DE102020000274A1

DE102020000274A1 - Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers

Info

Publication number: DE102020000274A1
Application number: DE102020000274.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas ACHER; Pascal Freko; Paul Heinz; Axel Lehmacher; Christian Matten; Thomas Walter; Dino Mehanovic
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2020-01-17
Filing date: 2020-01-17
Publication date: 2021-07-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (100), bei dem eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen (1) ausgebildet wird, die durch Trennbleche (4) voneinander getrennt sind, wobei zumindest ein Teil der Wärmeaustauschpassagen (1) jeweils ein oder mehrere Strukturbleche mit Lamellen (3) und jeweils eine oder mehrere Fluidlenkstrukturen (11) aufweist, die mit Fluidkanälen, die durch die Lamellen (3) gebildet sind, in Fluidkontakt stehen. Die Erfindung sieht vor, dass die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird und Fluidkanäle (C) mit gekrümmtem Verlauf und/oder mit unterschiedlichen lichten Weiten (c1, c2, c3) und/oder mit unterschiedlichen Wandstärken (m1, m2) aufweist, wobei ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle (C) über wenigstens 50% seiner Länge zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand um nicht mehr als 10% schwankt. Ein entsprechender Rippen-Platten-Wärmetauscher (100) ist ebenfalls Gegenstand.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers sowie einen entsprechend hergestellten Rippen-Platten-Wärmetauscher gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005), wie sie in einer Vielzahl von Anlagen bei unterschiedlichsten Drücken und Temperaturen eingesetzt werden. Entsprechende Wärmetauscher finden beispielsweise Anwendung bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der Verflüssigung von Erdgas oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen. Ist nachfolgend verkürzend von einem „Wärmetauscher“ oder „Plattenwärmetauscher“ die Rede, sei hierunter stets ein entsprechender (hart-) gelöteter Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium verstanden. Es versteht sich, dass „Aluminium“ dabei auch eine Aluminiumlegierung bezeichnen kann.
Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in 2 der erwähnten ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung „The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association“ der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben. Eine Abbildung, die im Wesentlichen den dortigen Abbildungen entspricht, ist in der beigefügten 1 als Stand der Technik dargestellt und wird im Folgenden vorab erläutert.
Der in 1 teilweise eröffnet dargestellte Plattenwärmetauscher 200 gemäß dem Stand der Technik dient dem Wärmeaustausch von im dargestellten Beispiel fünf verschiedenen Prozessmedien A bis E.
Zum Wärmeaustausch zwischen den Prozessmedien A bis E umfasst der Plattenwärmetauscher 200 dabei eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Trennblechen 4 (in den zuvor genannten Veröffentlichungen, auf die sich auch die nachfolgenden Angaben in Klammern beziehen, im Englischen als Parting Sheets bezeichnet), zwischen denen durch Strukturbleche mit Lamellen 3 (Fins) definierte Wärmeaustauschpassagen 1 für jeweils eines der Prozessmedien A bis E, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können, ausgebildet sind.
Die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind typischerweise gefaltet bzw. gewellt ausgebildet, wobei durch die Faltungen bzw. Wellen jeweils Strömungskanäle gebildet werden, wie auch in 1 der ISO 15547-2:3005 gezeigt. Die Bereitstellung der Strukturbleche mit Lamellen 3 bietet im Vergleich zu Plattenwärmetauschern ohne Lamellen den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung, einer gezielteren Fluidführung und einer Erhöhung der mechanischen (Zug-)Festigkeit. In den Wärmeaustauschpassagen 1 strömen die Prozessmedien A bis E insbesondere durch die Trennbleche 4 getrennt voneinander, können ggf. aber im Fall von perforierten Strukturblechen mit Lamellen 3 durch letztere hindurchtreten.
