DE2251286C3

DE2251286C3 - Platten-Wärmetauscher mit im Stapel angeordneten Platten

Info

Publication number: DE2251286C3
Application number: DE2251286A
Authority: DE
Inventors: Harry Joseph Dunlap Dawson; Joseph Patrick Grandfield; Wallace Allan Hoftiezer; David Edward Pekin Keedy; Ervin Eugene Brimfield Mangus; Eugene Kell Patton
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1971-11-18
Filing date: 1972-10-14
Publication date: 1980-08-21
Also published as: DE2251286A1; BE791533A; DE2251286B2; GB1400794A; US3759323A; JPS4863349A; CA959043A; JPS54180350U

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Platten-Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Beispiele für Wärmetauscher zeigen die US-PS 21 110, 3042 382, 32 16 495 und 32 91206. In der DE-OS 15 01586 ist ein Primär-Wärmetauscher beschrieben, der aus rechteckigen, im wesentlichen abwechselnd gleichen Platten aufgebaut ist, Hie aufgrund von wellenförmigen Prägungen in einem parallclogrammartigen Mittelfeld im Querschnitt wabenartig liegende Strömungskanäle begrenzen. Die von den dreieckigen Endfeldern der rechteckigen Platten begrenzten Räume sind abwechselnd nach den Schmalseiten und nach von den Ecken abgehenden Abschnitten der Längsseiten offen und dienen als Zu- und Abflußbereiche der in Wärmeaustausch zu bringenden Strömungsmittel. Für das eine Strömungsmittel ergibt sich dabei ein im wesentlichen geradliniger, für das andere ein zickzackförmiger Durchfluß durch den Wärmetauscher.

Ein solcher, aus einer Vielzahl von Platten aufgebauter Wärmetauscher läßt sich so ausführen, daß sich eine insgesamt sehr gedrängte Umrißform ergibt, die z. B. für den Einbau in Landfahrzeuge geeignet ist Diese Wärmetauscher haben sich auch als stabil erwiesen, ίο obwohl wegen der unmittelbaren Verwendung der Platten als Austauschelemente besondere Stützvorrichtungen im Inneren der Plattenzwischenräume vermieden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Wärmetauscher in der Weise auszubilden, daß bei einem möglichst großen Austauschfeld die Strömungswege unter Berücksichtigung der verschiedenen Wärmeeinhalte der in Austausch zu bringenden Strömungsmittel günstiger gestaltet werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird nach der Erfindung ein Platten-Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 geschaffen. Besondere Weiterbildungen dieses Platten-Wärmetauschers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der erfindungsgemäß ausgeführte Platten-Wärmetauscher wird von den in Austausch zu bringenden Strömungsmitteln auf allgemein C-förmigen Wegen durchströmt, wobei für die eine Flüssigkeit verhältnismäßig breite und kurze, für die andere verhältnismäßig schmale und längere Zu- und Abflußbereiche vorgesehen sind. Ein weiterer Vorzug des neuen Wärmetauschers ist, daß der Anschluß an übliche Motoren vereinfacht wird und infolgedessen auch die sonst durch Leitungen verursachten dynamischen Strömungsverluste verringert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine auseinandergezogene schaubildliche Ansieht einer Gruppe von im wesentlichen ebenen, für die Verwendung im Wärmetauscher mit Wellungen usw. versehenen Platten,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-Il in Fig. 1 und F i g. 5,

Fig. 3 die Ansicht eines Schnittes in Richtung der Pfeile NI-IM der Fig. I und 6,

Fig.4 die Ansicht eines Schnittes in Richtung der Pfeile IV-IVder Fig. I,

Fig.5 und 6 Draufsichten auf eine abgewandelte Ausführungsform der Platten,

Fig. 7 die Ansicht eines Schnittes in Richtung der Pfeile VII-VII der Fig. 5,

Fig.8 eine teilweise Draufsicht auf die gestapelte Anordnung benachbarter Platten oder Bleche mich F i g. 5 und 6,

