DE10343107A1

DE10343107A1 - Flügel für Plattenwärmetauscher, Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flügels und Wärmetauscher mit einem derartigen Flügel

Info

Publication number: DE10343107A1
Application number: DE10343107A
Authority: DE
Inventors: Claude Gerard
Original assignee: Nordon Cryogenie SNC
Current assignee: Fives Cryo SAS
Priority date: 2002-10-01
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2004-04-15
Also published as: US7219719B2; US20040188072A1; CN100366999C; JP4412955B2; CN1497235A; FR2845153B1; FR2845153A1; JP2004125388A

Abstract

Ein Flügel für Plattenwärmetauscher gemäß der vorliegenden Erfindung besteht aus dickem Blech und weist eine Form auf, die sich in einer generellen Richtung (D2) mit einer geometrischen Teilung (P) wiederholt. Das Verhältnis der minimalen Stärke (e) des Bleches zur geometrischen Teilung (P) liegt über 0,2. Der Flügel wird hergestellt entweder durch Warmextrudieren oder durch spanabhebende Bearbeitung.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Flügel für gelötete Plattenwärmetauscher.
Üblicherweise wird ein derartiger Wärmetauscher gebildet durch einen Stapel von rechteckigen Platten oder Blechen, die in Abstand zueinander angeordnet sind, parallel liegen und vollständig identisch sind und die miteinander eine Anzahl von Kanälen für Fluide bilden, die indirekt in thermischen Austausch zu bringen sind.
In jedem Kanal sind Wellenverbinder oder wellenförmige Flügel vorgesehen, die als thermische Flügel dienen, sowie Verbinder zwischen diesen Platten, insbesondere während des Lötens und zur Vermeidung einer Verformung der Platten während des Durchgangs von Druckfluiden und zur Führung des Fluidstromes.
Diese Wärmetauscher werden im allgemeinen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt und werden montiert in einem einzigen Vorgang der Ofenlötung.
Im allgemeinen werden die Wellenelemente hergestellt aus dünnen Blechen, üblicherweise mit einer Stärke zwischen 0,15 und 0,60 mm, die mit einer Presse oder einem anderen geeigneten Faltwerkzeug gebogen werden.
Die durchgeführten Biege- oder Faltvorgänge gestatten es, serienmäßig mit großer Stückzahl Flügel beträchtlicher Dimensionen herzustellen, gestatten jedoch nur die Verarbeitung von Blechen geringer Dicke. Aus diesem Grund ist der mechanische Widerstand eines derart hergestellten Wellenblechs, die in erheblichem Maße von dem Zusammenwirken der Metalldicke und der Wellenteilung abhängt, sehr begrenzt. Die thermischen, hydraulischen und mechanischen Eigenschaften der Wärmetauscher sind daher direkt durch das Verfahren der Formung der Wellenplatten eingeschränkt.
Üblicherweise arbeitet ein Wärmetauscher aus gelöteten Platten, die aus einer Aluminiumlegierung 3003 nach den üblichen Verfahren des Biegens von Bandmaterial mit einer Stärke von 0,35 mm hergestellt sind, mit Einsatzgrenzen in der Größenordnung von 80 bis 100 bar.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Platten für Plattenwärmetauscher herzustellen, deren mechanischer Widerstand erheblich verbessert ist, derart, dass die Gebrauchsgrenzen in bezug auf den Fluiddruck des Wärmetauschers wesentlich erweitert sind.
Zur Lösung der Aufgabe besteht ein erfindungsgemäßer Flügel aus einer dicken Platte, die entweder warm extrudiert ist oder unter Spanabhebung hergestellt ist, und er weist eine Form auf, die in einer allgemeinen Richtung entsprechend einer geometrischen Teilung reproduziert ist, derart, dass das Verhältnis von der Minimaldicke der Platte zur geometrischen Teilung über 0,2 liegt und vorzugsweise unter 0,8 liegt.
Unter einer dicken Platte soll eine Platte mit einer Stärke oberhalb von etwa 1 mm, insbesondere zwischen 1 und 2 mm verstanden werden.
Ein derart hergestellter Flügel bietet im übrigen ausgezeichnete Eigenschaften in bezug auf eine ebene und/oder regelmäßige Form und ist insbesondere geeignet für einen Gebrauch in einem Stapel von gelöteten Platten.
Entsprechend einer ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Flügel eine Hauptwellenrichtung sowie Wellen auf, die in einer Richtung senkrecht zur Hauptwellenrichtung aufeinanderfolgen, wobei die Wellen Wellenschenkel besitzen, die Wellendächer und Wellenfüße verbinden, wobei die Wellendächer und die Wellenfüße die Verbindungsbereiche für den Lötvorgang mit Distanzplatten oder Zwischenplatten des Wärmetauschers darstellen:
Die Stärke des Bleches, das den Flügel bildet, kann gleichförmig sein oder variieren, wenigstens in Teilbereichen der Verbindungsbereiche einen Querschnitt aufweisen, dessen Breite in Querrichtung größer ist als die Breite zwischen den langgestreckten Außenflächen der beiden entsprechenden Wellenschenkel. Ein Flügel entsprechend dieser Variante führt zu einer gelöteten Anordnung mit besserer mechanischer Haltbarkeit.
Der Flügel kann Verstärkungen in den Verbindungszonen der Wellendächer oder der Wellenfüße mit den Wellenschenkeln aufweisen.
Die Verstärkungen weisen vorzugsweise einen äußeren Radius zwischen etwa 0,2 und 0,5 mm auf.
Entsprechend einer zweiten Ausführungsform der Erfindung entspricht die Querschnittsform im wesentlichen einem H.
Vorzugsweise bilden die Wellendächer und die Wellenfüße, die durch die freien Enden des H-Querschnitts gebildet sind, Verbindungsbereiche zum Verlöten mit den Verbindungsplatten des Wärmetauschers, und diese Bereiche weisen eine größere Stärke auf als die anderen Bereiche des H-Querschnitts.
Die mechanische Festigkeit der Verbindung der Flügel mit den Platten wird damit größer, wie bei der ersten Ausführungsform erwähnt wurde.
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung eines derartigen Flügels.
Ein erstes erfindungsgemäßes Verfahren umfaßt einen Warmextrusionsvorgang, der dem Flügel seine allgemeine Form verleiht, und auf den eventuell eine mechanische Verarbeitung folgen kann.
Ein zweites erfindungsgemäßes Verfahren umfaßt eine mechanische Verarbeitung eines Bleches durch Entfernen von Material, durch die der Flügel seine allgemeine Form erhält.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen Plattenwärmetauscher, der in wenigstens einem ersten Kanal einen Flügel der beschriebenen Art aufweist, der durch Löten mit zwei nachfolgenden Platten verbunden ist.
Gemäß anderen Merkmalen umfaßt der erfindungsgemäße Plattenwärmetauscher:

– in wenigstens einem Kanal einen Flügel aus dünnem Blech, der durch Löten mit zwei anschließenden Platten verbunden ist;
arbeitet der Wärmetauscher mit wenigstens einem Fluid unter einem Druck oberhalb von 100 bar, insbesondere oberhalb von 200 bar, und vorzugsweise in der Größenordnung von 250 bar, das in dem ersten Kanal zirkuliert.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Teils eines wellenförmigen Flügels gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine entsprechende Darstellung einer Variante der ersten Ausführungsform der Erfindung; und
3 ist eine entsprechende Darstellung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
In 1 ist teilweise ein wellenförmiger Flügel in der klassischen Rechteckform gezeigt. Dieser Flügel 1 weist eine allgemeine Hauptwellenrichtung D1 auf, während die Wellen entlang einer Richtung D2 senkrecht zu der Richtung D1 aufeinander folgen.
Zur Vereinfachung der Beschreibung soll angenommen werden, dass gemäß 1 die Richtungen D1 und D2 waagerecht verlaufen.
Die Richtung D1 entspricht der Hauptzirkulationsrichtung eines Fluids F in einem Wärmetauscher während dessen Gebrauchs.
Der wellenförmige Flügel 1 umfaßt eine große Anzahl von rechtwinkligen Wellenschenkeln 3, die jeweils enthalten sind in einer senkrechten Ebene, die senkrecht zur Richtung D2 verläuft. Die Wellenschenkel 3 sind alternativ entlang ihrem oberen Rand durch rechtwinklige Wellendächer 5, die eben und horizontal verlaufen, und entlang ihrem unteren Rand durch Wellenfüße 7, die ebenfalls rechtwinklig, eben und waagerecht sind, verbunden.
Die Wellendächer 5 und die Wellenfüße 7 bilden Verbindungsbereiche zum Verlöten mit ebenen Zwischen- oder Verbindungsplatten 8 des Wärmetauschers, die strichpunktiert dargestellt sind.
Der Flügel 1 kann hergestellt werden aus einem dicken Blech mit einer Dicke, die im wesentlichen der Höhe H entspricht, die definiert wird durch den freien Abstand zwischen den äußeren Flächen der Wellendächer 5 und der Wellenfüße 7 in Richtung senkrecht zu den Richtungen D1 und D2. Um die endgültige Form des Flügels zu erhalten, wird das dicke Blech bearbeitet, beispielsweise durch Fräsen.
Alternativ kann man einen Flügel 1 herstellen durch Warmextrudieren aus einem metallischen Block.
Ein Flügel 1, der auf diese Weise definiert wird, zeichnet sich insbesondere durch eine Periode oder einen geometrischen Schritt P, der die Länge eines Motivs in Richtung D2 repräsentiert und ein Wellendach 5, einen Wellenfuß und zwei Wellenschenkel 3 umfaßt.
Dieser Flügel läßt sich auch charakterisieren durch die Dicke e, e' des Metalls, die im Bereich des ganzen Flügels 1 gleich sein kann, die jedoch auch in Bereichen des Flügels wechseln kann.
Insbesondere kann man aufgrund des Extrusionsverfahrens oder des Bearbeitens eines dicken Bleches, das für die Herstellung des Flügels gemäß der Erfindung verwendet wird, eine erste Dicke e auswählen, die der Dicke des Metalls in Höhe der Wellenschenkel 3 entspricht, und eine zweite Dicke e' anderer Größe, die Bereichen des Flügels entspricht, die bestimmt sind zum Anlöten an die Verbindungsplatten des Wärmetauschers, das heißt im Bereich der Wellendächer 5 und der Wellenfüße 7.
Das Herstellverfahren für einen Flügel gemäß der Erfindung gestattet es im übrigen, verglichen mit herkömmlichen Wiegetechniken für dünne Bleche, das Verhältnis der minimalen Stärke e oder e' in dem geometrischen Schritt P zu vergrößern und dieses Verhältnis zwischen 0,2 und 0,8 liegen zu lassen. Man kann daher Wärmetauscher herstellen, die unter einem Druck von 250 bar bei Aluminiumlegierungen 3003 arbeiten, während herkömmlich angewendete Drücke, die bei den gleichen Legierungen angewendet werden können, in der Größenordnung von 80 bis 100 bar bei Flügeln aus dünnen, gefalteten Blechen liegen.