Die einzelnen Passagen 16 bzw. die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind seitlich jeweils durch sogenannte Sidebars 8 umgeben, die jedoch Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 freilassen. Die Sidebars 8 halten die Trennbleche 4 auf Abstand und sorgen für eine mechanische Verstärkung. Zum Abschluss an zumindest zwei Seiten dienen insbesondere verstärkt ausgebildete Deckbleche 5 (Cap Sheets), die parallel zu den Trennblechen 4 angeordnet sind.
Mittels sogenannter Header 7, die mit Stutzen 6 (Nozzles) versehen sind, werden die Prozessmedien A bis E über Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 zu- und abgeführt. Im Eingangsbereich der Passagen 1 befinden sich weitere Strukturbleche mit sogenannten Verteilerlamellen 2 (Distributor Fins), die für eine gleichmäßige Verteilung auf die gesamte Breite der Passagen 1 sorgen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage 1 können sich weitere Strukturbleche mit Verteilerlamellen 2 befinden, die die Prozessmedien A bis E aus den Passagen 1 in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über die entsprechenden Stutzen 6 abgezogen werden.
Durch die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Sidebars 8, die Trennbleche 4 und die Deckbleche 5 wird insgesamt ein hier quaderförmiger Wärmetauscherblock 20 gebildet, wobei unter einem „Wärmetauscherblock“ hier die genannten Elemente ohne die Header 7 und Stutzen 6 in einem miteinander verbundenem Zustand verstanden werden sollen. Wie in 1 nicht veranschaulicht, kann der Plattenwärmetauscher 200 insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen und miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcken 20 ausgebildet sein.
Entsprechende Plattenwärmetauscher 200 werden aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen 1, umfassend die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Deckbleche 5 und die Sidebars 8 werden dabei, jeweils mit Lot versehen, aufeinander gestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt. Auf den in dieser Weise hergestellten Wärmetauscherblock 20 werden die Header 7 und die Stutzen 6 aufgeschweißt.
Wie auch nachfolgend noch erläutert, sind die Strukturbleche mit den Verteilerlamellen, insgesamt auch als „Distributoren“ bezeichnet, herkömmlicherweise mit äquidistanten und/oder zumindest abschnittsweise gerade verlaufenden Verteilerlamellen in Form von Blechwellen ausgestattet und durch Prägen hergestellt. Beispiele finden sich in 1-8 der zitierten ALPEMA-Veröffentlichung und werden auch unten unter Bezugnahme auf 2 näher erläutert. Dies erweist sich jedoch in bestimmten Fällen, wie auch unten noch im Detail erläutert, als nachteilig.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers zu verbessern und einen Rippen-Platten-Wärmetauscher mit verbesserten Eigenschaften zu erhalten.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers sowie einen entsprechend hergestellten Rippen-Platten-Wärmetauscher gemäß mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
Wie erwähnt, sind die Strukturbleche mit den Verteilerlamellen („Distributoren“) in den Wärmetauscherpassagen eines Rippen-Platten-Wärmetauschers herkömmlicherweise mit äquidistanten und/oder zumindest abschnittsweise gerade verlaufenden Verteilerlamellen ausgestattet und durch Prägen hergestellt. Dies gilt für alle mit entsprechenden Strukturblechen ausgebildeten sogenannten Distributoren eines entsprechenden Rippen-Platten-Wärmetauschers wie Seiten-, End- und Zwischendistributoren und Sonderformen, wie sie in Abschnitt 1.2.7 des zitierten ALPEMA-Dokuments erläutert und dort in 1-8 gezeigt sind. Für alle solche Einrichtungen bzw. Bauteile eignet sich die vorliegende Erfindung. Es handelt sich typischerweise um unterschiedlich angeordnete Blechteile bzw. Blechabschnitte mit sogenannter Zinnenkonfiguration, d.h. die Wellen sind im Querschnitt mauerzinnenförmig bzw. in Form von Rechteckwellen ausgebildet.