Fig. 9 die Ansicht eines Schnittes in Richtung der Pfeile IX-IX der F ig. 8,

Fig. 10 eine der Fig. Ί entsprechende schaubildliche Ansicht einer abgewandelten Form zweier benachbarbo ter Platten,

Fig. 11 eine schaubildliche Ansicht einer Gasturbinenmaschine mit einer Anwendungsform der Erfindung und

Fig. 12 ein Schemabild zur Veranschaulichung der S omungsinittelwege durch die Wärmcaustauschanoidnung nach Fig. II.

In Fig. 1 sind vier Bleche 2, 4, 6 und 8 dargestellt, wobei das Blech 2 dem Blech 6 und das Blech 4 dem

Blech 8 gleicht

Jedes Blech weist drei Hauptbereiche auf. Zum Beispiel weist das Blech 2 einen gewellten mittleren rechteckigen Bereich 10 auf, der von mit Prägungen versehenen dreieckigen Bereichen 12 urrf 14 auf beiden Seiten flankiert wird.

In dem Dreieckbereich 12 fällt eine Basis 16 mit einer Seite des mittleren rechteckigen Bereichs 10 zusammen, so daß die Seiten 18 und 20 zwei der sechs Außenkanten des Bleches 2 bilden. ι ο

Kantenleisten 22 und 24 am Blech 2, 26 und 28 am Blecli 4 und 30 und 32 am Blech 6 dienen dazu, die Bleche voneinander auf Abstand zu halten und die Kanten abzudichten, so daß ein Auslecken und Vermischen der Strömungsmittel verhindert wird.

Jeweils eine Kante jedes dreieckigen Bereiches, am Blech 8 die Kanten 34 und 36, am Blech 6 die Kanten 110 und 112, wird nicht durch eine Kantenleiste abgedichtet, so daß bei Stapelung der Bleche 4, 6 und 8 öffnungen gebildet werden.

In F i g. 1 sind nur vier Bleche dargestellt. Es ist jedoch zu beachten, daß eine große Anzahl von Blechen paarweise, wie die Bleche 2 und 4, gestapelt wird, um einen Wärmeaustauscherkern der gewünschten Größe zu bilden.

Die F i g. 2 und 3 zeigt typische Querschnitte der Bleche 2 und 4.

Wenn das Blech 2 auf das Blech 4 zur Bildung eines Plattenpaares in einem Stapel gesetzt wird, werden die Bleche durch die Kantenleisten 26 und 28 und durch die Rippen 38 und Täler 40 der Wellungen im mittleren rechteckigen Bereich der Bleche aneinander abgestützt und auf Abstand gehalten.

In gleicher Weise sorgen Warzen oder Vorsprünge, die an die dreieckigen Seitenbereiche der Bleche J5 eingeprägt sind, für eine Abstützung und Abstandshalterung in diesen Bereichen der Bleche.

Wie Fig.4 zeigt, enden die Ausprägungen 42 kurz vor der Außenkante 44, so daß ein schmaler ebener Rand 46 für die Befestigung der Kantenleisten, etwa der Leiste 32, bleibt.

Die Kantenleisten bilden eine wirksame Abdichtung, um ein Auslecken und Vermischen der Strömungsmittel ^u verhindern.

Eine abgewandelte Ausführuugsform, bei weicher der mittlere rechteckige Bereich auf jeder Seite durch zwei dreieckige Zonen flankiert wird, ist in Fig. 5 und 6 dargestellt.

Nach Fig.5 sind die Kantenleisten 48, 50, 52, 54, 56 und 58 an dem Blech 60 befestigt.

Nach F i g. 6 sind die Kantenleisten 62 und 64 an dem Blech 66 befestigt.

Die Bleche 60 und 66 sind über die gesamten Dreieckseitenbereiche eben ausgebildet.

