DE4306561C2 - Kreuzstrom-Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kreuzstrom-Wärmetau­ scher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei derartigen regenerativen Wärmetauschern wird durch die Längsstromkanäle ein erstes Medium und durch die Querstrom­ kanäle ein zweites Medium geleitet. Jedem Längsstromkanal sind beidseitig Querstromkanäle zugeordnet und umgekehrt. Die beiden Medien haben unterschiedliche Temperaturen. Der Wärmeaustausch zwischen dem in den Längsstromkanälen und dem in den Querstromkanälen strömenden Medien findet durch jeweils eine Platte statt.

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung und der immer größeren Anforderungen werden derartige Kreuzstrom-Wärme­ tauscher mit immer höheren Drücken betrieben. Da während des Betriebs eines Kreuzstrom-Wärmetauschers die die Längs­ strom- und Querstromkanäle ausbildenden Spalte zwischen den Platten unbedingt geöffnet bleiben müssen, ergaben sich stetig wachsende Ansprüche an die für die Ausbildung der Platten verwendeten Werkstoffe bzw. wurden immer größere Plattendicken benötigt, um zu gewährleisten, daß trotz der mechanischen Beanspruchungen aufgrund von Druckdifferenzen zwischen den beiden Medien kein Verschließen der Stromka­ näle erfolgte. Qualitativ hochwertigere Werkstoffe resul­ tierten in entsprechend erhöhten Kosten, eine dickere Aus­ bildung der Platten ergab ebenfalls eine beträchtliche Kostensteigerung, jedoch darüber hinaus auch eine Herab­ setzung des Wirkungsgrads des Kreuzstrom-Wärmetauschers.

Deshalb ist man dazu übergegangen, die Platten von Kreuz­ strom-Wärmetauschern mit Ausprägungen zu versehen, mit denen sie an benachbarten Platten anliegen und so ein Offen­ halten der Spalte gewährleisten. Bei diesen bekannten Kreuz­ strom-Wärmetauschern hat jede Platte Ausprägungen zu beiden Seiten, mit denen sie sich auf den beiden neben ihr ange­ ordneten Platten abstützt, wobei im wesentlichen sich in Längs- bzw. Querrichtung der Platte nahezu über deren ge­ samte Längs- bzw. Quererstreckung erstreckende Ausprägun­ gen vorgesehen sind, die an mehreren Punkten gegen ent­ sprechende Ausprägungen der benachbarten Platte, wobei bei dieser die Ausprägungen senkrecht zu der der anderen Platte angeordnet sind, anliegen. Somit ergibt sich eine punktförmige Aufeinanderlage der Platten an den Kreuzun­ gen der Ausprägungen. Infolge von Herstellungstoleranzen kommt es vergleichsweise häufig vor, daß nicht an allen Kreuzungen der länglichen Ausprägungen eine Kontaktanlage erfolgt, was zu Überlastungen einzelner Kontaktpunkte führen kann. Des weiteren hat sich gezeigt, daß in der­ artigen, mit länglichen Ausprägungen versehenen Stromka­ nälen sich häufig laminare Strömungsverhältnisse einstel­ len, die eine erhebliche Erniedrigung des Wirkungsgrades des Kreuzstrom-Wärmetauschers zur Folge haben. Außerdem entsteht bei derartigen Kreuzstrom-Wärmetauschern, deren Platten in Vertikalrichtung übereinander angeordnet sind, leicht das Problem, daß sich in den nach oben offenen Hohlräumen der nach unten gerichteten Ausprägungen Kon­ denswasser und dgl. ansammelt, was mittel- und langfristig zu einer erheblichen Schädigung des Kreuzstrom-Wärmetau­ schers führt.

Bei einem in der US 3 463 222 gezeigten Wärmetauscher weist jede Platte Stützausprägungen auf, von denen die eine Hälfte in die eine Richtung und die andere Hälfte in die andere Richtung geprägt sind.

Aus der DE-OS 22 50 222 ist ein Kreuzstrom-Wärmetauscher bekannt, der Platten hat, die unter Ausbildung von Spalten zwischen ihnen über- bzw. unter- oder nebeneinander angeord­ net sind. Die Platten sind an ihren Längsseiten mit den Längs­ seiten der ihnen auf einer Seite benachbarten Platten ver­ bunden bzw. paarweise einstückig ausgebildet. An ihren Quer­ seiten sind die Platten mit den Querseiten der ihnen auf der anderen Seite benachbarten Platten mittels einer Außenplatte dicht verbunden. Einander benachbarte Spalten bilden alter­ nierend Längs- und Querstromkanäle, wobei jede Platte Stütz­ ausprägungen zur Stabilisierung ihrer Lage im Kreuzstrom-Wärmetauscher aufweist, wobei alle Stützausprägungen in die­ selbe Richtung in jede Platte eingeprägt sind, so daß sich die von den Stützausprägungen in der Platte ausgebildeten Hohl­ räume zur selben Seite der entsprechenden Platte hin öffnen.