Aufgrund dieser Struktur teilen sich eintretende Fluidströme in Teilströme, welche unterschiedliche Weglängen bis zum Hauptfin (also dem zentralen Strukturblech mit Lamellen) zurücklegen (siehe auch Erläuterungen zu 2 unten). Da die Struktur über die Fläche homogen ist, ergeben sich unterschiedliche Druckverluste der Teilströme über die unterschiedlichen Fließstrecken. Teilströme, die eine längere Fließstrecke zurücklegen müssen, erfahren einen größeren Druckverlust als Teilströme, die eine geringere Fließstrecke zurücklegen müssen. Diese Druckverlustdifferenzen verursachen potentiell eine thermofluidische Inhomogenität des Wärmeaustausches, einhergehend mit Wärmeübertragungseffizienzverlusten. Zudem ergibt sich potentiell eine inhomogene strukturmechanische Belastung des Rippen-Platten-Wärmetauschers aufgrund der induzierten thermischen Spannungen, welche zu einer verringerten Lebensdauer des Apparates führen kann. Dieser Effekt wird durch die uneinheitliche Ausnutzung der Wärmeübertragungsfläche im Bereich der Fluidverteilung verstärkt. So ergibt sich vielen Verteilergeometrien eine nicht durchströmte „Totzone“ (rechts unten in 2).
Zur Überwindung dieser Nachteile schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers vor, bei dem eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen ausgebildet wird, die durch Trennbleche voneinander getrennt sind. Zumindest ein Teil der Wärmeaustauschpassagen weist jeweils ein oder mehrere Strukturbleche mit Lamellen und jeweils eine oder mehrere Fluidlenkstrukturen auf, die mit Fluidkanälen, die durch die Lamellen gebildet sind, in Fluidkontakt stehen. Erfindungsgemäß wird die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt und weist außerdem erfindungsgemäß Fluidkanäle mit gekrümmtem Verlauf und/oder mit unterschiedlichen lichten Weiten und/oder mit unterschiedlichen Wandstärken auf.
Ist hier davon die Rede, dass Fluidkanäle mit unterschiedlichen lichten Weiten hergestellt werden, so kann sich dies sowohl auf unterschiedliche lichte Weiten im Verlauf eines Fluidkanals, als auch auf unterschiedliche lichte Weiten unterschiedlicher Fluidkanäle zueinander beziehen. Entsprechendes gilt für die Wandstärken. Vorteile werden jeweils weiter unten im Detail erläutert.
Werden nachfolgend ein erfindungsgemäßes Verfahren und vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon beschrieben, so betreffen die entsprechenden Erläuterungen auch einen entsprechend ausgebildeten Rippen-Platten-Wärmetauscher. Wiederholte Erläuterungen wurden nur aus Gründen der besseren Lesbarkeit weggelassen.
Die erfindungsgemäße Verwendung additiver Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung geometrieoptimierter Strukturen bezüglich der Fluidkanäle und/oder deren Wandstärken, welche gleichmäßigere und verringerte Druckverluste der Teilströme und eine bessere Ausnutzung der Heizfläche sicherstellen können. Darüber hinaus kann eine definierte Verteilung der Metallmasse (z.B. variierende Wandstärken) dazu genutzt werden die thermische Trägheit des Apparates in Bezug auf eine Verringerung der lokalen Temperaturgradienten und damit zur Verringerung der daraus resultierenden mechanischen Belastung zu optimieren. Eine Anlehnung an die konventionelle Zinnenform ist nicht notwendig, da additive Fertigungsverfahren, wie sie erfindungsgemäß verwendet werden, eine große Freiheit bei der Formfindung der Struktur der Fluidlenkstruktur bieten.
Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung können damit die zuvor erläuterten Probleme vollständig überwunden werden. Unterschiedliche Druckverluste lassen sich beispielsweise durch eine Wahl der Kanalweiten in Abhängigkeit von den jeweils zurückzulegenden Fließstrecken (weitere Kanäle für längere Fließstrecken; engere Kanäle für kürzere Fließstrecken) ausgleichen. Hierdurch ergeben sich auch homogenere Temperaturverteilungen und geringere Materialbelastungen. Beispielsweise lassen sich auch Toträume im Rahmen der vorliegenden Erfindung durch einen fluidischen Abschluss bestimmter Bereiche, der durch die Verwendung geprägter Bleche nicht ohne weiteres möglich ist, vermeiden.
