DE2953738C2 - Plattenwärmeaustauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Wärmetechnik, insbesondere Plattenwärmeaustauscher.

Bei den bekannten Konstruktionen von Plattenwärmeaustauschern verwendet man gewellte Wärmeaustauschflächen, welche von Kanälen gebildet werden, die im Querschnitt rechteckige oder kompliziert gestaltete trapezförmige Profile aufweisen und in der Strömungsrichtung des Wärmeträgers kurze Flanken bzw. Seitenflächen aufweisen. Bei diesem Konstruktionstyp der gewellten Flächen wird unter gleichzeitiger Berücksichtigung der wärmetechnischen Kennwerte und des erhaltenen Druckverlusts (zusammenfassend »wärmehydraulische Eigenschaften« genannt) der Wärmeübergang besonders wirksam gesteigert. Bei einem Strömungszustand des Wärmeträgers, der durch ein Verhältnis von Re > /?e*_r gekennzeichnet ist, worin Re die Reynolds-Zahl, /?e*_r einen kritischen Wert der Reynolds-Zahl bedeuten, bei dem die Stabilität der laminaren Strömung verlorengeht, kommt es in den Kanälen der gewellten Flächen an den Kanten der Wellungsflanken zur Ablösung des Wärmeträgerstromes und zum Entstehen von Wirbelsystemen. Die Wirbelsysteme weisen eine Größenordnung auf, die der Hälfte der Dicke der Wellungsflanken entspricht und sie weisen in der an der Wand liegenden Strömungsschicht einen Abstand von der Wand auf, der der Hälfte der Wellungsdicke entspricht Auf diese Weise wird eine dem Wärmeträgerstrom für die Inteßsivierung des

ίο konvektiven Wärmeübergangs in den Kanälen mit so gestalteten Oberflächen zugeführte zusätzliche Energie nur für die Verwirbelung der an der Wand liegenden Wärmeträgerschicht und nicht für die Verwirbelung des Strömungskernes verbraucht

It In der dünnen an der Wand des Kanals liegenden Schicht die den größten Teil des Wärmedurchgangswiderstandes darstellt sind deshalb der Wert für die turbulente Wärmeleitfähigkeit und der von diesem Wert bestimmte Wert der Dichte des Wärmestrumes ihren Größen nach gering. Durch ein Wirbelsystem in der an der Wand liegenden Schicht wird die Größe der turbulenten Viskosität stark erhöht, was zu einer Vergrößerung des Wertes für die turbulente Wärmeleitfähigkeit und folglich zu einer Vergrößerung des Wertes für die Dichte einer Wärmeströmung führt Somit wird durch die genannten Kanäle ein im Vergleich zu den glatten Kanälen höherer Wert für die den Wärmeabgabekoeffizienten bu einer nur mäßigen Steigerung des für die Intensivierung des konvektiven Wärmeübergangs erforderlichen Energieaufwandes erhalten. Dadurch wird es möglich das Volumen, die Masse und die Herstellungskosten von Wärmeaustauschern mit derartigen Wärmeaustauschflächen wesentlich zu vermindern.

Eine Verminderung des Volumens und der Masse der Plattenwärmeaustauscher wird jedoch nicht nur dadurch erreicht, daß in ihren Wärmeaustauschflächen eine Intensivierung des konvektiven Wärmeübergangs in den Kanälen erfolgt, sondern auch durch die Verwendung von hochkoiF.paktev. Konstruktionen der Plattenwärmeaustauschflächen. Die bestehenden Konstruktionen der Wärmeaustausditlächen mit Kurzflanken in der Strömungsrichtung des Wärmeträgers zeichnen sich durch keine hohen Werte für die auf kleinem Raum angeordneten Flächen (Kompaktheit) aus.

