DE4333904C2

DE4333904C2 - Kanalwärmetauscher

Info

Publication number: DE4333904C2
Application number: DE19934333904
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl Ing Paul
Original assignee: Individual
Current assignee: PAUL, EBERHARD, DIPL.-ING., 08132 MUELSEN ST JACOB
Priority date: 1993-09-27
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2013-09-28
Also published as: DE4333904A1

Description

Der Kanalwärmetauscher ist ein kompakter Wärmetauscher mit hoher spezifischer Wärmetauschfläche, der für die verschie densten Wärmetauschaufgaben zwischen

- gasförmigen und/oder
- flüssigen Medien (auch bei verschmutzten Stoffen) und als
- Verdampfer
- Kondensator sowie
- Strömungsreaktor mit exothermen oder endothermen Prozessen

anwendbar ist.

1. Abwärmenutzung
a) Gase
- in Gebäuden, Werks- und Lagerhallen (Abwärme aus Fortluft)
- in Trocknungsanlagen (Vorwärmung der Trockenluft)
- in Bäckereien (Vorheizen der Verbrennungsluft)
- in Kraftwerken
- in Abgasbehandlungsanlagen
- in Wäschetrocknern (Trocknungsluftvorwärmung oder Umluftkühlung-Kondensation)
- in Ställen (Viehhaltung)
b) Flüssigkeiten
- in Waschanlagen
- in Haushaltsgeräten (Waschmaschinen, Geschirrspülautomaten)
2. Klimatisierung
3. Kühlprozesse (Steuerschrankkühlung, Verdunstungskühlung)
4. Kondensation
5. Verdampfung (Filmverdampfer)
6. Kälteanlagen
7. Gas-Durchlauferhitzer, Heizkessel
8. Umformstationen (Wärmwasser, Dampf)
9. Fahrzeugindustrie

PKW, LKW, Busse, Eisenbahn- und Straßenbahnwagen, Schiffe, Flugzeuge:

- Abwärmenutzung und Aufheizung des Fahrgastraumes
- Klimaanlagen, Kühlanlagen
- Waschwasservorwärmung für Schieben- und Scheinwerferwaschwasser
- Ladeluftkühlung beim Turbolader-Motor
10. Ölkühler
11. Wärmetauschprozesse in der
- chemischen Industrie
- Textilindustrie
- Milchindustrie
- Fruchtsaftindustrie
- Lebensmittelindustrie
- Bei Einsatz von aggressiven, heißen und schlecht abzu dichtenden Medien ist der Wärmetauscher als vollkommen dichtungslose Konstruktion möglich.
- Wärmedehnungen können innerhalb der Konstruktion gut aufgenommen werden.
- Auf Grund des wesentlich geringeren Raumbedarfs gegen über herkömmlichen Wärmetauschern bei gleicher Wärme tauschleistung bietet sich der neuartige Wärmetauscher zum Einsatz bei Wärmetauschaufgaben auf engstem Raum an, z. B. im Fahrzeugbau, Gebäudeheizung oder zum Ein bau in vorhandene Anlagen unter beengten Verhältnis sen.
- Eine speziell entwickelte Bauform eignet sich für sol che Einsatzzwecke, wo das Wärmetauscherpaket (ähnlich wie eine Kassette) aus dem Gehäuse (z. B. zur Reini gung, Reparatur oder zum Austausch) entnommen werden kann, ohne daß die angeflanschten Rohre/Kanäle demon tiert werden müssen.
- Der Wärmetauscher ist für stark verschmutzte Medien geeignet, da auf Grund der glatten Kanäle (ohne Ab standhalter, Noppen, o. ä.) die Verschmutzungsgefahr sehr gering ist. Trotzdem ist es gut möglich, auch oh ne Ausbau des- Wärmetauscherpaketes die Wärmetauschka näle
- von außen mechanisch (z. B. mit Bürsten) manuell zu reinigen oder
- den Wärmetauscher hydraulisch und/oder durch ein Bürstensystem über eine automatische Steuerung wäh rend des laufenden Betriebes zu reinigen, auch dann, wenn beide Medien stark verschmutzt sind.
- Bei betriebsbedingten Schwankungen der Volumenströme oder Temperaturen kann über ein schiebbares Klappen- Schieber-System während des Betriebes die Strömungs geschwindigkeit, Strömungsführung (Gängigkeit) und Wärmetauschfläche so variiert werden, daß bei jedem Betriebszustand optimale Strömungs- und Wärmetausch bedingungen eingestellt werden können.
- Durch einfaches Umstecken eines speziellen Gehäuses ist der gleiche Wärmetauscher einsetzbar für:
- die Umlauft-Kühlung z. B. mittels Außenluft und
- Abwärmenutzung zur Aufwärmung von Frischluft
- Eine weitere Spezialbauform ist geeignet
- im Winter die Abluftwärme eines Gebäudes zur Frischluftvorwärmung zu nutzen,
- und im Sommer die Frischluft über indirekte Verdunstungskühlung (ohne Befeuchtung der Frischluft) abzukühlen.
- Der Wärmetauscher ist so aufgebaut, daß ein baukasten förmiges Aneinanderfügen derart möglich ist, daß
- die einzelnen Elemente an den Stirnseiten rei henweise miteinander verbunden werden oder
- über Eck oder
- parallel (nebeneinander) miteinander verkoppelt werden können.
- Das Baukastenprinzip erlaubt so den Einsatz eines 3. Mediums (Wärmeträger) beim Wärmeaustausch mit unver träglichen, explosiblen, giftigen oder hochreinen Stof fen (Lebensmitteln).
- Weitere Einsatzmöglichkeiten spezieller Bauformen sind
- als Naturzug-Kühler (freie Konvektion auf 1 Seite)
- als Tauchwärmetauscher
- als Gas-Durchlauferhitzer oder
- in Heizkesseln
- Die Ausführung ist möglich in:
- Aluminium
- Stahl
- Edelstahl
- sonstigen Metallen
- Kunststoffen

