WO2017167872A1 - Stapelscheibenwärmetauscher - Google Patents

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WO2017167872A1
WO2017167872A1 PCT/EP2017/057536 EP2017057536W WO2017167872A1 WO 2017167872 A1 WO2017167872 A1 WO 2017167872A1 EP 2017057536 W EP2017057536 W EP 2017057536W WO 2017167872 A1 WO2017167872 A1 WO 2017167872A1
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fluid
heat exchanger
plate heat
section
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PCT/EP2017/057536
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Klaus Irmler
Michael Schmidt
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Mahle International Gmbh
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    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/08—Elements constructed for building-up into stacks, e.g. capable of being taken apart for cleaning

Definitions

  • the invention relates to a stacked plate heat exchanger.
  • Stacked plate heat exchangers are used in exhaust gas aftertreatment of internal combustion engines as so-called exhaust gas evaporators.
  • Such an exhaust gas evaporator enables heat energy recovery from the exhaust gases discharged from the internal combustion engine.
  • heat is removed from the exhaust gas and a cooling or refrigerant, fed to the so-called working fluid, which is typically evaporated.
  • Such a stacked-plate heat exchanger is known, for example, from DE 10 2009 012 493 A1.
  • the basic idea of the invention is accordingly the channel structure formed in the stacked plate heat exchanger for flowing through with a fluid - the Beitsmedium the heat exchanger - sections to provide with a zig-zag-like channel geometry.
  • a zig-zag-like channel geometry is particularly suitable in a region of the channel structure in which the working medium is in the liquid phase. Because in this area, the heat transfer to the working medium is reduced at low flow velocities of the working medium itself.
  • the zig-zag-like channel geometry essential to the invention can at least compensate for this reduced heat transfer when the working medium is present in the liquid phase and, as a result, leads to an improved efficiency of the heat exchanger.
  • the heat transfer is sufficiently high even without a zigzag-like channel geometry, so that said zigzag-like channel geometry can be dispensed with there.
  • an unnecessary loss of pressure in the working medium which always accompanies the zig-zag-like geometry, is avoided.
  • a stacked-disk heat exchanger comprises a plurality of stacking disks stacked on one another along a stacking direction.
  • a channel structure for flowing through with a fluid is formed in at least one stacking disk.
  • the channel structure comprises at least one fluid channel which has at least one channel section with a zigzag-like geometry.
  • the at least one channel section with a zig-zag-like geometry has a first section, which in a second subsection passes.
  • the two sections form an angle between 90 ° and 165 ° with each other.
  • the first and the second subsection are substantially rectilinear in plan view along the stacking direction and merge into one another by means of a curved transition section.
  • the at least one fluid channel of the channel structure is formed meander-like and has a plurality of channel sections with zig-zag-like geometry.
  • Such a geometry allows the arrangement of the fluid channel on a stacking disk with relatively small area dimensions.
  • the stacked plate heat exchanger can be realized with particularly compact external dimensions.
  • At least one fluid channel has a plurality of U-shaped channel sections.
  • at least one channel section with a zig-zag-like geometry is provided between at least two U-shaped channel sections adjacent to an extension direction of the at least one fluid channel. This variant also allows a high heat exchange with low space requirement.
  • the channel structure comprises at least two fluid channels that are essentially parallel and spaced apart from each other. In this way, a high pressure resistance can be ensured in the individual fluid channels.
  • working media such as cyclopentane, ethanol, acetone, it proves to be advantageous if exactly three fluid channels are provided, which extend substantially parallel and at a distance from each other.
  • At least one connecting channel is formed between the at least two fluid channels, which is provided in the region of the channel portion with zig-zag-like geometry and fluidly connects at least two fluid channels.
  • a plurality of connecting channels are provided, which are arranged at a distance from each other along the extension direction of the at least two fluid channels. In this way, the desired pressure equalization over the entire extent of the fluid channels can be ensured.
  • At least one connecting channel preferably in each case all connecting channels, fluidly connects all the existing fluid channels with each other.
  • the channel structure is designed to flow through with water.
  • all existing fluid channels in a cross section of the stacking disc perpendicular to the direction of extension of the fluid channels together have a cross-sectional area between 2 mm 2 and 8 mm 2 .
  • the channel structure is formed to flow through with ethanol.
  • all the existing fluid channels in the cross section of the stacking disc perpendicular to the direction of extension of the fluid channels together have a cross-sectional area between 3 mm 2 and 15 mm 2 . It is also conceivable to use a mixture of ethanol and water.
