DE19635552C1 - Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Derartige Wärmetauscher werden in vielfältigen Ausführungen beispielsweise in der Klimatechnik oder im Automobilbau eingesetzt.

Es ist bekannt, den Wärmeaustausch zwischen strömenden Medien zweidimensional vor sich gehen zu lassen, indem die Medien durch schachbrettartig angeordnete Kanäle geführt werden. Von den Randbereichen des Wärmetauschers abgesehen ist jeder Kanal allseitig von Kanälen umgeben, durch die ein das jeweils andere Wärmepotential aufweisende Medium strömt. Gegenüber Plattenwärmetauschern mit eindimensionaler Wärmeübertragung wird damit der thermische Wirkungsgrad bei gleicher Baugröße beträchtlich erhöht. Nachteilig ist jedoch, daß einerseits relativ kompliziert auszuführende An- und Abströmsektionen erforderlich sind, um die unterschiedliche Wärmepotentiale aufweisenden Medien hinreichend effektiv voneinander zu trennen und zum anderen, daß bekannte Wärmetauscher mit zweidimensionalem Wärmeaustausch fertigungstechnisch relativ hohe Anforderungen stellen.

So sind in den DD 243 088 A1 und 243 089 A1 sowie den DE 43 33 164 A1 und DE 43 33 904 A1 Wärmetauscher mit zweidimensionalem Wärmeaustausch beschrieben. Sie bestehen aus profilierten Blechen, die in Strömungsrichtung S-förmig übereinanderlegt sind. Die Bleche können Rechteck-, Trapez-, Waben-, Wellen- oder ähnliche Profile aufweisen. Hierbei ist augenfällig, daß die Koordinaten der Schnittebenen der An- und Abströmsektionen und die Koordinaten der Schnittebene der Wärmeübertragungssektion parallel verlaufen. Dadurch müssen am Ein- und am Ausgang der Wärmeübertragungs­ sektion jeweils etwa 50% der Luftmenge umgelenkt werden. Auch deckt die wirksame Querschnittsfläche der An- oder Abströmsektion jeweils lediglich etwa 50% der Querschnittsfläche der Wärmeübertragungssektion ab, so daß erhebliche Druckverluste auftreten. Die Wärmeübertragungssektion ist ein relativ kompliziert gewickeltes Teil. Die An- und Abströmsektionen sind als separate Baugruppen konzipiert, so daß zwischen ihnen und der Wärmeübertragungssektion Paßgenauigkeit bestehen muß. Dadurch sind sowohl hinsichtlich der Kanalquerschnitte fertigungstechnisch und als auch hinsichtlich der Kompaktheit des Wärmetauschers Grenzen gesetzt.

Die fertigungs- und strömungstechnischen Nachteile der beschriebenen Wärmetauscher bestehen bei einem anderen bekannten Wärmetauscher in dieser Weise nicht. Nach der DE-PS 8 54 363 ist ein Wärmetauscher mit kanalförmiger Strömung bekannt, dessen Kanäle durch Übereinanderstapeln gewellter Profilbleche entstehen. Die durch das Wellenprofil bedingte ungleichmäßige Strömungsverteilung über dem Querschnitt der Wärmeübertragungskanäle bedeutet, daß ein Teil der vorhandenen Wärmeübertragungs­ fläche lediglich in verringertem Maße an der Wärmeübertragung teilnimmt. Auch besteht bei Wellenprofilen die Gefahr, daß bei größerer Druckdifferenz und zumindest leichter seitlicher Verschiebung der Platten gegeneinander die Profilbleche ineinanderrutschen und dadurch die Wärmeübertragungsfläche und mit ihr der Wirkungsgrad weiter reduziert werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Betriebsweise von rekuperativen Wärmetauschern mit zweidimensionaler Wärmeübertragung druckverlustarm zu gestalten, indem beim Übergang des Medienstromes zwischen An- bzw. Abströmkanälen und Wärmeaustauschkanälen lediglich ¼ des Medienstromes umgelenkt wird, und einen solchen Wärmetauscher fertigungstechnisch zu vereinfachen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem ein Wärmetauscher für getrennt geführte, insbesondere gasförmige Medien, dessen von den Medien durchströmte Kanäle bezüglich der sie durchströmenden Medien schachbrettartig angeordnet sind, aus übereinander gestapelten Platten besteht, die Platten außerhalb eines wärmeaustausch­ kanalbildenden Bereiches eben sind, die Zwischenräume zwischen den ebenen Bereichen der Platten An- bzw. Abströmkanäle bilden, die an den Stirnseiten des Wärmetauschers zwischen der Mitte und den Stapelkanten alternierend mit Verschlußmitteln versehen sind und die halben Stirnseiten des Wärmetauschers jeweils mit einer Medienquelle oder einer Mediensenke verbunden sind, die Platten im wärmeaustauschkanalbildenden Bereich zickzackartig ausgeprägt sind und die Platten derart angeordnet sind, daß sich im wärmeaustauschbildenden Bereich die Biegelinien benachbarter Platten wenigstens nahezu berühren, die Wärmeaustauschkanäle im wesentlichen quadratische Querschnitts­ flächen aufweisen und die Seiten der An- bzw. Abströmkanäle mit den Seiten der Wärmeaustauschkanalquerschnittsflächen einen Winkel von wenigstens annähernd 45° bilden.