Bei Wärmetauschern der üblichen Serienfertigung (Plattenwär metauscher, Spiralwärmetauscher) bestehen häufig Abdichtpro bleme der aneinandergepreßten Platten bzw. des Deckels am Spiralwärmetauscher wodurch die Anwendbarkeit und der Ge brauchswert stark verringert sind. Daher wird bei Platten wärmetauschern mit erheblichem Aufwand eine Verklebung, Ver schweißung oder Verlötung der Platten vorgenommen, wodurch dann allerdings eine mechanische Reinigung der Strömungs querschnitte nicht oder nur bedingt möglich ist.

Bei Plattenwärmetauschern werden zur Abstandshalterung Nop pen oder Vorsprünge (EP 005 5711 B1) eingesetzt, an denen Verschmutzungsteilchen leicht hängen bleiben und dort wie derum eine mechanische Reinigung schwer oder überhaupt nicht möglich ist. Werden hier glatte Platten verwendet, ist ei nesteils auf Grund der fehlenden Distanzstücke ein Verwölben der Platten (bei unterschiedlichen Drücken der beiden Medi en) möglich und andererseits ergeben glatte Platten nur ei nen relativ geringen Wärmeübergang (1-dimensionaler Wärme transport) und eine relativ geringe Kompaktheit (Wärme tauschfläche pro Raumeinheit).

Zur Erhöhung der Wärmeübergangszahl werden die Wärmetausch platten unterschiedlich strukturiert, womit annähernd der Effekt des 2-dimensionalen Wärmetransports erreicht wird, allerdings mit der Folge, daß auf Grund der hohen Turbulen zen der Druckverlust stark ansteigt.

Eine der Erfindung ähnliche Profilierung (Rechteckprofil) findet man beispielsweise in DE 24 51 225 A1 das Profil blech aber als Rippe zwischen 2 Platten liegend benutzt wird (Rippenwärmetauscher). Beim Übereinanderliegen solcher Rechteckprofilplatten ohne Zwischenbleche wäre keine gute Auflage an den Profilkanten möglich. Der Materialverbrauch ist bei solchen Rippenwärmetauschern durch doppelt überein ander liegende Bleche (Zwischenblech + Rippe) und durch die relativ starkwandigen Zwischenbleche ca. doppelt so hoch wie bei dem erfindungsgemäßen Kanalwärmetauscher.

In DE-PS 8 54 363 wird eine kanalförmige Strömung zwischen gewellten Profilblechen gezeigt. Die erfindungsgemäße Pro filstruktur ergibt ca. 1/3 mehr Wärmetauschfläche auf glei chem Raum gegenüber diesem Wellenprofil und 100% mehr Wär metauschfläche gegenüber herkömmlichen Plattenwärmetau schern.

Beim Wellenprofil besteht bei größerer Druckdifferenz und bei leichter seitlicher Verschiebung der einzelnen Platten die Gefahr, daß die Profilbleche teilweise ineinanderrut schen. Die gleiche Gefahr des Ineinanderrutschens besteht bei dem in DD 2 43 087 A1 dargestellten Trapezprofil, wenn dort bei dünnen Blechdicken größere Druckdifferenzen auftreten.

In der DE 29 37 477 A1 wird ein "Trennwandtauscher" gezeigt, bei dem das Medium in einer Rohrströmung geführt wird, wobei dieser Kanal durch Aufwölbung oder Einprägung eines Bleches entsteht.