Unvollständig könnten die soeben aufgeführten Vorteile oder Verbesserungen auch mit einer Weiterentwicklung des herkömmlichen Verfahrens zur Dimensionierung und Fertigung des Verteilerfins erreicht werden. Dies könnte eine Stückelung des Strukturblechs und Verwendung verschiedener Fintypen innerhalb eines einzelnen Verteilerbereichs umfassen. Allerdings sind hier wirtschaftliche Nachteile zu erwarten und die erfindungsgemäß als vorteilhaft angesehenen Formen könnten mit geraden Kanälen nur unzureichend approximiert werden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich grundsätzlich zur Verwendung mit unterschiedlichsten additiven Fertigungsverfahren, insbesondere zur Verwendung mit einem additiven Lichtbogenverfahren oder einem Pulverbettverfahren. Die Vorteile sind dabei bei allen entsprechenden Fertigungsverfahren darin zu sehen, dass keine Einschränkungen bei der Geometrie vorliegen, so dass zur Einspeisung und Verteilung von Fluid eine optimale Druckverlust- bzw. Massenstromverteilung zu erreichen ist. Mit einer ebenso erreichbaren Vermeidung von Totzonen (nicht durchströmten Bereichen) entsteht kein unnötiger Verlust von Heizfläche. Die Anpassung der Geometrie kann auch insbesondere zur Minimierung von Thermostress dienen.
Als additives Lichtbogenverfahren kann insbesondere das an sich bekannte Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) zum Einsatz kommen. Hierbei wird das Lichtbogenschweißen zum schichtweisen Aufbau eines Bauteils eingesetzt, indem ein geeigneter Schweißdraht unter Verwendung eines Brenners bzw. eines Lichtbogenschweißkopfs an Zielstelle aufgeschmolzen und auf diese Weise das gewünschte Rohteil geformt wird. Beispielsweise durch drehbare Plattformen kann ein bis zu fünfachsiger Materialaufbau erfolgen. Auf diese Weise ist auch die Fertigung komplexerer Strukturen, auch mit Hohlräumen, möglich. Ein fertig aufgebautes Bauteil kann beispielsweise durch CNC-Fräsen fertig bearbeitet werden.
Auch bedingt durch das jeweilige additive Fertigungsverfahren kann die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen vorgefertigt und bei der Herstellung mit weiteren Komponenten des Rippen-Platten-Wärmetauschers verbunden (beispielsweise verlötet oder verschweißt) werden. Die Fertigung erfolgt dabei insgesamt ähnlich zur Fertigung eines herkömmlichen Rippen-P latten-Wärmetauschers.
Man kann alternativ dazu die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen bei der Herstellung aber auch additiv an eine weitere Komponente des Rippen-Platten-Wärmetauschers, beispielsweise an das zentrale Strukturblech mit Lamellen oder ein Trennblech, anfügen, beispielsweise durch einen gezielten Materialaufbau mittels eines Lichtbogenverfahrens an den jeweils gewünschten Stellen.
Erfindungsgemäß hat sich ein Verfahren als besonders vorteilhaft herausgestellt, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen derart hergestellt wird, dass ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand jeweils um nicht mehr als 10%, insbesondere um nicht mehr als 5% oder 1%, schwankt. Dieses damit im Wesentlichen (d.h. beispielsweise bis auf Fertigungstoleranzen oder notwendige Anpassungen an Randbedingungen wie eine erforderliche mechanische Festigkeit) konstante Verhältnis ist besonders vorteilhaft, wie nachfolgend hergeleitet.