Wie in Fig. 7 im Schnitt gezeigt ist, werden Füllbleche 68 in die Seitenberciche eingesetzt, um für eine strukturelle Abstützung und richtungsmäßige Führung der Strömung zu sorgen. Diese Platten können lose auf das Blech 60 gesetzt oder an der Kantenleiste 54 oder dem Blech 60 befestigt w. rdcsi. ω

Die Abstützung, die durch Berührung zwischen den Rippenoberseiten 72 und den Tälern 74 der Weüungen an benachbarten Blechen erzielt wird, ist in den Fi g. 8 und 9 dargestellt. In diesem Beispiel ist das Blech 76 auf die Oberseite des Bleches 78 gesetzi.

Zickzackartig oder im Fischgrätenmuster verlaufende Wellungen sind in benachbarten Blechen gegeneinander versetzt, um ein Ineinandergreifen der Wellungen zu vermeiden.

F i g. 10 zeigt eine abgewandelte Wellungsform.

In diesem Fall sind in dem Blech 80 und 82 gerade verlaufende Wellungen ausgebildet, die geringfügig schräg gegeneinander gerichtet sind, so daß die Wellungen auf benachbarten Blechen in Berührung miteinander treten und dadurch für eine strukturelle Abstützung sorgen und ein Ineinanderfassen der Bleche vermeidea

Eine typische Anwendung dieser Erfindung ist in Fig. 11 dargestellt.

Ein Wärmeaustauscher oder Gasvorwärmer 84, der durch aufeinanderfolgend gestapelte Bleche 60 und 66, siehe F i g. 5 und 6, gebildet wird, ist in einer Gasturbinen-Antriebseinheit 86 eingebaut.

Die Leitungen 88 und 88' verbinden einen Kompressorausgangssammler 90 mit einem Gasvorwärmer 84, während die Leitung 92 den Gasvorwärmer 84 mit einem Verbrennungssammler 94 verbindet.

Ein Gasvorwärmergehäuse 96 mit Öffnungen für die Leitungen 88, 88' und 92 sitzt auf einem Abgassammler 98.

Das gesamte Gasvorwärmesystem, das in Fig. 11 zum Teil verdeckt dargestellt ist, besteht aus zwei Austauschereinheiten 100 und 100', siehe die vereinfachte Darstellung in F i g. 12.

Gleiche Elemente der zwei Einheiten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, jedoch durch Zufügung eines Apos^lrophs unterschieden.

Nachfolgend wird dir Arbeits- und Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Einrichtung ausführlich erläutert.

Eine typische Anwendungsform für die Erfindung ist eine Gasturbinen-Antriebseinheit, bei welcher die in den Abgasen verfügbare Wärmeenergie durch die Wärmeaustauschereinrichtung wiedergewonnen und vor dem Einlaß des Verbrennungsraumes auf die zuzuführende Luft übertragen wird. Im Zusammenhang mit dieser Anwendung wird die Erfindung weiter erläutert.

Der Strömungsweg der verhältnismäßig heißen Maschinenabgase wird in den Zeichnungen durch ausgezogene Pfeile angedeutet.

In entsprechender Weise wird die Strömung der verhältnismäßig kühleren, vom Kompressor abgegebenen Luft durch in punktierter Linie gezeichnete Pfeile angedeutet.

Die Vorteile, die sich durch Verwendung eines Wärmeaustauschers mit gestapelten Führungsblechen im Zusammenhang mit einer Verbrennungskraftmaschine ergeben, nämlich die erhöhte Wirtschaftlichkeit und Leistung, sind an sich bekannt.

Die allgemein C-förmigen Wege, die die Luftströmung durchläuft, sind aus Fig. 1 ersichtlich. Zum Beispiel ist die Luftströmung 102 zwischen den Blechen 2 und 4 in ihrer Richtung durch den Ort der Eingangsöffnung 104 und der Austrittsöffnung 106 bestimmt, die zwischen den beiden Blechen vorgesehen sind.

