DE3876100T2

DE3876100T2 - Waermeaustauscher.

Info

Publication number: DE3876100T2
Application number: DE8888905861T
Authority: DE
Inventors: Pentti Raunio Pentti Raunio
Original assignee: Racert Oy
Current assignee: Racert Oy
Priority date: 1987-07-13
Filing date: 1988-07-07
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2008-07-08
Also published as: JPH02504181A; DK10090A; US5088552A; NO170241C; DK10090D0; FI873085A; FI79409C; NO170241B; NO900179D0; EP0375691B1; EP0375691A1; FI873085A0; WO1989000671A1; DK167293B1; DE3876100D1; AU2079188A; NO900179L; ATE82633T1; FI79409B; AU613068B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein solcher Wärmeaustauscher ist an sich bekannt (siehe US- A-4 376 460). Wenn Wärme zwischen zwei fliessenden Medien ausgetauscht werden soll, so hat es sich gezeigt, dass ein Platten aufweisender Wärmeaustauscher, mit einem Stapel von übereinander geschichteten Platten, besonders wirkungsvoll ist. Diese Art von Wärmeaustauschern wird beispielsweise bei Distrikt-Heizungs-Systemen verwendet, bei denen das Wärme transportierende Medium Wasser ist. Bei solchen Wärmeaustauschern, die Wasser verwenden, kann mit einem bescheidenen Druckverlust ein Wärmeübertragungs-Koeffizient im Bereich von etwa 2500 - 3500 W/mK erreicht werden.
Es ist ein Platten-Wärmeaustauscher dieser Art bekannt, bei dem die übereinanderliegenden Platten gewellte, quadratische Platten sind, wobei die Wellen und die Rillen zwischen den Wellen die Richtung von zwei gegenüberliegenden Kanten des Quadrates aufweisen. Bei diesem Aufbau der Platten sind diese so übereinander gestapelt, dass die Rillen der übereinander liegenden Platten einen Winkel von 90º zueinander einschliessen.
Der Stand der Technik ist beispielsweise in folgenden Dokumenten beschrieben: SU-A-561 071; US-A-4 376 460; SE-A-343 383; GB-A-2 028 955 und GB-A-116 786. Die US-Patentschrift 4 376 460 zeigt einen Platten-Wärmeaustauscher, der dem nächstliegenden Stand der Technik entspricht und bei dem die Wellen und Rillen in einer Richtung laufen, obwohl sie nicht parallel zu den einander gegenüberliegenden Seiten des Quadrates gerichtet sind.
Ausserdem sollen die Platten keine Löcher oder dergleichen aufweisen, die zueinander ausgerichtet werden müssen, denn dies würde eine Beschränkung der möglichen Stellungen zwischen den Platten bedeuten. Solche Löcher für das zufliessende Medium wurden zumindest in der GB-A-116 786 und der US-A-4 376 460 gezeigt.
Bei der Herstellung von Wärmeaustauschern ist es von Bedeutung, den Druckverlust des fliessenden Mediums und ihren Wärmeübertragungs-Koeffizienten so zu wählen, dass der gewünschte optimale Wärmeaustausch erreicht wird. Diese Parameter lassen sich durch die Wahl des Abstandes zwischen den einzelnen Wärmeübertragungs-Platten, die Grösse der Plattenoberfläche und die Welligkeit der Platten regulieren. Doch kommt es vor, dass bei bekannten Wärmeaustauschern die Abmessungen der einzelnen Platten bestimmt wurden und dass gleichzeitig die Wärmeübertragungs-Parameter bei einem gewählten Strömungs-Niveau festgelegt wurden, so dass sie nicht mehr geändert werden können. Falls eine Aenderung der Wärmeübertragungs-Eigenschaften des Wärmeaustauschers gewünscht wurde, so war es notwendig, neue Abmessungen für die Platten auszuwählen, entsprechend den neuen Erfordernissen. Somit wurde für jeden unterschiedlichen Wärmeaustauscher ein spezifisches Tiefzieh-Werkzeug erforderlich zur Herstellung der Wärmeübertragungs-Platten. Da solche Werkzeuge sehr teuer sind, haben diese Probleme die Möglichkeit der Mannigfaltigkeit bei der Herstellung von unterschiedlichen Wärmeaustauschern begrenzt. Dies war das Hauptproblem bei den bekannten Wärmeaustauschern und betrifft US-A-4 376 460 sowie SU-A-561 071 und GB-A-116 786. Die dort gezeigten und beschriebenen Platten können bloss in einer Art und Weise aufeinander gestapelt werden.
Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, das oben erwähnte Problem zu lösen und einen Wärmeaustauscher zu schaffen, der sich leicht an unterschiedliche Wärmeübertragungs-Eigenschaften anpassen lässt.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanpruchs 1 gelöst.
Das Wesentliche der vorliegenden Erfindung besteht darin, die wärmeübertragenden Platten so auszubilden, dass es möglich ist, sie so aufeinander zu stapeln, dass die Rillen in den einzelnen Platten zwei oder mehr verschiedene Winkel zueinander bilden. Dies bedeutet, dass mit gleichen (identischen) Platten, die mit ein und demselben Werkzeug hergestellt wurden, verschiedene Wärmeaustauscher hergestellt werden können mit unterschiedlichen Winkeln zwischen den Rillen, mit unterschiedlichen Wärmeübertragungs-Eigenschaften. Die Möglichkeiten zur Herstellung unterschiedlicher Wärmeaustauscher werden so stark vergrössert, ohne wesentlichen Zuwachs an Herstellungskosten.
Bei der vorliegenden Erfindung werden kreisförmige Wärmeübertragungs-Platten bevorzugt, welche es ermöglichen, den Winkel zwischen den Rillen der einzelnen benachbarten Platten stufenlos im Bereich von 0º bis 90º zu wählen. Jedoch lässt sich die Grundidee der Erfindung auch verwirklichen, wenn geeignet geformte, regelmässige, polygonale Wärmeübertragungs-Platten verwendet werden, obwohl in diesen Fällen die Wahl von unterschiedlichen Winkeln zwischen den Rillen beschränkt ist.
Wenn der Wärmeaustauscher hergestellt wird, bestimmt der Winkel zwischen den Rillen in den Wärmeübertragungs-Platten - die eine über die andere aufeinander geschichtet werden - die Wärmeübertragungs-Eigenschaften des Wärmeaustauschers. Die aufeinandergeschichteten Platten können miteinander an ihren Kanten verschweisst oder verlötet werden und bilden so eine stationäre Wärmeaustauscher-Einheit, deren Parameter sich anschliessend nicht mehr verändern lässt.
Wenn der Wärmeaustauscher zusammengebaut ist, können die Kammerpaare, die zu jedem zweiten Zwischenraum zwischen den Platten offen sind, an der Seite des Platten-Stapels so geformt werden, dass die Medien, die an der Wärmeübertragung teilnehmen, durch die Eintrittsleitungen beide durch ihre entsprechenden Kammern zu den Zwischenräumen zwischen den Platten und ferner durch ihre entsprechenden Kammern zu den Austrittsleitungen gelangen. Ueber und unter dem Platten-Stapel können Endplatten angeordneten sein, welche über Zugstangen miteinander verbunden sind.
Die Möglichkeiten zur Veränderung der Wärmeaustauscher können dadurch vergrössert werden, dass die gegenseitige Stellung der oben erwähnten Kammern geändert wird. Als Normalfall wird der Fall angesehen, bei welchem die Eintritts- und Austritts-Kammern des wärmeabgebenden Mediums diagonal einander gegenüber angeordnet sind und die Eintritts- und Austrittskammern des wärmeaufnehmenden Mediums ebenfalls diagonal einander gegenüber angeordnet sind und einen Winkel von 90º mit den Kammern des wärmeabgebenden Mediums bilden. In erster Linie wird eine Abweichung davon erreicht, dass statt einem Winkel von 90º irgend ein anderer Winkel gewählt wird. Zusätzlich dazu ist es möglich, die Kammern aus ihrer diagonalen Stellung zu verschieben, d.h. die Eintritts- und Austritts-Kammern des wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden Mediums in eine willkürliche Stellung zu bringen, abweichend vom 180º-Winkel. Durch diese Aenderung kann ein querfliessender Wärmeaustausch in einen Gegenstrom-Wärmeaustausch geändert werden, so dass die Ausnützung der Temperatur-Differenz zwischen dem wärmegebenden und wärmeaufnehmenden Strom verbessert wird.
