arranged such that the cover plates 12 are spaced apart. Between the two modules 1 a and 1 b is a temperature compensation element 22 as is
  • modules 1 a and 1 b can each be equipped with temperature compensation element 22, i.e. be welded to its casing 28 (FIG. 4).
  • Modules 1 a and 1 b are preferably of the type with
  • Temperature compensation element 22 connected that one in the
  • Temperature compensation element 22 arranged phase change element is in thermal contact with the adjacent cover plates 12 of the respective modules 1 a and 1 b.
  • the casing 28 can form a cavity 20 between the two cover plates, which is partially or completely connected to the
  • Phase change element 18 can be filled.
  • the temperature compensation element 22 shown schematically in FIG. 4 can accordingly be preferred according to this
  • Embodiment serve as a module connection layer 30.
  • three or more modules can also be connected to one another via a plurality of temperature compensation elements 22.
  • the module connection can also be formed by edge strips, that is to say sidebars as shown in FIG. 1, edge strips each being connected to the cover plates 12 of the modules 1a and 1b, in particular by welding.
  • edge strips each being connected to the cover plates 12 of the modules 1a and 1b, in particular by welding.
  • the space between the modules 1a and 1b enclosed by the cover plates 12 of the modules 1a and 1b and the edge strips can then be filled with a phase change element 18.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (10) umfassend zumindest ein Temperaturausgleichselement (22). Das zumindest eine Temperaturausgleichselement (22) weist eine Ummantelung (28) auf, welche einen Hohlraum (20) bildet, sowie ein Phasenwechselelement (18), wobei das Phasenwechselelement (18) in dem Hohlraum (20) angeordnet ist und mit der Ummantelung (28) in thermischem Kontakt steht. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10).

Description

Beschreibung
Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und liegt somit auf dem Gebiet der Wärmetauscher bzw.
Wärmeübertrager, insbesondere von Geradrohrwärmetauschern und/oder
Plattenwärmetauscher und/oder Lamellen-Plattenwärmetauschern (engl.: plate fin heat exchanger).
Im Stand der Technik sind Plattenwärmetauscher bekannt, welche zumindest einen Wärmetauscherblock aufweisen, der im Folgenden auch als Modul bezeichnet wird, wobei jedes Modul eine Vielzahl stapelförmig angeordneter Passagen aufweist, welche alternierend von wärmetauschenden Medien durchströmt werden können und durch Trennplatten voneinander getrennt sind. Die Module können insgesamt quaderförmig ausgebildet sein und an den Außenseiten durch Deckplatten begrenzt werden. Dabei sind die Module häufig nebeneinander angeordnet, sodass eine rechteckige Seite eines quaderförmigen Moduls einer entsprechenden rechteckigen Seite eines anderen quaderförmigen Moduls unmittelbar benachbart ist. Die Module weisen Mittel zur Zu- und Abführung der wärmetauschenden Medien sowie Mittel (Header) zum Verteilen und Sammeln der wärmetauschenden Medien auf. Ein derartiger
Plattenwärmetauscher ist beispielsweise in der Druckschrift EP 2645038 A1 offenbart.
Hartgelötete Plattenwärmetauscher aus Aluminium werden in zahlreichen Anlagen bei verschiedensten Drücken und Temperaturen eingesetzt. Sie finden beispielsweise Anwendung bei der Zerlegung von Luft, der Verflüssigung von Erdgas und/oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen.
Ein derartiger Plattenwärmetauscher wird beispielsweise in "The Standards of the brazed aluminium plate-fin heat exchanger manufactures association" ALPEMA report (2000) beschrieben. Eine daraus entnommene Abbildung wird in der Figur 1 als Stand der Technik dargestellt und im Folgenden beschrieben.
Der in Figur 1 dargestellte Plattenwärmetauscher 1 gemäß dem Stand der Technik dient dem Wärmeaustausch von fünf verschiedenen Prozessströmen A, B, C, D und E. Der Wärmetauscher 1 ist quaderförmig und mit Mitteln 6 zur Zu- und Abführung der einzelnen Prozessmedien ausgestattet. Diese Mittel 6 werden im Folgenden und im Rahmen dieser Anmeldung als Stutzen bezeichnet. Der Wärmetauscher weist ebenfalls mehrere Mittel 7 zum Verteilen und Sammeln der einzelnen Prozessströme A, B, C, D und E auf, welche im Folgenden und im Rahmen dieser Anmeldung als Header bezeichnet werden.
Im Wesentlichen umfasst der Plattenwärmetauscher 1 eine Vielzahl in einem Stapel parallel zueinander angeordneter Trennplatten 14, die Wärmeaustauschpassagen 16 für zumindest zwei in indirekten Wärmeaustausch tretenden Fluide bilden. Die
Passagen 16 weisen im Allgemeinen mehrere Strömungskanäle auf, die durch Lamellen 16a, auch als Fins bezeichnet, und die Trennplatten 14 gebildet bzw.
begrenzt werden. Die Lamellen 16a sind typischerweise als gefaltete Bleche ausgebildet, wobei durch die einzelnen Faltungen die einzelnen Strömungskanäle entstehen. Die Lamellen 16a bieten den Vorteil, dass diese eine verbesserte
Wärmeleitung ermöglichen (im Vergleich zu Plattenwärmetauschern ohne Lamellen) und zudem als Zugelemente zur mechanischen Festigkeit des Plattenwärmetauschers 1 beitragen. In den Passagen 16 strömen die verschiedenen Medien/Fluide
voneinander getrennt durch die Trennplatten 14. Bei mehreren Modulen 1 von
Wärmetauschern 10 kann zusätzlich ein Wärmeaustausch indirekt über die Deckplatte 12, die zwei Module verbindet, erfolgen.
Über die Stutzen 6 werden die einzelnen Medien A, B, C, D und E in die Header 7 geführt und so auf die jeweils vorgesehenen, stapelförmig angeordneten Passagen 16 verteilt. Im Eingangsbereich der Passagen 16 können sich sogenannte
Verteilerlamellen 2 befinden, die für eine gleichmäßige Verteilung des Mediums innerhalb der einzelnen Passagen 16, insbesondere auf die verschiedenen
Strömungskanäle, sorgen. Die Medien strömen somit quer zur Wellenrichtung der Lamellen 16a durch die Passagen 16. Die Lamellen 16a sind mit den Trennplatten 14 verbunden, wodurch ein intensiver Wärmeleitkontakt hergestellt wird. Dadurch kann ein Wärmeaustausch zwischen zwei verschiedenen Medien erfolgen, die in benachbarten Passagen 16 strömen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage 16 können sich ebenfalls Verteilerlamellen 2 befinden, die die Medien aus den Passagen 16 in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über den Stutzen 6 abgezogen werden. Die einzelnen Passagen 16 sind durch sogenannte Sidebars 8 nach außen abgeschlossen. Der gesamte Wärmetauscherblock wird durch Deckplatten 12 nach außen begrenzt.
Derartige Plattenwärmetauscher 1 sind zum indirekten Wärmeaustausch von mindestens zwei Medien geeignet. Durch geeignete Konstruktion können jedoch, wie in Figur 1 dargestellt, auch mehr als zwei Medien am Wärmeaustausch teilnehmen. Dies erlaubt eine sehr effektive Prozessführung und effektive Wärme- bzw.
Kälteausnutzung.