Bei einer Kanalströmung vor allem in größer dimensionierten, glatten Kanälen besteht der Nachteil in einer Verschlechte rung des Wärmeübergangs durch die laminare Grenzschicht. Diesem Nachteil kann erfindungsgemäß durch eine in sich strukturierte Kanalwandung (Turbulenzen, Spiralströmung) ab geholfen werden.

Die Strukturierung (Sicken oder Rillen) erstreckt sich quer über die gesamte Profilplatte, entweder rechtwinklig oder schräg zur Strömungsrichtung.

Das Verschließen der Enden der Strömungskanäle bestehend aus einem hin- und hergewendeten Blech wird außer in CH-PS 58 92 67 noch in EP 0 055 711 B1 erwähnt. Dort wird außer dem Ab kanten kein weiterer Hinweis für die konstruktive Ausführung für den Verschluß angegeben. Die in der dortigen Beschrei bung (Anspruch 14) angeführte entgegengesetzte Kantung der beiden Kanten (20), die sich in 2 Richtungen weg vom Schei tel (18) erstrecken, ergibt mit dem in Anspruch 12 beschrie benen sägezahnartigen Streifen (Fig. 1) an den Stirnkanten besonders an den Punkten (16) und (18) keine exakte Abdich tung. Die Ausformung und Abkantung von Stirnseiten-Streifen wird nirgends erwähnt. In DE-PS 1 11 221 wird ein Verfahren zur Abdichtung der Stirnseiten beschrieben, wobei die Stirn kanten (dort "Längsränder" genannt) zweier benachbarter Blechtafeln zueinander gebogen und miteinander verschweißt sind. Das Schweißen aller Stirnseitenkanten eines Wärmetau schers bei einer Serienfertigung bedeutet einen recht zeit- und arbeitsaufwendigen oder teuren (Roboter) Arbeitsschritt.

Bei der spitzwinkligen Gestaltung der Stirnseiten erfolgt nach DE 24 51 225 A1 die Einströmung nicht im rechten Winkel zur Stirnseitenkante, wodurch eine ungleichmäßige Ausbildung der Strömungsverhältnisse im Strömungsprofil zu befürchten ist. Hier werden erfindungsgemäße Leitbleche verwendet, die eine gleichmäßige Verteilung des Stoffstromes im Strömungs profil gewährleisten.

Die in EP 0 040 890 A1 gezeigte Lösung mit Dichtleisten zwi schen den Platten bedeutet einen hohen Aufwand beim Einkle ben der Leisten zum stirnseitigen und seitlichen Abdichten.

Zur Abschirmung der beiden Medien im Einströmbereich zwi schen Wärmetauscherkern und Gehäuse wird in DE-PS 1 11 221 eine aufwendige Konstruktion vorgeschlagen, die für Serien produkte in der Fertigung keine günstige Lösung bietet. Das Wärmetauscherpaket sollte durch wenige Handgriffe leicht aus dem Gehäuse herausnehmbar sein, was z. B. für die schnelle Reinigung (Tauchbad, Dampf- und Luftstrahl) erforderlich ist. Hier bietet die in DE-PS 24 51 225 angegebene Konstruk tion auf Grund der Gestaltung von Rahmenflansch (4, 5, 6) mit Mittelsteg (13, 14) keine Möglichkeit, das Wärmetau scherpaket bzw. die einzelnen Platten zur Reinigung oder Re paratur herauszunehmen. Die Gehäusekonstruktion in DE-PS 11 11 221 besteht aus Gehäuse und Deckel. Günstiger wäre für eine große Serienfertigung, 2 gleichgestaltete Hälften zu verwenden, woraus eine billige Fertigung des Gehäuses z. B. als Gußteil resultiert.

In EP 0 161 396 A2 ist ein Rippenwärmetauscher mit trapezförmi gen, ebenen Wärmetauscherplatten gezeigt (dort Fig. 10). Mit dieser Bauform sind die in der dortigen Fig. 9 gezeigten Strömungswege möglich, die in allen Variationen eine Strö mungsumlenkung um 90° darstellen, was sich nachteilig auf den Druckverlust auswirkt und auch für den Wärmetausch mit freier Konvektion ungünstig ist. Zwischen den Platten strömt ein und dasselbe Medium, so daß die Wärmetauschrippen beid seitig vom gleichen Medium umspült werden. Ein direkter Wär metausch ist damit nicht realisierbar, nur ein indirekter Wärmetausch über Wärmeleitung von den Deckplatten her ist möglich. Um einen guten Kontakt zwischen Deckplatte und Rip pe zu erzeugen, ist eine Fügeverbindung (Schweißen, Löten) erforderlich.