Der Wärmeaustauscher gemäss der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl bisher bekannte Elemente, im wesentlichen ähnliche gewellte, wärmeübertragende Platten, die aufeinander gestapelt sind sowie Eintritts- und Austritts-Leitungen für die am Wärmeaustausch teilnehmenden Medien. Diese Leitungen sind mit den Seiten des Platten-Stapels verbunden, so dass durch jeden zweiten Zwischenraum zwischen den Platten ein wärmeabgebendes Medium und durch jeden zweiten Zwischenraum zwischen den Platten ein wärmeaufnehmendes Medium hindurchströmen kann. Wesentlich für den Wärmeaustauscher ist, dass die Wärmeübertraguns-Platten entweder im wesentlichen kreisförmig sind und so gestapelt sind, dass die Rillen in den Platten, die übereinander angeordnet sind, einander kreuzen, oder, dass die Platten die Form eines regelmässigen Polygons aufweisen und so gestapelt sind, dass sie einen Stapel mit flachen Seiten bilden, so dass die Rillen der übereinanderliegenden Platten einen Winkel einschliessen, der grösser als 0º und kleiner als 90º ist.
Die vorliegende Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles und anhand der beigefügten Zeichnung noch ausführlicher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 einen Wärmeaustauscher gemäss der vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht und teilweise im Schnitt;
Fig. 2 einen Wärmeaustauscher gemäss Fig. 1 im Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1 (wobei Fig. 2 horizontal um 45º gedreht wurde);
Fig. 3 und 4 schematisch zwei Wärmeaustauscher gemäss der vorliegenden Erfindung, in welchen die Rillen in den Wärmeübertragungsplatten in unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet sind, im übrigen aber den Wärmeaustauschern gemäss Fig. 1 und 2 entsprechen;
Fig. 5 und 6 schematisch zwei Wärmeaustauscher gemäss der vorliegenden Erfindung, in welchen Wärmeübertragungsplatten - in Form von regelmässigen achteckigen Polygonen - ihre Rillen in zwei unterschiedlichen Winkeln zueinander ausgerichtet haben.
Fig. 7 schematisch einen Wärmeaustauscher gemäss der vorliegenden Erfindung, in welchem die Eintrittskammer und die Auslasskammer des wärmeabgebenden Mediums und des wärmeempfangenden Mediums in einem Winkel von ca. 45º zueinander angeordnet sind, im übrigen aber dem Wärmeaustauscher gemäss Fig. 1 und 2 entspricht.
In Fig. 1 und 2 ist ein Wärmeaustauscher gezeigt, bei welchem die wesentlichen Teile kreisförmige Wärmeaustausch- Platten 1 sind, die aufeinander gestapelt sind. Die Platten 1 sind aus regelmässig gewellten Platten ausgeschnitten und sind alle genau gleich (identisch) ausgebildet. Gemäss Fig. 2 sind die Platten 1 so eine auf die andere übereinander gestapelt, dass die Wellen und die Rillen zwischen den Wellen in jeder Platte 1 einen Winkel von 90º gegenüber den Wellen und Rillen der benachbarten Platten zu beiden Seiten einschliessen.
Das Gehäuse des Wärmeaustauschers ist, wie gezeigt, teilweise aus zylindrisch gebogenen Blechen 2 geformt, an welchen die Wärmeaustausch-Platten mit ihren Kanten befestigt sind, z.B. durch Schweissen. Ein anderer Teil des Gehäuses wird durch vorstehende zylindrische Bleche 3 gebildet, die sich zwischen den zuerst genannten zylindrischen Blechen 2 befinden und die einen kleineren Radius aufweisen. Die Bleche 3 bilden auf den Seiten 4 des Wärmeaustauschers vier im wesentlichen halbzylindrische Kammern 4. Mit diesen Kammern 4 sind Eintritts- und Austritts-Leitungen 5, 6 für das wärmeabgebende Wärmeübertragungs-Medium und Eintritts- und Austritts-Leitungen 7 und 8 für das wärmeaufnehmende Wärmeübertragungs-Medium verbunden. Im Innern von jeder Kammer 4 ist jeder zweite Raum zwischen den Platten 1 der übereinander gestapelten wärmeübertragenden Platten 1 geöffnet, so dass der Strom von diesen Kammern 4 zu den Zwischenräumen und umgekehrt fliessen kann und jeder andere zweite Raum zwischen den Platten ist geschlossen, so dass ein Strom des Mediums gehindert wird, in diese Zwischenräume zu gelangen. Die Räume, welche dem wärmegebenden Medium geöffnet sind, sind somit abgeschlossen vom Strom des wärmeaufnehmenden Mediums und auf die selbe Weise sind die Räume, welche dem Strom des wärmeaufnehmenden Mediums geöffnet sind, gegenüber dem Strom des wärmeabgebenden Mediums abgeschlossen. Auf diese Weise wird erreicht, dass beide, d.h. die wärmeabgebenden und die wärmeaufnehmenden Medien durch jeden zweiten Zwischenraum zwischen den Platten durch den Wärmeaustauscher fliessen, derart, dass sie sich nicht miteinander mischen können. Ferner ist der Platten-Stapel auf seiner unteren Seite und auf seiner oberen Seite von Endplatten 9 umgeben, welche miteinander durch Zugstangen 10 verbunden sind, die an der Seite des Platten-Stapels stehen.
