WO2021185770A1 - Wärmeübertrager - Google Patents

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WO2021185770A1
WO2021185770A1 PCT/EP2021/056550 EP2021056550W WO2021185770A1 WO 2021185770 A1 WO2021185770 A1 WO 2021185770A1 EP 2021056550 W EP2021056550 W EP 2021056550W WO 2021185770 A1 WO2021185770 A1 WO 2021185770A1
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WO
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heat exchanger
flow
chromium
corrugated structure
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PCT/EP2021/056550
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Nicolas Ferrand
Ulrich Maucher
Markus Watzlawski
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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Publication date
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • the fuel - for example hydrogen and / or methane - can be obtained by means of catalysis, which is then used in the downstream fuel cell to generate energy.
  • the fuel cannot be completely converted in the fuel cell, so that an unused residual amount of the fuel remains.
  • the residual amount of fuel can then be converted chemically into other substances in a catalyst connected downstream of the fuel cell.
  • the exhaust gas can be chemically converted into other substances in a catalytic converter.
  • the working medium is usually preheated to the required temperature by means of an upstream heat exchanger.
  • the residual heat from exhaust gas for example, can be used in a downstream heat exchanger.
  • the object of the invention is therefore to provide an improved or at least alternative embodiment for a connection of a heat exchanger and a catalyst of the generic type, in which the disadvantages described are overcome. According to the invention, this object is achieved by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
  • a heat exchanger comprises a transfer block of a plurality of first flow spaces and of a plurality of second flow spaces, which are arranged one above the other and alternately in a stacking direction.
  • a first medium can flow through the first flow spaces and a second medium can flow through the second flow spaces, so that the media in the transfer block can exchange heat with one another.
  • the respective flow spaces are delimited to the outside by walls made of a stainless steel alloy and fluidically separated from one another.
  • corrugated structure plates are each made up of a plurality of individual ribs, which extend in the direction of flow of the second medium and are adjacent transversely to the direction of flow of the second medium. The corrugated structure plates are firmly connected to the walls of the associated second flow spaces.
  • the corrugated structure plates are formed from a carrier material with a catalytic coating and form a catalyst in which the second medium can be chemically converted by means of catalysis.
  • the catalyst is thus integrated, so that compared to the conventional connection of a separate heat exchanger and a separate catalyst, costs, installation space and weight are reduced and efficiency is improved.
  • the transfer block of the heat exchanger according to the invention can be flowed through by the first medium and the second medium.
  • the first medium or the second medium can be a liquid or a gas or a gas-liquid mixture.
  • the direction of flow of the first medium and the direction of flow of the second medium are transverse to the stacking direction aligned.
  • the flow of the second medium in the second flow spaces is predetermined by the embodiment of the individual ribs of the corrugated structure plates. In order to simplify the description, in the following the flow direction of the second medium is always assumed to be perpendicular to the stacking direction and along the main extension of the individual ribs of the corrugated structure plates.
  • the heat exchanger can be a flat tube heat exchanger.
  • the transmission block is then formed from several flat tubes, between which spaces are formed.
  • the flat tubes and the gaps alternate in the stacking direction.
  • the first flow spaces can then be formed by the intermediate spaces and the second flow spaces can then be formed by the flat tubes with the corrugated structure plates.
  • the walls of the flow spaces are then formed by the flat tubes.
  • the second medium can flow through the flat tubes and the first medium can flow through the intermediate spaces, so that the two media in the transfer block are fluidically separated from one another.
  • the corrugated structure plate arranged in the respective flat tube can be flowed around on both sides from the outside by the second medium, so that the second medium comes into direct contact with the catalytic coating and the catalysis can take place in the second medium.
  • the corrugated structure plate thus provides a reaction surface for the catalysis.
  • the respective corrugated structure plate is supported on both sides in the stacking direction on the associated flat tube.
  • the respective corrugated structure plate is materially connected to the flat tube at contact points. No fluid-tight material connection is required at these contact points. borrowed. However, the integral connection can improve the heat transfer and the operational stability of the heat exchanger.
  • the flat tubes are then made of the stainless steel alloy and the corrugated structure plates are formed from the carrier material with the catalytic coating.
  • the heat exchanger can be a stacked plate heat exchanger.
  • the transfer block of the heat exchanger is then formed from several discs stacked one on top of the other.
  • the first flow spaces and the second flow spaces are formed alternately between the adjacent disks.
  • the flow spaces are then separated from one another by the disks and the walls of the flow spaces are then formed by the disks.
  • the two media remain fluidically separated from one another via the panes and can exchange heat with one another.
  • the corrugated structure plates are arranged in the second flow spaces, and are supported on adjacent disks on both sides in the stacking direction. The corrugated structure plate then provides a reaction surface for the catalysis of the second medium.
  • the respective corrugated structure plate is materially connected to the associated panes at contact points. No fluid-tight material connection is required at these contact points. However, the integral connection can improve the heat transfer and the operational stability of the heat exchanger.
  • the disks are then made of the stainless steel alloy and the corrugated structure plates are formed from the carrier material with the catalytic coating.
  • the walls of the flow spaces and the corrugated structure plates are made of different materials. forms.
  • the carrier material of the corrugated structure plates can be optimized with regard to the adhesion of the catalytic coating.
  • the stainless steel alloy of the walls of the flow spaces can be optimized with regard to the fluid-tight connection - for example soldering or welding - of the walls with one another and / or with other components of the heat exchanger. If the walls of the flow spaces are soldered to one another and / or to the other components of the heat exchanger, the stainless steel alloy can be optimized with regard to the adhesion of the solder. In this case, no fluid-tight material connection between the carrier material of the corrugated structure plates and the stainless steel alloy of the walls of the flow spaces is neces sary.
  • the stainless steel alloy is a ferritic chromium steel with a chromium content of 17-20%.
  • the ferritic chrome steel can, for example, be a 1.4521 steel standardized according to DIN-EN-10088 or a 1.4528 steel standardized according to DIN-EN-10088.
  • the stainless steel alloy can be a ferritic chromium steel with a chromium content of 17-20% and a niobium coating or a ferritic chromium steel with a chromium content of 17-20% and a niobium additive.
  • the chromium steel can be optimized, in particular with regard to the adhesion of the solder.
  • the stainless steel alloy can advantageously be an austenitic chromium-nickel steel with a chromium content of 17.5-19.5% and a nickel content of 8-10.5%.
  • the austenitic chrome-nickel steel can, for example, be a 1.4301 steel standardized according to DIN-EN-10088.
  • the stainless steel alloy can be an austenitic chromium-nickel-molybdenum steel with a chromium content of 16.5-18.5% and a nickel content of 10-13% and a molybdenum content of 2-2.5 % be.
  • the austenitic chrome-nickel-molybdenum steel can, for example, be a 1.4404 steel standardized according to DIN-EN-10088.
  • the stainless steel alloy tion can be an austenitic chromium-nickel-silicon steel with a chromium content of 19-21% and a nickel content of 11-13% and a silicon content of 1.5-2.5%.
  • the austenitic chrome-nickel-silicon steel can, for example, be a 1.4828 steel standardized according to DIN-EN-10088.
  • the austenitic chromium-nickel-silicon steel can advantageously be temperature-stabilized.
  • the carrier material of the corrugated structure plates can be a chromium-aluminum steel with a chromium content of 17-20% and an aluminum content of 2-10%, preferably 3-7%.
  • the chrome-aluminum steel can, for example, be a 1.4737 steel standardized according to DIN-EN-10088.
  • the chrome-aluminum steel can be, for example, a 1.4767 steel standardized according to DIN-EN-10088.
  • the carrier material can be optimized in particular with regard to good adhesion of the catalytic coating.
  • the catalytic coating can be made of a catalytic material known to those skilled in the art.
  • the above-mentioned steels can also comprise further constituents - such as, for example, iron and / or molybdenum and / or titanium and / or silicon and / or carbon.
  • the walls of the second flow spaces and the corrugated structure plates can be soldered to one another using a nickel-based solder.
  • the nickel-based solder is preferably in the form of a nickel-based solder foil.
  • the nickel-based solder can be, for example, a BNi-5 (9% Cr-10% Si-Ni) solder.