Dieser Arbeitsschritt kann beim Kanalwärmetauscher entfal len.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß gegenüber bekannten technischen Lösungen bei dem erfindungsgemäßen Kanalwärme tauscher die Druckstabilität (Auflage an den Profilkanten), der Materialaufwand, der Wärmeübergang (in sich strukturier te Wandung), die Strömungsführung, die mechanische und hy draulische Reinigungsmöglichkeit, die Variation der Strö mungsführung während des Betriebes, die Abdichtung, die Kas settenbauform, die baukastenähnliche Zusammenschaltung und Variationsbreite zunächst jede für sich als Detaillösung verbessert werden und durch die Vereinigung all dieser Vor teile in einer Konstruktion ein neues, qualitativ höherwer tiges Produkt entsteht.

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird an hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1a schematisch den Querschnitt des erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit parallelen, spitzwinkligtrapez förmigen Strömungskanälen, umgeben von einem Ge häuse;

Fig. 1b schematisch die Verteilung zweier Fluide A und B in den Strömungskanälen der Fig. 1a, sowie den an gedeuteten zwei-dimensionalen Wärmetransport;

Fig. 2a in perspektivischer Ansicht die Strömungskanäle der Fig. 1b mit zwei im Gegenstromverfahren durch strömenden Fluiden A und B;

Fig. 2b-d in einer der Fig. 2a entsprechenden Ansicht die Strömungskanäle des Wärmetauschers jeweils mit in Durchströmrichtung verschieden strukturierten Ka nalwandungen;

Fig. 3a zwei Strömungsebenen zweier Fluide in Explosions darstellung mit für das andere Fluid verschlosse nen Strömungsteilern;

Fig. 3b den Strömungsverlauf der beiden Fluide entlang der Ebene IIb-IIb der Fig. 3a;

Fig. 4 in perspektivischer Ansicht Strömungskanäle mit unterbrochenen Strömungskanälen und seitlicher Ausleitung eines Fluids;

Fig. 5a-c einen Wärmetauscher mit zerlegbarem Gehäuse und mit V-förmigen Stirnseiten des Wärmetauscherpakets sowie die Durchströmrichtungen der Fluide und des weiteren ein flexibles Verbindungselement;

Fig. 6 einen Wärmetauscher mit zerlegbarem Gehäuse, mit rechtwinkligen Stirnseiten des Wärmetauscherpakets und mit seitlichen Öffnungen;

Fig. 7 in perspektivischer Ansicht einen Wärmetauscher, bei dem das Wärmetauscherpaket in das Gehäuse ein geschoben ist;

Fig. 7a eine Draufsicht des Wärmetauschers nach Fig. 7.

Mit der Erfindung der Kanalstruktur, bestehend aus:

- spitzwinkligen Trapezkegeln und den daraus entwickelten Wärmetauscher-Bauformen werden folgende Vorteile er zielt:
1) Erhöhung der Wärmetauschfläche pro Raumeinheit
- a) gegenüber Plattenwärmetauschern auf das doppelte und
- b) gegenüber Wellenprofil auf das 1,3-fache.
2) Reduzierung des Materialverbrauchs gegenüber Rippenwärme tauschern mit Rechteckprofil um ca. 50%.
3) Fig. 1b
Realisierung eines 2-dimensionalen Wärmetransports in einem nahezu quadratischen Kanal, in dem das eine Medium von allen 4 Seiten von dem zweiten Medium umspült wird; die Anordnung der Kanäle ergibt im Strömungsquerschnitt ein "Schachbrett muster".
4) Fig. 2a-2d
Erzielung eines hohen Wärmeübergangs innerhalb der nahezu quadratischen Kanäle
- a) mit glatten Wandungen (siehe Pkt. 3)
- b) mit in sich strukturierten Wandungen zur Erzeugung von Turbulenzen (Fig. 2b) oder Spiralströmungen (einfache Spi rale Fig. 2c, doppelte Spiralströmung - Fig. 2d)
5) Fig. 4
Bekanntlich erhöht sich der Wärmeübergang im laminaren Be reich in der Anströmphase - vorteilhaft ist also eine immer wieder unterbrochene Strömung.
Immer wiederkehrende Anlaufvorgänge im Kanal des Kanalwärme tauschers lassen sich einfach dadurch erreichen, daß in be stimmten Abständen die Kanalströmung auf einer kurzen Länge in einem flachen Kanal (13) zwischen 2 ebenen Platten (wie beim Plattenwärmetauscher) übergeht und von dort die Strö mung erneut in die Kanäle verteilt wird.
6) Minimierung des Druckverlustes insbesondere bei glatten Kanalwandungen bei gleichzeitig hohem Wärmeübergang durch den 2-dimensionalen Wärmetransport in den glatten Kanälen ohne Zuhilfenahme turbulenzerzeugender Mittel.
7) Fig. 5a
Erreichung eines geringen Druckverlusts durch stirnseitiges Ein- und Ausströmen 118a, 118b beider Medien gegenüber be kannten Bauformen für Plattenwärmetauscher, bei denen der Ein- und Austritt eines Mediums häufig über Eck (90° Winkel) erfolgt.
8) Fig. 1
Hohe Druckstabilität und Formbeständigkeit der Kanäle
- a) durch das Aufliegen der Trapezkanten (5) auf den Obersei ten der darunterliegenden Trapezkegel und
- b) durch das Umschließen des Wärmetauscherpaketes (relativ dünnwandiges Blech) mit einem druckstabilen Gehäuse (2).
9) Materialeinsparung durch Einsatz dünner Bleche, die auf Grund ihrer Profilform ähnlich der Sandwichbauweise eine stabile Profilform ergeben.
10) Fig. 3a, 4
Das Profil geht an beiden Stirnseiten, also dort wo Ein- und Austritt der Medien erfolgt, in eine ebene Platte (9; 14) über. Somit wird ein Kanalverteiler gebildet, der das Medium von einem flachen, ebenen Kanal in die einzelnen Kanäle zweier Strömungsebenen verteilt. Analog dazu wird am Aus tritt die Strömung aus den einzelnen Kanälen in einem fla chen ebenen Kanal zusammengeführt.
11) Fig. 5a, 6, 7
Das Wärmetauscherpaket kann ähnlich einer Kassette in das druckfeste Gehäuse eingeschoben und entnommen werden. Die Gehäuseteile können mit wenigen Handgriffen z. B. mittels ei nes Kniehebel-Schnellverschlusses (oder auch mit Flanschen) zusammengespannt werden. Durch die Gestaltung ist ein leich tes Herausnehmen für Reinigung (Spülen oder Ausblasen), Kon trolle, Reparatur oder Austausch des Paketes möglich.
12) Das Wärmetauscherpaket kann außerdem durch eine Fügever bindung (Schweißen, Löten, Kleben) mit dem Gehäuse fest verbunden werden. Größere Wärmespannungen können dabei über eine Dehnfalte im Gehäuse abgebaut werden.
13) Fig. 3a, 4, 5a, 5b, 6
Eine sehr gute hydraulische und vor allem mechanische Reini gung ist durch die Gestaltung der Profilstruktur in Form paralleler, glatter Kanäle (ohne Einbauten), die von der Stirnseite gut erreichbar sind, möglich.
14) Eine Spezialbauform ermöglicht die Mechanische (Bürsten-) Reinigung während des laufenden Betriebes.
Die Bürsten können z. B. über Teleskoparme nacheinander, zeitlich versetzt ausgefahren werden.
15) Hierbei ist es außerdem möglich, von innen heraus die Bürsten zu einigen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, über ein teleskopartig herausfahrbares Rohr über Düsen die Wärmetauscherwandung ähnlich wie bei der Hochdruck reinigung zu säubern, ober über Rußbläser oder mittels Dampf von den Stirnseiten her die Wärmetauscherwandungen zu reinigen.
16) Eignung des Wärmetauschers für verschmutzte Medien (auf beiden Seiten) durch die unter Pkt. 13 bis 15 beschrie benen mechanischen Reinigungsmethoden, aber auch durch die Möglichkeit der hydraulischen Reinigung durch die Variationsmöglichkeit der Strömungsführung durch Absper rarmaturen (Klappen, Schieber, Hähne) auch während des laufenden Betriebes. Entsprechend den Erfordernissen kann somit die zur hydraulischen Reinigung erforderliche Strömungsgeschwindigkeit nahezu beliebig erhöht werden.
17) Bei betriebsbedingten Schwankungen der Volumenströme oder Temperaturen kann über Absperrorgane auch während des laufenden Betriebes die Strömungsgeschwindigkeit, Strömungsführung (Gängigkeit, Gegen- oder Gleichstrom) und Wärmetauschfläche so variiert werden, daß bei jedem Betriebszustand optimale Strömungs- und Wärmetauschbe dingungen eingestellt werden können.
18) Durch das Hin- und Herfalten des Profilblechstreifens und einfaches Abdichten des formschlüssigen Stirnseiten verschlusses entsteht ein dichtungsloses Wärmetauscher paket, bei dem die bei Plattenwärmetauschern aufwendige Abdichtung, Verklebung, Lötung oder Verschweißung zwi schen den Platten wegfällt.
Fig. 5a, 6
Um eine einfache und kostengünstige Fertigung des Gehäuses z. B. als Gußteil (Kunststoff, Stahl o. ä.) zu ermöglichen, besteht das Gehäuse aus 1, 2 oder 4 gleichen Teilen. Die Bauform mit spitzwinkligen Stirnseiten ist in Fig. 5a und 7 und mit rechtwinkligen Stirnseiten in Fig. 6 dargestellt.