Gemäss Fig. 2 sind die Richtungen der Rillen an den wärmeübertragenden Platten 1, die in einem Winkel von 90º zueinander angeordnet sind, durch durchgehende Linien 11 und gestrichelte oder unterbrochene Linien 12 dargestellt. Wenn der Wärmeaustauscher gebaut wird, kann die Richtung dieser Rillen und der Winkel zwischen ihnen jedoch freigewählt werden, und somit sind in Fig. 3 und 4 zwei alternative Ausführungsformen des Wärmeaustauschers dargestellt, bei denen die Rillen 11 und 12 der wärmeübertragenden Platten, die aufeinander gestapelt sind, in anderer Art und Weise zueinander ausgerichtet, als in Fig. 2 dargestellt ist. Im übrigen sind diese Wärmeaustauscher ähnlich wie die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Wärmeaustauscher, und sie sind mit genau den gleichen kreisrunden, gewellten, wärmeübertragenden Platten aufgebaut.
In Fig. 5 und 6 sind zwei Wärmeaustauscher gezeigt, welche aus regulären, polygonalen wärmeübertragenden Platten aufgebaut sind. Diese beiden Wärmeaustauscher verwenden wärmeübertragende Platten in der Form von regelmässigen achtekkigen Polygonen. Die wärmeübertragenden Platten sind in beiden Fällen ähnlich. Im Wärmeaustauscher gemäss Fig. 5 sind die Platten derart aufeinander gestapelt, dass der Winkel zwischen den Rillen 11 und 12 in den übereinander liegenden gestapelten Platten 90º beträgt. Im Wärmeaustauscher gemäss Fig. 6 sind die Platten so angeordnet, dass der Winkel zwischen den Rillen 11 und 12 in den übereinander angeordneten Platten 45º beträgt.
Im Wärmeaustauscher gemäss Fig. 2 sind die Eintritts- und Austritts-Leitungen 5 und 6 des wärmeabgebenden Mediums und die Kammern 4, die mit diesen Leitungen verbunden sind, diagonal auf gegenüberliegenden Seiten zueinander angeordnet. Auf die selbe Weise sind die Eintritts- und Austritts- Leitungen 7 und 8 des wärmeaufnehmenden Mediums und die Kammern 4, die mit diesen Leitungen verbunden sind, diagonal auf gegenüberliegenden Seiten mit einem Winkel von 90º zu den anderen Leitungen angeordnet. Jedoch kann die Stellung der Leitungen und Kammern geändert werden, und daher ist in Fig. 7 eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher die Eintritts- und Austritts-Leitungen für beide Medien weiterhin diagonal zueinander angeordnet sind, aber die Leitungen 7 und 8 und die Kammern 4 des wärmeaufnehmenden Mediums 5 zu einem Winkel von 45º gegenüber den Leitungen 5 und 6 und den Kammern 4 des wärmeabgebenden Mediums gedreht sind. Bezüglich der verwendeten wärmeübertragenden Platten und ihrer Stapelung entspricht der Wärmeaustauscher gemäss Fig. 7 demjenigen, der in Fig. 1 und 2 dargestellt ist.
Für den Fachmann ist es klar, dass die wärmeübertragenden Platten 1 eine andere Form haben können und nicht kreisrund oder achteckig sein müssen, z.B. können die wärmeübertragenden Platten die Form eines fünfeckigen Polygons aufweisen und können so aufeinander gestapelt sein, dass die Richtungen der Rillen in den Platten wahlweise einen Winkel von 36º oder 72º zueinander aufweisen. Ferner kann die Mannigfaltigkeit vergrössert werden durch Ausschneiden von wärmeübertragenden Platten aus gewellten Platten, derart, dass die Richtung der Rillen von der Richtung der Plattenkanten abweicht, wobei anschliessend beim Aufeinanderstapeln der Platten jede zweite Platte des Stapels auf die andere Seite gedreht wird.