  • the channel structure may be configured to flow through with cyclopentane. In this case, all existing fluid channels in the cross section of the stacking disc perpendicular to the direction of extension of the fluid channels together have a cross-sectional area between 6 mm 2 and 20 mm 2 .
  • the use of acetone is conceivable.
  • the channel structure is designed to flow through with fluorocarbons (HFC).
  • all existing fluid channels in a cross section of the stacking disc perpendicular to the direction of extension of the fluid channels together have a cross-sectional area between 15 mm 2 and 40 mm 2 .
  • All these substances can also be used as a mixture with an oil.
  • the channel structure is formed by bead-like elevations or depressions present in the stacking disk, proves to be particularly technically simple to implement and thus inexpensive to produce.
  • This allows a realization of the stacking disks with the channel structure essential to the invention as shaped sheet metal parts, in particular by means of deep drawing.
  • a channel structure is present in at least two stack disks. The more stack disks having a channel structure are provided with the zig-zag-like flow geometry essential to the invention, the higher the efficiency achievable with the stacked-plate heat exchanger, in particular if this is used as an exhaust gas evaporator in interaction with an internal combustion engine.
  • the stacked plate heat exchanger may have a common fluid inlet for distributing the fluid to the at least two, preferably three, fluid channels and a common fluid outlet for discharging the fluid after flowing through the respective fluid channels. This measure simplifies the construction of the stacked plate heat exchanger, in particular if a plurality of separate fluid channels are provided.
  • each schematically: 1 shows a single stacking disk of the stacked plate heat exchanger with the channel structure essential to the invention in a perspective view
  • FIG. 2 is a detailed view of the channel structure of Figure 1 in a plan view of the stacking disk
  • FIG. 3 shows a variant of the stacking disk of FIGS. 1 and 2 with a channel structure comprising three fluid channels, in a cross section,
  • FIG. 4 shows the stacked disk heat exchanger with a plurality of stacked stacked disks in a perspective view.
  • FIG. 1 illustrates by way of example a single stacking disk 2 of a stacked-plate heat exchanger 1 according to the invention in a perspective representation.
  • a channel structure 3 for flowing through with a fluid F is formed.
  • the channel structure 3 comprises two fluid channels 4a, 4b, which extend in a plan view of the stacking disk 2 along the stacking direction S substantially parallel and at a distance from each other.
  • the channel structure 3 with the fluid channels 4a, 4b is formed by bead-like elevations or depressions 10 formed in the stacking disk 2.
  • Each stacking disk 2 is covered in the stacking direction S on both sides with two opposing cover plates 11a, 11b, as can be seen in FIG. 3, which shows the stacking disk 2 in a sectional view. Accordingly, the two cover plates 1 1 a, 1 1 b define the channel structures 3 formed in the stacking disk 2 in and against the stacking direction S (see FIG. The two cover plates 1 1 a, 1 1 b can be soldered to the respective stacking disk 2.
  • a plurality of stacking disks 2 can be stacked with respective cover plates 11a, 11b. This is shown in Figure 4, which shows the stacked plate heat exchanger 1 in a perspective partial view.
  • the individual stacking disks 2 with the cover plates 1 1 1 a, 1 1 b are arranged in the stacking direction S at a distance from each other, wherein in the stacking direction S adjacent cover plates 1 1 a, 1 1 b by means not shown in Figure 4, each rib structure 12th support each other.
  • the intermediate spaces 13 formed in the region of the rib structures 12 between adjacent cover plates 11a, 11b can be traversed by an exhaust gas 14 which is in heat exchange with the fluid F flowing through the channel structures 3 of the stacking disks 2.
  • the two fluid channels 4a, 4b of the channel structure 3 are each of meandering design.
  • Each of the two fluid channels 4a, 4b has channel sections 5, each with a zig-zag-like geometry.
  • the stacked-plate heat exchanger 1 may also have a common fluid inlet for distributing the fluid F to the two fluid channels 4a, 4b and a common fluid outlet for discharging the fluid F after flowing through the two fluid channels 4a, 4b.
  • FIG. 2 is a detailed representation of FIG. 1 in the region of channel sections 5, each having a zig-zag-like geometry.
  • a channel section 5 with a zig-zag-like geometry present in the channel structure 3 has a first section 6a, which merges into a second section 6b by means of a transition section 7.
  • the first and the second partial sections 6a, 6b are each substantially rectilinear, while the transitional section 7 is curved.
  • the two sections 6a, 6b are preferably arranged at an angle between 90 ° and 165 ° to each other. As can be seen from FIG.
  • the two fluid channels 4a, 4b each not only comprise channel sections 5 with a zigzag-like geometry, but also each have a plurality of U-shaped channel sections 8. Between two along an extension direction E of the fluid channels 4a, 4b adjacent, U-shaped channel sections 8, the channel sections 5 are formed with a zig-zag-like geometry.