Fig. 6
Zur Abdichtung des Gehäuses gegen das Wärmetauscherpaket bei seitlichem Ein- und Austritt ist das Gehäuse so aufgebaut, daß die Längsseiten und Stirnseiten jeweils zusammengespannt und abgedichtet werden können.
21) Fig. 5a, 6
Zur Gewährleistung einer ungehinderten Wärmedehnung ist das Gehäuse an der Kontaktfläche mit der Stirnseite des Wärme tauscherpaketes mit einer (Weichstoff) Dichtung (102′) ver sehen. Für die Bauform mit rechtwinkligen Stirnseiten ist das Gehäuse außerdem an den Längsseiten abgedichtet, vorran gig jedoch im Bereich der seitlichen Einströmöffnung (224).
22) Fig. 6
Die dargestellte Bauform kann mit 2 seitlichen Öffnungen ausgeführt werden. Bei einer Ausführung mit 4 seitlichen Öffnungen ist eine größere Variationsvielfalt bei der Ver schaltung möglich. Nicht benutzte Öffnungen werden mit einem Deckel (223) verschlossen. Der Verschluß ist so ausgeführt, daß damit gleichzeitig die Gehäuseviertel zusammengespannt werden können.
23) Fig. 5a, 5c, 6
In Nähe der Stirnseiten der Gehäusehälften sind Erhebungen (120, 220) oder andere Vorrichtungen oder funktionale Formen vorgesehen, die ein Zusammenkoppeln zweier Gehäuseteile oder ein Verkoppeln des Wärmetauschers mit weiteren Wärmetau schern in einer Reihe oder mit Deckeln, Rohrleitungen oder Übergangsstücken ermöglichen, z. B. mit Kniehebelverschlüs sen (121, 221) oder mit Rahmenflanschen, falls erforderlich mit Faltenbalg (122) (Fig. 5c).
24) Zur gleichmäßigen Verteilung der Strömung über den ge samten Strömungsquerschnitt wird der Einströmkanal im rechten Winkel zur Stirnseite, in die das Medium in den Wärmetauscher eintritt, angeordnet.
25) Fig. 5a
Zur gleichmäßigen Verteilung der Strömung über den gesamten Strömungsquerschnitt werden Leitbleche am Gehäuse in der Nä he des Stoffeintritts angebracht.
26) Fig. 5a, 5b
Zur Vermeidung von Kurzschlußströmungen wird der Wärmetau scher diagonal durchströmt (Fig. 6a) bei zwingenden Vorgaben ist aber auch eine einseitige Durchströmung möglich, wobei dann durch Einbau von Leitblechen ein einseitiger Kurzschluß unterbunden wird.
27) Eine weitere Bauform zeichnet sich durch eine vorteil hafte Herstellung aus, wobei die stirnseitigen Streifen vollkommen entfallen können. Die Abdichtung an den Stirnseiten erfolgt durch angepreßte Deckel, die mit ei ner (Weichstoff)-Dichtung oder einer weichen (Knet)Masse versehen sind.
Diese Bauform ermöglicht das Herausnehmen des Wärmetauscher paketes aus dem Gehäuse, ohne daß Rohrleitungen bzw. Kanäle, die mit dem Wärmetauscher verbunden sind, demontiert werden müssen.
28) Fig. 7, 7a
An der Wärmetauscherbauform mit V-förmiger Stirnseite kann durch einen Deckel mit V-förmigen Abdichtelementen der glei che Effekt erreicht werden. Zur gleichmäßigen Strömungsver teilung und Minderung des Druckverlusts können hier Leitble che vorgesehen werden, die samt Deckel abnehmbar sind.
29) Eine weitere Bauform kann in zweifacher Weise verwendet werden (ohne Umbau-Maßnahmen):
- a) im Winter wird die Abluftwärme eines Gebäudes zur Frischluftvorwärmung genutzt und
- b) im Sommer wird die warme Frischluft über indirekte Verdunstungskühlung (im Wärmetauscher integriert) ab gekühlt, wobei die Kühlwirkung der kühlen Abluft durch eingespritztes Wasser erhöht wird (Wasser verdunstet). Diese Bauform kann auch ausschließlich als Kühler ein gesetzt werden.
30) Bei beidseitigem Verschluß der Stirnseiten für Medium A wird ein Seitenteil mit einem Zuführkanal und einem Ab leitkanal seitlich an das Wärmetauscherpaket angesetzt. Damit kann Medium B an den Stirnseiten in unverändert er Strömungsrichtung (wie die Kanalströmung) ein- und aus treten.
Diese Bauform eignet sich daher gut für einen Wärmeaustausch mit freier Konvektion für Medium B, z. B. bei der Kühlung von Steuerschränken durch thermisch aufsteigende Außenluft oder als Tauchwärmetauscher. Außerdem kann diese Bauform für Gas- Durchlauferhitzer oder Heizkessel verwendet werden.
31) Die Veränderung der Strömungsführung (Veränderung der Gangzahl) und der Strömungsgeschwindigkeit für Medium A ist durch Absperrmittel, z. B. Klappen, Schieber oder Hähne möglich, die im Zuführ- und Ableitkanal angeordnet werden können.
Die Absperrmittel können bei laufendem Betrieb mechanisch oder magnetisch verstellt werden oder in Ruhestellung (am Ende des Zuführ-/Ableitkanals) gebracht werden.
Auf diese Weise kann über die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Strömungsführung der Wärmeübergang bei laufendem Betrieb ge zielt gesteuert werden oder Reservewärmetauscherfläche hin zugeschaltet oder abgeriegelt werden.
Es ist außerdem möglich, diese Steuerung für beide Medien anzuwenden.
32) Außerdem kann über diese Absperrmittel kurzzeitig die Strömungsgeschwindigkeit rapide gesteigert werden, wo durch eine hydraulische Reinigung ermöglicht wird.
33) Bei Einsatz der im Pkt. 30) beschriebenen Bauform als Naturzug-Kühler, z. B. für Steuerschränke, kann auf der Kühlluftseite (freie Konvektion) der Ventilator entfal len, der bei Freiluftaufstellung der Witterung und Ver schmutzung ausgesetzt wäre und damit ein Störungsfaktor für die Steuerschrankkühlung ausgeschaltet wird.
34) Zur Erhöhung der Kühlleistung solcher Steuerschrankküh ler kann die Kühlluftseite mit Wasser (z. B. gespeicher tes Regenwasser) bei Bedarf (Temperaturregelung) berie selt werden (Verdunstungskühlung), ohne daß die Umluft seite befeuchtet wird. Diese Ausführung ist vor allem bei der Aufstellung im freien Gelände (ohne Wasseran schluß) vorteilhaft.