2 veranschaulicht eine Variante der zuvor beschriebenen Ausführungsform. Gemäß dieser Variante weist der Flügel 11 Verdickungen 12 in den Verbindungszonen zwischen den Wellendächern 5 oder den Wellenfüßen 7 einerseits und den Wellenschenkeln 3 andererseits auf. Daher weisen die Verbindungsbereiche, die gebildet werden durch die Wellendächer 5 und die Wellenfüße 7 in einer Querschnittebene eine größere Breite L gegenüber der Breite 1 auf, die definiert wird durch die beiden entsprechenden Wellenschenkel 3. Die Breite L entspricht im wesentlichen der Berührungsfläche mit den Verbindungsplatten des Wärmetauschers. Die Breite 1 entspricht der Breite eines Durchgangskanals, der durch die beiden aufeinanderfolgenden Wellenschenkel definiert wird, zuzüglich der Dicke e der beiden Wellenschenkel.
Die Radien der Verstärkungen 12 können so gewählt werden, dass eine gute Qualität der Verlötung dieser Zonen gesichert ist und folglich eine optimale mechanische Festigkeit.
Insbesondere ergeben äußere Radien R der Verdickungen 12 zwischen etwa 0,2 und etwa 0,5 mm vorteilhafte Lösungen.
Bei dieser Ausführungsform ist die Dicke e' der Wellendächer 5 und der Wellenfüße 7 größer als die Dicke e der Wellenschenkel 3.
Unter Bezugnahme auf 3 soll ein Flügel 21 beschrieben werden, der definiert wird durch einen im wesentlichen H-förmigen Querschnitt, welches Motiv vielfach in der quergerichteten Richtung D2 wiederholt wird, mit einer geometrischen Teilung, die der Länge des Motivs entspricht.
Dieser Flügel 21 wird definiert durch eine Anzahl von senkrechten Armen 23, 25, die sich im wesentlichen nach unten und oben erstrecken. Die senkrechten Arme 23, 25 weisen eine senkrechte Mittelebene auf, die eine gemeinsame Mittelebene bei der dargestellten Ausführungsform sein kann, jedoch auch in Rich tung D2 versetzt sein kann. Der geometrische Schritt P (die Teilung) entspricht dem Abstand zwischen den Mittelebenen der beiden aufeinanderfolgenden senkrechten Arme 23,25.
Die Arme 23,25 sind in einem mittleren Höhenbereich des Flügels 21 durch einen Kern 27 im wesentlichen waagerechter Richtung verbunden. Auf diese Weise bilden die senkrechten Arme 23,25 freie Enden 29, die den Verbindungsbereichen für das Löten an die Verbindungsbleche des Wärmetauschers entsprechen.
Es liegt auf der Hand, dass die waagerechten Kerne 27, die in einer mittleren Höhenebene in Bezug auf die Gesamthöhe der senkrechten Arme 23,25 liegen, auf jede andere Art ausgebildet sein können. Insbesondere können sie aus der Höhenmitte versetzt nach oben oder unten angeordnet sein, bezogen auf die Mittelebene und/oder senkrecht von einem Arm 23,25 zum nächsten versetzt sein.
Wie bei der in 2 gezeigten Ausführungsform zeigt die Ausführungsform der 3 Stärken des Metalls, die mit e, e' bezeichnet sind und sich nach den Bereichen des Flügels unterscheiden. Die freien Enden 29 weisen eine Metallstärke e' auf, die größer ist als die Stärke e der anderen Bereiche der Flügel, so dass die mechanische Festigkeit der Verbindung der Flügel mit den Trennplatten begünstigt wird.
In der vorangegangenen Beschreibung sind verlötete Flügel für Plattenwärmetauscher und Verfahren zur Herstellung dieser Flügel beschrieben worden, die es gestatten, die Wirkungsweise von Wärmetauschern mit diesen Flügeln wesentlich zu verbessern.
Insbesondere können Plattenwärmetauscher dieser Art bei Fluiddrücken erheblich über 100 bar eingesetzt werden, insbesondere über 200 bar, bis zu Drücken in der Größenordnung von 250 bar.
Besonders vorteilhaft kann man Plattenwärmetauscher mit einem Teil der Flügel gemäß der Erfindung herstellen und im übrigen Teil der Flügel aus dünnem Blech anfertigen, die beispielsweise in klassischer Art gebogen sind. Auf diese Weise können Wärmetauscher in Verbindung mit Fluiden eingesetzt werden, die erheblich unterschiedliche Drücke aufweisen, wobei die Flügel aus dickem Blech für die Fluide mit hohen Drücken und die Flügel aus dünnen Blechen für die Fluide unter niedrigen Drücken eingesetzt werden.

