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Anwendungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im weitesten Sinne einen Wärmetauscher
für den
Wärmetausch
zwischen einem ersten und einem zweiten Fluid.
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Insbesondere,
wenn auch nicht ausschließlich,
betrifft die Erfindung einen Wärmetauscher
für den
Wärmetausch
zwischen druckbeaufschlagten Fluiden des Typs, der mehrere Gehäuse von
im Wesentlichen abgeflachter Gestalt und von einer vorgegebenen
Breite umfasst, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei ein Luftraum
zwischen benachbarten Gehäusen
in dem Stapel definiert ist, und jeweils aus zwei Halbschalen gebildet
sind, die entlang eines Umfangsstreifens verschweißt sind,
die über jeweilige
Löcher,
die in den Raum hinein öffnen,
in fluider Verbindung miteinander stehen.
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Stand der
Technik
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Wärmetauscher
für den
Wärmetausch
zwischen zwei Fluiden des Typs, der mehrere Gehäuse oder abgeflachte Röhren umfasst,
sind bekannt.
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Jedes
Gehäuse
besteht aus zwei Halbschalen, in denen jeweilige Löcher in
entsprechenden Positionen offen sind, an denen benachbarte Gehäuse miteinander
durch Sammler verbunden sind.
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In
einer solchen Anordnung definiert jedes Paar benachbarter Gehäuse einen
Luftraum, durch den ein erster Fluidstrom transportiert wird, während ein
zweiter Fluidstrom mit einer anderen Temperatur die mehreren Gehäuse kreuzt.
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Auf
diese Weise vollführen
diese Ströme
einen Wärmetausch,
dessen Effektivität
im Allgemeinen noch erhöht
wird, indem ihrer Bewegung mit Hilfe kleiner gewellter Platten oder
Turbulatoren, die in den Hohlräumen
bzw. im Inneren der Gehäuse
angeordnet sind, eine starke Turbulenz verliehen wird.
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Bei
den oben angesprochenen verbindenden Sammlern zwischen benachbarten
Gehäusen handelt
es sich gemäß dem Stand
der Technik um Rohrstücke,
die mit den Halbschalen verbunden sind und mittels plastischer Verformung
um jeweilige konische Kanten herum gebogen sind, die an den Löchern, die
an den Gehäusen
offen sind, vorgesehen sind.
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Wärmetauscher
dieser Bauart sind zwar vorteilhaft; dennoch sind sie nicht frei
von Nachteilen, einschließlich
des hauptsächlichen
Nachteils der geringen mechanischen Widerstandsfähigkeit, die sie aufweisen
und die ihre Nutzbarkeit beeinträchtigt, insbesondere
im Fall des Wärmetauschs
zwischen Hochdruckfluidströmen.
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Diese
geringe mechanische Widerstandsfähigkeit
macht sich vor allem sowohl an den Verbindungsstellen zwischen benachbarten
Gehäusen,
wo die plastische Verformung keine ausreichende Abdichtung gewährleistet,
als auch an den Halbschalen bemerkbar, die im Interesse eines effektiven
Wärmetauschs
zwischen den Fluiden eine geringe Dicke aufweisen müssen.
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Daraus
folgt, dass Wärmetauscher
dieser Bauweise nicht verwendet werden können oder jedenfalls von geringem
industriellen Interesse sind, wenn ein Wärmetausch zwischen Fluidströmen stattfinden
soll, von denen wenigstens einer unter hohem Druck steht, wobei
mit "hohem Druck" ein Wert von über 10-13
bar gemeint ist.