  • the channel sections 5 with a zig-zag-like geometry are arranged in the stacked plate heat exchanger 1 such that in the channel sections 5 the fluid F is completely in the liquid phase.
  • the two fluid channels 4a, 4b may each have two channel sections 20a, 20b, which are different from the channel sections 5 with a zig-zag-like geometry, in which the fluid channels 4a, 4b have no zig-zag-like geometry but are formed in a straight line or otherwise can.
  • connecting channels 9 are formed between the two fluid channels 4a, 4b which run at a distance from one another in the region of the channel sections 5 with a zigzag-like geometry.
  • the connection channels 9 fluidly connect the fluid channels 4a, 4b to one another and are arranged at a distance from one another along the extension direction E of the fluid channels 4a, 4b.
  • FIG. 3 shows a variant of the example of FIG. 1.
  • a stacking disk 2 of the stacked-plate heat exchanger 1 is shown in a cross-section perpendicular to the extension direction E.
  • the channel structure 3 comprises a first, a second and a third fluid channel 4a, 4b, 4c, ie three fluid channels 4a, 4b, 4c.
  • the first fluid channel 4a in the cross section of FIG. 3 has a cross-sectional area Ai
  • the second fluid channel 4b has a cross-sectional area A 2
  • the third fluid channel 4c has a cross-sectional area A 3 .
  • the cross-sectional area A is adapted to the working medium flowing through the channel structure 3, ie to the fluid used. In this way, an efficient heat exchange with low pressure loss in the working fluid / fluid can be ensured.
  • the channel structure 3 is to be traversed with water as fluid / working medium, it is recommended for the above-defined cross-sectional area A to have a value range between 2 mm 2 and 8 mm 2 .
  • a value range between 3 mm 2 and 15 mm 2 proves to be advantageous for the above-defined cross-sectional area A. It is also conceivable to use a mixture of ethanol and water.
  • the channel structure 3 is to be perfused with cyclopentane as the fluid / working medium, it is advisable for the above-defined cross-sectional area A to have a value range between 6 mm 2 and 20 mm 2 .
  • Acetone can be used as alternative substance to cyclopentane.
  • the channel structure 3 is to be perfused with fluorohydrocarbons (HFCs) as the fluid / working medium, it is advisable for the above-defined cross-sectional area A to have a value range between 15 mm 2 and 40 mm 2 . In further variants, a mixture of one of the aforementioned substances with an oil is possible.
  • HFCs fluorohydrocarbons

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher (1), - mit einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) aufeinander gestapelten Stapelscheiben (2), - wobei in zumindest einer Stapelscheibe (2) eine Kanalstruktur (3) zum Durchströmen mit einem Fluid (F) ausgebildet ist, - wobei die Kanalstruktur (3) in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe (2) entlang der Stapelrichtung (S) wenigstens einen Fluidkanal (4a, 4b, 4c) umfasst, der zumindest einen Kanalabschnitt (5) mit zick-zack-artiger Geometrie aufweist.

Description

Stapelscheibenwärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Stapelscheibenwärmetauscher.
Stapelscheibenwärmetauscher kommen bei der Abgasnachbehandlung von Brennkraftmaschinen als sogenannte Abgas-Verdampfer zum Einsatz. Ein solcher Abgas-Verdampfer ermöglicht eine Wärmeenergierückgewinnung aus den von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgasen. In einem Abgasverdampfer wird dem Abgas Wärme entzogen und einem Kühl- oder Kältemittel, dem sogenannten Arbeitsmedium zugeführt, welches dabei typischerweise verdampft wird.
Ein derartiger Stapelscheibenwärmetauscher ist beispielsweise aus der DE 10 2009 012 493 A1 bekannt.
Um bei der Wärmerückgewinnung einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist eine optimierte Geometrie der Kanalstruktur, in welcher das Arbeitsmedium durch den Verdampfer bzw. Stapelscheibenwärmetauscher geführt wird, von zentraler Bedeutung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen Stapelscheibenwärmetauscher zu schaffen, welcher insbesondere einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, die in dem Stapelscheibenwärmetauscher ausgebildete Kanalstruktur zum Durchströmen mit einem Fluid - dem Ar- beitsmedium des Wärmetauschers - abschnittsweise mit einer zick-zack-artigen Kanalgeometrie zu versehen. Mit den damit verbundenen Änderungen der Strömungsrichtung des Arbeitsmediums beim Durchströmen der zick-zack-artigen Kanalgeometrie geht ein erhöhter Wärmeaustausch zwischen dem Arbeitsmedium und dem durch den Stapelscheibenwärmetauscher geführten Abgas einher. Daher eignet sich eine solche zick-zack-artige Kanalgeometrie insbesondere in einem Bereich der Kanalstruktur, in welchem das Arbeitsmedium in flüssiger Phase vorliegt. Denn in diesem Bereich ist bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Arbeitsmediums die Wärmeübertragung auf das Arbeitsmedium an sich reduziert. Die erfindungswesentliche, zick-zack-artige Kanalgeometrie kann diese reduzierte Wärmeübertragung bei in flüssiger Phase vorliegendem Arbeitsmedium zumindest ausgleichen und führt somit im Ergebnis zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Wärmetauschers.