Claims

Flügel für gelötete Plattenwärmetauscher aus dickem Blech, der in einer generellen Richtung (D2) ein mit einer geometrischen Teilung (P) folgendes Formmotiv aufweist, derart, dass die minimale Stärke (e) des Bleches im Verhältnis zur geometrischen Teilung (P) über 0,2 liegt, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel hergestellt ist durch einen Warmextrusionsvorgang oder eine spanabhebende Bearbeitung.
Flügel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis unter 0,8 liegt.
Flügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel eine generelle Hauptwellenrichtung (D 1) definiert und Wellen aufweist, die einander in Richtung (D2) folgen, welche Richtung (D2) im wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung (D1) gerichtet ist, wobei die Wellen Wellenschenkel (3) aufweisen, die Wellendächer (5) und Wellenfüße (7) verbinden, wobei die Wellendächer (5) und die Wellenfüße (7) die Verbindungsbereiche zum Verlöten mit Zwischenplatten (8) des Wärmetauschers bilden.
Flügel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der Verbindungsbereiche (5, 7) einen Querschnitt aufweist, bei dem die Breite (L) in Querrichtung (D2) größer ist als die Breite (1), die durch die längsseitigen Flächen der entsprechenden Wellenschenkel (3) gebildet wird.
Flügel nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie Verstärkungen (12) in den Verbindungszonen der Wellendächer (5) oder der Wellenfüße (7) mit den Wellenschenkeln (3) aufweisen.
Flügel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen (12) einen Außenradius (R) aufweisen, der im wesentlichen zwischen 0,2 und 0,5 mm liegt.
Flügel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel eine Form entsprechend einem im Querschnitt H-förmigen Motiv aufweisen.
Flügel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellendächer und Wellenfüße (29), die gebildet werden durch die freien Enden des H-Querschnitts, Verbindungsbereiche zum Verlöten mit den Zwischenplatten des Wärmetauschers darstellen, und dass die Bereiche (29) eine Breite (e') aufweisen, die größer ist als die Stärke (e) in anderen Bereichen der Schenkel (23, 24) des H.
Verfahren zur Herstellung eines Flügels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Warmextrusionsvorgang einschließt, der dem Flügel seine generelle Form verleiht.
Verfahren zur Herstellung eines Flügels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen Bearbeitungsvorgang unter Spanabhebung einschließt, durch den dem Flügel die generelle Form verliehen wird.
Plattenwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass er in wenigstens einem ersten Kanal eines Flügel (1; 11; 21) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält, der durch Löten mit zwei angrenzenden Platten verbunden ist.
Plattenwärmetauscher gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass er im übrigen in wenigstens einem zweiten Kanal einen Flügel enthält, der aus dünnem Blech besteht und durch Löten mit zwei angrenzenden Platten (8) verbunden ist.
Plattenwärmetauscher nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass er bei wenigstens einem Fluiddruck über 100 bar, insbesondere über 200 bar, vorzugsweise in der Größenordnung von 250 bar arbeitet, den das zirkulierende Fluid aufweist.