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US-A-4,379,486
offenbart einen Wärmetauscher,
der aus mehreren Gehäusen
mit dazwischen angeordneten Abstandshalterelementen besteht.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Das
technische Problem, das die Grundlage der vorliegenden Erfindung
bildet, ist das Ersinnen eines Wärmetauschers
für den
Wärmetausch
zwischen einem ersten Fluid und einem zweiten Fluid des Typs, der
mehrere Gehäuse
von im Wesentlichen abgeflachter Gestalt und von einer vorgegebenen
Breite umfasst, die in einem Stapel angeordnet sind, wobei ein Luftraum
zwischen benachbarten Gehäusen
in dem Stapel definiert ist, und jeweils aus zwei Halbschalen gebildet
sind, die entlang eines Umfangsstreifens verschweißt sind,
wobei diese Gehäuse
durch jeweilige Löcher,
die in diesen Raum hinein öffnen,
in fluider Verbindung miteinander stehen, mit strukturellen und
funktionellen Merkmalen, die dazu dienen, die oben angesprochenen
Nachteile zu beseitigen, oder anders ausgedrückt: die den Zweck haben, eine außergewöhnliche
Festigkeit und mechanische Widerstandsfähigkeit zu gewährleisten.
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Das
oben dargestellte Problem wird gemäß der Erfindung durch einen
Wärmetauscher
des oben vorgestellten Typs gelöst,
der in dem oben erwähnten Luftraum
wenigstens einen im Wesentlichen hülsenartigen Abstandshalter
umfasst, der am oberen Ende an den benachbarten Gehäusen anliegt
und integral mit den benachbarten Gehäusen um die jeweiligen Löcher herum,
die in den Luftraum hinein öffnen,
verbunden ist.
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Der
Wärmetauscher
umfasst Unregelmäßigkeiten,
die mit dem oben angesprochenen wenigstens einen Abstandshalter
verbunden sind und sich in dem Luftraum erstrecken, um die Halbschalen
zu versteifen.
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Die
oben angesprochenen Unregelmäßigkeiten
sind radiale Speichen, die sich radial von dem wenigstens einen
Abstandshalter erstrecken.
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Vorteilhafterweise
sind die oben angesprochenen radialen Speichen praktisch im gleichen
Winkel beabstandet.
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Des
Weiteren sind die oben angesprochenen radialen Speichen bevorzugt
integral mit dem Abstandshalter ausgebildet, und ganz besonders
bevorzugt sind radiale Speichen und Abstandshalter ein Stück eines
extrudierten Profils.
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Vorteilhafterweise
besteht das oben angesprochene extrudierte Profil aus einem metallischen Material,
das aus der Gruppe ausgewählt
ist, die Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kupfer, Kupferlegierungen
und ähnliche
metallische Materialien umfasst.
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Die
Merkmale und weiteren Vorteile des Wärmetauschers gemäß der vorliegenden
Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung unter Bezug auf die
angehängten
Zeichnungen deutlicher hervor, die allein der Veranschaulichung
und nicht der Einschränkung
dienen.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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In
den Zeichnungen:
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zeigt 1 eine
schematische geschnittene Vorderansicht eines Wärmetauschers gemäß der vorliegenden
Erfindung entlang der Linie I-I;
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zeigt 2 eine
Draufsicht auf den Wärmetauscher
von 1 entlang dem Pfeil II;
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zeigt 3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Details des Tauschers von 1;
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zeigt 4 eine
Schnittansicht eines Details des Wärmetauschers von 1 entlang
der Linie IV-IV von 3;
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zeigt 5 eine
perspektivische, auseinandergezogene Ansicht eines Abschnitts des
Tauschers von 1;
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zeigt 6 den
Abschnitt von 5 des Wärmetauschers gemäß einer
Ausführungsvariante der
Erfindung;
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zeigt 7 ein
Detail des Abschnitts von 5 gemäß einer
weiteren Ausführungsvariante der
Erfindung;
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zeigt 8 das
Detail von 4 gemäß einer weiteren Ausführungsvariante
der Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Wenden
wir uns den oben erwähnten
Figuren zu, wo ein Wärmetauscher
für den
Wärmetausch zwischen
einem ersten Fluid, zum Beispiel Öl, und einem zweiten Fluid,
zum Beispiel Luft, der gemäß der vorliegenden
Erfindung realisiert ist, global und schematisch mit 1 bezeichnet
ist.