Bei diesem bekannten Kreuzstrom-Wärmetauscher weisen auf­ einanderfolgende Platten einander entgegengesetzte Stütz­ ausprägungen auf. Dies führt dazu, daß von zwei aufeinander­ folgenden Spalten der eine völlig frei von Stützausprägungen ist, während in den anderen die Stützausprägungen zweier Platten hineinragen. Diese Stützausprägungen liegen dort flächig aneinander an. Einerseits entstehen bei einer der­ artigen Ausgestaltung des Kreuzstrom-Wärmetauschers stütz­ ausprägungsfreie Spalten, die bei einer entsprechenden Druck­ beaufschlagung des Kreuzstrom-Wärmetauschers hinsichtlich ihrer Weite schwanken können, was zu Unregelmäßigkeiten im Betrieb des Kreuzstrom-Wärmetauschers führen kann. Des wei­ teren können in den stützausprägungsfreien Spalten des Kreuz­ strom-Wärmetauschers leicht laminare Strömungsverhältnisse auftreten, mit der Folge, daß aufgrund dieser laminaren Strö­ mungsverhältnisse ein nur unvollkommener Wärmetausch zwi­ schen den beiden unterschiedlichen, einander benachbarte Spalte durchströmenden Medien auftritt. Des weiteren ergibt sich bei dieser bekannten Ausgestaltung eines Kreuzstrom-Wärmetauschers bei übereinander angeordneten Platten dessel­ ben für die Stützausprägungen jeder zweiten Platte jeweils ein nach oben geöffneter Hohlraum, in dem sich Kondenswasser und dgl. ansammeln kann, was mittel- und langfristig zu einer erheblichen Schädigung des Kreuzstrom-Wärmetauschers führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik einen Kreuzstrom- Wärmetauscher zu schaffen, der einerseits mechanisch bzw. statisch stabiler ist und bei dem andererseits keine nach oben offenen, durch Stützausprägungen gebildete Hohlräume vorhanden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff dadurch gelöst, daß die Stützausprägungen aller Platten des Kreuzstrom-Wärmetauschers in dieselbe Richtung eingeprägt sind, daß jede Stützausprä­ gung zumindest zwei einen Abstand zueinander aufweisende Spitzen aufweist und daß die Stützausprägungen benachbarter Platten so angeordnet sind, daß die Stützen zumindest eini­ ger Stützausprägungen der einen Platte am die Hohlräume ent­ sprechend angeordneter Stützausprägungen der benachbarten Platte umgebenden Randbereich der benachbarten Platte an­ liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kreuz strom-Wärme­ tauschers, bei der die Stützausprägungen sämtlicher Platten des Kreuzstrom-Wärmetauschers in dieselbe Richtung einge­ prägt sind, ist es möglich, ausschließlich solche durch Stützeinprägungen gebildete Hohlräume vorzusehen, die sich nach unten öffnen, in denen sich somit kein Kondenswasser ansammeln kann. Aufgrund der Vielzahl von Stützausprägungen, die in jeden der im Kreuzstrom-Wärmetauscher vorhandenen Spalte hineinragen, wird zuverlässig verhindert, daß sich im Kreuzstrom-Wärmetauscher laminare Strömungsverhältnisse mit entsprechend negativen Wirkungen auf den Wirkungsgrad einstellen. Da in jedem Spalt Stützausprägungen vorhanden sind, ergibt sich eine höhere statische Stabilität des Kreuz­ strom-Wärmetauschers. Diese wird weiter dadurch erhöht, daß die Spitzen der Stützausprägungen an die Randbereiche der durch andere Stützausprägungen gebildeten Hohlräume anliegen. Des weiteren ergibt sich aufgrund der Vielzahl der Auflage­ punkte zwischen benachbarten Platten eine vergleichsweise starre Struktur des Kreuzstrom-Wärmetauschers. Sofern der Kreuzstrom-Wärmetauscher so aufzustellen ist, daß seine Platten waagerecht angeordnet sind, muß lediglich darauf geachtet werden, daß die Platten mit den Ausprägungen nach oben angeordnet werden. Mit einem derart gestalteten Kreuz­ strom-Wärmetauscher lassen sich Rückgewinnungswirkungsgrade zwischen 60 und 65% erreichen.