Der in Figur 1 gezeigte herkömmliche Plattenwärmetauscher 1 weist lediglich einen Wärmetauscherblock bzw. ein Modul 1a auf (vgl. Figur 6), wenngleich auch andere Plattenwärmetauscher bekannt sind, die mehrere aneinander angrenzende und miteinander befestigte Module aufweisen, wie etwa in der Druckschrift EP2645038A1 offenbart.
Derartige Plattenwärmetauscher 1 werden beispielsweise aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen 16 mit den Lamellen 16a, ggf. Verteilerlamellen 2, Deckplatten 12 und Sidebars bzw. Randleisten 8 werden aufeinander gestapelt, mit Lot versehen und in einem Ofen hartgelötet. Auf den in dieser Weise entstanden Block werden dann Header 7 und Stutzen 6 aufgeschweißt.
Plattenwärmetauscher bieten im Vergleich zu vielen andersartigen Wärmetauschern den Vorteil, dass diese besonders effizient sind und/oder besonders kompakt und gewichtsparend ausgebildet werden können, sodass mit geringen räumlichen
Abmessungen und/oder geringem Gewicht dennoch eine hohe
Wärmeübertragungsleistung erzielt werden kann. Insbesondere weisen
Plattenwärmetauscher und ganz besonders Lamellen-Plattenwärmetauscher ein besonders vorteilhaftes Verhältnis aus Oberfläche zu Volumen auf, wodurch eine hohe Wärmeübertragungsleistung bei geringem Platzbedarf erzielt werden kann.
Jedoch weisen Wärmetauscher im Allgemeinen und insbesondere auch die
Plattenwärmetauscher den Nachteil auf, dass an manchen Bauteilen des
Wärmetauschers große Temperaturgradienten bzw. Temperaturdifferenzen entstehen können und/oder in nur kurzer Zeitdauer sehr starke Temperaturänderungen auftreten können. Dies kann zu sehr großen Materialbeanspruchungen in den jeweiligen Wärmetauschern und/oder in einzelnen Bauteilen des entsprechenden Wärmetauschers führen und in unerwünschten Materialermüdungen resultieren. Die Materialermüdungen können dabei insbesondere Verformungen und/oder Haarrisse zur Folge haben und eine Reparatur oder gar den Austausch des Wärmetauschers erforderlich machen.
Um unerwünschte thermische Spannungen in einem Plattenwärmetauscher zumindest teilweise zu vermeiden, werden herkömmlicherweise zum Teil externe Bedingungen angepasst, um beispielsweise die von einem raschen Temperaturwechsel
hervorgerufenen Effekte zumindest teilweise zu kompensieren und/oder zu verringern. Beispielsweise können dazu Zu- und/oder Abflüsse von Fluiden in den Wärmetauscher angepasst werden. Dies birgt jedoch den Nachteil, dass häufig eine sehr aufwändige Regelungstechnik zur Anpassung dieser Bedingungen erforderlich ist und/oder dass der Wärmetauscher anderweitige aufwändige Ausgestaltungen und/oder Komponenten erfordert, welche die Komplexität des Wärmetauschers vergrößern und/oder die Anschaffungskosten und/oder die Betriebskosten des Wärmetauschers erhöhen.
Die Verwendung von Phasenwechselelementen ist im Stand der Technik für den Einsatz in Kühlern für elektronische Bauteile bekannt, wie dies beispielsweise in den Druckschriften EP 1162659 A2 und WO 2003046982 A1 offenbart ist. Auch ist die Verwendung eines Phasenwechselelements in einem Wärmespeicher ist in der Druckschrift US 20170127557 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmetauscher bereitzustellen, welcher die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile nicht aufweist, sondern auch große Temperaturgradienten und/oder starke zeitliche Temperaturänderungen auszuhalten vermag.
Die Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher und ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher umfassend zumindest ein Temperaturausgleichselement. Das zumindest eine Temperaturausgleichselement weist eine Ummantelung auf, welche einen Hohlraum bildet, und ein Phasenwechselelement, wobei das Phasenwechselelement in dem Hohlraum angeordnet ist und mit der Ummantelung in thermischem Kontakt steht.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers. Das Verfahren umfasst ein Herstellen einer Ummantelung des Temperaturausgleichselement derart, dass die Ummantelung des
Temperaturausgleichselements einen Hohlraum umschließt, sowie ein Anordnen eines Phasenwechselelements in dem Hohlraum derart, dass das Phasenwechselelement mit der Ummantelung in thermischem Kontakt steht.
Das Temperaturausgleichselement kann dabei vorzugsweise ein Bauteil des
Wärmetauschers darstellen und/oder in ein Bauteil des Wärmetauschers integriert sein. Vorzugsweise umschließt dabei die Ummantelung den Hohlraum vollständig. Alternativ oder zusätzlich kann der Hohlraum, in welchem das Phasenwechselelement angeordnet ist, in einem herkömmlichen Bauteil des Wärmetauschers ausgebildet sein, um dieses herkömmliche Bauteil mit einem Temperaturausgleichselement bzw. mit dem Phasenwechselelement zu versehen. Beispielsweise können eine oder mehrere Passagen, welche jeweils von zwei Trennplatten und/oder einer Trennplatte und einer Deckplatte gebildet werden als sogenannte Dummy-Passagen oder inaktive Passagen ausgebildet sein, die nicht von einem wärmetauschendem Fluid durchströmt werden, sondern in welchen das Phasenwechselelement zumindest teilweise angeordnet ist.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass durch das Bereitstellen eines
Temperaturausgleichselements in dem Wärmetauscher ein sehr hohes Maß an Wärme aufgenommen bzw. gespeichert werden kann und/oder ein sehr hohes Maß an gespeicherter Wärme abgegeben werden kann. Insbesondere ist das
Phasenwechselelement vorzugsweise dazu ausgelegt, bei einer Phasenumwandlung ein größeres Maß an Wärmeenergie abzugeben und/oder aufzunehmen, als das Maß an Wärmeenergie, die das Phasenwechselelement aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität ohne eine Phasenumwandlung speichern kann. Dadurch kann insbesondere eine besonders schnelle Temperaturänderung eines Bauteils des Wärmetauschers, welches das Temperaturausgleichselement aufweist und/oder mit diesem in thermischen Kontakt steht, verlangsamt und/oder reduziert werden und somit können thermische Dehnungen und daraus resultierende mechanische Spannungen in dem Bauteil reduziert oder nahezu ganz vermieden werden. Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass große Temperaturgradienten zumindest teilweise abgeschwächt werden können, indem eines oder mehrere Bauteile, über welche sich der Temperaturgradient erstreckt, mit zumindest einem Temperaturausgleichselement versehen werden. Eine Abschwächung des Temperaturgradienten kann somit auch thermische Dehnungen und daraus resultierende mechanische Spannungen in dem Wärmetauscher reduzieren oder nahezu ganz vermeiden und somit eine
Materialermüdung verlangsamen oder verhindern.
Das Temperaturausgleichselement kann mit Vorteil an einer oder mehreren der folgenden Stellen eines Plattenwärmetauschers angeordnet sein:
- zwischen zwei Passagen des gleichen Fluidstroms, also eines in
Fluidverbindung stehenden Fluids, sog. "Double-Banking"-Pasagen, wobei dann der Wärmeübergang nur von einem bzw. vom jeweils gleichen Fluid auf das Phasenwechselelement erfolgt, ohne Wärmeübergang auf ein anderes Fluid;
- außen am Wärmetauscher und/oder an der Deckplatte und/oder an zumindest einem Sidebar und/oder an einem Header, jeweils außen oder innen, wobei der Hohlraum des Temperaturausgleichselements, also die das
Phasenwechselelement umgebenden Flächen, vorzugsweise zumindest teilweise von einer oder mehreren Komponenten des Wärmetauschers selbst gebildet wird.