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Der
Wärmetauscher 1 umfasst
im Wesentlichen mehrere Gehäuse 2 von
im Wesentlichen abgeflachter Gestalt, die in einer vorgegebenen
Beabstandung zueinander in einem Stapel 2a angeordnet sind,
wobei jeweilige Hohlräume 3 zwischen
den Gehäusen
definiert sind.
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Die
Gehäuse 2 von
vorgegebener Breite L sind auf bekannte Weise zwischen eine erste
Platte 4 und eine zweite Platte 5 geklemmt, wobei
die zweite Platte 5 mit Anschlussstücken 5a zum Durchleiten zum
Beispiel eines ersten der oben angesprochenen Fluids versehen sind.
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In
dem Beispiel hat der beschriebene Tauscher Anschlussstücke 5a von
2,54 cm (einem Zoll).
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Jedes
der Gehäuse 2 ist
aus zwei Halbschalen 6 gebildet, die entlang eines Umfangsstreifens 6a verschweißt sind
und von denen jede an entsprechenden Positionen mit jeweiligen Löchern 7 versehen
ist.
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Es
ist anzumerken, dass der oben erwähnte Umfangsstreifen 6a einen äußeren Rand 6b aufweist,
der eine rechtwinklige Abkantung 6c umfasst, und dass die
Halbschalen 6 aus Aluminiumblech von geringer Dicke zwischen
0,1 und 0,4 mm, bevorzugt 0,3 mm, hergestellt sind.
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Diese
jeweiligen Löcher 7,
die in dem Stapel 2a aufeinander ausgerichtet sind, stellen
eine fluide Verbindung zwischen den oben erwähnten Gehäusen 2 her.
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In
diesen Gehäusen 2 lässt man
einen Strom des oben erwähnten
ersten Fluids strömen,
während man
dass zweite Fluid in den oben angesprochenen Hohlräumen 3 strömen lässt. All
das erfolgt in an sich bekannter Weise.
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Gemäß einem
ersten Merkmal der Erfindung umfasst der Wärmetauscher 1 in jedem
der Hohlräume 3 einen
im Wesentlichen hülsenartigen
Abstandshalter 8, der am oberen Ende an den oben erwähnten benachbarten
Gehäusen
anliegt und integral mit den oben erwähnten benachbarten Gehäusen um
jedes der jeweiligen Löcher 7 der
Halbschalen 6 herum verbunden ist, wodurch eine unzerstörbare mechanische
Verbindung zwischen benachbarten Gehäuses hergestellt wird.
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Diese
Abstandshalter 8, die mit den Gehäusen 2 zum Beispiel
mittels Hartlöten
oder Schweißen integral
verbunden sind, definieren an den jeweiligen Löchern 7 Durchlasssammler
für das
oben erwähnte erste
Fluid, die mit dem Inneren der Gehäuse 2 in strömungsmäßiger Verbindung
stehen.
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Gemäß einem
zweiten Merkmal der Erfindung umfasst der Wärmetauscher 1 Unregelmäßigkeiten 9,
die mit jedem Abstandshalter 8 verbunden sind und sich
in jedem Luftraum 3 erstrecken und versteifende Elemente
der Halbschalen 6 bilden.
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Wenden
wir uns insbesondere dem Beispiel der 4 und 5 zu.
Dort ist zu erkennen, wie diese Unregelmäßigkeiten die Form radialer
Speichen 9 haben, die radial in Richtung der Außenseite des
Abstandshalters 8 abstehen und praktisch in gleichem Winkel
an einem solchen Abstandshalter 8 beabstandet sind.
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Vorteilhafterweise,
und gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung, erstreckt sich eine zuvor festgelegte
Anzahl solcher radialer Speichen 9, die sich nach außerhalb
des Abstandshalters 8 erstrecken – in dem Beispiel eine Anzahl
von sieben Speichen, die mit 9a bezeichnet sind –, bis zu
dem oben angesprochenen Umfangsstreifen 6a.
