EP3833921A1 - Wärmetauscherplatine ineinanderragend spitzwinklig - spitzdachartig - Google Patents

Wärmetauscherplatine ineinanderragend spitzwinklig - spitzdachartig

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EP3833921A1
EP3833921A1 EP19758890.8A EP19758890A EP3833921A1 EP 3833921 A1 EP3833921 A1 EP 3833921A1 EP 19758890 A EP19758890 A EP 19758890A EP 3833921 A1 EP3833921 A1 EP 3833921A1
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EP
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heat exchanger
board
condensate
triangles
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EP19758890.8A
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Eberhard Paul
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Novidee Engineers BV
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • F28F3/042—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element
    • F28F3/046—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element in the form of local deformations of the element the deformations being linear, e.g. corrugations
    • 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
    • F28D9/0031—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 paired plates touching each other
    • F28D9/0037—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 paired plates touching each other the conduits for the other heat-exchange medium also being formed by paired plates touching each other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2215/00—Fins
    • F28F2215/02—Arrangements of fins common to different heat exchange sections, the fins being in contact with different heat exchange media

Definitions

  • Heat exchanger board protruding into one another at an acute angle - like a pointed roof
  • the invention relates to a heat exchanger board according to the preamble of
  • the heat exchange surface can be increased by a small profile width (s). However, this reaches its limits in the deep-drawing process.
  • the basic profile according to the invention is designed in such a way that two (predominantly equilateral) triangles (D1 and D2) (pointing in one direction) are connected to one another by a flat base line (B) (FIG. 1).
  • the triangles (D1, D2) in the lower circuit board are laterally offset relative to the triangles (D3, D4) in the upper circuit board so that they can be inserted into one another (FIGS. 1, 2).
  • the triangles (D1, D2, and D3, D4) of the two boards (1, 2) point towards one another with their tips, the triangle tip (3, 4) of one board standing on the base line (B) of the other board. This fixes and holds both profiles in relation to each other.
  • the advantage over the zigzag profile is the better thermoformability (due to the baseline (B).
  • the thermal advantage over the prior art is the short heat flow paths (a) between the parallel triangular edges (Fig. 3 and 19b).
  • the included angle (a) can be of any size: 0 ° ⁇ a ⁇ 180 °, but should result in an acute angle if possible to avoid too many boards (expensive!).
  • the thermal advantage is that the triangle (2) (with longer heat flow paths) is transformed into a narrow zone with parallel flanks (right and left "house wall") - provided with a "rooftop” (8) (Fig. 4a). At the same time, the heat exchange area is increased compared to the triangle.
  • Heat exchange surface (detail Y, Fig. 5, 6).
  • either the ride width (b) can be increased by the angle ß from 45 ° (detail X) to z. B. 60 ° to 90 ° is enlarged (Fig. 5a, b, c,) or a rectangular seat (13) (detail Z, Fig. 14a) is provided. All forms of ride should advantageously only extend over a short length (I) (viewed in the direction of flow).
  • the parallel flanks of the pointed roof profile can be slightly conical (5b, 6b) for better demolding during deep drawing (Fig. 7).
  • the profile according to the invention can be modified in such a way that the profile elements (y) pointing downward do not protrude into the “condensate tray” (x), but by shortening the profile height by D h (FIG. 8) Profile tip (y) hovers over the "condensate tray” (x).
  • the D h shortening is also carried out with the profile tip (z) pointing “upwards” (FIG. 10).
  • Heat exchanger in the flow direction of the condensing air stream is limited, in which condensation (according to calculation or test) is to be expected.
  • a further increase in the heat exchange surface can be achieved if the shortened tip is converted into a rectangle (7a, 8a) (Fig. 9 to 11).
  • a seat (w) to the adjacent board is required at the required distance C (Fig. 10 and 11).
  • the two profile elements (u1, u2) adjacent to the seat (w) are advantageously shortened (for example by D h) in order not to have to increase the deep-drawing height (because of the seat (w)).
  • the seat (w) can also be limited to a short section of the route.