In der Druckschrift EP 3 330 655 A1 ist ein Wärmeübertrager offenbart, der sich hinsichtlich Bauweise und Durchströmung grundsätzlich von den in dieser Anmeldung betrachteten Plattenwärmetauschern unterscheidet. Dort ist vorgeschlagen, ein Phasenwechselmaterial in eine der Abstandslücken ("spacing gaps") des
Wärmeübertragers einzubringen, so dass der Wärmeübergang von einem Heizmedium auf ein zweites Fluid immer über das Phasenwechselmaterial erfolgt. Auf diese Weise kann auch bei Ausfall des Heizstroms durch die im Phasenwechselelement gespeicherte Wärme der zweite Fluidstrom ausreichend erwärmt werden.
Bei vorliegender Erfindung dient das Temperaturausgleichselement hingegen dazu, Metalltemperaturen der Komponenten des Plattenwärmetauschers in einem definierten Temperaturbereich zu halten, auch wenn die wärmeaustauschenden Fluidströme große Temperaturschwankungen (außerhalb dieses definierten Temperaturbereichs) aufweisen. Hohe Metalltemperaturen und damit einhergehende hohe Spannungen im Wärmetauscher sollen verhindert werden.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, Phasenwechselelemente an Stellen bzw. in
Bereichen des Wärmetauschers anzuordnen, die sich im Normalbetrieb auf einer hohen oder niedrigen Prozesstemperatur befinden, bspw. an den Ein- und
Austrittsstellen der Fluidströme. Im Falle eines Ausfalls der Fluidversorgung ("shut- down") würden sich normalerweise die unterschiedlichen Temperaturen zwischen diesen Bereichen bzw. zwischen den Ein- und Austrittsstellen mit der zeit aufgrund der Wärmeleitfähigkeit des Wärmetauschermaterials ausgleichen. Durch gezielte
Anordnung der Phasenwechselelemente können die jeweiligen Temperaturen länger gehalten werden, es kann also der Temperaturausgleich verlangsamt werden. Dies ist im Falle eines Wiederanfahrens von Vorteil, da dann der Gradient zwischen Fluid- und Metalltemperatur an besagten Stellen geringer gehalten werden kann, womit die Energiebilanz positiv beeinflusst wird und auch wiederum hohe Materialspannungen an diesen Stellen vermieden werden.
Folglich bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Lebensdauer von Wärmetauschern verlängert werden kann und/oder ein Verschleiß des Wärmetauschers reduziert werden kann. Auch bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Wartungsarbeiten und/oder Wartungskosten und/oder Betriebskosten reduziert werden können, da vorzugsweise ein Austausch von Bauteilen und/oder ein Nachbessern von
Schweißnähten, welche herkömmlicherweise thermisch sehr stark beansprucht werden, nicht mehr oder nur noch in geringerem Umfang erforderlich sind.
Vorzugsweise wird der Hohlraum, in welchem das Phasenwechselelement angeordnet ist, durch eine Passage des Wärmetauschers gebildet. Dabei kann vorzugsweise die Ummantelung zumindest teilweise durch zumindest eine Trennplatte und/oder zumindest eine Lamelle gebildet werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Passage des Wärmetauschers durch zwei gegenüberliegende Trennplatten (auch als Trennbleche bezeichnet) und/oder durch ein Trennplatte und eine Deckplatte (auch als Deckblech bezeichnet) gebildet, in welcher sodann zumindest teilweise das Phasenwechselelement angeordnet ist. Mit anderen Worten kann eine Passage, welche herkömmlicherweise von wärmetauschendem Fluid durchströmt wird, als eine Dummy-Passage umfunktioniert werden und dazu zumindest teilweise mit dem Phasenwechselelement befüllt werden. Somit ist der Wärmetauscher vorzugsweise dazu ausgelegt, dass die Passage, in der das Phasenwechselelement angeordnet ist, nicht von einem wärmetauschendem Fluid durchströmt wird, sondern als
Temperaturausgleichselement dient. Dies bietet den Vorteil, dass keine aufwendigen strukturellen Modifikationen an dem Wärmetauscher erforderlich sein müssen, um das Phasenwechselelement bzw. Temperaturausgleichselement an der gewünschten Position in dem Wärmetauscher anzuordnen. Ferner bietet dies den Vorteil, dass ein guter thermischer Kontakt zwischen der Dummy-Passage bzw. dem
Phasenwechselelement und den angrenzenden Passagen ermöglicht wird.
Beispielsweise können durch ein wiederholtes Vorsehen von Passagen mit
Phasenwechselelementen starke Temperaturgradienten über die Stapelhöhe vermieden und/oder reduziert werden.
Alternativ oder zusätzlich können vorzugsweise auch zumindest eine Trennplatte und/oder zumindest eine Deckplatte mit jeweils zumindest einem integrierten
Phasenwechselelement bereitgestellt werden. Mit anderen Worten können
vorzugsweise zumindest eine Deckplatte und/oder zumindest eine Trennplatte selbst als ein Temperaturausgleichselement ausgebildet sein. Dies kann den Vorteil bieten, dass die Herstellung eines Blocks vereinfacht werden kann, da zum Bereitstellen eines Phasenwechselelements lediglich die Verwendung einer als
Temperaturausgleichselement ausgebildeten Deckplatte und/oder Trennplatte ausreichend sein kann.
Optional weist der Wärmetauscher mehrere Wärmetauscherblöcke (Module) auf, welche parallel zueinander angeordnet sind, sowie eine Modulverbindungslage, welche zwischen zwei benachbarten Modulen der mehreren Module angeordnet ist. Dabei umfasst vorzugsweise die zumindest eine Modulverbindungslage das zumindest eine Temperaturausgleichselement oder ist als solches ausgebildet. Dies ist besonders vorteilhaft, da in einem Wärmetauscher mit mehreren Modulen die
Modulverbindungslage häufig eine sehr starke thermische Beanspruchung erfährt und somit das Bereitstellen zumindest eines Temperaturausgleichselements in einer oder mehreren Modulverbindungslagen einen besonders vorteilhaften Effekt hinsichtlich der Reduktion von thermischen Spannungen bietet. Die thermischen Spannungen mit einer Modulverbindungslage können insbesondere daher rühren, dass die beiden an die Modulverbindungslage angrenzenden Module von Fluiden mit stark unterschiedlichen Temperaturen durchströmt werden können und somit an gegenüberliegenden Seiten der Modulverbindungslage stark unterschiedliche Temperaturen vorherrschen können. Mit anderen Worten kann dies herkömmlicherweise dazu führen, dass ein starker Temperaturgradient über die Modulverbindungslage abfällt und die
Modulverbindungslage dadurch anfällig für Verformungen und/oder Haarrisse aufgrund großer mechanischer Spannungen ist. Dieser herkömmlicherweise auftretende starke Temperaturgradient kann durch das Ausbilden des Temperaturausgleichselements und/oder des Phasenwechselelements innerhalb der Modulverbindungsanlage zumindest teilweise reduziert werden, da das Temperaturausgleichselement bzw. das Phasenwechselelement ein großes Maß an Wärme aufnehmen und/oder abgeben kann und somit zu einer thermischen Entspannung innerhalb der
Modulverbindungslage führen kann.