  • the walls of the second flow spaces and the corrugated structure plates can advantageously be soldered to one another by means of a solder with a phosphorus content, preferably a NiCrPhSi solder alloy.
  • the solder with the Phosphoran part can significantly improve the strength of the soldered connection between the stainless steel alloy and the carrier material.
  • the walls of the two th flow spaces and the corrugated structure plates can also be welded to one another.
  • the walls of the flow spaces can advantageously be soldered to one another and / or to the other components of the heat exchanger by means of a solder with a phosphorus content.
  • the phosphorus content can improve the wetting of the stainless steel alloy of the walls and the soldering stability.
  • gaps between the walls of the flow spaces and / or between the walls of the flow spaces and the wide ren components of the heat exchanger can be better filled and the tightness of the soldered connection can be improved as a result.
  • the corrugated structure plates with the walls of the second flow spaces and then optionally the walls of the flow spaces with each other to form the transfer block and then the transfer block with the other components of the heat exchanger are materially connected.
  • the walls of the flow spaces, the corrugated structure plates and the other components of the heat exchanger are materially connected to one another in one step.
  • the material connection can be made by soldering or welding.
  • the product between the squared rib density of the respective corrugated structure plate and the wall thickness of the respective corrugated structure plate is between 0.05 / mm and 0.15 / mm, preferably between 0.06 / mm and 0.11 / mm.
  • the product smaller than 0.08 / mm a higher temperature can be achieved on the corrugated structure plates than with the product larger than 0.08 / mm. If, for example, a high degree of conversion is required in the catalysis of the second medium and this cannot be achieved due to the temperature of one of the media or the two media in the heat exchanger, the rib density and the wall thickness can be adjusted accordingly and the product less than 0.08 / mm be.
  • the product greater than 0.08 / mm is to be preferred if there are particularly high demands on the heat transfer in the heat exchanger at high temperatures of the two media and above the working temperature of the catalytic coating.
  • the reaction surface of the corrugated structure plate available for catalysis also increases.
  • the catalytic conversion rate and the heat transfer in the heat exchanger can accordingly be increased.
  • the wall thickness of the corrugated structure plate is dependent on the Rip pendensity due to the technical feasibility. With the high rib density, the wall thickness can be reduced for process and cost reasons, and with the low rib density and the high wall thickness, complex geometries can be implemented to improve heat transfer.
  • the wall thickness of the respective corrugated structure plate is defined in the stacking direction and can advantageously be between 0.05 mm and 0.2 mm.
  • the wall thickness of the respective corrugated structure plate can preferably be between 0.08 mm and 0.16 mm.
  • the rib density of the respective corrugated structure plate is determined by the ratio between the number of individual ribs in the corrugated structure plate and the determined transversely to the direction of flow of the second medium defined width of the corrugated structure plate.
  • the respective individual rib of the corrugated structure plate has two side walls aligned transversely to the direction of flow of the second medium.
  • the side walls are each aligned at a wall angle to the stacking direction.
  • the wall angle can advantageously be between 1 ° and 6 °, preferably between 2 ° and 4 °.
  • the adjacent side walls are each designed to be inclined to one another and have an angle of inclination to one another which corresponds to the doubled wall angle ent. Accordingly, the angle of inclination is between 2 ° and 12 °, preferably between 4 ° and 8 °.
  • corrugated structure plate In the design of the corrugated structure plate, a high tem perature on the corrugated structure plate is sought in particular in order to achieve the most efficient possible catalysis in the second medium.
  • the geometry of the corrugated structure plate also plays a major role.
  • the corrugated structure plate can be a ribbed plate with several corrugated sections.
  • the Wellab sections follow one another in the direction of flow of the second medium and are each formed from a plurality of individual ribs that are adjacent transversely to the direction of flow of the second medium.
  • the individual ribs of the respective adjacent corrugated sections are offset relative to one another transversely to the direction of flow of the second medium.
  • the offset of the individual ribs of the neighboring th corrugated sections are 1/2 or 1/3 of the width of the single rib defined transversely to the direction of flow.
  • the length of the corrugated sections defined in the direction of flow of the second medium can advantageously be between 1 mm and 5 mm, preferably between 1 mm and 3 mm, more preferably between 1 mm and 2 mm.
  • the rib density of the respective corrugated sections can be identical.
  • the rib density can also be adapted in such a way that the risk of blocking in the rib plate is reduced and a high temperature can be achieved on the rib plate.
  • the rib density of the respective corrugated section can advantageously be between 35 / dm and 75 / dm, preferably between 45 / dm and 65 / dm.
  • the product between the double transverse flow direction of the second medium defined width of the respective single rib and the wall angle can be less than 120 mm °, preferably less than 60 mm ° .
  • the geometries of the ribbed plate corresponding to the product smaller than 120 mm ° can be realized with hot forming when the ribbed plate is manufactured.
  • the geometries corresponding to the preferred product of less than 60 mm ° can also be realized with cold forming when producing the ribbed plate.
  • the product between the width of the respective individual rib defined transversely to the flow direction of the second medium and the sine of the wall angle can be smaller than the halved ratio between one and the rib density of the respective corrugation section defined transversely to the flow direction of the second medium.
  • the individual ribs of the adjacent shaft sections are adjustment angles are aligned with each other.
  • the angle of incidence can advantageously be between 136 ° and 176 °, preferably between 146 ° and 166 °.
  • the individual ribs of the adjacent corrugated sections can each have an identical angle to the direction of flow of the second medium. This angle then corresponds to a halved difference between 180 ° and the angle of attack.
  • the corrugated structure plate can be a corrugated rib plate with several individual ribs.
  • the individual ribs extend in the flow direction of the second medium over the entire length of the corrugated rib plate.
  • the rib density of the corrugated ribbed plate can advantageously be between 50 / dm and 150 / dm, preferably between 60 / dm and 150 / dm, more preferably between 60 / dm and 80 / dm.
  • the respective individual ribs can advantageously form a wave in the flow direction of the second medium with a wavelength defined in the flow direction of the second medium and with a wave width defined transversely to the flow direction of the second medium.
  • the shaft length can advantageously be between 7 mm and 12 mm, preferably between 9 mm and 10 mm.
  • the wave width can be between 0.5 mm and 2 mm, preferably between 1 mm and 1.5 mm.
  • FIG. 1 shows an exploded view of a heat exchanger according to the invention
  • Fig. 2 is an exploded view of the heat transfer gers according to the invention, which is cut at a second flow space;
  • Fig. 3 is an exploded view of the heat transfer gers according to the invention, the cut at a first flow space;
  • FIG. 4 shows a view of a corrugated structure plate of the heat exchanger according to the invention in the form of a corrugated ribbed plate
  • FIG. 5 shows a plan view of the corrugated fin plate from FIG. 4 with a section plane A-A;
  • FIG. 6 shows a side view of the corrugated ribbed plate from FIG. 4 with a sectional plane BB; 7 and 8 are sectional views of the corrugated ribbed plate from FIG. 4 in the sectional planes AA and BB;
  • FIG. 10 is a plan view of the rib plate from FIG. 9 with a
  • FIG. 11 shows a sectional view of the rib plate from FIG. 9 in the sectional plane C-C;
  • Fig. 12 is a view of a corrugated structure plate of the invention
  • Heat exchanger in the form of a differently designed ribbed plate
  • FIG. 13 shows a plan view of the rib plate from FIG. 12 with sectional planes D-D and E-E;
  • 14 and 15 are sectional views of the rib plate from FIG. 13 in the sectional planes D-D and E-E.
  • the heat exchanger 1 shows an exploded view of a heat exchanger 1 according to the invention.
  • the heat exchanger 1 comprises a transfer block 2 with a plurality of first flow spaces 2a and with a plurality of second flow spaces 2b.
  • the flow spaces 2a and 2b are arranged one above the other and alternately in a stacking direction SR.
  • the first flow spaces 2a are flowed through by a first medium and the second flow spaces 2b can be flown through by a second medium.
  • the flow spaces 2a and 2b are by walls delimited on the outside and fluidically separated from each other.
  • Fig. 2 an exploded view of the heat exchanger 1 according to the invention is shown, which is cut at one of the second flow spaces 2b.