Es ist ein Plattenwärmeaustauscher bekannt (siehe FR-PS 13 71493), in dem eine gewellte Wärmeaustauschfläche verwendet wird, die durch Kurzflanken in

■50 Strömungsrichtung des Wärmeträgers gebildet ist und Wellungen mit einem rechteckigen Profil aufweist. Die Wellungen besitzen eine abgeplattete flache Spitze. Die π der Strömungsrichtung des Wärmeträgers folgenden Wellungen sind relativ zu den vorhergehenden Wellungen um eine halbe Wellungsteilung versetzt. Die aufeinanderfolgend angeordneten Wellungen sind über die abgeflachten Spitzen starr miteinander verbunden. Auf diese Weise bildet sich ein Verbindungsstück mit einem rechteckigen Profil mit Seiten, die der Dicke des Wellungswerkstoffes und der Hälfte der Grundfläche der flachen Spitze der Wellung gleich sind,

Dieser Konstruktionstyp einer Plattenwärmeaustauschfläche kann eine maximal mögliche Kompaktheit, die bei durch dreieckige Kanäle gebildeten Flächen

f>5 erreicht wird, gewährleisten. Eine Fläche, welche durch im Schnitt ein gleichseitiges Dreieck bildende Kanäle gebildet wird, weist einen mehr als um das zweifache größeren Wert für die Kompaktheit auf.

Es ist auch ein Plattenwärmeaustauscher bekannt (siehe DE-PS 11 04 542), der eine gewellte Wärmeaustauschfläche hat, deren Wellungsflanken aus oberen und unteren geradlinigen Abschnitten, welche einen gleichen Neigungswinkel zu der Symmetrieachse der Wellung aufweisen, und aus Zwischenabschnitten bestehen. Ober die Zwischenabschnitte werden die Wellungen die in Strömungsrichtung des Wärmeträgers aufeinanderfolgend angeordnet und relativ zueinander um eine halbe Wellungsteilung versetzt sind, starr verbunden. Die Kanäle der Wärmeaustauschfläche weisen im Schnitt ein kompliziert gestaltetes trapezförmiges Profil aaf.

Durch das Vorhandensein eines Zwischenabschnittes der Wellungsflanken in Form einer flachen Platte mit einer Breite, die durch die Wellungsteilung vorgegeben ist, kann jedoch kein ausreichend hoher Wert für die Kompaktheit der Wärmeaustauschfläche erreicht werden. Außerdem wird auch durch das Vorhandensein von flachen Spitzen der Wellungen, die durch die Wellungsteilung vorgegeben sind, der maximal mögliche Wert der Kompaktheit bei diesem Konstruktionstyp einer Wärmeaustauschfläche vermindert.

Da der Wirkungsgrad der Konstruktionen der Wärmeaustauscher nicht nur von dem wärmehydraulischen Wirkungsgrad des in den Kanälen der Wärmeaustauschfläche ablaufenden intensivierten Wärmeaustausches, sondern auch von der Kompaktheit der Wärmeaustauschfläche abhängig ist, erreicht die bekannte Konstruktion nicht den wünschenswerten hohen Wirkungsgrad.

Ferner weist die gewellte Fläche des Wärmeaustauschers keine Druckfestigkeit auf, einem solchen Druck werden die Wellungen einer gewellten Fläche bei Konstruktionen von Wärmeaustauschern mit einem Gegendruck in den Hohlräumen ausgesetzt. Dieser Mangel an Festigkeit ist dadurch bedingt daß die ebenen Zwischenabschnitte einseitig befestigt ausgeführt sind und unter spitzen Winkeln in die oberen und unteren Wellungsabschnitte übergehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eir;n Plattenwärmeaustauscher zu schaffen, bei dem die Flanken der gewellten Wärmeaustauscherfläche derart ausgeführt sind, daß eine Verminderung des Volumens und der Masse des Plattenwärmeaustauschers möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Wärmeaustauscher gemäß Patentanspruch 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Plattenwärmeaustauscher gestattet e*. das Volumen, die Masse und die Herstellungskosten von Plattenwärmeaustauschern mit einem für die Serien- und Massenfertigung sehr gut geeigneten neuartigen Aufbau wesentlich zu vermindern.

Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden konkreten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Plattenwärmcaustauschers unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich. Es zeigt

F i g. 1 einen Plattenwärmeaustauscher mit gewellten Wärmeaustauschflächen (in Isometric),

F i g. 2 eine gewellte Wärmeaustauschfläche in Draufsicht,

Fig.3 eine Wellung der gewellten Fläche im Querschnitt,

F i g. 4 eine gewellte Fläche im Querschnitt Die gewellte Fläche 1 (F i g. 1) eines Plattenwärmeaustauschers ist zwischen Trennplatten 2 angeordnet die beiderseits mit einem Lot plattiert sind Die Spitzen 3 der Welhiiigen 4 der gewellten Wärmeaustauschfläche 1 sind an die Trennplatten 2 angelötet

Die gewellte Fläche 1 (F i g. 2) des Plattenwärmeaustauschers besteht aus aufeinanderfolgend angeordneten Reihen 5 und 6 von Wellungen 4. Die aufeinanderfolgend angeordneten Wellungen 4 sind relativ zueinander um eine halbe Teilung t der Wellung 4 versetzt In jeder Reihe 5,6 bilden die Wellungen kurze ununterbrochene Kanäle in Strömungsrichtung des Wärmeträgers mit einer Länge 1'. Eine jede Wellung 4 (F i g. 3) weist im Schnitt eine komplizierte dreieckige Form auf, die durch die Flanken 7 der Wellung 4 begrenzt ist Die Flanken 7 bestehen aus geradlinigen Endabschnitten 8, die an der Spitze 3 der Wellung 4 liegen, und aus geradlinigen Endabschnitten 9, die an der Grundfläche der Wellung 4 liegen. Die Endabschnitte 8,9 der Flanken 7 haben einen gleichen Neigungswinkel φ zu der Symmetrieachse 10 der Welhing 4. Die geradlinigen Abschnitte 8 der Flanken 7 sind an der Spitze 3 der V» ellung 4 über einen Radius R verbunden. Zwischen den geradlinigen Abschnitten 8,9 der Ranken 7 ist ein mittlerer Abschnitt 11 vorgesehen. Der mittlere Abschnitt 11 der FlarJcen 7 besteht aus zwei bogenförmigen Abschnitten 12,13 mit einem gleich großen Krümmungsradius R\, wobei diese Abschnitte 12,13 so liegen, daß die Krümmungsradien jo einander entgegengerichtet sind. Dabei ist der Abstand zwischen den geradlinigen Endabschnitten 9 der Flanken 7 jeder Wellung 4, in der Ebene 14 durch die Punkte 15 des Obergangs von zwei Abschnitten 12 und 13 der Flanken gemessen, größer als der Abstand

j5 zwischen den geradlinigen Endabschnitten 8 in derselben Ebene 14 gemessen.

Die starre Verbindung der aufeinanderfolgend angeordneten Wellungen 4 (Fig.4) ist an den Obergangsstellen der bogenförmigen Abschnitte 12 und 13 ausgeführt die so an den Flanken 7 angeordnet sind, daß eine starre Verbindung auf der Hälfte der Höhe h der Wellungen 4 erhalten wird. Die starre Verbindung wiri über einen Abschnitte hergestellt, der die Form «ines Rechtecks mit Seiten besitzt die der Werkstoffdik-

■»> keder Wellung 4 etwa gleich sind.

Zu einer Erhöhung der Kompaktheit der gewellten Fläche 1 (Fig.3) beträgt der Bogenradius der Abschnitte 12,13 der Flanken 7 jeder Wellung 4 0,1 -3.0 der Höhe Λ der Wellung 4.

•ii Zu einer weiteren Erhöhung der Kompaktheit der gewellten Fläche 1 trägt der Abstand zwischen den Endabschnitten 9 der Flanken 7 jeder Wellung 4. die an der Grundfläche der Wellung 4 liegen, in der Ebene 14 gemessen, bei, die durch die Übergangsstellen 15 von zwei Abschnitten 12, 13 der Flanken 7 geführt ist; er beträgt 1.05—3,0 des Abstandes zwischen den Endabschnitten 8 der Flanken 7 jeder Wellung 4. die an der Spitze 3 der Wellung 4 liegen, in derselben Ebene 14 gemessen.

bO Der vorliegende Plattenwärmeaustauscher hat folgende Arbeitsweise.