Auch kann der Plattenwärmetauscher und insbesondere die Modulverbindungslage einer starken zeitlichen Temperaturänderung ausgesetzt sein, wenn beispielsweise der Wärmetauscher in Betrieb genommen wird und die beiden an die
Modulverbindungslage angrenzenden Module zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit Wärmetauschern den Fluiden in Kontakt gebracht werden und/oder mit stark unterschiedlich temperierten Fluiden in Kontakt gebracht werden. Auch dies lässt sich zumindest teilweise mit einem Temperaturausgleichselement und/oder einem
Phasenwechselelement innerhalb der Modulverbindungslage kompensieren, sodass die thermischen Spannungen innerhalb der Modulverbindungslage zumindest teilweise reduziert werden können.
Vorzugsweise ist das Phasenwechselelement vollständig von der
Modulverbindungslage umschlossen und/oder vollständig in die Modulverbindungslage integriert. Dies bietet den Vorteil, dass das Phasenwechselelement sicher in die Modulverbindungslage eingehaust ist und vorzugsweise ein Eindringen von
wärmetauschendem Fluid in den Hohlraum des Temperaturausgleichselement und/oder ein Austreten des Phasenwechselelements aus dem Hohlraum vermieden werden kann. Ferner bietet dies den Vorteil, dass die Modulverbindungslage besonders kompakt und/oder besonders robust ausgestaltet werden kann und vorzugsweise nicht als mehrschichtiges Bauteil unter Aufbringung mehrerer Schichten aufeinander hergestellt werden muss. Besonders bevorzugt sind die Modulverbindungslage und/oder die Passage, in der das Phasenwechselelement angeordnet ist, flächig ausgebildet und das
Phasenwechselelement in zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, mehr bevorzugt zumindest 75%, am meisten bevorzugt zumindest 90% der Fläche der
Modulverbindungslage bzw. der Passage ausgebildet. In einer bevorzugten
Ausführungsform erstreckt sich das Phasenwechselelement über zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, mehr bevorzugt zumindest 75%, am meisten bevorzugt zumindest 90% der Fläche einer Deckplatte oder Trennplatte des
Plattenwärmetauschers. Dies bietet den Vorteil, dass ein großer Teil der
Modulverbindungslage, besonders bevorzugt jedoch die gesamte
Modulverbindungslage, hinsichtlich ihrer thermischen Widerstandsfähigkeit durch das Phasenwechselelement bzw. das Temperaturausgleichselement verbessert werden kann und somit vorzugsweise über die gesamte Modulverbindungslage das Auftreten von starken thermischen Gradienten und/oder schnellen Temperaturänderungen reduziert oder gar ganz vermieden werden kann.
Die Phasenumwandlung des Phasenwechselelements umfasst vorzugsweise eine Umwandlung von der festen Phase in die flüssige Phase und/oder umgekehrt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Phasenumwandlung des Phasenwechselelements vorzugsweise eine Umwandlung von einer kristallinen festen Phase in eine amorphe feste Phase und/oder umgekehrt umfassen. Auf diese Weise lässt sich bei geringem Platzbedarf ein großes Maß an Wärmeenergie in dem Phasenwechselelement speichern und/oder ein großes Maß an in dem Phasenwechselelement gespeicherter Wärmeenergie abgeben, die dem Phasenwechselelement innewohnende
Schmelzwärme und/oder Lösungswärme und/oder Absorptionswärme ausgenutzt werden kann, welche oftmals deutlich größer als die reguläre spezifische
Wärmekapazität des gleichen oder vergleichbarer Materialien ohne Ausnutzung der Schmelzwärme und/oder der Lösungswärme und/oder der Absorptionswärme ist. Auf diese Weise kann die Wirksamkeit und/oder der Effekt des Phasenwechselelements und/oder des Temperaturausgleichselement erhöht werden.
Vorzugsweise liegt das Phasenwechselelement in der festen Phase als Granulat und/oder als Pulver und/oder in kristalliner Form und/oder in polykristalliner Form vor. Bevorzugt liegt das Phasenwechselelement in der flüssigen Phase in fluidischer Form vor. Beispielsweise beinhaltet das Phasenwechselelement zumindest ein Salz und/oder zumindest ein Paraffin. Insbesondere für Aluminium-Plattenwärmetauscher können Phasenwechselmaterialien für das Phasenwechselelement vorteilhaft sein, deren Phasenwechseltemperatur deutlich unter 0° C liegt. Dazu können beispielsweise eutektische Gemische auf Basis von Wasser und Salzen und/oder auf Basis von organischen Stoffen geeignet sein.
Die Herstellung eines Plattenwärmetauschers kann gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform derart erfolgen, dass mehrere Trennplatten und Lamellen zu einem vorzugsweise quaderförmigen Block bzw. Modul verbunden werden, welcher sodann die durch die Trennplatten und die Lamellen gebildeten Passagen aufweist. Nachdem der Block gelötet wurde, kann sodann in eine oder mehrere Passagen des Blocks bzw. Moduls ein oder mehrere Phasenwechselelemente eingebracht werden, um dadurch die eine oder die mehreren Passagen mit einem Phasenwechselelement zu versehen bzw. zu einem Temperaturausgleichselement auszugestalten. Besonders bevorzugt werden solche Passagen mit einem Temperaturausgleichselement bzw.
Phasenwechselelement versehen, welche zwischen Passagen angeordnet sind, bei denen ein besonders großer Temperaturunterschied bezüglich der durch die Passagen strömenden Fluide zu erwarten ist. Jedoch muss das Anordnen des
Phasenwechselelements in der Passage nicht notwendigerweise nach dem Löten erfolgen. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen kann das
Phasenwechselelement auch vor dem Löten in dem Wärmetauscherblock angeordnet werden, sofern das Phasenwechselelement durch den Lötvorgang keinen Schaden nimmt. Somit wird gemäß diesen bevorzugten Ausführungsformen zunächst der Block mit den Passagen gefertigt, jedoch nicht notwendigerweise bereits verlötet, und erst danach das Phasenwechselelement in der gewünschten Passage angeordnet.
Eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft
Plattenwärmetauscher, welche aus mehreren miteinander verbundenen Blöcken bzw. Modulen aufgebaut sind. Vorzugsweise werden die Blöcke bzw. Module, an ihren gegenüberliegenden Deckplatten oder Trennplatten über Randleisten miteinander verbunden, die vorzugsweise mit den Deckplatten verschweißt werden. Die
Randleisten schließen dabei mit den Deckplatten oder Trennplatten vorzugsweise bündig ab, sodass die Randleisten eine Art umlaufenden Rahmen auf der Deckplatte oder Trennplatte des jeweiligen Blocks bzw. Moduls bilden. Bei hohen thermischen Belastungen des jeweiligen Blocks bzw. Moduls können an den Schweißnähten zwischen den Deckplatten und den Randleisten Risse entstehen. Sofern mehrere Module bzw. Blöcke an deren Deckplatten miteinander verbunden sind, können insbesondere auch zwischen den angrenzenden Blöcken große mechanische Spannungen und/oder Dehnungen auftreten, welche die Schweißnähte beschädigen können. Aus diesem Grund kann die Verwendung eines
Temperaturausgleichselements und/oder eines Phasenwechselelements vorteilhaft sein, um die thermische Belastung von angrenzenden Blöcken und insbesondere deren Schweißnähte zu reduzieren. Beispielsweise können die Blöcke dazu derart miteinander verbunden werden, dass ein Hohlraum bzw. Zwischenraum zwischen den aneinander angrenzenden Deckplatten der angrenzenden Blöcke geschaffen wird, in welchem sodann ein Phasenwechselelement bzw. Temperaturausgleichselement angeordnet werden kann. Zwischen den angrenzenden Blöcken bzw. Modulen kann demnach eine Modulverbindungslage ausgebildet sein, welche als
Temperaturausgleichselement dient oder ein solches aufweist. Dadurch kann die thermische und thermisch bedingte mechanische Belastung auf die Schweißnähte, welche die angrenzenden Blöcke bzw. Module miteinander verbindet, reduziert werden. Mit anderen Worten entsteht durch den mit einem Phasenwechselelement versehenen Zwischenraum zwischen den aneinander angrenzenden Deckplatten zweier angrenzender Blöcke bzw. Module eine Modulverbindungslage, welche dazu ausgelegt ist, Temperaturspitzen und folglich thermisch bedingte mechanische Belastungen abzubauen bzw. zu vermeiden und/oder zu reduzieren. Beispielsweise können zum Ausbilden einer derartigen Modulverbindungslage zunächst die angrenzenden Blöcke und/oder Module derart miteinander verschweißt werden, dass ein Hohlraum bzw. Zwischenraum zwischen den jeweiligen Deckplatten entsteht und sodann ein Phasenwechselelement in dem Hohlraum bzw. Zwischenraum angeordnet werden kann. Alternativ oder zusätzlich können Temperaturausgleichselemente im jeweiligen Block bzw. Modul vorhanden sein. Allgemein können zwei oder mehr räumlich getrennte Temperaturausgleichselemente bzw. die zugehörigen
Phasenwechselelemente auch miteinander verbunden sein.
Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen werden das
Temperaturausgleichselement und/oder die Ummantelung zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt. Dies bietet den Vorteil, dass insbesondere die Ummantelung und/oder der Hohlraum, welcher von der Ummantelung umschlossen wird, einstückig ausgebildet werden können und dadurch das Herstellungsverfahren des Temperaturausgleichselements vereinfacht werden kann. Insbesondere kann mittels des additiven Herstellungsverfahrens vorzugsweise auch das Phasenwechselelement bereits während der Herstellung der Ummantelung in dem durch die Ummantelung gebildeten Hohlraum angeordnet werden, ohne dass die Ummantelung bereits fertiggestellt ist und/oder ohne dass der Hohlraum bereits vollständig von der Ummantelung verschlossen ist. Mit anderen Worten finden das Herstellen der Ummantelung und das Anordnen des Phasenwechselelements in dem von der Ummantelung umschlossenen Hohlraum zumindest zeitweise zeitgleich statt. Besonders bevorzugt kann auch eine Modulverbindungslage und/oder eine Passage, welche ein Temperaturausgleichselement aufweist und/oder als solche ausgebildet ist, mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt werden. Alternativ kann das Temperaturausgleichselement derart hergestellt werden, dass das
Phasenwechselelement in eine bereits fertig gestellte Ummantelung eingebracht wird. Beispielsweise kann dazu die Ummantelung eine entsprechende Öffnung aufweisen, welche nach dem Einbringen des Phasenwechselelements verschlossen werden kann.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers vorab ein Ermitteln von einer räumlichen Verteilung einer zu erwartenden thermischen
Beanspruchung des Wärmetauschers, wobei das Herstellen der Ummantelung anschließend derart erfolgt, dass der Hohlraum und das Phasenwechselelement an zumindest einem Abschnitt des Wärmetauschers und/oder des
Temperaturausgleichselements angeordnet sind, an welchem die zu erwartende thermische Beanspruchung ein vorbestimmtes Maß übersteigt. Mit anderen Worten wird vorzugsweise vor der Herstellung des Wärmetauschers und/oder des
Temperaturausgleichselements ermittelt, wo besonders große thermische Spannungen im Wärmetauscher zu erwarten sind und/oder wo die Anbringung eines
Temperaturausgleichselements besonders nutzbringend sein könnte. Besonders bevorzugt wird sodann das zumindest eine Temperaturausgleichselement dort vorgesehen und oder hergestellt und/oder angeordnet, wo besonders große
Temperaturunterschiede zu erwarten sind. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente und/oder kostengünstige Aufwertung oder Nachrüstung, also Revamp, des Wärmetauschers mittels zumindest eines Temperaturausgleichselements erzielt werden, da diese vorzugsweise nur dort eingesetzt und/oder angebracht, wo dieses den größtmöglichen Effekt zur Reduktion von thermischen Spannungen und/oder Temperaturgradienten und/oder schnellen Temperaturänderungen bewirkt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Wenngleich nicht zu Erfindung gehörend sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass die Verwendung eines Temperaturausgleichselements beispielsweise auch in Rohrleitungen, insbesondere in Wandungen von Rohrleitungen, und/oder in chemischen Reaktoren vorteilhaft sein kann, um an Stellen und/oder an Bauteilen, welche unter besonderer thermischer Belastung stehen, eine Verringerung der thermischen Belastung und/oder von mechanischen Spannungen aufgrund der thermischen Belastung zu reduzieren. Dies kann insbesondere an Stellen und/oder an Bauteilen besonders vorteilhaft sein, welche besonders niedrigen und/oder besonders hohen Temperaturen ausgesetzt sind und/oder üblicherweise selbst besonders tiefe und/oder besonders hohe Temperaturen erreichen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt einen Plattenwärmetauscher nach dem Stand der Technik.
Die Figuren 2 und 3 zeigen einen Wärmetauscher gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform in schematischen Querschnittsansichten.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung ein
Temperaturausgleichselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Figur 5 zeigt in einem Diagramm schematisch einen beispielhaften Verlauf der Temperatur von Bauteilen.
Figur 6 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Plattenwärmetauscher 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Figur 1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung bei der Würdigung des Standes der Technik erläutert.
Figur 2 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung einen
Plattenwärmetauscher 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Der strukturelle Aufbau des Plattenwärmetauschers 10 kann dabei dem
herkömmlichen Plattenwärmetauscher 1 entsprechen, welcher mit Bezug auf Figur 1 in der Einleitung erläutert wurde. Verteilerlamellen 2 sind jedoch nicht bei allen
Ausführungsvarianten vorhanden. Der Plattenwärmetauscher 10 weist zwei
Deckplatten 12 auf, welche den Plattenwärmetauscher 10 bzw. den Block abdecken, und mehrere Trennplatten 14, welche den Block bzw. Plattenwärmetauscher 10 in mehrere Passagen 16 unterteilen. Wenngleich gemäß dieser bevorzugten
Ausführungsform der Plattenwärmetauscher 10 nur einen Block bzw. nur ein Modul aufweist, kann ein Plattenwärmetauscher gemäß anderen bevorzugten
Ausführungsformen mehrere Blöcke bzw. Module aufweisen, welche vorzugsweise an ihren gegenüberliegenden Deckplatten 12 miteinander verbunden sind. Zwischen den Trennplatten 14 befinden sich die Passagen 16, welche zum Wärmeaustausch von Fluiden durchströmt werden können, wobei die Fluide in benachbarten Passagen 16 unterschiedliche Temperaturen aufweisen können, um einen Wärmeaustausch über die Trennplatten 14 und die in den Passagen 16 vorzugsweise angeordneten Lamellen 16a (siehe Figur 1 ) durchzuführen.