  • the profile variants with the profile height reduction (D h) are also useful in terms of increasing the distance (h) (distance of the profiled plates), which can reduce the number of plates for a heat exchanger
  • Sinus curve-like (12) profile structure (12, 13) can increase the length of the flow thread and thus the residence time and heat exchange time, which leads to an improvement in the heat exchange performance.
  • the heat exchange surface increases by the zigzag structure (FIG. 12) by approx. 6%, the surface losses in the edge area (R) (FIG. 12b) already being factored in.
  • the V-shaped bulge (14) can also be installed with a zigzag profile profile (Fig. 17).
  • the V-shaped bulges can also have an arcuate shape (15) (U shape) (FIG. 16).
  • FIGS. 18a and b The distribution of the media in the profiles (channel distributors) is shown in FIGS. 18a and b. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Wärmetauscherplatine mit Dreieckprofil, wobei die Dreiecke (D1, D2 sowie D3, D4) einer jeden Platine durch eine Basislinie (B) miteinander verbunden sind und die Dreiecke der beiden benachbarten Platinen (1, 2) mit ihren Spitzen jeweils zueinander zeigen und auf der Basislinie (B) der anderen Platine aufstehen. Bei einer zweiten Profilform sind die Dreiecke durch eine Profilform ersetzt, die einem Haus (6) mit Spitzdach (8) ähnelt. Um den Kondensatabfluss zu verbessern, können in dem Bereich, wo Kondensat anfällt, die Profilelemente (y, z), welche in den Bereich der "Kondensatwanne" (x) hineinragen, um Δ h verkürzt werden. Damit werden die Adhäsionskräfte gemindert, wodurch das Kondensat besser abfließen kann. Die Profile können auch einen (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Verlauf nehmen.

Description

Wärmetauscherplatine ineinanderragend spitzwinklig - spitzdachartig
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatine gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs.
Aus dem Gebrauchsmuster DE29620248 und der Patentschrift DE 19635552 ist ein
Wärmetauscher mit einer Zickzackprofilform bekannt (Fig. 19a).
Bekanntlich kann die Wärmetauschfläche durch eine kleine Profilbreite (s) erhöht werden. Dies stößt allerdings an Grenzen beim Tiefziehprozess.
Dieses Problem kann durch das Ineinanderstecken zweier unterschiedlicher Profile (1 , 2) gelöst werden (Fig. 1). Das erfindungsgemäße Grundprofil ist so gestaltet, dass zwei (vorwiegend gleichseitige) Dreiecke (D1 und D2) (in eine Richtung zeigend) durch eine ebene Basislinie (B) miteinander verbunden sind (Fig. 1).
Die Dreiecke (D1 , D2) in der unteren Platine sind gegenüber den Dreiecken (D3, D4) in der oberen Platine seitlich so versetzt, dass sie ineinandergesteckt werden können (Fig. 1 , 2).
Die Dreiecke (D1 , D2, sowie D3, D4) der beiden Platinen (1 , 2) zeigen mit ihren Spitzen zueinander, wobei jeweils die Dreieck-Spitze (3, 4) einer Platine auf der Basislinie (B) der anderen Platine aufsteht. Dadurch werden beide Profile zueinander fixiert und gehalten. Der Vorteil gegenüber dem Zickzackprofil besteht in der besseren Tiefziehfähigkeit (durch die Basislinie (B).
Der wärmetechnische Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht in den kurzen Wärmestromwegen (a) zwischen den parallel verlaufenden Dreieck-Kanten (Fig. 3 und 19b). Der eingeschlossene Winkel (a) kann dabei beliebig groß sein: 0° <a< 180°, sollte aber möglichst einen spitzen Winkel ergeben, um eine zu hohe Platinenanzahl zu vermeiden (teuer!).
Bei großen Profilhöhen (h) und gleichzeitig kleiner Profilbreite (s) wird bei dem neuartigen Dreieckprofil der Winkel a allerdings recht klein. Dies führt im Bereich des spitzen Winkels zu einem sehr engen Strömungsquerschnitt (F) (Fig. 3). Durch die höhere Gleitreibung an der Wandung bezogen auf den engen Strömungsquerschnitt sinkt in diesem engen
Querschnittsbereich die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Wärmeübertragungszahl; der Druckverlust steigt.