  • Fig. 3 shows an Explosionsan view of the heat exchanger 1 according to the invention, which is cut at one of the first flow spaces 2a.
  • the heat exchanger 1 is a flat tube heat exchanger and the transfer block 2 is formed from a plurality of flat tubes 4b.
  • the flat tubes 4b are arranged in rows spaced from one another in the stacking direction ST, so that intermediate spaces 4a are formed between the flat tubes 4b.
  • the intermediate spaces 4a can be flowed through by the first medium and thus correspond to the first flow spaces 2a.
  • the flat tubes 4b can flow through the second medium and correspond to the second flow spaces 2b.
  • Corrugated structure plates 5 - here corrugated rib plates 5a - are arranged in the flat tubes 4b.
  • the corrugated structure plates 5 have several individual ribs 6 and the second medium can flow around them on the outside.
  • the heat exchanger 1 also has a housing 11 that receives the transfer block 2.
  • a first inlet 12a and first outlet 12b for the first medium are arranged on the housing 11.
  • the first medium consequently flows into the heat exchanger 1 via the first inlet 12a and is distributed within the housing 11 in the spaces 4a.
  • guide structures 13 can be provided in the intermediate spaces 4a, which guide the first medium from the first inlet 12a to the first outlet 12b.
  • the guide structures 13 can be implemented, for example, by separate ribs.
  • the conductive structures 13 can increase the efficiency of the heat exchanger 1 can be increased.
  • the first medium flows out of the intermediate spaces 4a via the first outlet 12b out of the heat exchanger 1.
  • the heat exchanger 1 has two tube sheets 3a and 3b into which the respective flat tubes 4b open on both sides.
  • a distribution box 9a is arranged on the tube sheet 3a and a collecting box 9b for the second medium is arranged on the tube sheet 3b.
  • a second inlet 10a is formed in the distribution box 9a and a second outlet 10b is formed in the collecting box 9b.
  • the second medium consequently flows into the heat exchanger 1 via the second inlet 10a and is divided into the flat tubes 4b via the distribution box 9a.
  • the second medium from the flat tubes 4b is collected in the collecting box 9b and passed out of the heat exchanger 1 via the second outlet 10b.
  • the second medium is not diverted in the flat tubes 4b and flows through the respective corrugated structure plates 5 in a flow direction MR.
  • the flow direction MR of the second medium is oriented transversely to the stacking direction SR and corresponds to the main extent of the individual ribs 6 of the respective corrugated structure plates 5 or the longitudinal direction of the transfer block 2 or the longitudinal direction of the flat tubes 4b.
  • the flat tubes 4b are made of a stainless steel alloy and the corrugated structure plates 5 are formed from a carrier material with a catalytic coating.
  • the corrugated structure plates 5 form a cata- tor in the heat exchanger 1, in which the second medium can be chemically converted by means of catalysis.
  • the stainless steel alloy can be, for example, a ferritic chromium steel 1.4521, optionally with a niobium coating or with a niobium additive.
  • the carrier material of the corrugated structure plates 5 can, for example, a chrome Aluminum-steel 1.4737 or 1.4767.
  • the stainless steel alloy can alternatively be an austenitic chromium-nickel steel 1.4301 or an austenitic chromium-nickel-molybdenum steel 1.4404 or an austenitic chromium-nickel-silicon steel 1.4828.
  • the flat tubes 4b and the corrugated structure plates 5 can be soldered to one another via a nickel-based solder - for example a BNi-5 (9% Cr-10% Si-Ni) solder. Alternatively, the flat tubes 4b and the corrugated structure plates 5 can be welded to one another.
  • the flat tubes 4b can be soldered to the tube sheets 3a and 3b using a solder with a phosphorus content.
  • the respective corrugated structure plate 5 is characterized at least by the rib density RD - only indicated in the figures - and the wall thickness D.
  • the wall thickness D is determined in the stacking direction SR and is between 0.05 mm and 0.2 mm, preferably between 0.08 mm and 0.16 mm.
  • the rib density RD of the respective corrugated structure plate 5 is determined by the ratio of the number of individual ribs 6 transversely to the flow direction MR and the width B of the corrugated structure plate 5 transversely to the flow direction MR.
  • the rib density RD of the corrugated structure plate 5 - here the corrugated rib plate 5a - is between 50 / dm and 150 / dm, preferably between 60 / dm and 150 / dm, more preferably between 60 / dm and 80 / dm. Furthermore, the product RD 2 * D of the squared rib density RD and the wall thickness D is between 0.05 / mm and 0.15 / mm, preferably between 0.06 / mm and 0.11 / mm.
  • FIG. 4 shows a view of the corrugated structure plate 5 of the heat exchanger 1 in the form of the corrugated rib plate 5a - also shown in FIGS. 1 and 2.
  • Fig. 5 shows a plan view of the corrugated rib plate 5a with a section plane AA.
  • 6 shows a side view of the corrugated fin plate 5a with a sectional plane BB.
  • 7 and 8 show sectional views of the corrugated fin plate 5a in the sectional planes AA and BB.
  • the corrugated rib plate 5a is characterized in that the individual ribs 6 extend over the entire length L of the corrugated rib plate 5a. and are wavy.
  • a wavelength WL of the wave formed by the respective individual rib 6 is defined in the flow direction MR and is between 7 mm and 12 mm, preferably between 9 mm and 10 mm.
  • a wave width WB of this wave is defined transversely to the flow direction MR and is between 0.5 mm and 2 mm, preferably between 1 mm and 1.5 mm.
  • the rib density RD of the corrugated ribbed plate 5a can be between 50 / dm and 150 / dm, preferably between 60 / dm and 150 / dm, more preferably between 60 / dm and 80 / dm.
  • the respective individual rib 6 has two side walls 8a and 8b oriented transversely to the direction of flow MR.
  • the side walls 8a and 8b are each aligned at a wall angle W to the stacking direction SR and inclined to one another.
  • the wall angle W is between 1 ° and 6 °, preferably between 2 ° and 4 °.
  • FIG. 9 shows a view of the corrugated structure plate 5 in the form of a ribbed plate 5b.
  • Fig. 10 is a plan view of the rib plate 5b is shown with a Thomasebe ne C-C.
  • 11 shows a sectional view of the rib plate 5b in the sectional plane C-C.
  • the rib plate 5b is characterized by several Wellab sections 7 which follow one another in the flow direction MR.
  • the respective corrugated sections 7 have the individual ribs 6, which are adjacent transversely to the flow direction MR.
  • the adjacent corrugated sections 7 are, however, offset by an offset V transversely to the direction of flow MR.
  • the individual ribs 6 of the adjacent corrugated sections 7 also have the offset V to one another.
  • the offset V is here 1/2 of the width BR of the individual rib 6, as can be seen in particular in FIG. 11.
  • the length LA of the corrugated sections 7 is defined in the direction of flow MR and can be between 2 mm and 6 mm, preferably between 2 mm and 4 mm.
  • the width BR of the respective individual rib 6 is defined transversely to the flow direction MR and is between 1 mm and 5 mm, preferably between 1 mm and 3 mm, more preferably between 1 mm and 2 mm.
  • the rib density RD of the respective corrugated sections 7 is identical and is between 35 / dm and 75 / dm, before given between 45 / dm and 65 / dm.
  • the side walls 8a and 8b of the respective individual ribs 6 each have the wall angle W to the stacking direction SR.
  • the wall angle W is between 1 ° and 6 °, preferably between 2 ° and 4 °.
  • the product 2 * BR * W between twice the width BR and the wall angle W can be less than 120 mm °, preferably less than 60 mm °.
  • the product BR * sin (W) between the width BR and the sine of the wall angle W can also be smaller than the halved ratio 1 / (2 * RD) between one and the rib density RD.
  • FIG. 12 shows a view of the corrugated structure plate 5 in the form of a ribbed plate 5c designed differently.
  • Fig. 13 shows a plan view of the rib plate 5c with the sectional planes D-D and E-E.
  • sectional views of the rib plate 5c in the cutting planes D-D and E-E are ge shows.
  • the rib plate 5c is characterized in that the individual ribs 6 of the adjacent shaft sections 7 or the longitudinal center axes of the individual ribs 6 of the adjacent shaft sections 7 are aligned at an angle of incidence A to one another.