Für die Starrheit der Platten des Kreuzstrom-Wärmetauschers als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn jede Stützausprägung aus zwei einander teilweise überlappenden Kreisprägungen besteht, wobei im Überlappungsbereich Rand­ einschnürungen ausgebildet sind und wobei jede Kreisprä­ gung eine abgerundete Kuppelspitze aufweist. Eine derar­ tige Stützausprägung läßt sich zudem in einfacher Weise mittels zweier runder Stempel, die in einer achtförmigen Matrize arbeiten, herstellen.

Wenn die Platten aus Aluminium sind, das im Bereich der Kuppelspitzen bei dem bei der Prägung durchgeführten Preßvorgang ausgehärtet ist, läßt sich einerseits die günstige Eigenschaft des Aluminiums für die Wärmeüber­ tragung nutzen, wobei andererseits die bei der Pressung vom Aluminium erfolgende Verhärtung dieses Werkstoffs zur Herstellung besonders harter Anlagepunkte zwischen den Platten nutzbar ist.

Wenn die Längsrichtungen der Stützausprägungen benachbar­ ter Platten aufeinander senkrecht stehen, so daß die bei­ den Spitzen einer Stützausprägung, die einer Stützausprä­ gung der benachbarten Platte zugeordnet ist, an die Rand­ einschnürungen der Stützausprägung der benachbarten Plat­ te anliegen, läßt sich erreichen, daß die gehärteten Kup­ pelspitzen der Stützausprägung der einen Platte gegen den ebenfalls vergleichsweise starren Bereich der Randein­ schnürungen der Stützausprägung der benachbarten Platte anliegt. Hierdurch wird die Starrheit des erfindungsge­ mäßen Kreuzstrom-Wärmetauschers weiter erhöht.

Zur einfachen baulichen Gestaltung des Kreuzstrom-Wärme­ tauschers ist es vorteilhaft, wenn die Länge der Quersei­ ten der Platten der der Längsseiten entspricht, wobei es zur Erzielung einer möglichst großen Starrheit besonders zweckmäßig ist, wenn alle in ein- und derselben Reihe mit fluchtender Längsmittellinie angeordneten Stützausprägun­ gen entweder sämtlich Stützausprägungen der benachbarten Platte zugeordnet sind oder nicht, wobei jeweils auf eine Reihe mit zugeordneten Stützausprägungen eine Reihe mit nicht zugeordneten Stützausprägungen folgt.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläu­ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Platte des erfindungsgemäßen Kreuzstrom-Wärmetau­ schers; und

Fig. 2 einen teilweisen Schnitt durch zwei benach­ barte Platten gemäß Fig. 1, wobei die untere Platte einen Teil des Schnitts B-B und die obere Platte einen Teil des Schnitts A-A in Fig. 1 darstellt.

Eine in Fig. 1 perspektivisch dargestellte Platte 1 eines in der Zeichnung insgesamt nicht dargestellten Kreuzstrom-Wärmetauschers hat zwei Längs- und zwei Querseiten, wobei die Längsseiten senkrecht zu den Querseiten angeordnet sind. Die Platte 1 besteht aus Aluminium.

Die Platte 1 ist mit Stützausprägungen 2 versehen. Bei die­ sen Stützausprägungen 2 handelt es sich um aufwärts gerich­ tete Ausprägungen, wobei die durch die Stützausprägungen 2 geschaffenen, in der Platte 1 entstehenden Hohlräume 3 nach unten offen sind, wie in Fig. 2 dargestellt ist.

Jede Stützausprägung 2 hat zwei abgerundete Kuppelspitzen 4, in deren Bereich das Aluminiummaterial verstärkt ist. Jede Stützausprägung 2 besteht aus zwei Kreisprägungen 5, wo­ bei im Mittelpunkt einer jeden Kreisausprägung 5 die je­ weilige Kuppelspitze 4 angeordnet ist. Da die beiden Kreis­ prägungen 5 einer Stützausprägung 2 einander überlappen, ergeben sich im Überlappungsbereich beidseitig jeweils eine Randeinschnürung 6, wobei an diesen Randeinschnürungen 6 der Werkstoff der Platte 1 aufgrund der Kantenwirkung eben­ falls erstarrt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Platte 1 hat fünfzehn Stütz­ ausprägungen, die in fünf zueinander parallelen Reihen zu jeweils drei Stützausprägungen mit miteinander fluchtenden Längsmittellinien angeordnet sind. Die Anzahl der Stütz­ ausprägungen 2 ist jedoch nur beispielhaft gewählt. Tat­ sächlich kann eine derartige Platte 1 eine beliebige Anzahl von Stützausprägungen 2 aufweisen.