Zur Lösung dieses Problems wird ineiner weiteren neuartigen Profilvariante das Dreieck (1 ,
2) durch eine Spitzdachform (5, 6) ersetzt (Fig.4a, b, 5).
Der wärmetechnische Vorteil ist, dass das Dreieck (2) (mit längeren Wärmestromwegen) in eine schmale Zone mit parallelen Flanken (rechte und linke„Hauswand“) verwandelt wird - mit einem„Dachspitz“ (8) versehen (Fig. 4a). Gleichzeitig wird die Wärmetauschfläche gegenüber dem Dreieck vergrößert.
Im„Dachspitz“ kann an Stelle von 1 x 90° und 2 x 45° eine gleichmäßige Winkelverteilung:
3 x 60° vorteilhaft sein (Strömung im Winkelbereich) - verringert aber etwas die
Wärmetauschfläche (Detail Y, Fig. 5, 6).
Zur Verbesserung des Aufsitzes der aufeinander stehenden Profile kann entweder die Aufsitzbreite (b) vergrößert werden, indem der Winkel ß von 45° (Detail X) auf z. B. 60° bis 90° vergrößert wird (Fig. 5a, b, c,) oder es wird ein rechteckförmiger Aufsitz (13) (Detail Z, Fig. 14a) vorgesehen. Alle Aufsitzformen sollten sich vorteilhafterweise nur über eine kurze Länge (I) erstrecken (in Strömungsrichtung gesehen).
Zur besseren Entformung beim Tiefziehen können die parallelen Flanken des Spitzdach- Profils leicht konisch (5b, 6b) gestaltet werden (Fig. 7).
Durch die Abrundung oder Abflachung der Ecken kann ein besserer Tiefzieh-Erfolg erreicht werden, d. h. Ausdünnen und Löcher im Tiefziehmaterial können weitgehend vermieden werden.
Zur Verbesserung des Wärmerückgewinnungsgrades und des Druckverlustes sowie zur Minderung der Einfriergefahr ist ein gutes Abfließen des Kondensats im Wärmetauscher- Profil vorteilhaft. Zu diesem Zweck kann das erfindungsgemäße Profil derart abgewandelt werden, dass die mit der Spitze nach unten gerichteten Profilelemente (y) nicht bis in die „Kondensatwanne“ (x) hineinragen, sondern durch eine Verkürzung der Profilhöhe um D h (Fig. 8) die Profilspitze (y) über der„Kondensatwanne“ (x) schwebt.
Beim Stand der Technik kann das Kondensat im Bereich des spitzen Winkels a (Fig. 19a) des Zickzackprofils hingegen nur erschwert abfließen (größere Adhäsionskräfte).
Bei Wärmetauschern mit senkrecht angeordnetem Profil ist es sinnvoll, beidseitig (also „unten“ und„oben“) eine„Kondensatwanne“ vorzusehen (Fig. 10 und 11.
Daher wird die D h-Verkürzung auch bei der nach„oben“ zeigenden Profilspitze (z) vorgenommen (Fig. 10).
Die damit verbundene Verringerung der Wärmetauschfläche ist geringer als der Gewinn an effektiver Wärmetauschfläche durch besser abfließendes Kondensat und damit
freiwerdender Wärmetauschfläche. Dies gilt für eine solche Konstruktion, bei der die D h- Verkürzung der Profilspitzen nur auf diesen Streckenabschnitt am Ende des
Wärmetauschers (in Strömungsrichtung des auskondensierenden Luftstromes) begrenzt ist, bei dem Kondensation (It. Berechnung oder Test) zu erwarten ist.