Das soeben erläuterte, im Wesentlichen konstante Verhältnis kann bei allen oder bei beispielsweise mehr als 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% der Fluidkanäle hergestellt werden, insbesondere in Anpassung an Randbedingungen für die Fertigung, oder es kann bei dem jeweils angesprochenen Fluidkanälen über mehr als 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% der jeweiligen Länge vorgesehen sein.
Um ein möglichst homogenes Temperaturwechselverhalten der Fluidlenkstruktur zu gewährleisten, lässt sich durch eine nähere thermofluiddynamische Betrachtung ein Zusammenhang zwischen der Breite eines Fluidkanals B_K in der Fluidlenkstruktur und der Wandstärke B_F der benachbarten Kanalwand herleiten. Dabei wird nachfolgend vereinfachend davon ausgegangen, dass die Wärmeleitung im Metall instantan zu einem Temperaturausgleich in der Kanalwand führt.
Für den zeitlichen Verlauf der Temperatur einer Kanalwand kann bei einer zweidimensionalen Betrachtung an einer beliebigen Stelle eines Strömungskanals folgende Gleichung aufgestellt werden: $\frac{1}{2} ρ c_{ν} B_{F} \frac{d T}{d t} = - α (T (t) - T_{K})$
wobei T_K die durchschnittliche Strömungstemperatur im Fluid des Strömungskanals darstellt. Für das dynamische Temperaturverhalten der Kanalwand ist folglich der Quotient aus Wandstärke und lokalem Wärmeübergangskoeffizienten (BF/α) maßgeblich. Wird dieser Quotient in der gesamten Fluidlenkstruktur möglichst homogen gehalten, verringern sich lokale Temperaturdifferenzen, welche zu höheren mechanischen Belastungen des Apparates führen können.
Unter Verwendung der Näherungsgleichung nach Dittus-Bölter zur Berechnung des lokalen Wärmeübergangskoeffizienten α ergibt sich folgender Zusammenhang: $α \sim {(R e)}^{\frac{4}{5}} \sim ν^{\frac{4}{5}} \sim B_{K}^{\frac{4}{5}}$
und somit ein anzustrebendes konstantes Verhältnis von Kanalwand zu lichter Weite von (B_F/B_k ^4/5). Dies wird annähernd (und insbesondere im Rahmen von Toleranzen) dadurch approximiert, dass, wie erwähnt, ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand jeweils um nicht mehr als in der angegebenen Weise abweicht.
Bei der Herstellung kann besonders vorteilhaft sein, dass die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen derart hergestellt wird, dass sich die lichte Weite zumindest eines der Fluidkanäle in ihrem Verlauf monoton oder streng monoton verringert oder vergrößert. Ferner kann vorteilhaft sein, dass die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen derart hergestellt wird, dass sich die Wandstärke zumindest einer der Kanalwände in ihrem Verlauf monoton oder streng monoton verringert oder vergrößert.
Nur zur Klarstellung sei angemerkt, dass das Verfahren insbesondere umfasst, dass die Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen in einem Wärmetauscherblock hergestellt wird, der an der Außenseite Öffnungen zu den Wärmeaustauschpassagen aufweist, wobei die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen fluidisch mit einer der Öffnungen verbindet.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf einen Rippen-Platten-Wärmetauscher, der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen aufweist, die durch Trennbleche voneinander getrennt sind, wobei zumindest ein Teil der Wärmeaustauschpassagen jeweils ein oder mehrere Strukturbleche mit Lamellen und jeweils eine oder mehrere Fluidlenkstrukturen aufweist, die mit Fluidkanälen, die durch die Lamellen gebildet sind, in Fluidkontakt stehen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die jeweils eine Fluidlenkstruktur oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist und Fluidkanäle mit gekrümmtem Verlauf und/oder mit unterschiedlichen lichten Weiten und/oder unterschiedlichen Wandstärken aufweist. Ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand schwankt über wenigstens 50% seiner Länge dabei um nicht mehr als 10%.
Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Rippen-Platten-Wärmetauschers, der insbesondere durch ein Verfahren hergestellt sein kann, wie es zuvor erläutert wurde, sei ausdrücklich auf die Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche die vorliegende Erfindung und ihre Merkmale gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen.
Figurenliste

1 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Rippen-Platten-Wärmetauscher in vereinfachter isometrischer Darstellung.
2 zeigt eine Wärmetauscherpassage eines Rippen-Platten-Wärmetauschers in nicht erfindungsgemäßer Ausgestaltung in vereinfachter Teildarstellung.
3 zeigt eine Wärmetauscherpassage eines Rippen-Platten-Wärmetauschers gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in vereinfachter Teildarstellung.

Ausführungsform(en) der Erfindung
1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung bei der Würdigung des Standes der Technik erläutert. Die dort verwendeten Bezugszeichen und Erläuterungen gelten auch für die nachfolgend erläuterten Figuren.
2 zeigt eine Wärmetauscherpassage eines Rippen-Platten-Wärmetauschers in nicht erfindungsgemäßer Ausgestaltung in vereinfachter Teildarstellung in Draufsicht auf eines der Strukturbleche mit Lamellen 3. Die Wärmeaustauschpassage 1 ist durch Sidebars 8 gebildet, die eine Öffnung 9 freilassen, wie bereits zu dem Rippen-Platten-Wärmetauscher 200 gemäß dem Stand der Technik aus 1 erläutert.
Wie hier dargestellt, erreicht ein über einen Stutzen 6 bzw. den zugehörigen Header 7 einströmendes Fluid, das durch ein Pfeilsymbol veranschaulicht ist, zunächst einen Bereich 2a des oder der Strukturbleche mit Verteilerlamellen 2, in dem die Verteilerlamellen in Flussrichtung des Fluids angeordnet sind. Anschließend trifft das Fluid in einen Bereich 2b, in dem die Verteilerlamellen schräg zur Flussrichtung angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich eine Verteilung auf die gesamte Breite des Strukturblechs mit den Lamellen 3, jedoch ggf. auch ein Totraum im unteren rechten Teil des Bereichs 2b.
Idealerweise sollte das Fluid dabei auf der gesamten Breite mit einer identischen Geschwindigkeit bzw. in gleicher Menge einströmen. Entsprechend sollte sich das Fluid auch noch in im Wesentlichen vergleichbarer Weise temperiert sein, wenn es auf das Strukturblechs mit den Lamellen 3 trifft. Beides kann jedoch im Stand der Technik nicht immer in zufriedenstellender Weise erreicht werden.
So strömt einerseits der Teil des Fluids, der im links dargestellten Teil in der Darstellung im Wesentlichen gerade durch den Bereich 2a tritt und dann ohne Ablenkung in das Strukturblech mit den Lamellen 3 weiterströmt, wesentlich schneller als ein Teil des Fluids, der in der Darstellung bis ganz nach rechts abgelenkt werden muss und verlangsamt wird. Letzterer Teil hat zudem über eine längere Strecke Kontakt zum Material.
Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, die anhand der in 3 veranschaulichten Wärmetauscherpassage 1 eines Rippen-Platten-Wärmetauschers, ebenfalls in vereinfachter Teildarstellung in Draufsicht auf eines der Strukturbleche mit Lamellen 3, veranschaulicht sind, sind diese Probleme gelöst.