Bezugszeichenliste

1 Wärmetauscher
2 Gehäuse
3 fortlaufender Trapezprofilstreifen
4 benachbarte Strömungskanäle
5 Auflagefläche (-linie) der übereinanderliegenden Trapezkegelprofile
6a, 6b Anfang und Ende des Trapezprofilstreifens (3) 7 zweidimensionaler Wärmetransport im Kanal (in 4 Richtungen)
8a Struktur in Kanalwandung zur Turbulenzerzeugung
8b Struktur in Kanalwandung zur Erzeugung einer Spiralströmung (8b′)
8b′ Spiralströmung
8c Struktur in Kanalwandung zur Erzeugung einer doppelspiraligen Strömung (8c′)
8c′ doppelspiralige Strömung
9 ebene Wandung (zusammengedrücktes Profil), ebener Kanalabschnitt
10 Kanaloberseite
10a Schrägfläche zwischen (9) und (10)
11 entfällt
12a, b Schrägfläche
13 flacher, ebener Abschnitt
14 siehe 9
16 Stirnfläche, Stirnseitenverschluß
17 Seitenteil
18 ausgesparte Öffnung in Seitenteil 17
101 siehe 1
102′ Abdichtung an den Stirnseiten
102a Gehäuse (Hälfte)
102b Gehäuse (Hälfte)
103 siehe 3
103′ für ein Medium offene Stirnseitenhälfte
104 siehe 4
114 siehe 9
116 siehe 16
117 Verschlußdeckel mit Leitblechen
117′ Verschluß ohne Leitbleche
117a Leitbleche
117b Deckel
117c Öse (Erhebung) zum Verspannen mit Verschlußdeckel (117, 117′)
118a Austrittsöffnung
118b Eintrittsöffnung
120 Erhebung zum Zusammenkoppeln von Gehäuseteilen und Anschlußstücken
121 Kniehebel-Schnellverschluß
122 Flansch mit Faltenbalg
201 siehe 1
202 zerlegbares Gehäuse
202a′ Gehäuseteil (Viertel)
202a′′ Gehäuseteil (Viertel)
202b′ Gehäuseteil (Viertel)
202b′′ Gehäuseteil (Viertel)
203 siehe 3
203′ für 1 Medium offene Stirnseite
216 siehe 16
218 Austrittsöffnung
219 seitliche Gehäuseöffnung
220 Öse (Erhebung) zum Zusammenkoppeln von Gehäuseteilen und Anschlußstücken oder Deckel ("223")
221 siehe 121
222 stirnseitiger Deckel mit Dichtung
223 Verschlußdeckel
224 Abdichtung an der Seitenöffnung
225 Abdichtung an der Stirnseite
A Kühl- oder Heizmedium 1, z. B. Kühlwasser oder Heiß wasser (niedriger Temperaturgradient)
B Produkt
→ kühler Volumenstrom
⇒ warmer Volumenstrom
Θ Innenwinkel der Trapezkegel.