Eine weitere Erhöhung der Wärmetauschfläche kann dadurch erreicht werden, wenn die verkürzte Spitze in ein Rechteck (7a, 8a) gewandelt wird (Fig. 9 bis 11 ). Zur Arretierung der profilierten Platinen ist im erforderlichen Abstand C ein Aufsitz (w) zur benachbarten Platine hin erforderlich (Fig. 10 und 11 ). Die beiden zum Aufsitz (w) benachbarten Profilelemente (u1 , u2) sind vorteilhafterweise verkürzt (z. B. um D h), um nicht (wegen des Aufsitzes (w)) die Tiefziehhöhe vergrößern zu müssen. Der Aufsitz (w) kann auch auf einen kurzen Streckenabschnitt begrenzt sein. Die Profil-Varianten mit der Profilhöhen-Verkürzung (D h) sind neben des verbesserten Kondensatabflusses auch sinnvoll hinsichtlich der Vergrößerung des Abstandes (h) (Abstand der profilierten Platinen), wodurch die Anzahl an Platinen für einen Wärmetauscher reduziert werden kann
(wirtschaftlicher Vorteil).
Durch einen in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen (11 ) oder
sinuskurvenähnlichen (12) Verlauf der Profilstruktur (12, 13) lässt sich die Länge des Strömungsfadens und damit die Verweildauer und Wärmetauschdauer erhöhen, was zur Verbesserung der Wärmetauschleistung führt. Die Wärmetauschfläche vergrößert sich durch die Zickzackstruktur (Fig. 12) um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste im Randbereich (R) (Fig. 12b) einkalkuliert sind.
Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (11 ) wird die Wärmeübergangszahla durch Turbulenzen erhöht. Dabei verlaufen die
übereinanderliegenden Profile synchron (5, 5a) (Fig. 14). Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen auch der in größerer Profiltiefe befindliche Strömungsbereich E (Fig. 5, 12a) verwirbelt, bewirkt durch die häufige Umlenkung an den Ecken (Fig. 12b).
Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (14) erreicht werden (Fig. 15). Die V-förmigen Ausbuchtungen (14) verlaufen bei allen
übereinanderliegenden Platinen synchron.
Die V-förmigen Ausbuchtung (14) kann auch bei einemzickzackförmigen Profilverlauf eingebaut sein (Fig. 17).
Die V-förmigen Ausbuchtungen können auch bogenförmig (15) ausgeführt sein (U-Form) (Fig. 16).
Die Verteilung der Medien in die Profile (Kanalverteiler) wird in Fig. 18a und b dargestellt. Bezugszeichenliste
1 obere Platine mit Dreieck-Profil
2 untere Platine mit Dreieck-Profil
3 Spitze der oberen Platine nach unten zeigend
4 Spitze der unteren Platine nach oben zeigend
5 obere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 1
6 untere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 1
5a obere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 2
6a untere Platine mit Spitzdach-Profilform in Ebene 2
5b, 6b Spitzdach-Profil mit leicht konischen Flanken
7 Spitze am Spitzdach - nach unten zeigend
7a Rechteck an Stelle der Spitzdach-Spitze, nach unten zeigend
8 Spitze am Spitzdach - nach oben zeigend
8a Rechteck an Stelle der Spitzdach-Spitze, nach oben zeigend
9 Rechteck mit abgeschrägten Ecken, nach unten zeigend
10 Rechteck mit abgeschrägten Ecken, nach oben zeigend
11 zickzackförmiger Verlauf der Profilstruktur
12 sinuskurvenähnlicher Verlauf der Profil Struktur
13 Aufsitz, rechteckförmig
14 V-förmige Ausbuchtung
15 U-förmige Ausbuchtung
B Basislinie
C seitlicher Abstand innerhalb einer Platinen-Breite, nach der sich der
Aufsitz wiederholt
D1 , D2 zwei benachbarte Dreiecke in der unteren Platine, durch die Basislinie
(B) verbunden
D3, D4 zwei benachbarte Dreiecke in der oberen Platine, durch die Basislinie
(B) verbunden
E Teil des Strömungsquerschnitts, der bei größerer Profiltiefe im hinteren
Bereich liegt
F Strömungsquerschnitt im spitzen Winkel-Bereich
G Profilbereich
P eine Periode
R Randbereich der profilierten Platine a Spaltbreite
b Aufsitz-Breite
h Profilhöhe
I Länge des Aufsitzes
s Profilbreite
u1 , u2 neben dem Aufsitz (w) beidseitig benachbarte Profilelemente (verkürzt wegenTiefziehhöhe)
w Aufsitz-Arretierung zur benachbarten Platine
x Kondensatwanne
y Spitze am Spitzdach, nach unten zeigend, um D h verkürzt, über der
„Kondensatwanne“ (x) schwebend
z Spitze am Spitzdach, nach oben zeigend, um D h verkürzt
a eingeschlossener Winkel des Dreiecks
ß Winkel an der Abschrägung (Aufsitzkante)
g Winkel zwischen„Spitzdach“ und Basislinie (B)
D h Maß für die Profilhöhen-Verkürzung

Claims

Patentansprüche
1. Wärmetauscherplatine mit Dreieckprofil, dadurch gekennzeichnet, dass die Dreiecke (D1 , D2 sowie D3, D4) einer jeden Platine durch eine Basislinie (B) miteinander verbunden sind und die Dreiecke der beiden benachbarten Platinen (1 , 2) mit ihren Spitzen jeweils zueinander zeigen und auf der Basislinie (B) der anderen Platine aufstehen.