  • the angle of incidence A can be between 136 ° and 176 °, preferably between 146 ° and 166 °.
  • the rib plate 5c shown here corresponds to the rib plate 5b from FIGS. 9-11.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager (1). Der Wärmeübertrager (1) umfasst einen Übertragerblock (2) aus mehreren ersten Strömungsräumen (2a) und aus mehreren zweiten Strömungsräumen (2b), die in einer Stapelrichtung (SR) übereinander und abwechselnd angeordnet sind. Die Strömungsräume (2a, 2b) sind durch Wandungen aus einer Edelstahllegierung nach außen abgegrenzt und fluidisch voneinander getrennt. Die ersten Strömungsräume (2a) sind von einem ersten Medium und die zweiten Strömungsräume (2b) sind von einem zweiten Medium durchströmbar. In den zweiten Strömungsräumen (2b) sind Wellstrukturplatten (5) jeweils aus mehreren Einzelrippen (6) angeordnet, die sich in Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums erstrecken und quer zur Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums benachbart sind. Die Wellstrukturplatten (5) sind mit den Wandungen der zugeordneten zweiten Strömungsräume (2b) stoffschlüssig verbunden. Erfindungsgemäß sind die Wellstrukturplatten (5) aus einem Trägermaterial mit einer katalytischen Beschichtung geformt und bilden einen Katalysator, in dem das zweite Medium mittels Katalyse chemisch umwandelbar ist.

Description

Wärmeübertrager
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.
Sowohl in Verbrennungsmotor- als auch in Brennstoffzellen-Anwendungen wer den Katalysatoren verwendet. So kann beispielsweise in einer Brennstoffzellen- Anwendung aus Biokraftstoff in einem Katalysator - einem sogenannten Refor mer- mittels Katalyse der Brennstoff - beispielweise Wasserstoff und/oder Me than - gewonnen werden, der dann in der nachgeschalteten Brennstoffzelle zur Energiegewinnung genutzt wird. Üblicherweise kann der Brennstoff in der Brenn stoffzelle nicht vollständig umgesetzt werden, so dass eine ungenutzte Restmen ge des Brennstoffs verbleibt. Die Reststoffmenge des Brennstoffs kann dann in einem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Katalysator in weitere Stoffe che misch umgewandelt werden. Auch in einer Verbrennungsmotor-Anwendung kann beispielweise das Abgas in einem Katalysator chemisch in weitere Stoffe umge wandelt werden. Da die Katalyse in dem Katalysator bei einer hohen Temperatur erfolgt, wird das Arbeitsmedium üblicherweise mittels eines vorgeschalteten Wärmeübertragers auf die geforderte Temperatur vorgeheizt. Alternativ kann die Restwärme von beispielsweise Abgas in einem nachgeschalteten Wärmeüber trager nutzbar gemacht werden. Eine derartige Verbindung des Wärmeübertra gers und des Katalysators führt zu Nachteilen in Bezug auf Bauraum, Kosten, Gewicht und Effizienz.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Verbindung eines Wärmeüber tragers und eines Katalysators der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche.
Ein Wärmeübertrager umfasst einen Übertragerblock aus mehreren ersten Strö mungsräumen und aus mehreren zweiten Strömungsräumen, die in einer Stapel richtung übereinander und abwechselnd angeordnet sind. Die ersten Strömungs räume sind von einem ersten Medium und die zweiten Strömungsräume sind von einem zweiten Medium durchströmbar, so dass die Medien in dem Übertragerb lock Wärme miteinander austauschen können. Die jeweiligen Strömungsräume sind durch Wandungen aus einer Edelstahllegierung nach außen abgegrenzt und fluidisch voneinander getrennt. In den zweiten Strömungsräumen sind Wellstruk turplatten jeweils aus mehreren Einzelrippen angeordnet, die sich in Strömungs richtung des zweiten Mediums erstrecken und quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums benachbart sind. Die Wellstrukturplatten sind dabei mit den Wandungen der zugeordneten zweiten Strömungsräume stoffschlüssig verbun den. Erfindungsgemäß sind die Wellstrukturplatten aus einem Trägermaterial mit einer katalytischen Beschichtung geformt und bilden einen Katalysator, in dem das zweite Medium mittels Katalyse chemisch umwandelbar ist. In dem erfin dungsgemäßen Wärmeübertrager ist somit der Katalysator integriert, so dass im Vergleich zur herkömmlichen Verbindung eines separaten Wärmeübertragers und eines separaten Katalysators Kosten, der Bauraum und das Gewicht redu ziert sind und die Effizienz verbessert ist.
Der Übertragerblock des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist durch das erste Medium und das zweite Medium durchströmbar. Das erste Medium bzw. das zweite Medium kann dabei eine Flüssigkeit oder ein Gas oder ein Gas- Flüssigkeit-Gemisch sein. Die Strömungsrichtung des ersten Mediums und die Strömungsrichtung des zweiten Mediums sind dabei quer zur Stapelrichtung ausgerichtet. Die Strömung des zweiten Mediums in den zweiten Strömungsräu men wird durch die Ausführungsform der Einzelrippen der Wellstrukturplatten vorgegeben. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird im Folgenden die Strö mungsrichtung des zweiten Mediums stets als senkrecht zur Stapelrichtung und entlang der Haupterstreckung der Einzelrippen der Wellstrukturplatten ange nommen. Zudem wird angenommen, dass eine quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierte Richtung stets senkrecht zur Stapelrichtung und zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums ist. Es versteht sich, dass die tatsäch liche Strömung des zweiten Mediums von der definierten Strömungsrichtung ge ringfügig abweichen kann.
Der Wärmeübertrager kann in einer möglichen Ausführungsform ein Flachrohr- Wärmeübertrager sein. Der Übertragerblock ist dann aus mehreren Flachrohren geformt, zwischen denen Zwischenräume geformt sind. Dabei wechseln sich die Flachrohre und die Zwischenräume in Stapelrichtung ab. Die ersten Strömungs räume können dann durch die Zwischenräume und die zweiten Strömungsräume können dann durch die Flachrohre mit den Wellstrukturplatten gebildet sein. Die Wandungen der Strömungsräume sind dann durch die Flachrohre gebildet. Die Flachrohre sind durch das zweite Medium und die Zwischenräume sind durch das erste Medium durchströmbar, so dass die beiden Medien in dem Übertrag erblock fluidisch voneinander getrennt sind. Die in dem jeweiligen Flachrohr an geordnete Wellstrukturplatte ist dabei von dem zweiten Medium beidseitig von außen umströmbar, so dass das zweite Medium mit der katalytischen Beschich tung in direkten Kontakt kommen und die Katalyse in dem zweiten Medium statt finden kann. Die Wellstrukturplatte stellt also eine Reaktionsoberfläche für die Katalyse bereit. Die jeweilige Wellstrukturplatte stützt sich in Stapelrichtung beid seitig auf das zugeordnete Flachrohr ab. Zweckgemäß ist die jeweilige Wellstruk turplatte an Kontaktstellen mit dem Flachrohr stoffschlüssig verbunden. An die sen Kontaktstellen ist dabei keine fluiddichte stoffschlüssige Verbindung erforder- lieh. Durch die stoffschlüssige Verbindung können jedoch die Wärmeübertragung und die Betriebsfestigkeit des Wärmeübertragers verbessert werden. Die Flach rohre sind dann aus der Edelstahllegierung und die Wellstrukturplatten sind aus dem Trägermaterial mit der katalytischen Beschichtung geformt.