In denjenigen Bereichen der Kanalstruktur, in welcher das Arbeitsmedium zwei- phasig, also auch gasförmig vorliegt, ist die Wärmeübertragung auch ohne zick- zack-artige Kanalgeometrie ausreichend hoch, so dass dort auf besagte zick-zack- artige Kanalgeometrie verzichtet werden kann. Somit wird in diesen Bereichen der Kanalstruktur ein mit der zick-zack-artigen Geometrie stets einhergehender, unnötiger Druckverlust im Arbeitsmedium vermieden.
Ein erfindungsgemäßer Stapelscheibenwärmetauscher umfasst eine Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Stapelscheiben. In zumindest einer Stapelscheibe ist eine Kanalstruktur zum Durchströmen mit einem Fluid ausgebildet. Die Kanalstruktur umfasst in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe entlang der Stapelrichtung wenigstens einen Fluidkanal, der zumindest einen Kanalabschnitt mit zick-zack-artiger Geometrie aufweist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der zumindest eine Kanalabschnitt mit zick-zack-artiger Geometrie einen ersten Teilabschnitt auf, welcher in einen zweiten Teilabschnitt übergeht. Die beiden Teilabschnitte bilden miteinander einen Winkel zwischen 90° und 165° aus. Experimentelle Untersuchen haben gezeigt, dass mit besagtem Winkelbereich ein besonders hoher Wärmeaustausch zwischen Arbeitsmedium und Abgas erzielt werden kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung sind der erste und der zweite Teilabschnitt in der Draufsicht entlang der Stapelrichtung im Wesentlichen geradlinig ausgebildet und gehen mittels eines gekrümmten ausgebildeten Übergangsabschnitts ineinander über. Mittels einer solchen Geometrie kann ein unerwünschter Druckverlust im Arbeitsmedium beim Durchströmen des Fluidkanals gering gehalten werden.
Besonders bevorzugt ist der wenigstens eine Fluidkanal der Kanalstruktur mäanderartig ausgebildet und weist mehrere Kanalabschnitte mit zick-zack-artiger Geometrie auf. Eine solche Geometrie erlaubt die Anordnung des Fluidkanals auf einer Stapelscheibe mit relativ geringen Flächenabmessungen. Somit lässt sich der Stapelscheibenwärmetauscher mit besonders kompakten äußeren Abmessungen realisieren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Fluidkanal eine Mehrzahl von U-förmigen Kanalabschnitten auf. Bei dieser Variante ist zwischen zumindest zwei entlang einer Erstreckungsrichtung des wenigstens einen Fluidkanals benachbarten, U-förmigen Kanalabschnitten wenigstens ein Kanalabschnitt mit zick-zack-artiger Geometrie, vorgesehen. Auch diese Variante erlaubt einen hohen Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Bedarf an Bauraum.
Als besonders bevorzugt, weil ebenfalls in besonders kompakter Bauweise realisierbar, mag eine Variante erachtet werden, bei welcher zwischen den zumindest zwei entlang der Erstreckungsrichtung des wenigstens einen Fluidkanals aufeinanderfolgenden, U-förmigen Kanalabschnitten zwei entlang der Erstreckungsrich- tung aufeinanderfolgende Kanalabschnitte mit zick-zack-artiger Geometrie, vorgesehen sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Kanalstruktur zumindest zwei sich im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander erstreckende Fluidkanä- le. Auf diese Weise kann eine hohe Druckfestigkeit in den einzelnen Fluidkanalen sichergestellt werden. Für eine Vielzahl von Arbeitsmedien wie etwa Cyclopentan, Ethanol, Aceton erweist es sich als vorteilhaft, wenn genau drei Fluidkanäle vorgesehen sind, die sich im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander erstrecken.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen den zumindest zwei Fluidkanalen wenigstens ein Verbindungskanal ausgebildet, welcher im Bereich des Kanalabschnitts mit zick-zack-artiger Geometrie vorgesehen ist und die wenigstens zwei Fluidkanäle fluidisch miteinander verbindet. Dies ermöglicht einen Druckausgleich des in den einzelnen Fluidkanalen im Arbeitsmedium vorhandenen Fluiddrucks. Dies wiederum begünstigt einen lateral besonders homogenen Wärmeaustausch zwischen Arbeitsmedium bzw. dem Fluid und dem Abgas.