2. Wärmetauscherplatine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der Dreiecke (D1 bis D4) eine Profilform verwendet wird, die ähnlich einer Hausform (6) mit Spitzdach (8) gestaltet ist mit der Spitze nach oben (8) und unten (7) zeigend, also die Spitzen beider ineinandergesteckter Profile in gegenläufige Richtung zeigen (7, 8) und dabei die Spitze (7) einer Platine auf der Basislinie (B) der anderen Platine aufsteht.
Die jeweils benachbarten„Hausformen“ (6) (mit Spitzdach (8)) sind durch eine Basislinie (B) so miteinander verbunden, dass ein nach unten (9) (bzw. nach oben (10)) zeigendes Rechteck mit abgeschrägten Ecken entsteht.
3. Wärmetauscherplatine nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken und Spitzen der Profile alternativ abgerundet oder abgeflacht sind zur Verbesserung der Tiefziehfähigkeit und zu gleichem Zweck die parallelen Flanken des Spitzdach-Profils leicht konisch (5b, 6b) gestaltet werden.
4. Wärmetauscherplatine nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des Aufsitzes der aufeinander stehenden Profile entweder die
Aufsitzbreite (b) vergrößert wird, indem an der Abschrägung des Rechtecks (9, 10) der Winkel ß vergrößert wird (z. B. von 45° auf 60°) oder an der Abschrägung wird ein rechteckförmiger Aufsitz (13) vorgesehen. Beide Aufsitz-Vorrichtungen sollten sich vorteilhafterweise nur über eine kurze Länge (I) erstrecken.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass (zumindest in dem Streckenabschnitt des Wärmetauschers, in dem eine Kondensatbildung zu erwarten ist) zur Verbesserung des Kondensatablaufes die Profilspitzen (y, z) nicht an der benachbarten Platine anstoßen, sondern durch den Abstand D h ausreichend Platz zum (an der Nachbarplatine) ablaufenden Kondensat in der„Kondensatwanne“ (x) gegeben ist.
Bei einem beidseitig ausgebildeten D h-Abstand (y) und (z) ist im erforderlichen
Abstand C zur Arretierung der profilierten Platinen zueinander ein Aufsitz (w) erforderlich, alternativ nur über einen kurzen Streckenabschnitt des
Wärmetauschers, wobei die zum Aufsitz (w) jeweils benachbarten Profilelemente (u1 , u2) gekürzt (z. B. um D h) werden sollten, um nicht (wegen des Aufsitzes (w)) die Tiefziehhöhe vergrößern zu müssen.
6. Wärmetauscherplatine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen zickzackförmigen (11 ) oder sinuskurvenähnlichen (12) Verlauf nimmt, wobei die Profil Struktur bei allen übereinanderliegenden Platinen synchron verläuft.
7. Wärmetauscherplatine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen eine immer wiederkehrende V-förmige Ausbuchtung (14) aufweist, sowohl bei ansonsten geradem Profilverlauf als auch beim Zickzackprofil. Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei an den Kanten auch abgerundet (15) sein (U-Form).
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