Der Wärmeübertrager kann in einer alternativen Ausführungsform ein Stapel- scheiben-Wärmeübertrager sein. Der Übertragerblock des Wärmeübertragers ist dann aus mehreren übereinander gestapelten Scheiben geformt. Zwischen den benachbarten Scheiben sind abwechselnd die ersten Strömungsräume und die zweiten Strömungsräume gebildet. Die Strömungsräume sind dann durch die Scheiben voneinander getrennt und die Wandungen der Strömungsräume sind dann durch die Scheiben gebildet. Über die Scheiben bleiben die beiden Medien fluidisch voneinander getrennt und können Wärme miteinander austauschen. In den zweiten Strömungsräumen sind die Wellstrukturplatten angeordnet, die sich in Stapelrichtung beidseitig auf benachbarte Scheiben abstützen. Die Wellstruk turplatte stellt dann eine Reaktionsoberfläche für die Katalyse des zweiten Medi ums bereit. Zweckgemäß ist die jeweilige Wellstrukturplatte an Kontaktstellen mit den zugeordneten Scheiben stoffschlüssig verbunden. An diesen Kontaktstellen ist dabei keine fluiddichte stoffschlüssige Verbindung erforderlich. Durch die stoffschlüssige Verbindung kann jedoch die Wärmeübertragung und die Betriebs festigkeit des Wärmeübertragers verbessert werden. Die Scheiben sind dann aus der Edelstahllegierung und die Wellstrukturplatten sind aus dem Trägermaterial mit der katalytischen Beschichtung geformt.
Grundsätzlich sind auch andere alternativen Ausführungsformen des Wärme übertrages denkbar.
In dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager sind die Wandungen der Strö mungsräume und die Wellstrukturplatten aus unterschiedlichen Materialien ge- formt. Das Trägermaterial der Wellstrukturplatten kann dabei in Bezug auf die Adhäsion der katalytischen Beschichtung optimiert sein. Die Edelstahllegierung der Wandungen der Strömungsräume kann dagegen in Bezug auf das fluiddichte Verbinden - beispielweise Verlöten oder Verschweißen - der Wandungen mitei nander und/oder mit weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers optimiert sein. Werden die Wandungen der Strömungsräume miteinander und/oder mit den weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers verlötet, so kann die Edelstahlle gierung in Bezug auf die Adhäsion des Lots optimiert sein. Dabei ist keine fluid dichte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Trägermaterial der Wellstruktur platten und der Edelstahllegierung der Wandungen der Strömungsräume erfor derlich.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Edelstahllegierung ein ferriti- scher Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% ist. Der ferritische Chrom-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4521 -Stahl oder ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4528-Stahl sein. Alternativ kann die Edelstahllegierung ein ferritischer Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17- 20% und einer Niob-Beschichtung oder ein ferritischer Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% und einem Niob-Zusatz sein. Durch die Niob- Beschichtung oder den Niob-Zusatz kann der Chrom-Stahl insbesondere in Be zug auf Adhäsion des Lots optimiert sein. Vorteilhafterweise kann die Edelstahl legierung ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17,5-19,5% und mit einem Nickel-Anteil von 8-10,5% sein. Der austenitische Chrom-Nickel-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4301 -Stahl sein. Alternativ kann die Edelstahllegierung ein austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 16,5-18,5% und mit einem Nickel-Anteil von 10-13% und mit einem Molybdän-Anteil von 2-2,5% sein. Der austenitische Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4404-Stahl sein. Alternativ kann die Edelstahllegie- rung ein austenitischer Chrom-Nickel-Silicium-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 19-21% und mit einem Nickel-Anteil von 11-13% und mit einem Silicium-Anteil von 1,5-2, 5% sein. Der austenitische Chrom-Nickel-Silicium-Stahl kann beispiel weise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4828-Stahl sein. Vorteilhafterweise kann der austenitischer Chrom-Nickel-Silicium-Stahl temperaturstabilisiert sein.
Das Trägermaterial der Wellstrukturplatten kann ein Chrom-Aluminium-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% und mit einem Aluminium-Anteil von 2-10%, bevorzugt von 3-7%, sein. Der Chrom-Aluminium-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4737-Stahl sein. Alternativ kann der Chrom- Aluminium-Stahl beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4767-Stahl sein. Das Trägermaterial kann insbesondere in Bezug auf gute Adhäsion der ka talytischen Beschichtung optimiert sein.
Die katalytische Beschichtung kann aus einem dem Fachmann bekannten kataly tischen Material sein.
Es versteht sich, dass die oben genannten Stähle auch weitere Bestandteile - wie beispielweise Eisen und/oder Molybdän und/oder Titan und/oder Silicium und/oder Kohlenstoff - umfassen können.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wärmeübertragers können die Wan dungen der zweiten Strömungsräume und die Wellstrukturplatten miteinander über ein Nickelbasislot verlötet sein. Vorzugsweise liegt das Nickelbasislot in Form einer Nickelbasislot-Folie vor. Bei dem Nickelbasislot kann es sich bei spielweise um ein BNi-5(9%Cr-10%Si-Ni)-Lot handeln. Vorteilhafterweise können die Wandungen der zweiten Strömungsräume und die Wellstrukturplatten mitei nander über ein Lot mit einem Phosphoranteil, vorzugsweise eine NiCrPhSi- Lotlegierung, verlötet sein. Vorteilhafterweise kann das Lot mit dem Phosphoran teil die Festigkeit der Lötverbindung zwischen der Edelstahllegierung und dem Trägermaterials deutlich verbessern. Alternativ können die Wandungen der zwei- ten Strömungsräume und die Wellstrukturplatten miteinander auch verschweißt sein. Vorteilhafterweise können die Wandungen der Strömungsräume miteinan der und/oder mit den weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers über ein Lot mit Phosphoranteil verlötet sein. Durch den Phosphoranteil können die Benet zung auf der Edelstahllegierung der Wandungen und die Lötstabilität verbessert werden. Insbesondere können Spalte zwischen den Wandungen der Strömungs räume und/oder zwischen den Wandungen der Strömungsräume und den weite ren Bestandteilen des Wärmeübertragers besser ausgefüllt und dadurch die Dichtheit der Lötverbindung verbessert werden. Denkbar ist dabei, dass bei der Fertigung des Wärmeübertragers zuerst die Wellstrukturplatten mit den Wandun gen der zweiten Strömungsräume und danach gegebenenfalls die Wandungen der Strömungsräume miteinander zu dem Übertragerblock und anschließend der Übertragerblock mit den weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers stoff schlüssig verbunden werden. Alternativ ist auch denkbar, dass die Wandungen der Strömungsräume, die Wellstrukturplatten und die weiteren Bestandteile des Wärmeübertragers in einem Schritt miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann dabei durch das Verlöten oder das Ver schweißen erfolgen.
Bei der vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass das Produkt zwischen der quadrierten Rippendichte der jeweiligen Well strukturplatte und der Wandstärke der jeweiligen Wellstrukturplatte zwischen 0,05/mm und 0,15/mm, bevorzugt zwischen 0,06/mm und 0,11/mm, liegt. Bei dem Produkt kleiner 0,08/mm kann eine höhere Temperatur an den Wellstruktur platten als bei dem Produkt größer 0,08/mm erreicht werden. Ist beispielweise ein hoher Konvertierungsgrad bei der Katalyse des zweiten Mediums erforderlich und kann dieser durch die Temperatur eines der Medien oder der beiden Medien in dem Wärmeübertrager nicht erreicht werden, so können die Rippendichte und die Wandstärke entsprechend angepasst und das Produkt kleiner 0,08/mm sein. Das kann beispielweise in einer Verbrennungsmotor-Anwendung verwendet werden, um die Effizienz der Katalyse beim Kaltstart des Verbrennungsmotors zu verbes sern. Das Produkt größer 0,08/mm ist dagegen zu bevorzugen, wenn bei hohen Temperaturen der beiden Medien und oberhalb der Arbeitstemperatur der kataly tischen Beschichtung besonders hohe Anforderungen an die Wärmeübertragung in dem Wärmeübertrager bestehen.
Steigt die Rippendichte der Wellstrukturplatte, so vergrößert sich auch die für die Katalyse zur Verfügung stehende Reaktionsoberfläche der Wellstrukturplatte. Beim Erhöhen der Rippendichte können demnach der katalytische Konvertie rungsgrad und die Wärmeübertragung in dem Wärmeübertrager erhöht werden. Bei der steigenden Rippendichte steigt jedoch auch die Anzahl der Einzelrippen. Je höher die Anzahl der Einzelrippen, desto kleiner sind deren durchström bare Querschnitte, so dass das Risiko einer Verblockung steigt. So können die durch- strömbare Querschnitte der einzelnen Einzelrippen bereits beim Verlöten der Wellstrukturplatte mit den Wandungen der zweiten Strömungsräume oder beim Aufträgen der katalytischen Beschichtung verblockt werden. Die Wandstärke der Wellstrukturplatte ist dabei aufgrund der technischen Ausführbarkeit von der Rip pendichte abhängig. So kann bei der hohen Rippendichte aus Prozess- und Kos tengründen die Wandstärke reduziert werden und bei der niedrigen Rippendichte und der hohen Wandstärke komplexe Geometrien zur Verbesserung der Wärme übertragung realisiert werden.