Eine hier mit 11 bezeichnete Fluidlenkstruktur 11 ist hier durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt, so dass Fluidkanäle C mit gekrümmtem Verlauf und/oder mit unterschiedlichen lichten Weiten c1, c2, c3 und/oder mit unterschiedlichen Wandstärken m1, m2 der als Materialstege M ausgebildeten Kanalwände bereitgestellt werden können. Ein Druckverlust kann dabei beispielsweise dadurch ausgeglichen werden, dass für kürzere Kanäle geringere lichte Weiten gewählt werden als für längere. Die Beziehung zwischen der Wandstärke der Kanalwände und der lichten Weiten der Kanäle kann in der zuvor erläuterten Weise im Wesentlichen konstant gehalten werden. Eine Bildung von Toträumen kann durch einen fluidischen Abschluss, hier beispielsweise des rechten unteren Ecks, sichergestellt werden. Durch beispielsweise eine Erweiterung der rechts dargestellten Kanäle wird dem hier eine längere Wegstrecke zurücklegenden Fluid gemäß dem Fluidpfeil im rechtesten Kanal ein geringerer Strömungswiderstand entgegengesetzt. Zu weiteren Ausgestaltungen und Vorteilen sei auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 15547-2:3005 [0002]

Claims

Verfahren (200) zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers (100), bei dem eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen (1) ausgebildet wird, die durch Trennbleche (4) voneinander getrennt sind, wobei zumindest ein Teil der Wärmeaustauschpassagen (1) jeweils ein oder mehrere Strukturbleche mit Lamellen (3) und jeweils eine oder mehrere Fluidlenkstrukturen (11) aufweist, die mit Fluidkanälen, die durch die Lamellen (3) gebildet sind, in Fluidkontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt wird und Fluidkanäle (C) mit gekrümmtem Verlauf und/oder mit unterschiedlichen lichten Weiten (c1, c2, c3) und/oder mit unterschiedlichen Wandstärken (m1, m2) aufweist, wobei ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle (C) über wenigstens 50% seiner Länge zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand um nicht mehr als 10% schwankt.
Verfahren (200) nach Anspruch 1, bei dem als das additive Fertigungsverfahren ein additives Lichtbogenverfahren oder ein Pulverbettverfahren verwendet wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) vorgefertigt und bei der Herstellung mit weiteren Komponenten des Rippen-Platten-Wärmetauschers (100) verbunden wird.
Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) bei der Herstellung additiv an eine weitere Komponente des Rippen-Platten-Wärmetauschers (100) angefügt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) derart hergestellt wird, dass ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle (C) zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand (M) jeweils um nicht mehr als 10% schwankt.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) derart hergestellt wird, dass sich die lichte Weite zumindest eines der Fluidkanäle (C) in ihrem Verlauf monoton oder streng monoton verringert oder vergrößert.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) derart hergestellt wird, dass sich die Wandstärke zumindest einer der Kanalwände (M) in ihrem Verlauf monoton oder streng monoton verringert oder vergrößert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) derart hergestellt wird, dass sich die Wandstärke zumindest einer der Kanalwände (M) in ihrem Verlauf monoton oder streng monoton verringert oder vergrößert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen (1) in einem Wärmetauscherblock (20) hergestellt wird, der an der Außenseite Öffnungen (9) zu den Wärmeaustauschpassagen (1) aufweist, wobei die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) fluidisch mit einer der Öffnungen (9) verbindet.
Rippen-Platten-Wärmetauscher (100), der eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen (1) aufweist, die durch Trennbleche (4) voneinander getrennt sind, wobei zumindest ein Teil der Wärmeaustauschpassagen (1) jeweils ein oder mehrere Strukturbleche mit Lamellen (3) und jeweils eine oder mehrere Fluidlenkstrukturen (11) aufweist, die mit Fluidkanälen, die durch die Lamellen (3) gebildet sind, in Fluidkontakt stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils eine Fluidlenkstruktur (11) oder zumindest eine der jeweils mehreren Fluidlenkstrukturen (11) durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist und Fluidkanäle (C) mit gekrümmtem Verlauf und/oder mit unterschiedlichen lichten Weiten (c1, c2, c3) und/oder unterschiedlichen Wandstärken (m1, m2) aufweist, wobei ein Verhältnis der lichten Weite zumindest eines der Fluidkanäle (C) über wenigstens 50% seiner Länge zur Wandstärke einer angrenzenden Kanalwand um nicht mehr als 10% schwankt.