Wenn der Plattenwärmeaustauscher von zwei gasförmigen Wärmeträgern durchströmt wird, wird die Wärme aus dem heißeren Wärmeträger über die Flanken 7 (Fig.3) der Wellungen 4 der gewellten Fläche 1 in einen der Hohlräume des Plattenwärmeaustauschers und weiter über die angelöteten Spitzen 3 (Fig. 1) der Wellungen 4 zu den Trennplatten 2

abgeführt. Von der Trennplatte 2 wird die Wärme auf einen kälteren Wärmeträger durch die Flanken 7 der Wellungen 4 übertragen, deren Spitzen 3 an der anderen Seite der Trennplatten 2 angelötet sind.

Beim Durchströmen des Wärmeträgers durch die Kanäle der gewellten Wärmeaustauschfläche 1 werden an den Kanten der Flanken 7 der Wellungen 4 Wirbelsysteme erzeugt, die sich in der an der Wand liegenden Schicht der Wärmeträgerströmung befinden und nach deren Größenordnung der Dicke der an der Wand liegenden Schicht vergleichbar sind. Durch die Übertragungsströmung werden die Wirbel in Stromrichtung entlang den Flanken 7 der Wellungen 4 getragen, wobei sie allmählich an den Wänden einen Teil ihrer umwandelbaren Energie verlieren. Da die Länge der Kanäle der Wellungen 4 geringer ist, klingen die Wirbel nicht ab, und in den darauffolgenden Kanälen der Wellungen 4 werden sie erneut erzeugt. Die hydrodynamischen Verhältnisse sind über den Ouerschnitt der Wellung 4 nicht gleichmäßig. An dem Querschnittsabschnitt der Kanäle der Wellungen 4, der durch die geradlinigen Endabschnitte 8 der Flanken 7 begrenzt ist, klingen die erzeugten Wirbelsysteme mit einer höheren Geschwindigkeit entlang der Wärmeträgerströmung ab als am Querschnittsabschnitt der Wellungen 4, der durch die geradlinigen Endabschnitte 9 begrenzt ist, weil die geradlinigen Endabschnitte 8 der Flanken 7 näher aneinanderliegen als die geradlinigen Endabschnitte 9. Dadurch erfolgt am Querschnittsabschnitt der Wellung 4, der durch die geradlinigen Endabschnitte 8 der Flanken 7 begrenzt ist, eine stärkere Bildung einer laminaren Bewegung des Wärmeträgers infolge der nahen Anordnung o' der eines Zusammenfließens der benachbarten laminaren Grenzschichten. Das führt zu einem schnelleren Abklingen der Wirbelsysteme an den Wänden der geradlinigen Abschnitte 8 der Flanken 7 im Vergleich zu den Bedingungen an den Wänden der Abschnitte 9 der Flanken 7.

Da die geradlinigen Abschnitte 8, 9 der Flanken 7 durch die Abschnitte 12, 13 gekoppelt sind, erfolgt die Änderung der hydrodynamischen Verhältnisse, die oben beschrieben wurde, über den Querschnitt der Wellungen 4 nicht sprunghaft, sondern stoßfrei, d. h. fließend. Dabei werden die besten Ergebnisse für die Intensivierung des konvektiven Wärmeübergangs in den Kanälen der Wärmeaustauschfläche 1 in der Konstruktion bei

einem Wert des Bogenradius der Abschnitte 12,13 der Flanken 7 jeder Wellung 4 erhalten, der 0,1 —3,0 der Höhe h der Wellung 4 beträgt.