Die Trennplatten 14 und/oder die Passagen 16 bzw. Lamellen 16a sind dabei vorzugsweise aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgebildet.
Beispielsweise können die Trennplatten 14 und/oder Passagen 16 aus einem Metall gefertigt sein. Besonders bevorzugt sind die Trennplatten 14 und/oder die Passagen 16 aus Aluminium gefertigt. Gemäß der gezeigten Ausführungsform weist der Plattenwärmetauscher 10 auch ein Phasenwechselelement 18 auf, welches dazu ausgelegt ist, einer Phasenumwandlung unterzogen zu werden und dabei eine große Wärmemenge aufzunehmen oder abzugeben.
Das Phasenwechselelement 18 ist gemäß der gezeigten Ausführungsform in einem Hohlraum 20 angeordnet, welcher unter anderem durch zwei benachbarte Trennplatten 14 begrenzt wird, welche somit Teil einer Ummantelung des
Temperaturausgleichselements 22 sind. Das Phasenwechselelement 18 muss nicht notwendigerweise den gesamten Hohlraum 20 ausfüllen, wie nachfolgend zu Fig. 3 noch erläutert wird, dies kann gemäß manchen in den Figuren jedoch nicht
dargestellten Ausführungsformen der Fall sein. Gemäß dieser bevorzugten
Ausführungsform ist somit einer der Hohlräume 20, welcher als aktive Passage 16 dienen könnte, zu einem Temperaturausgleichselement 22 ausgestaltet, wodurch die beim Durchströmen des Wärmetauschers 10 mit Fluiden von deutlich unterschiedlicher Temperatur oftmals auftretenden thermischen Spannungen im Wärmetauscher 10 abgeschwächt werden können.
Der Hohlraum 20 kann ferner an allen Seiten beispielsweise durch Randleisten verschlossen sein, um ein Entweichen des Phasenwechselmaterials 18 aus dem Hohlraum und/oder ein Eindringen von Fluiden oder Verunreinigungen in den
Hohlraum 20 zu vermeiden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das
Phasenwechselmaterial 18 zumindest an manchen Stellen mit den den Hohlraum begrenzenden Trennplatten 14 in thermischem Kontakt steht, da dadurch ein besonders effektiver Wärmeübertrag von den in den benachbarten aktiven Schichten strömenden Fluiden über die Trennplatten 14 zu dem Phasenwechselmaterial 18 erfolgen kann.
Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass das Temperaturausgleichselement 22 auf besonders einfache Weise in den Wärmetauscher integriert werden kann, da eine herkömmliche Passage 16 dazu ausgestaltet werden kann. Aus der vormals aktiven Passage 16 wird dann jedoch eine für den Wärmetausch zwischen den Fluiden inaktive Passage oder Dummypassage, die dann nicht mehr von Fluiden durchströmt werden kann. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen, die jedoch nicht in den Figuren dargestellt sind, jedoch in analoger Weise realisiert werden können, können alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, die Deckplatten 12 und/oder die Sidebars 8 und/oder die Header 7 und/oder die Trennplatten 14 mit einem darin integrierten oder darauf angebrachten Temperaturausgleichselement 22 bzw. Phasenwechselelement 18 ausgestaltet werden. Dies mag zwar unter Umständen den Herstellungsaufwand erhöhen, jedoch kann dies den Vorteil bieten, dass keine aktive Passage 16 zu Gunsten eines Temperaturausgleichselements aufgegeben werden muss, sondern für den Betrieb des Wärmetauschers 10 erhalten bleibt. Ebenso kann es vorteilhaft sein, ein Temperaturausgleichselement 22 bzw. Phasenwechselelement 18 zwischen zwei Passagen des gleichen Fluidstroms, also eines in Fluidverbindung stehenden Fluids, sog. "Double-Banking"-Pasagen, anzuordnen, wobei dann der Wärmeübergang vom jeweils gleichen Fluid auf das Phasenwechselelement erfolgt, ohne Wärmeübergang auf ein anderes Fluid.
Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Wärmetauschers 10 entlang der in Fig. 2 eingezeichneten Schnittlinie A-A . Dabei ist erkennbar, dass der Hohlraum 20 nur teilweise mit dem Phasenwechselelement 18 versehen bzw. befüllt ist, während ein anderer Teil 24 des Hohlraums 20 nicht mit dem Phasenwechselelement 18 versehen ist. Besonders bevorzugt ist das Phasenwechselelement 18 nur und/oder primär dort angeordnet, wo besonders große Temperaturunterschiede zu erwarten sind. Da beispielsweise der Wärmetauscher 10 gemäß der gezeigten Ausführungsform dazu ausgelegt ist, dass die an das Temperaturausgleichselement 22 angrenzenden aktiven Passagen 16 von der einer Seite beginnend mit Fluiden durchströmt werden, welche voneinander deutlich verschiedene Temperaturen aufweisen können, ist der zu erwartende Temperaturunterschied und/oder Temperaturgradient eingangs, d.h. an einer Seite des Wärmetauschers 10, am größten, bevor sich dieser beim
Durchströmen des Wärmetauschers 10 aufgrund des Wärmeaustauschs abbaut.
Daher kann es, beispielsweise aus Kostengründen, zweckmäßig sein, den Hohlraum 20 nur teilweise mit dem Phasenwechselelement 18 zu versehen.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform ist der Hohlraum 20 durch Seitenwände 26, bei denen es sich um insbesondere aufgelötete oder aufgeschweißte Sidebars handeln kann, und die Trennplatten 14 begrenzt, um ein Austreten des Phasenwechselelements 18 und/oder ein Eindringen von Fremdköpern und/oder von wärmetauschendem Fluid in den Hohlraum 20 zu vermeiden.
Figur 4 zeigt in einer schematischen Querschnittdarstellung ein
Temperaturausgleichselement 22 gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform, welches beispielsweise in einen Wärmetauscher 10 eingebaut und/oder daran angeordnet und/oder darin integriert werden kann.
Das Temperaturausgleichselement 22 weist eine Ummantelung 28 auf, welche vorzugsweise aus einem Material mit großer Wärmeleitfähigkeit ausgebildet ist.
Beispielsweise kann die Ummantelung 28 aus einem Metall, wie etwa aus Aluminium ausgebildet sein. Die Ummantelung 28 bildet und umschließt einen Hohlraum 20. In den Hohlraum 20 ist ein Phasenwechselmaterial 18 eingebettet, sodass die
Ummantelung 28 den Hohlraum 20 vollständig umschließt. Wenngleich in der Querschnittansicht in Figur 3 nicht erkennbar, kann der Hohlraum 20 durch die Ummantelung 28 an allen Seiten verschlossen sein, sodass das
Phasenwechselmaterial 18 durch die Ummantelung 28 am Austreten aus dem
Hohlraum 20 gehindert wird. Beispielsweise kann bei der Herstellung des
Temperaturausgleichselements 22 zunächst die Ummantelung hergestellt werden, sodass der Hohlraum zumindest teilweise entsteht, dann das Phasenwechselmaterial 18 in den Hohlraum 20 gefüllt werden und anschließend der Hohlraum 20 bzw. die Ummantelung 28 verschlossen werden.