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Insbesondere
erstreckt sich eine solche zuvor festgelegte Anzahl radialer Speichen 9a bis
zu der oben angesprochenen rechtwinkligen Abkantung 6c und
liegt an ihr an.
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Vorteilhafterweise
werden des Weiteren die übrigen
radialen Speichen 9 desselben Abstandshalters 8 – in dem
Beispiel drei Speichen, die mit 9b bezeichnet sind – entlang
einer mit T bezeichneten Querebene abgeschert, welche die Bezugsebene und
Stützebene
für eine
gewellte Platte, global mit 11 bezeichnet, bildet, die
in jeder der Hohlräume 3 angeordnet
ist und die der Fachmann als "Turbulator" bezeichnet.
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Diesbezüglich sollte
auch angemerkt werden, dass eine zweite gewellte Platte oder ein
Turbulator 11a im Inneren jedes Gehäuses 2 angeordnet ist.
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Die
oben erwähnten
gewellten Platten 11, 11a haben den Zweck des
Steigerns der Effizienz des Wärmetauschs
des Wärmetauschers 1,
indem sie mittels ihrer gewellten Oberflächen die Turbulenz der für den Wärmetausch
vorgesehenen Fluidströme verstärken.
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Bevorzugt
sind die oben erwähnten
radialen Speichen 9 integral mit dem Abstandshalter 8,
von dem sie abstehen, ausgebildet, und besonders bevorzugt sind
radiale Speichen und Abstandshalter ein Stück eines extrudierten Profils,
das aus einem metallischen Material besteht, das aus der Gruppe
ausgewählt
ist, die Aluminium, Kupfer, Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen
und ähnliche
metallische Materialien umfasst.
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Es
ist anzumerken, dass die Dicke s des Abstandshalters 8 und
die Dicke der radialen Speichen 9 zwischen 2 und 4 mm liegt
und bevorzugt 3,5 mm beträgt.
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Vorzugsweise
ist des Weiteren jedes der oben angesprochenen jeweiligen Löcher 7 jeder Halbschale 6 mit
einem Zentrierrand 12 versehen, der von der Halbschale 6 in
der Richtung des Luftraums 3 absteht und dem Ausrichten
des Abstandshalters 8 dient.
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Der
Hauptvorteil des Wärmetauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung liegt in seiner außergewöhnlichen
Festigkeit.
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In
der Tat wird dem Gehäusestapel
selbst dank der Abstandshalter, die am oberen Ende der Gehäuse angeschweißt und integral
am oberen Ende mit den Gehäusen
verbunden sind, eine besonders feste Struktur verliehen.
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Auf
diese Weise wird eine unzerstörbare
mechanische Verbindung zwischen benachbarten Gehäusen gebildet, die eine Abdichtung
bildet und in der Lage ist, gröbsten
Beanspruchungen zu widerstehen.
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Insbesondere
werden bei dem erfindungsgemäßen Tauscher
die Abschnitte des Tauschers, die im Stand der Technik am meisten
explosionsgefährdet
waren, verstärkt,
und zwar sowohl durch die Abstandshalter, die mit den Gehäusen integral
verbunden sind, als auch durch die radialen Speichen, die von jedem
Abstandshalter abstehen und versteifende Elemente für jede der
Halbschalen darstellen.
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Der
erfindungsgemäße Wärmetauscher
eignet sich dadurch ganz besonders für den Wärmetausch zwischen druckbeaufschlagten
Fluidströmen und
auch für
Drücke
bis 35 bar und darüber.
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Des
Weiteren wird die mechanische Widerstandsfähigkeit des Tauschers durch
die radialen Speichen der Abstandshalter verbessert, die Stützelemente
für jede
gewellte Platte bilden, die in den Hohlräumen angeordnet sind.
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Auf
diese Weise werden die gewellten Platten stabil durch die radialen
Speichen in einer optimalen Position arretiert, die eine ausgezeichnete Verstärkung der
Turbulenz des Fluidstromes, der die Hohlräume durchquert, sowie einen
optimalen Wärmetausch
insbesondere bei hohen Drücken
eines solchen Stroms ermöglicht.