Die Kantenleisten 26 und 28 dichten wirksam aile Kanten um den Umfang der Bleche herum mit Ausnahme des erwähnten Eingangs bzw. Ausgangs 102 bzw. 104 für die Strömung.

Entsprechend ist ein etwas flacherer C-fönniger Strömungsweg 108 für die Gasströmung zwischen den Blechen 4 und 6 vorgesehen.

Die Kantenleisten 30 und 32 dichten auch hier die Kanten in der Weise, daß nur eine Eintrittsöffnung 110 und eine Aust· ittsöffnung 112 bleibt.

Die Anordnung der Öffnungen begünstigt einen natürlichen, äußerst erwünschten Gegenstrom für die entsprechenden Strömungsmittel in dem mittleren rechteckigen Bereich.

Die Wellungen des mittleren rechteckigen Bereichs sorgen nicht nu. für eine bauliche Abstützung, sondern begünstigen auch die Steuerung der Strömung.

Das in Fig. 1 veranschaulichte, in Fig. 2 und 3 im Schnitt gezeigte Zickzackmuster, siehe in F i g. 8 auch die Darstellung im Stapel, begünstigt eine Durchmischung des Strömungsmittelflußes während seines Weges durch den Bereich und verhindert, daß sich laminare Strömungsbedingungen ausbilden, die der Wirksamkeit der Wärmeübertragung schädlich sein würden.

Entsprechend hat das wellenförmige Wellungsmuster, siehe F i g. 5 und 6 dem Zickzackmuster ähnliche Eigenschaften.

Eine andere Ausführungsform sind die schräg verlaufenden geraden Kanäle, siehe Fig. 10. Aufgrund der sich kreuzenden Kämme und Täler der Wellungen benachbarter Bleche sorgen alle drei Muster für eine bauliche Unterstützung, eine richtungsmäßige Steuerung der Strömung und eine Vermischung der Strömung innerhalb der entsprechenden Kanäle, so daß eine wirksame Wärmeübertragung bei minimalem Druckverlust gefördert wird. '

Da der erfindungsgemäße Primärflächen-Wärmeaustauscher nicht für den überwiegenden Teil des Wärmeaustausches von mit Leitflügeln besetzten Flächen abhängt, können die verhältnismäßig dünnen, mit dem Prägungsmuster versehenen Bleche aus Metall, Keramik oder anderen nichtmetallischen Materialien hergestellt werden, ohne daß die Gesamtleistungsfähigkeit beeinflußt wird. Zum Beispiel können Materialien wie Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Lithium-Aluminium-Silikat, die für Gebrauch bei hohen Temperaturen besonders gut geeignet sind, zur Bildung der Bleche für den erfindungsgemäßen Wärmeaustauscher benutzt werden.

Die zwei Außenkanten der Dreieckseitenbereiche können in ihrer Länge mit Bezug aufeinander so variiert werden, daß für entsprechende Strömungsdichte und Leitungsmöglichkeit nach den Erfordernissen gesorgt wird. Gewöhnlich ist die Kante, die für die Lustströmung von der Abgabeseite des Kompressors vorgesehen ist, wegen der größeren Dichte der von Kompressor kommenden komprimierten, kühleren Luf kürzer als der benachbarte Schenkel, der der Abgasströ mung entspricht.

Die besonderen Strömungswege des Strömungsmit tels durch eine Maschine sind in den Fig. 11 und Ii dargestellt.

Die vom Kompressor abgegebene Luft wird den Sammler 90 und danach durch die Leitungen 88 und 88 den Einlaßöffnungen 114, 114', 116 und 116' dei Wärmeaustauscher 84 und 84' zugeführt.

Die Luft läuft dann auf allgemein C-förmiget Strömungswegen durch die mittleren rechteckigei Bereiche und nimmt Wärmeenergie in bekannter Weis<

is durch den Übergang an den geweiiten Blechen aus der heißen Abgasen auf.