Besonders bevorzugt ist eine Mehrzahl von Verbindungskanälen vorgesehen, welche im Abstand zueinander entlang der Erstreckungsrichtung der wenigstens zwei Fluidkanäle angeordnet sind. Auf diese Weise kann der gewünschte Druckausgleich über die gesamte Erstreckung der Fluidkanäle gewährleistet werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung verbindet zumindest ein Verbindungskanal, vorzugsweise jeweils alle Verbindungskanäle, alle vorhandenen Fluidkanäle fluidisch miteinander. Auch diese Maßnahme begünstigt einen für einen homogenen Wärmeaustausch vorteilhaften Druckausgleich im Arbeitsmedium bzw. Fluid. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Wasser ausgebildet. Hierzu weisen alle vorhandenen Fluidkanale in einem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanale zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 2 mm2 und 8 mm2 auf. Alternativ dazu ist die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Ethanol ausgebildet. Hierzu weisen alle vorhandenen Fluidkanale in dem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanale zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 3 mm2 und 15 mm2 auf. Denkbar ist es auch, ein Gemisch aus Ethanol und Wasser zu verwenden. Alternativ dazu kann die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Cyclopentan ausgebildet sein. In diesem Fall weisen alle vorhandenen Fluidkanäle in dem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanäle zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 6 mm2 und 20 mm2 auf. Alternativ dazu ist auch die Verwendung von Aceton vorstellbar. Alternativ dazu ist die Kanalstruktur zum Durchströmen mit Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) ausgebildet. Bei dieser Variante weisen alle vorhandenen Fluidkanäle in einem Querschnitt der Stapelscheibe senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Fluidkanäle zusammen eine Querschnittsfläche zwischen 15 mm2 und 40 mm2 auf. Je nach Wahl des Arbeitsmediums erfolgt also eine individuelle Auslegung der Querschnittsfläche der einzelnen Fluidkanäle. Auf diese Weise wird ein effizienter Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Druckverlust im Arbeitsmedium sichergestellt. Alle genannten Substanzen können auch als Gemisch mit einem Öl verwendet werden.
Als technisch besonders einfach zu realisieren und somit kostengünstig herzustellen erweist sich eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die Kanalstruktur durch in der Stapelscheibe vorhandene, sickenartige Erhöhungen oder Vertiefungen gebildet ist. Dies erlaubt eine Realisierung der Stapelscheiben mit der erfindungswesentlichen Kanalstruktur als Blechformteile, insbesondere mittels Tiefziehens. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist in zumindest zwei Stapelscheiben eine Kanalstruktur vorhanden. Je mehr Stapelscheiben mit einer Kanalstruktur mit der erfindungswesentlichen, zick-zack-artigen Strömungsgeometrie versehen sind, desto höher die mit dem Stapelscheibenwärmetauscher erzielbare Effizienz, insbesondere wenn dieser als Abgas-Verdampfer im Zusammenspiel mit einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
Zweckmäßig kann der Stapelscheibenwärmetauscher einen gemeinsamen Fluide- inlass zum Verteilen des Fluids auf die wenigstens zwei, vorzugsweise drei, Fluid- kanäle sowie einen gemeinsamen Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids nach dem Durchströmen der jeweiligen Fluidkanäle aufweisen. Diese Maßnahme vereinfacht den Aufbau des Stapelscheibenwärmetauschers, insbesondere, wenn mehrere separate Fluidkanäle vorgesehen sind.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch: Fig. 1 eine einzelne Stapelscheibe des Stapelscheibenwärmetauschers mit der erfindungswesentlichen Kanalstruktur in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 2 eine Detaildarstellung der Kanalstruktur der Figur 1 in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe,
Fig. 3 eine Variante der Stapelscheibe der Figuren 1 und 2 mit einer Kanalstruktur, die drei Fluidkanäle umfasst, in einem Querschnitt,
Fig. 4 den Stapelscheibenwärmetauscher mit mehreren aufeinandergestapel- ten Stapelscheiben in einer perspektivischer Darstellung.
Figur 1 illustriert beispielhaft eine einzelne Stapelscheibe 2 eines erfindungsgemäßen Stapelscheibenwärmetauschers 1 in einer perspektivischen Darstellung.