Die Wandstärke der jeweiligen Wellstrukturplatte ist in Stapelrichtung definiert und kann vorteilhafterweise zwischen 0,05 mm und 0,2 mm liegen. Bevorzugt kann die Wandstärke der jeweiligen Wellstrukturplatte zwischen 0,08 mm und 0,16 mm liegen. Die Rippendichte der jeweiligen Wellstrukturplatte ist durch das Verhältnis zwischen der Anzahl der Einzelrippen in der Wellstrukturplatte und der quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierten Breite der Well strukturplatte bestimmt.
Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Einzelrippe der Well strukturplatte zwei quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums ausgerich tete Seitenwände aufweist. Die Seitenwände sind dabei jeweils unter einem Wandwinkel zur Stapelrichtung ausgerichtet. Der Wandwinkel kann vorteilhafter weise zwischen 1° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°, liegen. Zweckgemäß sind die benachbarten Seitenwände jeweils zueinander geneigt ausgebildet und weisen einen Neigwinkel zueinander auf, der dem verdoppelten Wandwinkel ent spricht. Demnach liegt der Neigwinkel zwischen 2° und 12°, bevorzugt zwischen 4° und 8°.
Bei der Ausgestaltung der Wellstrukturplatte wird insbesondere eine hohe Tem peratur an der Wellstrukturplatte angestrebt, um eine möglichst effiziente Kataly se in dem zweiten Medium zu erreichen. Dabei spielt neben der Rippendichte und der Wandstärke auch die Geometrie der Wellstrukturplatte eine große Rolle. Im Folgenden werden einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Wellstrukturplatten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diese Ausgestaltungen nur beispiel haft sind uns auch weitere Ausgestaltungen der Wellstrukturplatten denkbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wellstrukturplatte kann die Wellstruk turplatte eine Stegrippenplatte mit mehreren Wellabschnitten sein. Die Wellab schnitte folgen einander in Strömungsrichtung des zweiten Mediums und sind jeweils aus mehreren quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums benach barten Einzelrippen gebildet. Die Einzelrippen der jeweiligen benachbarten Well abschnitte sind quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums relativ zuei nander versetzt. Beispielweise kann der Versatz der Einzelrippen der benachbar- ten Wellabschnitte 1/2 oder 1/3 der quer zur Strömungsrichtung definierten Breite der Einzelrippe betragen.
Vorteilhafterweise kann die in Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierte Länge der Wellabschnitte zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm, mehr bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm, liegen. Die Rippendichte der jeweiligen Wellabschnitte kann dabei identisch sein. Die Rippendichte kann zudem so angepasst sein, dass das Verblockungsrisiko in der Stegrippenplatte reduziert ist und eine hohe Temperatur an der Stegrippenplatte erreichbar ist. Vorteilhafterweise kann die Rippendichte des jeweiligen Wellabschnitts zwischen 35/dm und 75/dm, bevorzugt zwischen 45/dm und 65/dm, liegen.
Weisen die Seitenwände der Einzelrippen des jeweiligen Wellabschnitts den oben definierten Wandwinkel zur Stapelrichtung auf, so kann das Produkt zwi schen der doppelten quer Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierten Breite der jeweiligen Einzelrippe und dem Wandwinkel kleiner 120 mm°, vor zugsweise kleiner 60 mm°, sein. Die mit dem Produkt kleiner 120 mm° korres pondieren Geometrien der Stegrippenplatte können bei Herstellung der Stegrip penplatte mit Warmumformung realisiert werden. Die mit dem bevorzugten Pro dukt kleiner 60 mm° korrespondieren Geometrien können bei Herstellung der Stegrippenplatte auch mit Kaltumformung realisiert werden. Vorteilhafterweise kann das Produkt zwischen der quer zur Strömungsrichtung des zweiten Medi ums definierten Breite der jeweiligen Einzelrippe und dem Sinus des Wandwin kels kleiner als das halbierte Verhältnis zwischen eins und der quer zur Strö mungsrichtung des zweiten Mediums definierten Rippendichte des jeweiligen Wellabschnitts sein.
Bei einer Weiterbildung der Stegrippenplatte kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Einzelrippen der benachbarten Wellenabschnitte unter einem An- stellwinkel zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise kann der Anstellwin kel zwischen 136° und 176°, bevorzugt zwischen 146° und 166°, liegen. Vorteil hafterweise können dabei die Einzelrippen der benachbarten Wellabschnitte je weils einen identischen Winkel zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums aufweisen. Dieser Winkel entspricht dann einer halbierten Differenz zwischen 180° und dem Anstellwinkel.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wellstrukturplatte kann die Wellstruk turplatte eine Wellrippenplatte mit mehreren Einzelrippen sein. Dabei erstrecken sich die Einzelrippen in Strömungsrichtung des zweiten Mediums über die ge samte Länge der Wellrippenplatte. Die Rippendichte der Wellrippenplatte kann vorteilhafterweise zwischen 50/dm und 150/dm, bevorzugt zwischen 60/dm und 150/dm, mehr bevorzugt zwischen 60/dm und 80/dm, liegen.
Vorteilhafterweise können die jeweiligen Einzelrippen in Strömungsrichtung des zweiten Mediums eine Welle mit einer in Strömungsrichtung des zweiten Medi ums definierten Wellenlänge und mit einer quer zur Strömungsrichtung des zwei ten Mediums definierten Wellenbreite bilden. Vorteilhafterweise kann die Wellen länge zwischen 7 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 9 mm und 10 mm, liegen. Die Wellenbreite kann zwischen 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 1 ,5 mm liegen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei bung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeüber- tragers;
Fig. 2 eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertra gers, der an einem zweiten Strömungsraum geschnitten ist;
Fig. 3 eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertra gers, der an einem ersten Strömungsraum geschnitten;
Fig. 4 eine Ansicht einer Wellstrukturplatte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in Form einer Wellrippenplatte;
Fig. 5 eine Draufsicht auf die Wellrippenplatte aus Fig. 4 mit einer Schnittebene A-A;
Fig. 6 eine Seitenansicht der Wellrippenplatte aus Fig. 4 mit einer Schnittebene B-B; Fig. 7 und 8 Schnittansichten der Wellrippenplatte aus Fig. 4 in den Schnitt ebenen A-A und B-B;
Fig. 9 eine Ansicht einer Wellstrukturplatte des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers in Form einer Stegrippenplatte;
Fig. 10 eine Draufsicht auf die Stegrippenplatte aus Fig. 9 mit einer
Schnittebene C-C;
Fig. 11 eine Schnittansicht der Stegrippenplatte aus Fig. 9 in der Schnitt ebene C-C;
Fig. 12 eine Ansicht einer Wellstrukturplatte des erfindungsgemäßen
Wärmeübertragers in Form einer abweichend ausgestalteten Stegrippenplatte;
Fig. 13 eine Draufsicht auf die Stegrippenplatte aus Fig. 12 mit Schnitt ebenen D-D und E-E;
Fig. 14 und 15 Schnittansichten der Stegrippenplatte aus Fig. 13 in den Schnitt ebenen D-D und E-E.
Fig. 1 zeigt eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 umfasst einen Übertragerblock 2 mit mehreren ersten Strömungsräumen 2a und mit mehreren zweiten Strömungsräumen 2b. Die Strömungsräume 2a und 2b sind dabei in einer Stapelrichtung SR übereinander und abwechselnd angeordnet. Die ersten Strömungsräume 2a sind durch ein ers tes Medium und die zweiten Strömungsräume 2b sind durch ein zweites Medium durchström bar. Die Strömungsräume 2a und 2b sind durch Wandungen nach außen abgegrenzt und fluidisch voneinander getrennt. In Fig. 2 ist eine Explosi onsansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 gezeigt, der an einem der zweiten Strömungsräume 2b geschnitten ist. Fig. 3 zeigt eine Explosionsan sicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 , der an einem der ersten Strömungsräume 2a geschnitten ist.