Eine vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Platten sechseckig ausgebildet sind, die Biegelinien im wesenlichen gleiche Länge aufweisen und parallel zwischen zwei zueinander parallelen Seiten verlaufen, die verbleibenden gegenüberliegenden dreieckigen Restflächen die ebenen Bereiche bilden und die in Strömungsrichtung am weitesten auseinander liegenden Spitzen des Plattenstapels die Mitte der Stirnflächen darstellen. Die Wärmeaustauschkanalwandungen können glatt oder verrippt sein, wobei die Verrippungen in Strömungsrichtung oder in einem beliebigen Winkel zur Strömungsrichtung und sowohl geradlinig als auch gekrümmt ausgeführt sein können.

Die Erfindung wird weiterhin bestimmt, indem die bezüglich der ebenen Bereiche der Platten eine Ausprägerichtung bildenden Biegelinien, als parallel in geringem Abstand voneinander verlaufende Doppelbiegekanten ausgestaltet sind oder die bezüglich der ebenen Bereiche der Platten eine Ausprägerichtung bildenden Biegelinien in Abständen flächige, kreuzartige, sattelartige, kraterartige oder ähnliche Ausprägungen aufweisen.

Gleichermaßen weitergeführt wird die Erfindung, indem um ihre Längsachse verdrehte Bänder in den Wärmeaustauschkanälen angeordnet sind, die eben, verrippt oder bürstenartig ausgeführt sein können.

Vorteilhaft ausgestaltet wird die Erfindung dadurch, daß die Längsachsen der Bänder wenigstens an deren Enden ausgeführt und die Bänder mittels der Enden ihrer Längsachsen geeignet gelagert sind, wobei die Bänder drehbar gelagert und mit einer Antriebsvorrichtung verbunden sein können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und ihre Wirkungsweise näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers in Explosivdarstellung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Plattenstapel des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Plattenstapel gemäß Fig. 2 mit Doppelbiegekanten und

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Plattenstapel einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit eingelegten Bändern.

Bei den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung handelt es sich um Wärmetauscher in kompakter Bauweise, bei denen zwei Luftströme im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt werden und über eine Trennwand hinweg Wärme von einem Luftstrom an den anderen abgegeben wird. Die Luftführung ist gemäß Fig. 2 als schachbrettartiges Kanalsystem 11A, 11B gestaltet, so daß an den vier Wänden jedes Kanals 11A und 11B der Luftstrom mit dem jeweils anderen Wärmepotential als der im Kanal strömende Luftstrom anliegt, wodurch eine zweidimensionale Wärmeübertragung entsteht und damit die größtmögliche Wärmeübertragungsfläche ausgenutzt wird. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Wirkungsgrad bei geringem Bauvolumen erreicht.