Eine geringere Differenz der hydrodynamischen Struktur über den Querschnitt der Wellung 4 mit den entsprechenden günstigen Ergebnissen sowie auch eine Erhöhung der Kompaktheit der gewellten Fläche 1 wird mit der Verminderung der Differenz zwischen dem Abstand der äußeren Abschnitte 9 der Flanke 7 jeder Wellung 4 voneinander, wobei der Abstand in der durch die Übergangsstellen 15 von zwei Abschnitten 12,13 der Flanken 7 der Wellungen 4 geführten Ebene 14 gemessen wird, und dem Abstand der äußeren Abschnitte 8 der Flanken 7 jeder Wellung 4 voneinander, in derselben Ebene 14 gemessen, erreicht. Die besten Ergebnisse für die Intensivierung des konvektiven Wärmeübergangs in den Kanälen der gewellten Fläche 1 der Konstruktion unter gleichzeitiger Erhöhung des Wertes ihrer Kompaktheit werden in den Fällen erreicht, wenn der Abstand zwischen den äußeren Abschnitten 9 in die Ebene 14 verlängert, das l,0-3,0fache des Abstandes zwischen den äußeren Abschnitten 8 an der Spitze 3 jeder Wellung 4, in dieselbe Ebene 14 verlängert, beträgt.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen gewellten Fläche bei der Konstruktion eines Plattenwärmeaustauschers, der oft bei einem Betriebszustand K » tx_mj_n (K - Koeffizient der Wärmeübertragung eines Wärmeaustauschers «_m,n — minimale Wärmeübergangszahl an einer von den zwei Wärmeaustauschflächen des Wärmeaustauschers) betrieben wird, gewährleistet eine Verminderung des Volumens, der Masse und der Herstellungskosten eines Wärmeaustauschers um 25 bis 30% im Vergleich zu der Verwendung von bekannten ähnlichen Konstruktionen gewellter Wärmeaustauschflächen.

Der Plattenwärmeaustauscher kann in Gas-Gas-. Flüssigkeit-Gas- und Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmeaustauschers mit verschiedener Zweckbestimmung sowie auch in Luftkondensatoren und Verdampfern zur Kondensierung und Verdampfung verschiedener Flüssigkeiten, in ingenieurtechnischen Objekten der Kraftfahrzeug- und Traktorenindustrie, in dex Flugzeugbauindustrie, in der Energetik, Kältetechnik, in der chemischen und in anderen Industriezweigen verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Plattenwärmeaustauscher mit einer gewellten Wärmeaustauschfläche, deren Wellungen in Reihen angeordnet sind, die relativ zueinander um eine halbe Wellungsteilung versetzt sind, wobei die Flanken jeder Wellung aus drei Abschnitten bestehen, von denen die beiden Endabschnitte geradlinig ausgeführt sind und an der Spitze und der Grundfläche der Wellung unter einem gleichen Winkel gegen die Symmetrieachse der Wellung geneigt sind, und die mittleren Abschnitte mit den Flanken der Wellungen starr verbunden sind, die in den benachbarten Reihen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Abschnitt (11) der Flanken (7) jeder Wellung (4) der Wärmeaustauschfläche (1) von zwei bogenförmigen Abschnitten (12,13) mit gleichem Krümmungsradius (Ri) gebildet wird, die derart angeordnet sind, daß die Krümmungsradien (Ri) einander entgegengerichtet sind, und daß die starre Verbindung der Flanken {/^benachbarter Wellungen (4) an der Stelle ausgeführt ist, an der die bogenförmigen Abschnitte (12, 13) ineinander übergehen, wobei die starre Verbindung über eine Kontaktfläche erfolgt, die die Form eines Rechtecks mit solchen Seitenlängen aufweist, die der Werkstoffdicke der Flanken (7) etwa gleich sind.

2. Plattenwärmeaustauscher nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der bogenförmigen Abschnitte (12, 13) der Flanken (7) jeder WcHung (4) einen Wert von 0,1 bis 3,0 der Höhe (h)der Wellung (4) aufweist

3. PlattenwärmeaüstausCiier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (n) der beiden rlanken (7) zwischd den geradlinigen Endabschnitten (9) an der Grundfläche der Wellung (4), verlängert in die Ebene (14). die durch die Übergangsstellen von je zwei bogenförmigen Abschnitten (12,13) der Flanken (7) der Wellung (4) gelegt ist, einen Wert von 1,05 bis 3,0 des Abstands der Flanken (7) zwischen den beiden geradlinigen Endabschnitten (8) an der Spitze (3) jeder Welluig (4), die ebenfalls in die Ebene (14) verlängert sind, aufweist.