In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager 1 ein Flachrohr- Wärmeübertrager und der Übertragerblock 2 ist aus mehreren Flachrohren 4b gebildet. Die Flachrohre 4b sind in Stapelrichtung ST reihenweise zueinander beabstandet angeordnet, so dass zwischen den Flachrohren 4b Zwischenräume 4a gebildet sind. Die Zwischenräume 4a sind durch das erste Medium durch- strömbar und entsprechen dadurch den ersten Strömungsräumen 2a. Die Flach rohre 4b sind durch das zweite Medium durchströmbar und entsprechen den zweiten Strömungsräumen 2b. In den Flachrohren 4b sind Wellstrukturplatten 5 - hier Wellrippenplatten 5a - angeordnet. Die Wellstrukturplatten 5 weisen mehrere Einzelrippen 6 auf und sind außen von dem zweiten Medium umströmbar. Zum besseren Verständnis ist in Fig. 1 eins der Flachrohre 4b mit der Wellstrukturplat te 5 außerhalb des Übertragerblocks 2 gezeigt.
In der gezeigten Ausführungsform weist der Wärmeübertrager 1 zudem ein Ge häuse 11 auf, das den Übertragerblock 2 aufnimmt. An dem Gehäuse 11 sind ein Ersteinlass 12a und Erstauslass 12b für das erste Medium angeordnet. Das erste Medium strömt folglich in den Wärmeübertrager 1 über den Ersteinlass 12a ein und wird innerhalb des Gehäuses 11 in den Zwischenräumen 4a verteilt. Bezug nehmend auf Fig. 3 können dazu in den Zwischenräumen 4a Leitstrukturen 13 vorgesehen sein, die das erste Medium von dem Ersteinlass 12a zu dem Erstauslass 12b führen. Die Leitstrukturen 13 können beispielsweise durch sepa rate Rippen realisiert sein. Durch die Leitstrukturen 13 kann der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers 1 erhöht werden. Aus den Zwischenräumen 4a strömt das erste Medium über den Erstauslass 12b aus dem Wärmeübertrager 1 raus.
Ferner weist der Wärmeübertrager 1 in der gezeigten Ausführungsform zwei Rohrböden 3a und 3b auf, in die die jeweiligen Flachrohre 4b beidseitig münden. An dem Rohrboden 3a ist ein Verteilkasten 9a und an dem Rohrboden 3b ist ein Sammelkasten 9b für das zweite Medium angeordnet. In dem Verteilkasten 9a ist ein Zweiteinlass 10a und in dem Sammelkasten 9b ist ein Zweitauslass 10b ge formt. Das zweite Medium strömt folglich in den Wärmeübertrager 1 über den Zweiteinlass 10a ein und wird über den Verteilkasten 9a in die Flachrohre 4b ver teilt. In dem Sammelkasten 9b wird das zweite Medium aus den Flachrohren 4b gesammelt und über den Zweitauslass 10b aus dem Wärmeübertrager 1 rausge leitet. Wie in Fig. 2 mit Pfeilen angedeutet, wird das zweite Medium in den Flach rohren 4b nicht umgeleitet und strömt durch die jeweiligen Wellstrukturplatten 5 in eine Strömungsrichtung MR. Die Strömungsrichtung MR des zweiten Mediums ist dabei quer zur Stapelrichtung SR ausgerichtet und entspricht der Haupterstre- ckung der Einzelrippen 6 der jeweiligen Wellstrukturplatten 5 bzw. der Längsrich tung des Übertragerblocks 2 bzw. der Längsrichtung der Flachrohre 4b. Dadurch kann eine ausreichende Reaktionsfläche für die Katalyse des zweiten Mediums bereitgestellt werden.
Die Flachrohre 4b sind dabei aus einer Edelstahllegierung und die Wellstruktur platten 5 sind aus einem Trägermaterial mit einer katalytischen Beschichtung ge formt. Die Wellstrukturplatten 5 bilden in dem Wärmeübertrager 1 einen Katalysa tor, in dem das zweite Medium mittels Katalyse chemisch umwandelbar ist.
Die Edelstahllegierung kann beispielsweise ein ferritischer Chrom-Stahl 1.4521 gegebenenfalls mit einer Niob-Beschichtung oder mit einem Niob-Zusatz sein.
Das Trägermaterial der Wellstrukturplatten 5 kann beispielweise ein Chrom- Aluminium-Stahl 1.4737 oder 1.4767 sein. Die Edelstahllegierung kann alternativ ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl 1.4301 oder ein austenitischer Chrom- Nickel-Molybdän-Stahl 1.4404 oder ein austenitischer Chrom-Nickel-Silicium- Stahl 1.4828 sein. Die Flachrohre 4b und die Wellstrukturplatten 5 können mitei nander über ein Nickelbasislot - beispielweise ein BNi-5(9%Cr-10%Si-Ni)-Lot - verlötet sein. Alternativ können die Flachrohre 4b und die Wellstrukturplatten 5 miteinander verschweißt sein. Die Flachrohre 4b können mit den Rohrböden 3a und 3b über ein Lot mit Phosphoranteil verlötet sein.
Die jeweilige Wellstrukturplatte 5 ist dabei zumindest durch die Rippendichte RD - in Figuren nur angedeutet - und die Wandstärke D charakterisiert. Die Wand stärke D ist in Stapelrichtung SR bestimmt und liegt zwischen 0,05 mm und 0,2 mm, bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,16 mm. Die Rippendichte RD der jeweiligen Wellstrukturplatte 5 ist durch das Verhältnis der Anzahl der Einzelrip pen 6 quer zur Strömungsrichtung MR und der Breite B der Wellstrukturplatte 5 quer zur Strömungsrichtung MR bestimmt. Die Rippendichte RD der Wellstruk turplatte 5 - hier der Wellrippenplatte 5a - liegt zwischen 50/dm und 150/dm, be vorzugt zwischen 60/dm und 150/dm, mehr bevorzugt zwischen 60/dm und 80/dm. Ferner liegt das Produkt RD2*D der quadrierten Rippendichte RD und der Wandstärke D zwischen 0,05/mm und 0,15/mm, bevorzugt zwischen 0,06/mm und 0,11/mm.
Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Wellstrukturplatte 5 des Wärmeübertragers 1 in Form der - auch in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten - Wellrippenplatte 5a. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Wellrippenplatte 5a mit einer Schnittebene A-A. In Fig. 6 ist eine Seitenansicht der Wellrippenplatte 5a mit einer Schnittebene B-B gezeigt. Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Schnittansichten der Wellrippenplatte 5a in den Schnitt ebenen A-A und B-B. Die Wellrippenplatte 5a zeichnet sich dadurch aus, dass die Einzelrippen 6 sich über die gesamte Länge L der Wellrippenplatte 5a erstre- cken und gewellt sind. Eine Wellenlänge WL der durch die jeweilige Einzelrippe 6 gebildeten Welle ist in Strömungsrichtung MR definiert und liegt zwischen 7 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 9 mm und 10 mm. Eine Wellenbreite WB dieser Welle ist quer zur Strömungsrichtung MR definiert und liegt zwischen 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 1,5 mm. Die Rippendichte RD der Wellrip penplatte 5a kann zwischen 50/dm und 150/dm, bevorzugt zwischen 60/dm und 150/dm, mehr bevorzugt zwischen 60/dm und 80/dm, liegen. Wie in Fig. 8 er kennbar, weist die jeweilige Einzelrippe 6 zwei quer zur Strömungsrichtung MR ausgerichtete Seitenwände 8a und 8b auf. Die Seitenwände 8a und 8b sind je weils unter einem Wandwinkel W zur Stapelrichtung SR ausgerichtet und zuei nander geneigt. Der Wandwinkel W liegt dabei zwischen 1 ° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°.