Wie in Fig. 2 dargestellt, sind benachbarte Platten 1a, 1b so angeordnet, daß die Längsmittellinien ihrer Stütz­ ausprägungen 2 zueinander senkrecht verlaufen. In Fig. 2 ist die untere Platte 1a als Teilschnitt der Linie B-B in Fig. 1 dargestellt, während die in Fig. 2 obere Plat­ te 1b als Teilschnitt der Linie A-A in Fig. 1 dargestellt ist. Ein zwischen den Platten 1a, 1b ausgebildeter Spalt 7 bleibt in seiner Breitenrichtung weitestgehend konstant, da die Kuppelspitzen 4 der Stützausprägungen 2 der unteren Platte 1a an den Randeinschnürungen 6 jeder zweiten Stütz­ ausprägung 2 der oberen Platte 1b, deren Stützausprägungen 2 mit ihrer Mittellängslinie senkrecht zu der der Stütz­ ausprägungen 2 der unteren Platte 1a verlaufen, anliegen. Hierbei ist zu beachten, daß bei dieser Anordnung nur je­ de zweite Stützausprägung 2 der auf der Schnittlinie A-A befindlichen Stützausprägungen 2 einer Stützausprägung 2 der unteren Platte 1a zugeordnet ist. In der in Fig. 2 dargestellten Weise sind eine beliebige Anzahl von Platten 1 übereinander angeordnet, wobei jeweils alternierend eine Reihe mit mit ihren Längsmittellinien fluchtenden Stütz­ ausprägungen 2 Stützausprägungen der nächst oberen Platte 1 zugeordnet sind bzw. nicht.

Claims (5)

1. Kreuzstrom-Wärmetauscher mit Platten (1), die unter Ausbildung von Spalten (7) zwischen ihnen über- bzw. unter- oder nebeneinander angeordnet sind, wobei jede Platte (1) an ihren Längsseiten mit den Längsseiten der ihr auf einer Seite benachbarten Platte (1) und an ihren Querseiten mit den Querseiten der ihr auf der anderen Seite benachbarten Platte (1) dicht verbunden ist, so daß einander benachbarte Spalten (7) alternierend Längs- und Querstromkanäle ausbilden, wobei jede Platte (1) Stützausprägungen (2) zur Stabilisierung ihrer Lage im Kreuzstrom-Wärmetauscher aufweist und wobei alle Stütz­ ausprägungen (2) einer Platte (1) so in dieselbe Richtung in die Platte (1) eingeprägt sind, daß von ihnen in der Platte (1) ausgebildete Hohlräume (3) zur selben Seite der Platte (1) hin offen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützausprägungen (2) aller Platten (1) des Kreuzstrom-Wärmetauschers in dieselbe Richtung eingeprägt sind, daß jede Stützausprägung (2) zumindest zwei einen Abstand zu­ einander aufweisende Spitzen (4) aufweist und daß die Stütz­ ausprägungen (2) benachbarter Platten (1) so angeordnet sind, daß die Spitzen (4) zumindest einiger Stützausprägungen (2) der einen Platte (1A) am die Hohlräume entsprechend ange­ ordneter Stützausprägungen (2) der benachbarten Platte (1B) umgebenden Randbereich (6) an der benachbarten Platte (1) anliegen.

2. Kreuzstrom-Wärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem jede Stützausprägung (2) aus zwei einander teilweise überlappen­ den Kreisprägungen (5) besteht, wobei im Überlappungsbe­ reich Randeinschnürungen (6) ausgebildet sind und wobei jede Kreisprägung (5) eine abgerundete Kuppelspitze (4) aufweist.

3. Kreuzstrom-Wärmetauscher nach Anspruch 2, bei dem die Platten (1) aus Aluminium sind, das im Bereich der Kuppel­ spitzen (4) ausgehärtet ist.

4. Kreuzstrom-Wärmetauscher nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Längsrichtungen der Stützausprägungen (2) benachbar­ ter Platten (1a, 1b) aufeinander senkrecht stehen, so daß die beiden Spitzen (4) einer Stützausprägung (2), die einer Stützausprägung (2) der benachbarten Platte (1b) zugeord­ net ist, an den Randeinschnürungen (6) der Stützausprägung (2) der benachbarten Platte (1b) anliegen.

5. Kreuzstrom-Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Länge der Querseiten der Platten (1) der der Längsseiten entspricht, bei dem alle in ein- und derselben Reihe mit fluchtender Längsmittellinie angeord­ neten Stützausprägungen (2) entweder sämtlich Stützaus­ prägungen (2) der benachbarten Platte (1b) zugeordnet sind oder nicht, wobei jeweils auf eine Reihe mit zugeordneten Stützausprägungen (2) eine Reihe mit nicht zugeordneten Stützausprägungen (2) folgt.