In der in Figur 1 gezeigten Stapelscheibe 2 ist eine Kanalstruktur 3 zum Durchströmen mit einem Fluid F ausgebildet. Die Kanalstruktur 3 umfasst zwei Fluidkanäle 4a, 4b, die sich in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe 2 entlang der Stapelrichtung S im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander entlang erstrecken. Die Kanalstruktur 3 mit den Fluidkanälen 4a, 4b ist durch in der Stapelscheibe 2 ausgebildete, sickenartige Erhöhungen oder Vertiefungen 10 gebildet.
Jede Stapelscheibe 2 ist in Stapelrichtung S beidseitig mit zwei einander gegenüberliegenden Deckplatten 1 1 a, 1 1 b abgedeckt, was aus Figur 3 ersichtlich wird, welche die Stapelscheibe 2 in einer Schnittdarstellung zeigt. Demnach begrenzen die beiden Deckplatten 1 1 a, 1 1 b die in der Stapelscheibe 2 gebildete Kanalstrukturen 3 in und entgegen der Stapelrichtung S (vgl. Figur 2). Die beiden Deckplatten 1 1 a, 1 1 b können mit der jeweiligen Stapelscheibe 2 verlötet sein. Zur Ausbildung des Stapelscheibenwärmetauschers 1 können mehrere Stapelscheiben 2 mit jeweiligen Deckplatten 1 1 a, 1 1 b aufeinandergestapelt sein. Dies ist in Figur 4 gezeigt, welche den Stapelscheibenwärmetauschers 1 in einer perspektivischen Teildarstellung zeigt. Die einzelnen Stapelscheiben 2 mit den Deckplatten 1 1 a, 1 1 b sind in der Stapelrichtung S im Abstand zueinander angeordnet, wobei sich in Stapelrichtung S benachbarte Deckplatten 1 1 a, 1 1 b mittels einer in Figur 4 nicht näher dargestellten, jeweiligen Rippenstruktur 12 aneinander abstützen. Die im Bereich der Rippenstrukturen 12 zwischen benachbarten Deckplatten 1 1 a, 1 1 b gebildeten Zwischenräume 13 können von einem Abgas 14 durchströmt werden, welches mit dem durch die Kanalstrukturen 3 der Stapelscheiben 2 strömendem Fluid F in Wärmeaustausch steht.
Betrachtet man nun wieder Figur 1 , so erkennt man, dass die beiden Fluidkanäle 4a, 4b der Kanalstruktur 3 jeweils mäanderartig ausgebildet sind. Jeder der beiden Fluidkanäle 4a, 4b besitzt Kanalabschnitte 5 mit jeweils zick-zack-artiger Geometrie. Der Stapelscheibenwärmetauscher 1 kann außerdem einen gemeinsamen Fluideinlass zum Verteilen des Fluids F auf die zwei Fluidkanäle 4a, 4b und einen gemeinsamen Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids F nach dem Durchströmen der beiden Fluidkanäle 4a, 4b aufweisen.
Die Figur 2 ist eine Detaildarstellung der Figur 1 im Bereich von Kanalabschnitten 5 mit jeweils zick-zack-artiger Geometrie. Wie Figur 2 entnommen werden kann, weist ein in der Kanalstruktur 3 vorhandene Kanalabschnitt 5 mit zick-zack-artiger Geometrie einen ersten Teilabschnitt 6a auf, welcher mittels eines Übergangabschnitts 7 in einen zweiten Teilabschnitt 6b übergeht. Der erste und der zweite Teilabschnitt 6a, 6b sind jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet, der Übergangsabschnitt 7 ist hingegen gekrümmt ausgebildet. Die beiden Teilabschnitte 6a, 6b sind bevorzugt unter einem Winkel zwischen 90° und 165° zueinander angeordnet. Wie die Figur 1 erkennen lässt, umfassen die beiden Fluidkanale 4a, 4b jeweils nicht nur Kanalabschnitte 5 mit zick-zack-artiger Geometrie, sondern besitzen jeweils auch eine Mehrzahl von U-förmigen Kanalabschnitten 8. Zwischen zwei entlang einer Erstreckungsrichtung E der Fluidkanale 4a, 4b benachbarten, U- förmigen Kanalabschnitten 8 sind die Kanalabschnitte 5 mit zick-zack-artiger Geometrie ausgebildet.