Fig. 9 zeigt eine Ansicht der Wellstrukturplatte 5 in Form einer Stegrippenplatte 5b. In Fig. 10 ist eine Draufsicht auf die Stegrippenplatte 5b mit einer Schnittebe ne C-C gezeigt. Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht der Stegrippenplatte 5b in der Schnittebene C-C. Die Stegrippenplatte 5b zeichnet sich durch mehrere Wellab schnitte 7 aus, die in Strömungsrichtung MR einander folgen. Die jeweiligen Wellabschnitte 7 weisen die Einzelrippen 6 auf, die quer zur Strömungsrichtung MR benachbart sind. Die benachbarten Wellabschnitte 7 sind jedoch quer zur Strömungsrichtung MR um einen Versatz V versetzt. Dadurch weisen auch die Einzelrippen 6 der benachbarten Wellabschnitte 7 den Versatz V zueinander auf. Der Versatz V beträgt hier 1/2 der Breite BR der Einzelrippe 6, wie insbesondere in Fig. 11 erkennbar ist.
Die Länge LA der Wellabschnitte 7 ist in Strömungsrichtung MR definiert und kann zwischen 2 mm und 6 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 4 mm, liegen.
Die Breite BR der jeweiligen Einzelrippe 6 ist quer zur Strömungsrichtung MR definiert und liegt zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm, mehr bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm. Die Rippendichte RD der jewei ligen Wellabschnitte 7 ist identisch und liegt zwischen 35/dm und 75/dm, bevor zugt zwischen 45/dm und 65/dm. Wie insbesondere in Fig. 11 erkennbar ist, wei sen die Seitenwände 8a und 8b der jeweiligen Einzelrippen 6 jeweils den Wand winkel W zur Stapelrichtung SR auf. Der Wandwinkel W liegt dabei zwischen 1 ° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°. Dabei kann das Produkt 2*BR*W zwi schen der doppelten Breite BR und dem Wandwinkel W kleiner 120 mm°, vor zugsweise kleiner 60 mm°, sein. Das Produkt BR*sin(W) zwischen der Breite BR und dem Sinus des Wandwinkels W kann ferner kleiner als das halbierte Verhält nis 1/(2*RD) zwischen eins und der Rippendichte RD sein.
Fig. 12 zeigt eine Ansicht der Wellstrukturplatte 5 in Form einer abweichend aus gestalteten Stegrippenplatte 5c. Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf die Stegrippen platte 5c mit den Schnittebenen D-D und E-E. In Fig. 14 und Fig. 15 sind Schnittansichten der Stegrippenplatte 5c in den Schnittebenen D-D und E-E ge zeigt. Die Stegrippenplatte 5c zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Einzel rippen 6 der benachbarten Wellenabschnitte 7 bzw. die Längsmittelachsen der Einzelrippen 6 der benachbarten Wellenabschnitte 7 unter einem Anstellwinkel A zueinander ausgerichtet sind. Der Anstellwinkel A kann zwischen 136° und 176°, bevorzugt zwischen 146° und 166°, liegen. Im Übrigen entspricht die hier gezeig te Stegrippenplatte 5c der Stegrippenplatte 5b aus Fig. 9-11.
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Claims

Ansprüche
1. Wärmeübertrager (1 ),
- wobei der Wärmeübertrager (1 ) einen Übertragerblock (2) mit mehreren ersten Strömungsräumen (2a) und mit mehreren zweiten Strömungsräumen (2b) um fasst, die in einer Stapelrichtung (SR) übereinander und abwechselnd ange ordnet sind,
- wobei die Strömungsräume (2a, 2b) durch Wandungen aus einer Edelstahlle gierung nach außen abgegrenzt und fluidisch voneinander getrennt sind,
- wobei die ersten Strömungsräume (2a) von einem ersten Medium und die zweiten Strömungsräume (2b) von einem zweiten Medium durchströmbar sind, so dass die Medien in dem Übertragerblock (2) Wärme miteinander austau- schen können,
- wobei Wellstrukturplatten (5) jeweils aus mehreren Einzelrippen (6) in den zweiten Strömungsräumen (2b) angeordnet und mit den Wandungen der zu geordneten zweiten Strömungsräume (2b) stoffschlüssig verbunden sind, und
- wobei die Einzelrippen (6) sich in Strömungsrichtung (MR) des zweiten Medi ums erstrecken und quer zur Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums benachbart sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellstrukturplatten (5) aus einem Trägermaterial mit einer katalytischen
Beschichtung geformt sind und einen Katalysator bilden, in dem das zweite Me dium mittels Katalyse chemisch umwandelbar ist.
2. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Edelstahllegierung ein ferritischer Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% oder ein ferritischer Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17- 20% und einer Niob-Beschichtung oder ein ferritischer Niob-Chrom-Stahl mit ei nem Chrom-Anteil von 17-20% und einem Niob-Zusatz ist.
3. Wärmeübertrager nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Edelstahllegierung ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17,5-19,5% und mit einem Nickel-Anteil von 8-10,5% oder ein austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 16,5- 18,5% und mit einem Nickel-Anteil von 10-13% und mit einem Molybdän-Anteil von 2-2,5% oder ein austenitischer Chrom-Nickel-Silicium-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 19-21% und mit einem Nickel-Anteil von 11-13% und mit einem Silicium-Anteil von 1,5-2, 5%.
4. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial ein Chrom-Aluminium-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% und mit einem Aluminium-Anteil von 2-10%, bevorzugt von 3-7%, ist.
5. Wärmeübertrager nach einem Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Wandungen der zweiten Strömungsräume (2b) und die Wellstruktur platten (5) miteinander über ein Nickelbasislot, vorzugsweise in Form einer Ni- ckelbasislot-Folie, oder über ein Lot mit Phosphoranteil verlötet sind, und/oder
- dass die Wandungen der Strömungsräume (2a, 2b) miteinander über ein Lot mit Phosphoranteil verlötet oder miteinander verschweißt sind.
6. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt (RD2*D) zwischen der quadrierten Rippendichte (RD) der jewei ligen Wellstrukturplatte (5) und der Wandstärke (D) der jeweiligen Wellstruktur platte (5) zwischen 0,05/mm und 0,15/mm, bevorzugt zwischen 0,06/mm und 0,11/mm, liegt.
7. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Einzelrippe (6) der Wellstrukturplatte (5) zwei quer zur Strö mungsrichtung (MR) des zweiten Mediums ausgerichtete Seitenwände (8a, 8b) aufweist, die jeweils unter einem Wandwinkel (W) zur Stapelrichtung (SR) ausge richtet sind.
8. Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandwinkel zwischen 1 ° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°, liegt.
9. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Wellstrukturplatte (5) eine Stegrippenplatte (5b, 5c) mit mehreren in Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums einander folgenden Wellab schnitten (7) ist, und
- dass die Einzelrippen (6) der jeweiligen benachbarten Wellabschnitte (7) quer zur Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums relativ zueinander versetzt sind.
10. Wärmeübertrager zumindest nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt (2*BR*W) zwischen der doppelten quer Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums definierten Breite (BR) der jeweiligen Einzelrippe (6) und dem Wandwinkel (W) kleiner 120 mm°, vorzugsweise kleiner 60 mm°, ist.
11 . Wärmeübertrager zumindest nach Anspruch 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt (BR*sin(W)) zwischen der quer Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums definierten Breite (BR) der jeweiligen Einzelrippe (6) und dem Sinus des Wandwinkels (sin(W)) kleiner als das halbierte Verhältnis (1/(2*RD)) zwischen eins und der quer zur Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums definierten Rippendichte (RD) des jeweiligen Wandabschnitts (7) ist.
12. Wärmeübertrager zumindest nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrippen (6) der benachbarten Wellenabschnitte (7) unter einem An stellwinkel (A) zueinander ausgerichtet sind.
13. Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anstellwinkel (A) zwischen 136° und 176°, bevorzugt zwischen 146° und 166°, liegt.
14. Wärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellstrukturplatte (5) eine Wellrippenplatte (5a) ist, wobei die Einzelrip pen (6) der Wellrippenplatte (5a) sich in Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums über die gesamte Länge (L) der Wellrippenplatte (5a) erstrecken.
15. Wärmeübertrager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Einzelrippen (6) in Strömungsrichtung (MR) des zweiten Me diums eine Welle mit einer in Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums de finierten Wellenlänge (WL) und mit einer quer zur Strömungsrichtung (MR) des zweiten Mediums definierten Wellenbreite (WB) bilden.
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