Fig. 1 zeigt einen solchen Wärmetauscher als Explosivdarstellung. Der Wärmetauscher besteht aus durchgängigen Bauteilen 1 gemäß Fig. 2 ohne Trennfuge, die als geprägte Profile, vorzugsweise als geprägte Aluminiumbleche ausgeführt und übereinander geschichtet sind. Das Profil 11 ist zickzackförmig geprägt, wodurch bei der Stapelung der Bleche Strömungskanäle 11A und 11B mit quadratischem Querschnitt gemäß Fig. 2 entstehen, und nimmt den mittleren Bereich des Bleches ein. Die äußeren Plattenbereiche 12 sind eben und bilden nach der Stapelung der Bleche Zu- bzw. Abströmkanäle 14.

Die mechanische Fixierung des Plattenstapels übernimmt ein Gehäuse, das aus einer Grundplatte 2B mit rechtwinklig abgekanteten Seitenwänden 21B und einer Deckplatte 2A ebenfalls mit rechtwinklig abgekanteten Seitenwänden 21A besteht. Grundplatte 2B und Deckplatte 2A sind haubenartig ausgeführt und umschließen derart den Plattenstapel. Die Seitenwände 21A und 21B verfügen über in einem geeigneten Winkel abgekantete Montagelippen 22A bzw. 22B, so daß der Plattenstapel mittels im Verbund mit den Montagelippen 22A und 22B als Spannverschlüsse wirkenden Montageschienen 3 entlang der Längsseiten des Gehäuses lösbar unter mechanischem Druck fixiert wird. Anstatt der durchgängigen Montageschienen 3 erfüllen, die Montagelippen 22A und 22B aufeinander drückende, in Abständen angeordnete Federspangen die gleiche Funktion. Entlang der Längsseiten der Wärmetauscherplatten 1 kann ein geeignetes Dichtmittel wie beispielsweise Moosgummi eingebracht sein.