Alternativ kann das gesamte Temperaturausgleichselement 22 zumindest teilweise mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden, beispielsweise mittels 3D-Druckens. Dies kann die Möglichkeit bieten, das Phasenwechselmaterial 18 bereits in dem zumindest teilweise fertiggestellten Hohlraum 20 anzuordnen, auch wenn die Herstellung der Ummantelung 28 noch nicht abgeschlossen ist. Dies kann vorteilhaft sein, um Temperaturausgleichselemente 22 mit besonders komplexen Strukturen herzustellen, bei welchen ein nachträgliches Einbringen des
Phasenwechselmaterials 18 nicht oder nur schwer möglich wäre. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kann das Temperaturausgleichselement 22 derart dimensioniert und/oder ausgebildet sein, dass das Temperaturausgleichselement 22 als eine Trennplatte 14 und/oder als eine Deckplatte 12 mit integriertem Phasenwechselelement 18 in einem Plattenwärmetauscher 10 verwendet werden kann.
Figur 5 zeigt in einem Diagramm 100 schematisch einen beispielhaften Verlauf der Temperatur (Achse 104) gegen die Zeit (Achse 102) eines Bauteils mit einem
Temperaturausgleichselement 22 (Graph 1 10) im Vergleich zum Temperaturverlauf eines Bauteils ohne Temperaturausgleichselement 22 (Diagramm 1 12), wenn diese einem starken von außen einwirkenden Temperaturwechsel ausgesetzt sind. Dabei ist erkennbar, dass sich die Temperatur des Bauteils mit Temperaturausgleichselement 22 deutlich langsamer und kontinuierlicher ändert, als dies bei dem Bauteil ohne Temperaturausgleichselement der Fall ist. Dadurch können thermische und mechanische Belastungen auf das Bauteil durch das Einbringen und/oder Anbringen eines Phasenwechselelements 18 reduziert werden.
Figur 6 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Plattenwärmetauscher 10 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform weist der Plattenwärmetauscher 10 zwei quaderförmiger Module 1 a und 1 b auf, welche miteinander verbunden sind. Die beiden Module 1 a und 1 b können dabei als Module ausgebildet sein wie mit Bezug auf Figur 1 erläutert.
Die beiden Module 1 a und 1 b sind quaderförmig ausgebildet und jeweils durch Deckplatten 12 nach außen abgeschlossen. Beide Module 1 a und 1 b sind derart angeordnet, dass diese mit gleich großen Deckplatten 12 einander zugewandt und unmittelbar benachbart sind. Die beiden Module 1 a und 1 b sind ferner derart angeordnet, dass die Deckplatten 12 voneinander beabstandet sind. Zwischen den beiden Modulen 1 a und 1 b ist ein T emperaturausgleichselement 22 wie es
schematisch in Fig. 4 gezeigt ist, angeordnet. Diese dient somit als
Modulverbindungslage 30, über welches die beiden Module 1 a und 1 b somit miteinander verbunden sind. Beispielsweise können die Module 1 a und 1 b jeweils mit dem Temperaturausgleichselement 22, d.h. mit dessen Ummantelung 28 (Fig. 4) verschweißt sein. Vorzugsweise sind die Module 1 a und 1 b derart mit dem
Temperaturausgleichselement 22 verbunden, dass ein in dem
Temperaturausgleichselement 22 angeordnetes Phasenwechselelement mit den angrenzenden Deckplatten 12 der jeweiligen Module 1 a und 1 b in thermischem Kontakt steht. Insbesondere kann durch die Ummantelung 28 ein Hohlraum 20 zwischen den beiden Deckplatten gebildet werden, welcher teilweise oder vollständig mit dem
Phasenwechselelement 18 befüllt sein kann. Das in Fig. 4 schematisch gezeigte Temperaturausgleichselement 22 kann demnach gemäß dieser bevorzugten
Ausführungsform als eine Modulverbindungslage 30 dienen.
Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen können auch drei oder mehr Module über mehrere Temperaturausgleichselemente 22 miteinander verbunden sein.
Gemäß einer weiteren, nicht in den Figuren näher dargestellten, bevorzugten
Ausführungsform kann die Modulverbindung auch durch Randleisten, also Sidebars wie in Fig. 1 dargestellt, gebildet sein, wobei Randleisten jeweils mit den Deckplatten 12 der Module 1a und 1 b insbesondere durch Schweißen verbunden sind. Der von den Deckplatten 12 der Module 1a und 1 b und den Randleisten umschlossene Raum zwischen den Modulen 1a und 1 b kann dann mit einem Phasenwechselelement 18 befüllt sein.
Bezugszeichen
1 Wärmetauscher
1a Modul eines Wärmetauschers
2 Verteilerlamelle
6 Mitteln zur Zu- und/oder Abführung der einzelnen Prozessmedien
7 Mittel zum Verteilen und/oder Sammeln der einzelnen Prozessströme
8 Sidebar bzw. Randleiste
10 Wärmetauscher
12 Deckplatte
14 Trennplatte
16 Passage
16a Lamelle, Fin
18 Phasenwechselelement
20 Hohlraum
22 Temperaturausgleichselement
24 nicht mit Phasenwechselelement versehener Teil des Hohlraums 26 Seitenwand
28 Ummantelung
30 Modulverbindungslage
100 Diagramm
102 Zeit-Achse
104 Temperatur- Achse
110 Graph eines Bauteils mit Temperaturausgleichselement
112 Graph eines Bauteils ohne Temperaturausgleichselement

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscher (10) umfassend zumindest ein Temperaturausgleichselement (22), das zumindest eine Temperaturausgleichselement (22) aufweisend:
eine Ummantelung (28), welche einen Hohlraum (20) bildet; und
ein Phasenwechselelement (18), wobei das Phasenwechselelement (18) in dem Hohlraum (20) angeordnet ist und mit der Ummantelung (28) in thermischem Kontakt steht.
2. Wärmetauscher (10) gemäß Anspruch 1 , wobei das Phasenwechselelement (18) dazu ausgelegt ist, bei einer Phasenumwandlung ein größeres Maß an
Wärmeenergie abzugeben oder aufzunehmen, als das Maß an Wärmeenergie, die das Phasenwechselelement (18) aufgrund seiner spezifischen Wärmekapazität ohne eine Phasenumwandlung speichern kann.
3. Wärmetauscher (10) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Hohlraum (20), in
welchem das Phasenwechselelement (18) angeordnet ist, durch eine Passage (16) des Wärmetauschers (10) gebildet wird und/oder wobei die Ummantelung (28) zumindest teilweise durch zumindest eine T rennplatte (14) und/oder zumindest eine Lamelle (16a) gebildet wird.
4. Wärmetauscher (10) gemäß Anspruch 3, wobei der Wärmetauscher (10) dazu ausgelegt ist, dass die Passage (16), in der das Phasenwechselelement (18) angeordnet ist, nicht von einem wärmetauschendem Fluid durch strömt wird.
5. Wärmetauscher (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Temperaturausgleichselement (22) an einer oder mehreren der folgenden Stellen angeordnet ist:
- zwischen zwei Passagen (16) des gleichen Fluidstroms, so dass der
Wärmeübergang vom jeweils gleichen Fluid auf das Phasenwechselelement (18) erfolgt;
- außen am Wärmetauscher (10) und/oder an einer Deckplatte (12) und/oder an einem Header (7) und/oder an zumindest einem Sidebar (8) eines
Plattenwärmetauschers (10).