Die Kanalabschnitte 5 mit zick-zack-artiger Geometrie sind derart im Stapelscheibenwärmetauscher 1 angeordnet, dass in den Kanalabschnitten 5 das Fluid F vollständig in flüssiger Phase vorliegt. Außerdem können die beiden Fluidkanäle 4a, 4b jeweils zwei zu den Kanalabschnitten 5 mit zick-zack-artiger Geometrie verschiedene Kanalabschnitte 20a, 20b aufweisen, in welchen die Fluidkanäle 4a, 4b keine zick-zack-artiger Geometrie aufweisen, sondern geradlinig oder andersartig ausgebildet sein können.
Wie Figur 2 anschaulich belegt, sind zwischen den zwei im Abstand zueinander verlaufenden Fluidkanälen 4a, 4b im Bereich der Kanalabschnitte 5 mit zick-zack- artiger Geometrie Verbindungskanäle 9 ausgebildet. Die Verbindungskanäle 9 verbinden die Fluidkanäle 4a, 4b fluidisch miteinander und sind hierzu entlang der Erstreckungsrichtung E der Fluidkanäle 4a, 4b im Abstand zueinander angeordnet.
Die Figur 3 zeigt eine Variante des Beispiels der Figur 1 . Im Beispiel der Figur 3 ist, wie oben bereits erwähnt, eine Stapelscheibe 2 des Stapelscheibenwärmetauschers 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Erstreckungsrichtung E dargestellt. Bei der Variante gemäß Figur 3 umfasst die Kanalstruktur 3 einen ersten, einen zweiten und ein dritten Fluidkanal 4a, 4b, 4c, also drei Fluidkanäle 4a, 4b, 4c. Wie die Figur 3 anschaulich belegt, weist der erste Fluidkanal 4a in dem Querschnitt der Figur 3 eine Querschnittsfläche Ai, der zweite Fluidkanals 4b eine Querschnittsfläche A2 und der dritte Fluidkanal 4c eine Querschnittsfläche A3 auf. Die Summe A der einzelnen Querschnittsflächen ergibt sich bei drei vorhandenen Fluidkanälen 4a, 4b, 4c zu A = Ai + A2 + A3.
Bevorzugt wird die Querschnittsfläche A an das durch die Kanalstruktur 3 strömende Arbeitsmedium, also an das verwendete Fluid, angepasst. Auf diese Weise kann ein effizienter Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Druckverlust im Arbeitsmedium/Fluid sichergestellt werden.
Soll die Kanalstruktur 3 mit Wasser als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so empfiehlt sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 2 mm2 und 8 mm2.
Soll die Kanalstruktur 3 mit Ethanol als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so erweist sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 3 mm2 und 15 mm2 als vorteilhaft. Denkbar ist auch die Verwendung eines Gemischs aus Ethanol und Wasser.
Soll die Kanalstruktur 3 mit Cyclopentan als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so empfiehlt sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 6 mm2 und 20 mm2. Als zu Cyclopentan alternative Substanz kann Aceton verwendet werden.
Soll die Kanalstruktur 3 mit Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) als Fluid/Arbeitsmedium durchströmt werden, so empfiehlt sich für die oben definierte Querschnittsfläche A ein Wertebereich zwischen 15 mm2 und 40 mm2. In weiteren Varianten ist auch ein Gemisch aus einer der vorangehend genannten Substanzen mit einem Öl möglich.

Claims

Ansprüche
1 . Stapelscheibenwärmetauscher (1 ),
mit einer Mehrzahl von entlang einer Stapelrichtung (S) aufeinander gestapelten Stapelscheiben (2),
wobei in zumindest einer Stapelscheibe (2) eine Kanalstruktur (3) zum Durchströmen mit einem Fluid (F) ausgebildet ist,
wobei die Kanalstruktur (3) in einer Draufsicht auf die Stapelscheibe (2) entlang der Stapelrichtung (S) wenigstens einen Fluidkanal (4a, 4b, 4c) umfasst, der zumindest einen Kanalabschnitt (5) mit zick-zack-artiger Geometrie aufweist.
2. Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Kanalabschnitt (5) mit zick-zack-artiger Geometrie einen ersten Teilabschnitt (6a) aufweist, welcher in einen zweiten Teilabschnitt (6b) übergeht, der mit dem ersten Teilabschnitt (6a) einen Winkel (a) zwischen 90° und 165° ausbildet.
3. Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Teilabschnitt (6a, 6b) jeweils im Wesentlichen geradlinig ausgebildet sind und mittels eines gekrümmten ausgebildeten Übergangsabschnitts (7) ineinander übergehen.
4. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
der wenigstens eine Fluidkanal (4a, 4b, 4c) der Kanalstruktur (3) mäanderartig ausgebildet ist und mehrere Kanalabschnitte (5) mit zick-zack-artiger Geometrie aufweist.
5. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein Fluidkanal (4a, 4b, 4c) eine Mehrzahl von U-förmigen Kanalabschnitten (8) aufweist,
wobei zwischen zumindest zwei entlang einer Erstreckungsrichtung (E) des Fluidkanals (4a, 4b, 4c) benachbarten, U-förmigen Kanalabschnitten (8) ein Kanalabschnitt (5), vorzugsweise zwei Kanalabschnitte (5), mit zick-zack- artiger Geometrie, vorgesehen sind.
6. Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den zumindest zwei entlang der Erstreckungsrichtung (E) des wenigstens einen Fluidkanals (4a, 4b, 4c) benachbarten, U-förmigen Kanalabschnitten (8) zwei entlang der Erstreckungsrichtung (E) aufeinanderfolgende Kanalabschnitte (5) mit zick-zack-artiger Geometrie vorhanden sind.
7. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalstruktur (3) zumindest zwei, vorzugsweise drei, sich im Wesentlichen parallel und im Abstand zueinander erstreckende Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) um- fasst.
8. Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den zumindest zwei Fluidkanalen (4a, 4b, 4c), vorzugsweise zwischen den drei Fluidkanalen (4a, 4b, 4c), wenigstens ein Verbindungskanal (9) ausgebildet ist, welcher im Bereich des Kanalabschnitts (5) mit zick-zack- artiger Geometrie vorgesehen ist und die wenigstens zwei Fluidkanale (4a, 4b), vorzugsweise die drei Fluidkanale (4a, 4b, 4c), fluidisch miteinander verbindet.
9. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Verbindungskanälen (9) vorhanden ist, welche im Abstand zueinander entlang der Erstreckungsrichtung (E) der wenigstens zwei Fluidkanale (4a, 4b, 4c) angeordnet sind.
10. Stapelscheibenwärmetauscher nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Verbindungskanal (9), vorzugsweise jeweils alle Verbindungskanäle (9), alle vorhandenen Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) fluidisch miteinander verbindet.
1 1 . Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalstruktur (3) zum Durchströmen mit Wasser ausgebildet ist und alle vorhandenen Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) in einem Querschnitt der Stapelscheibe (2) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) der Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) zusammen eine Querschnittsfläche (A) zwischen 2 mm2 und 8 mm2 aufweisen, oder dass
die Kanalstruktur (3) zum Durchströmen mit Ethanol ausgebildet ist und alle vorhandenen Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) in einem Querschnitt der Stapelscheibe (2) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) der Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) zu- sammen eine Querschnittsfläche (A) zwischen 3 mm2 und 15 mm2 aufweisen, oder dass
die Kanalstruktur (3) zum Durchströmen mit Cyclopentan ausgebildet ist und alle vorhandenen Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) in einem Querschnitt der Stapelscheibe (2) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) der Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) zusammen eine Querschnittsfläche (A) zwischen 6 mm2 und 20 mm2 aufweisen, oder dass
die Kanalstruktur (3) zum Durchströmen mit Fluorkohlenwasserstoffen (FKW) ausgebildet ist und hierzu alle vorhandenen Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) in einem Querschnitt der Stapelscheibe (2) senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E) der Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) zusammen eine Querschnittsfläche (A) zwischen 15 mm2 und 40 mm2 aufweisen.
12. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kanalstruktur (3) durch in der Stapelscheibe (2) vorhandene, sickenartige Erhöhungen und/oder Vertiefungen (10) gebildet ist.
13. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest zwei Stapelscheiben (2) eine Kanalstruktur (3) vorhanden ist.
14. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stapelscheibenwärmetauscher (1 ) einen gemeinsamen Fluideinlass zum Verteilen des Fluids (F) auf die wenigstens zwei, vorzugsweise drei, Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) und einen gemeinsamen Fluidauslass zum Ausleiten des Fluids (F) nach dem Durchströmen der Fluidkanäle (4a, 4b, 4c) aufweist.
15. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Fluidkanal (4a, 4b, 4c) von dem Fluid (F) durchströmt wird und der zumindest einen Kanalabschnitt (5) mit zick-zack-artiger Geometrie derart im Stapelscheibenwärmetauscher (1 ) ausgebildet ist, dass in diesem Kanalabschnitt das Fluid (F) im Wesentlichen vollständig in flüssiger Phase vorliegt.
16. Stapelscheibenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
in zumindest einem zum Kanalabschnitt (5) mit zick-zack-artiger Geometrie verschiedenen Kanalabschnitt (20a, 20b) des wenigstens einen Fluidkanals (4a, 4b, 4c) dieser keine zick-zack-artiger Geometrie, vorzugsweise eine geradlinige Geometrie, aufweist.
*****
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