Bezugsziffernliste

1 wärmeübertragende Platte
2 zylindrisches Blech
3 zylindrisches Blech
4 Seitenkammern
5 Eintritts-Leitung des wärmeabgebenden Mediums
6 Austritts-Leitung des wärmeabgebenden Mediums
7 Eintritts-Leitung des wärmeaufnehmenden Mediums
8 Austritts-Leitung des wärmeaufnehmenden Mediums
9 Endplatten
10 Zugstangen
11 Rillen ausgezogene Linien
12 Rillen gestrichelte Linien

Claims

1. Wärmeaustauscher mit im Wesentlichen ähnlichen, regelmässig gewellten Wärmeübertragungsplatten (1) mit Wellen und Rillen (11, 12) zwischen den besagten Wellen, die in einer Richtung verlaufen, wobei die Platten aufeinander angeordnet sind, mit Einlass- und Auslass-Leitungen (5, 6, 7, 8) für das an der Wärmeübertragung teilnehmende Medium, wobei diese Leitungen so an die Kanten des Plattenstapels angeschlossen sind, dass durch jeden zweiten Raum zwischen den Platten ein Strom von wärmezuführendem Medium fliesst und durch jeden zweiten Raum zwischen den Platten ein Strom von wärmeempfangendem Medium fliesst, dadurch gekennzeichnet, dass

- die Wärmeübertragungsplatten (1) etwa kreisförmig sind oder regelmässig polygonal mit mindestens fünf Ecken;

- wobei der Winkel zwischen den besagten Rillen (11, 12) der jeweiligen angrenzenden Platte grosser ist als 0º aber weniger oder gleich 90º;

- die Leitungen durch Paare von Kammern (4) gebildet sind, die sich einander gegenüber an den Seiten des Plattenstapels befinden und sowohl für das wärmezuführende Medium als auch für das wärmeempfangende Medium vorgesehen sind, wobei jede Kammer (4) jedem zweiten Raum zwischen den Platten offen zugewandt ist, so dass, wenn das jeweilige Medium von den Einlässen zu den Räumen zwischen den Platten fliesst und weiter zu den Auslässen, es die jeweilige Kammer (4) durchströmen wird.

2. Wärmeaustauscher gemass Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustauscher aus kreisförmigen Wärmeübertragungsplatten (1) hergestellt ist, wobei der Winkel zwischen den Rillen (11, 12) in verschiedenen Platten in einem stufenlosen Bereich, der grösser ist als 0º und kleiner oder gleich 90º gewählt werden kann.

3. Wärmeaustauscher gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsplatten (1) an ihren Kanten aneinander befestigt sind, so dass der Wärmeaustauscher eine einzelne ortsfeste Einheit bildet.

4. Wärmeaustauscher gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass unter und über dem Plattenstapel angebrachte Endplatten (9) vorgesehen sind, die mittels an den Seiten des Plattenstapels stehenden Zugstangen (10) miteinander verbunden werden.

5. Verfahren zum Aufbauen eines Wärmeaustauschers gemäss Anspruch 1, gekennzeichnet durch Stapeln der Wärmeübertragungsplatten (1), eine über die andere, so dass die Rillen (11, 12) jeder zweiten Platte sich in einem ausgewählten Winkel zu den Rillen jeder angrenzenden Platte befinden, wobei der besagt Winkel sowohl die Druckverluste der strömenden Medien definiert als auch den Wärmeübertragungs-Koeffizient, so dass die Platten zur Herstellung von mehr als einem alternativen Wärmeaustauscher-Aufbau übereinander gestapelt werden können und wobei jede Alternative einen verschieden ausgewählten Winkel zwischen den Rillen (11, 12) aufweist und dieser Winkel grösser ist als 0º, aber kleiner oder gleich 90º.

6. Verfahren gemäss Anspruch 5, gekennzeichnet durch Aufbauen des Wärmeaustauschers aus kreisförmigen Wärmeübertragungsplatten (1), so dass der Winkel zwischen den Rillen (11, 12) in verschiedenen Platten in einem stufenlosen Bereich grösser ist als 0º und kleiner oder gleich 90º ist, gewählt werden kann.

7. Verfahren gemäss Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch Zusammen- Schweissen oder -Löten der übereinander gestapelten Wärmeübertragungsplatten (1) an ihren Kanten, zur Bildung eines einzelnen stationären Elementes.

8. Verfahren gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 5 - 7, gekennzeichnet durch Bilden von Paaren von Kammern (4) an den Seiten des Plattenstapels, wobei die Kammern (4) gegen jeden zweiten Raum zwischen den Platten offen sind, so dass das an der Wärmeübertragung teilnehmende Medium aus den Einlass-Leitungen (5, 7) jeweils sowohl durch jede Kammer (4) zu den Räumen zwischen den Platten als auch durch die jeweilige Kammer (4) zu den Auslass-Leitungen (6, 8) strömen kann.

9. Verfahren gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 5 - 8, gekennzeichnet durch Anbringen von Endplatten (9) unter und über den Plattenstapel, wobei die Endplatten mittels Zugstangen (10) miteinander verbunden werden.