6. Wärmetauscher (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmetauscher (10) mehrere Module (1 a, 1 b) aufweist, welche parallel zueinander angeordnet sind, und zumindest eine Modulverbindungslage (30) aufweist, welche zwischen zwei benachbarten Modulen (1 a, 1 b) der mehreren Module (1 a, 1 b) angeordnet ist, wobei die zumindest eine Modulverbindungslage (30) zumindest ein Temperaturausgleichselement (22) umfasst oder als solches ausgebildet ist und/oder zumindest eines der Module (1 a, 1 b) zumindest ein Temperaturausgleichselement (22) aufweist.
7. Wärmetauscher (10) gemäß Anspruch 6, wobei das Phasenwechselelement (18) vollständig von der Modulverbindungslage (30) umschlossen ist oder vollständig in die Modulverbindungslage (30) integriert ist.
8. Wärmetauscher (10) gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei die Modulverbindungslage (30) flächig ausgebildet ist und das Phasenwechselelement (22) in zumindest 25%, bevorzugt zumindest 50%, mehr bevorzugt zumindest 75%, am meisten bevorzugt zumindest 90% der Fläche der Modulverbindungslage (30) ausgebildet ist.
9. Wärmetauscher (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenumwandlung eine Umwandlung von der festen Phase in die flüssige Phase und/oder von der flüssigen Phase in die feste Phase und/oder von einer kristallinen feste Phase in eine amorphe feste Phase und/oder von einer amorphen festen Phase in eine kristalline feste Phase umfasst.
10. Wärmetauscher (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Temperaturausgleichselement (22) zumindest teilweise mittels eines additiven Fertigungsverfahrens hergestellt ist.
11. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers (10), das Verfahren umfassend die Schritte:
Herstellen einer Ummantelung (28) eines Temperaturausgleichselements (22) derart, dass die Ummantelung (28) des Temperaturausgleichselements (22) einen Hohlraum (20) umschließt; Anordnen eines Phasenwechselelements (18) in dem Hohlraum (20) derart, dass das Phasenwechselelement (18) mit der Ummantelung (28) in thermischem Kontakt steht.
12. Verfahren gemäß Anspruch 11 , wobei zumindest das Herstellen der Ummantelung und/oder des Temperaturausgleichselements (22) mittels eines additiven
Fertigungsverfahrens erfolgt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Anordnen des Phasenwechselelements (18) in dem Hohlraum (20) mit dem Herstellen der Ummantelung (28) zumindest teilweise zeitlich überlappt.
14. Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, ferner umfassend vorab ein Ermitteln von einer räumlichen Verteilung einer zu erwartenden thermischen Beanspruchung des Wärmetauschers (10), wobei das Herstellen der Ummantelung (28) anschließend derart erfolgt, dass der Hohlraum (20) und das
Phasenwechselelement (18) an zumindest einem Abschnitt des Wärmetauschers (10) und/oder des Temperaturausgleichselements (10) angeordnet sind, an welchem die zu erwartende thermische Beanspruchung ein vorbestimmtes Maß übersteigt.
EP19740479.1A 2018-07-11 2019-07-11 Wärmetauscher und ein verfahren zur herstellung eines wärmetauschers Withdrawn EP3821190A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018005500 2018-07-11
PCT/EP2019/025225 WO2020011398A1 (de) 2018-07-11 2019-07-11 Wärmetauscher und ein verfahren zur herstellung eines wärmetauschers

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3821190A1 true EP3821190A1 (de) 2021-05-19

Family

ID=67314718

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19740479.1A Withdrawn EP3821190A1 (de) 2018-07-11 2019-07-11 Wärmetauscher und ein verfahren zur herstellung eines wärmetauschers

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP3821190A1 (de)
WO (1) WO2020011398A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114216357B (zh) * 2021-12-14 2023-05-30 青岛理工大学 一种基于蓄能的近零能耗建筑系统板式换热器

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1162659A3 (de) 2000-06-08 2005-02-16 MERCK PATENT GmbH Einsatz von PCM in Kühlern für elektronische Bauteile
DE10157671A1 (de) 2001-11-24 2003-06-05 Merck Patent Gmbh Optimierter Einsatz von PCM in Kühlvorrichtungen
US7980293B2 (en) * 2008-03-21 2011-07-19 Honeywell International Inc. Two fluid thermal storage device to allow for independent heating and cooling
US9242530B2 (en) * 2011-10-28 2016-01-26 Hanon Systems Heat exchanger with phase change material manifolds
DE102012006477A1 (de) 2012-03-29 2013-10-02 Linde Aktiengesellschaft Plattenwärmetauscher mit mehreren Modulen verbunden mit Profilen
FR3021734B1 (fr) * 2014-05-27 2019-03-22 Valeo Systemes Thermiques Echangeur de chaleur comprenant un composant adapte pour stocker et liberer une quantite determinee de chaleur
KR101727810B1 (ko) 2015-07-27 2017-04-18 에스피엑스플로우테크놀로지 주식회사 열교환기용 모듈유닛
US10123456B2 (en) 2015-10-28 2018-11-06 Raytheon Company Phase change material heat sink using additive manufacturing and method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020011398A1 (de) 2020-01-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3206397C2 (de) Wärmetauscher mit perforierten Platten
EP2519798B1 (de) Vorrichtung und anlage zum zwischenspeichern thermischer energie
DE102008052875A1 (de) Plattenwärmetauscher
DE2946804C2 (de)
EP3039367B1 (de) Verfahren zur herstellung eines plattenwärmetauschers mit mehreren durch lotbeschichtete träger verbundenen wärmetauscherblöcken
EP2843348A1 (de) Plattenwärmeaustauscher mit durch Metallschaum verbundenen Wärmetauscherblöcken
DE102008033302A1 (de) Ermüdungsfester Plattenwärmetauscher
EP0703424B1 (de) Wärmetauscher in Plattenbauweise
DE10035939A1 (de) Vorrichtung zur Wärmeübertragung
WO2019006483A1 (de) Akkumulator
EP2678615B1 (de) Flachwärmetauscher
EP2558186A1 (de) Kältetrockner, insbesondere druckluftkältetrockner, sowie wärmetauscher für einen kältetrockner, insbesondere druckluftkältetrockner
EP1725823A1 (de) Vorrichtung zum austausch von wärme und verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung
EP3821190A1 (de) Wärmetauscher und ein verfahren zur herstellung eines wärmetauschers
EP3143352B1 (de) Wärmeübertrager mit kanälen zur dämpfung von flüssigkeitsbewegungen
WO2015067356A1 (de) Verfahren zum indirekten wärmeaustausch zwischen einer salzschmelze und einem wärmeträger in einem solarthermiekraftwerk
DE102009012493A1 (de) Vorrichtung zum Austausch von Wärme und Kraftfahrzeug
AT510983B1 (de) Sammler und verteiler für eine heiz- oder kühlanlage
WO2020011399A1 (de) Temperaturausgleichselement, rohr und verfahren zur herstellung eines rohrs
DE2714147A1 (de) Waermeaustauscher
DE102019207136A1 (de) Kühler für eine Batterie, Verwendung von Kunststoffröhren in einem Kühler und Batterie mit zumindest einem Kühler
EP2795638B1 (de) Kühlradiator mit flüssigkeitskühlung
DE19734690C2 (de) Wärmetauscher, beispielsweise luftgekühlter Ladeluftkühler
DE3637796A1 (de) Kreuzstrom-plattenwaermetauscher
DE102010030155A1 (de) Wärmetauscher und Verfahren zum Herstellen eines Wärmetauschers

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20201204

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: EXAMINATION IS IN PROGRESS

17Q First examination report despatched

Effective date: 20221207

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20230418