Die Wärmetauschplatten 1 stellen in ihrer Grundgestalt sechseckige Flächen dar. Hierbei bilden die ebenen Bereiche 12 jeweils ein Dreieck, die in Strömungsrichtung vor und hinter dem den Wärmeaustausch realisierenden Profilbereich 11 angeordnet sind. Die zickzackförmige Prägung läuft beidseitig in jeweils einem hinsichtlich ihrer Gesamtlänge kurzen Übergangsbereich stetig an Prägetiefe verlierend in die ebenen Bereiche 12 aus. Die gedachten Verbindungen der Übergänge zwischen den Profilbereichen 11 und den ebenen Bereichen 12 stellen somit jeweils eine der Dreiecksseiten der ebenen Bereiche 12 dar. Entlang der beiden anderen Dreiecksseiten der ebenen Bereiche 12 sind Verschlußmittel 13 vorgesehen, die vorteilhafterweise mittels Abkantens der Wärmetauschplatten 1 gebildet werden. Die Wärmetauschplatten 1 werden entlang der Dreiecksseiten in der Weise abgekantet, daß je Dreiecksfläche ein Blechstreifen 13 nach unten und ein Blechstreifen 13 nach oben mit den ebenen Bereichen 12 stumpfe oder rechte Winkel bilden und je Wärmetauschplatte 1 in diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel die sich gegenüberliegenden Blechstreifen 13 in die gleiche Richtung weisen. Die Blechstreifen 13 haben eine Breite von ¼ der Diagonale der Wärmeaustauschkanäle. Dies entspricht der halben Höhe der Zu- bzw. Abströmkanäle 14. Analog der mit Montagelippen 22A bzw. 22B ausgestatteten Gehäuseseitenwände 21A und 21B verfügen die abgekanteten Blechstreifen 13 über in einem geeigneten Winkel abgekantete Dichtlippen 15. Die Wärmetauschplatten 1 sind dabei in der Weise gestapelt, daß die Blechstreifen 13 benachbarter Wärmetauschplatten 1 entlang der Dichtlippen 15 aufeinanderstoßen. Dadurch werden alternierend die Zu- bzw. Abströmkanäle 14 hälftig verschlossen. Des weiteren weisen die Blechstreifen 13 wiederum mittels Abkantens gebildete Zentrierlippen 24 auf, wobei die Länge der Blechstreifen 13 so gewählt ist, daß die Wärmetauschplatten 1 mittels zweier Zentrierschienen 4 paarweise gegen die Gehäuseseitenwände 21 gedrückt werden. Die Dichtlippen 15 stoßen in Strömungsrichtung gegen die Kanten der Gehäuseseitenwände 21 und zentrieren dergestalt die Wärmetauschplatten 1 in Strömungsrichtung gegen das Gehäuse. Geeigneterweise sind die Zentrierschienen 4 in Arretierkerben 23 der Gehäusegrundplatte 2B und der Gehäusedeckplatte 2A fixiert.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Wärmetauscher. Die Schnittebenen ist der Deutlichkeit wegen hervorgehoben dargestellt. Die gestapelten Wärmetauschplatten 1 bilden mit ihren zickzackförmig profilierten Bereichen 11 Wärmetauschkanäle 11A und 11B, die schachbrettartig verteilt sind. Die nicht mit Schraffur unterlegten Wärmetauschkanäle 11A führen einen Luftstrom mit einem ersten Wärmepotential, beispielsweise einen kalten Zuluftstrom. Die mit Schraffur unterlegten Wärmetauschkanäle 11B führen einen Luftstrom mit einem zweiten Wärmepotential, beispielsweise einen warmen Abluftstrom. Die Luftströme werden aufgrund der gemäß Fig. 1 gewählten Verteilung der Verschlußmittel 13 für die Zu- bzw. Abströmkanäle 14 im Gegenstrom durch die Wärmetauschkanäle 11A und 11B geführt. Die schachbrettartige Anordnung der Wärmetauschkanäle 11A und 11B bewirkt eine zweidimensionale Wärmeübertragung, da an allen vier Kanalwandungen jedes Kanals 11A jeweils ein Kanal 11B anliegt. Diese Kanalverteidigung ist dem Grunde nach bekannt. Da jedoch die Seitenwände der Wärmetauschkanäle 11A und 11B mit den Wänden der in Fig. 1 angedeuteten Zu- bzw. Abströmkanäle 14 einen Winkel von etwa 45° bilden, muß beim Übergang des Luftstroms zwischen Zu- oder Abströmkanal 14 und Wärmetauschkanal 11A bzw. 11B nur ¼ des Luftstroms umgelenkt werden. Da zudem die Höhe der Zu- bzw. Abströmkanäle 14 rund ⁷¹/₁₀₀ der lichten Weite der Wärmetauschkanäle 11A und 11B beträgt, ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung eine druckverlustarme Betriebweise. Die Prägung 11 der Wärmetauschplatten 1 kann in einer sehr geringen Tiefe erfolgen, ohne daß die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmetauschers beeinträchtigt wird. Dadurch ergeben sich fertigungstechnische Vorteile in Form einfacher Herstellung und Montage. Des weiteren ist die Herstellung von Wärmetauschern nahezu beliebiger Kompaktheit möglich.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Varianten der Sicherung der Wärmetauschplatten 1 bezüglich gegenseitigen Ineinandergleitens in Form von Detailvergrößerungen aus Querschnitten durch erfindungsgemäße Wärmetauscher.

Eine erste Variante ist in Fig. 3 dargestellt. Zur Lagefixierung einer ersten Wärmetauschplatte bezüglich einer zweiten Wärmetauschplatte weist der profilierte Plattenbereich 11 im Scheitel der unteren Wärmetauschplatte Doppelbiegekanten 111 auf, in denen der spitz zulaufende Scheitel der oberen Wärmetauschplatte angeordnet und dadurch gegen seitliches Verrutschen gesichert ist. Zur Verdeutlichung sind des weiteren ein erster Wärmetauschkanal 11A und ein zweiter Wärmetauschkanal 11B bezeichnet.