Claims

1. Wärmetauscher (1) für, insbesondere zwei, durchströmen de Fluide (A, B) mit parallelen Strömungskanälen (4) der im Querschnitt aus schichtenweise aufeinanderlie genden Tafeln mit mäanderförmigem Profil ausgebildet ist, wobei eine aufliegende Tafel die Strömungskanäle (4) der darunterliegenden Tafel abdeckt und wobei je weils seitlich benachbarte Strömungskanäle (4) von un terschiedlichen Fluiden durchströmbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwinkel Θ der vom mäanderförmigen Profil gebildeten offenen Trapeze kleiner als 90° sind.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Tafeln des Wärmetauschers (1) aus einem einzi gen fortlaufenden Streifen (3) derart ausgebildet sind, daß die Strömungskanäle (4) beider Fluide (A, B) voll ständig voneinander getrennt sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Wandungen der Strömungskanäle (4) mit Strukturen (8a, 8b, 8c) versehen sind, durch die in der Strömung des durchströmenden Fluids (A, B) Turbu lenzen und/oder spiralförmige Strömungen entstehen.

4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß immer wiederkehrende An strömvorgänge innerhalb der Strömungskanäle (4) dadurch erzeugbar sind, daß eine Tafel in Strömungsrichtung in bestimmten Abständen auf einer kurzen Länge in einen flachen Abschnitt (13), insbesondere mit einer Turbu lenz erzeugenden Verprägung, übergeht.

5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Fluid über Schrägflä chen (12a, b) in die einzelnen Strömungskanäle (4) ein und/oder auslenkbar ist.

6. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Ein- und Austrittsöffnungen der Strömungskanäle (4) Strömungs leitelemente (117a) vorgesehen sind, über die die Flui de (A, B) in die Strömungskanäle (4) von außen einleit bar oder innerhalb des Wärmetauschers (101) umleitbar sind.

7. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsverteiler und ein Strömungsvereiniger für ein Fluid jeweils als ein in Durchströmrichtung über den gesamten Querschnitt der Strömungsebene(n) sich erstreckender ebener Kanalab schnitt (14; 114) ohne Strömungskanäle ausgebildet sind und daß die Strömungskanäle (4; 104) des anderen Fluids in dieser(n) Strömungsebene(n) an ihren jeweili gen Enden, insbesondere mit einer Schrägfläche (12a), verschlossen sind.

8. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Strömungskanäle (4) bildende Profil an seinen jeweiligen Enden zu einer Ebene (9) zusammengedrückt ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei benachbarte, jeweils zu einer Ebene (9) zusam mengedrückte Profile aus ihrer jeweiligen Ebene zu ei ner die Strömungsebene verschließenden Stirnwand (16b) abknickbar sind.

10. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanalabschnitte (114) jeweils eine nur für ein Fluid offene, vorzugsweise V-förmige, Stirnseitenhälfte (103′) aufweisen und daß diese ein- und austrittseiti gen Stirnseitenhälften (103′) vorzugsweise diagonal in Durchströmrichtung gegenüberliegen.

11. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der fortlaufende Streifen in Strömungsrichtung s-förmig übereinander gelegt (65) ist, also längs der Strömungsrichtung gefaltet wird.

12. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß an das Wärmetauscherpaket (14) zur zusätzlichen seitlichen Abdichtung an einer oder beiden Seiten ein Seitenteil (36) angebracht und dicht angefügt wird, das glatt (36a) oder vorrangig profiliert (36b) ist, so daß es in die seitlichen offe nen Kanäle etwas eingeschoben werden kann, wodurch gleichzeitig eine stabilisierende Wirkung des Wärmetau scherpaketes erreicht wird, wobei die Seitenteile an einem oder an beiden Enden ausgesparte Öffnungen (66, 67) für seitlich ein- oder austretende Stoffströme ha ben können.

13. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strömungskanäle (4) bildenden Tafeln in einem, vorzugsweise zerlegbaren, Gehäuse (2; 102; 602) anordnenbar sind.

14. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Stirnseiten des Gehäuses ein V-förmiges Abdichtelement vorgesehen ist, das die Fluide gegeneinander trennt und eine Abdichtung zwischen Wärmetauscher und dem Gehäuse vornimmt.

15. Bausatz aus Wärmetauschern nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wärmetau scher seitlich und/oder hintereinander und/oder über Eck aneinander koppelbar sind.