Die derart erwärmte Luft wird aus den Austrittsöff nungen 118, 118', 120 und 120' der Austauscher 84 unc 84' den Verbrennungssammlern mittels der Leitungei 92 und 92' zugeführt.

Die Luft geht dann in üblicher Weise weiter durch dif Maschine. Sie wird dadurch weiter erwärmt, daß in di< Luft Brennstoff eingeführt und nachfolgend gezünde wird, wodurch sich ein heißes Gas bildet, das seinerseit über eine oder mehrere Turbinenläufer oder -Stufei geht, wobei die Wärmeenergie des Gases in mechani scher Energie eines sich drehenden Gliedes umgesetz wird. Darauf wird das Gas in den Abgassammler 95 abgegeben.

Die verhältnismäßig heißen Abgase gehen dann in di( Gasvorwärmegehäuse 96 und 96', laufen durch di( Wärmeaustauscher 84 und 84' und geben ihn Wärmeenergie an die kühlere Einlaßluft für die Verbrennungsvorrichtung durch den Wärmeübergang ab, der an den Platten des Austauschers stattfindet, unc gehen dann schließlich aus dem Gehäuse heraus in die Atmosphäre.

Die Beschreibung zeigt, daß die Erfindung einen irr wesentlichen mit Oberflächen-Austausch arbeitender Wärmeaustauscher in gedrängter Bauweise mit niedri gern Umriß und geringem Druckverlust ermöglicht, dei für typische Maschinenanordnungen, insbesondere füi Gasturbinen, verwendbar ist, wobei die entsprechender Strömungswege des Strömungsmittels durch der Wärmeaustauscher allgemein C-förmig verlaufen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Platten-Wärmetauscher mit im Stapel angeordneten Platten, die Strömungswege für zwei verschiedene Strömungsmittel begrenzen, wobei der Stapel aus einer ersten und einer zweiten Gruppe abwechselnd nebeneinander angeordneter gewellter Bleche besteht, die jeweils einen mittleren viereckigen Bereich aufweisen, mit einander gegenüberliegenden Längs- und Schmalseiten und je zwei dreieckige Bereiche, deren Basis mit je einer von zwei einander gegenüberliegenden Seiten des viereckigen Bereiches zusammenfällt und wobei zwischen den Blechen gleichzeitig als Dichtleisten wirkende Abstandsleisten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Bereich (10) rechteckig ist, die Basis der beiden Dreieckflächen jeweils mit den beiden Längskanten des Rechtecks zusammenfällt, die gleichen Winkel der Dreiecke jeweils einander gegenüberliegen und daß die Dichi- und Abstandsleisten (z. B. 20, 22, 24) an den sechs Außenkanten der abwechselnden Bleche (2,4,6,8) abwechselnd die beiden kurzen und die beiden längeren Außenkanten der Dreiecke freilassen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere rechteckige Bereich zickzackförmige Wellungen aufweist (F i g. 8).

3. Wärmelauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rechteckigen Mittelbereiche (10) der Bleche Kämme (72) und Täler (74) aufweisen, wobei zur gegenseitigen Abstützung der Bleche Kämme der Wellungen in den ersten Blechen Täler der Wellungen der zweiten Bleche berühren.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere rechteckige Bereich (10) gerade verlaufende Wellungen (80) aufweist, die schräg gegen die angrenzenden Dreieckbei eiche (z. B. 12, 14) und zu den Wellungen der zweiten Bleche (82) verlaufen.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieckbereiche (12, 14) warzenartige Prägungen zur gegenseitigen Abstützung aufweisen oder aus gewellten Blechen (68) bestehen.

6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1—5, dadurch gekennzeichnet, daß die gewellten Bleche durch ein gewelltes, nichtmetallisches Material ersetzt sind.