Eine zweite Variante der Sicherung der Wärmetauschplatten 1 gegen seitliches Ineinandergleiten besteht gemäß der Darstellung in Fig. 4 aus in den Kanälen angeordneten um ihre Längsachse verdrehten vorzugsweise metallischen Bändern 112. Neben der Lagefixierung der Profilbereiche 11 bewirken die verdrehten Bänder 112 eine Verwirbelung der Luftströme und damit eine Erhöhung des Wärmeübergangs an den Kanalwandungen. Werden die Bänder 112, die sowohl glatt, verrippt oder auch als Bürsten ausgeführt sein können, mit einer Antriebseinrichtung verbunden, die sie in eine Drehbewegung um ihre Längsachsen versetzt, können derart Schmutzpartikel im Kanalsystem gelockert und nach Art eines Schneckenförderers ausgetragen werden.

Ein Wärmetauscher nach der Erfindung zeichnet sich durch einfache Montage und Zerlegbarkeit aus. Dadurch ist eine einfache Reinigung gegeben und durch Schmutzablagerungen hervorgerufene Beeinträchtigungen der Wärmeübertragung und damit des Wirkungsgrades werden vermieden.

Claims (9)

1. Wärmetauscher für getrennt geführte, insbesondere gasförmige Medien, dessen von den Medien durchströmte Kanäle bezüglich der sie durchströmenden Medien schachbrettartig angeordnet sind, bestehend aus übereinander gestapelten Platten, die außerhalb eines wärmeaustauschkanalbildenden Bereiches eben sind, die Zwischenräume zwischen den ebenen Bereichen der Platten An- bzw. Abströmkanäle bilden, die an den Stirnseiten des Wärmetauschers zwischen der Mitte und den Stapelkanten alternierend mit Verschlußmitteln versehen sind und die halben Stirnseiten des Wärmetauschers jeweils mit einer Medienquelle oder einer Mediensenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) im wärmeaustauschkanalbildenden Bereich (11) zickzackartig ausgeprägt sind und die Platten (1) derart angeordnet sind, daß sich im wärmeaustauschkanal­ bildenden Bereich (11) die Biegelinien benachbarter Platten (1) wenigstens nahezu berühren, die Wärmetauschkanäle (11A, 11B) im wesentlichen quadratische Querschnittsflächen aufweisen und die Seiten der An- bzw. Abströmkanäle (14) mit den Seiten der Wärmetauschkanalquerschnittsflächen einen Winkel von wenigstens annähernd 45° bilden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (1) sechseckig ausgebildet sind, die Biegelinien im wesentlichen gleiche Länge aufweisen und parallel zwischen zwei zueinander parallelen Seiten verlaufen, die verbleibenden gegenüberliegenden dreieckigen Restflächen die ebenen Bereiche (12) bilden und die in Strömungsrichtung am weitesten auseinander liegenden Spitzen des Plattenstapels die Mitte der Stirnflächen darstellen.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich der ebenen Bereiche (12) der Platten (1) eine Ausprägerichtung bildenden Biegelinien als parallel in geringem Abstand voneinander verlaufende Doppelbiegekanten (111) ausgestaltet sind.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bezüglich der ebenen Bereiche (12) der Platten (1) eine Ausprägerichtung bildenden Biegelinien in Abständen flächige, kreuzartige, sattelartige, kraterartige oder ähnliche Ausprägungen aufweisen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß um ihre Längsachse verdrehte Bänder (112) in den Wärmeaustauschkanälen (11A, 11B) angeordnet sind.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die um ihre Längsachse verdrehten Bänder (112) eben, verrippt oder bürstenartig ausgeführt sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachsen der Bänder (112) wenigstens an deren Enden ausgeführt und die Bänder mittels der Enden ihrer Längsachsen geeignet gelagert sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder (112) drehbar gelagert und mit einer Antriebsvorrichtung verbunden sind.

9. Wärmetauscher nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschkanalwandungen Verrippungen aufweisen.