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Oder
anders ausgedrückt:
Der Wärmetauscher
gemäß der vorliegenden
Erfindung gestattet die Vornahme eines Wärmetauschs zwischen einem ersten
Fluid, das im Inneren der Gehäuse
transportiert wird, und einem zweiten Fluid, das in die Hohlräume zwischen
benachbarten Gehäusen
transportiert wird, insbesondere und maximal, wenn beide der jeweiligen
Ströme
solcher Fluide einen hohen Druck aufweisen, was der oben beschriebenen
besonderen Struktur zu verdanken ist.
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Eine
solche außergewöhnliche
Festigkeit des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
wird vorteilhafterweise unter gleichzeitiger Beibehaltung einer
kompakten Struktur des Tauschers erreicht, und zwar mittels Halbschalen,
die mit einer geringen Dicke hergestellt sind, wie es für einen
effektiven Wärmetausch
erforderlich ist.
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Ein
weiterer Vorteil, der mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher erreicht wird,
liegt in dem minimalen oder vernachlässigbaren Druckabfall, den die
Fluide während
des Wärmetauschs
erfahren, was der oben angesprochenen mechanischen Verbindung zu
verdanken ist, die eine bessere Abdichtung ermöglicht, als es bisher im Stand
der Technik möglich
war.
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Es
ist des Weiteren anzumerken, dass radiale Speichen, die sich bis
zu der vorteilhafterweise rechtwinkligen Abkantung des Umfangsstreifens
erstrecken, dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher eine
effektive mechanische Widerstandsfähigkeit auch gegen versehentliche
Stoß-
und Schlageinwirkung verleihen, wodurch der Wärmetauscher vor Beulen und ähnlichen
unerwünschten
Beschädigungen
geschützt
werden, die aus solcher Stoß-
und Schlageinwirkung entstehen könnten.
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Wenden
wir uns nun speziell dem Beispiel von 6 zu, wo
eine Ausführungsvariante
der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, für die Details und zusammenwirkende
Teile mit der gleichen Struktur und Funktionsweise wie das vorherige
Ausführungsbeispiel
mit den gleichen Bezugszahlen und Symbolen bezeichnet sind.
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In
einer solchen Ausführungsvariante
umfasst der Wärmetauscher
Abstandshalter 8, die im Wesentlichen wie eine Hülse geformt
sind und am oberen Ende mit benachbarten Gehäusen 2 integral verbunden
sind und radiale Speichen 90 umfassen, die zur Innenseite
des Abstandshalters 8 hin abstehen.
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Die
oben angesprochenen radialen Speichen 90, die zur Innenseite
des Abstandshalters hin abstehen, werden an ihren freien Enden so
abgeschert, dass sie den Zentrierrand 12 der jeweiligen Löcher 7 umgeben.
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Wenden
wir uns noch einmal dem Beispiel von 6 zu, wo
zu erkennen ist, dass der Abstandshalter 8 einen ersten
Abschnitt 80a mit einem gekrümmten Profil und einen zweiten
Abschnitt 80b mit einem rechteckigen Profil umfasst, der
die Bezugsebene für
den Turbulator 11 bildet.
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In
einer solchen Ausführungsvariante
ist zu erkennen, dass vorteilhafterweise der Druck, der von der
Innenseite her infolge des Fluids, das die Gehäuse durchquert, auf den Abstandshalter
wirkt, vollständig
durch einen Druck ausgeglichen wird, der von außen her infolge des Fluids,
das die Hohlräume
durchquert, auf den Abstandshalter wirkt.
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In
dem Beispiel von 7 ist eine weitere Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Wärmetauschers
dargestellt.
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In
einer solchen Ausführungsvariante
umfasst der Wärmetauscher
Abstandshalter 8, die im Wesentlichen wie eine Hülse geformt
sind und jeweils mit radialen Speichen, die zur Innenseite des Abstandshalters
hin abstehen und mit 90a bezeichnet sind, und radialen
Speichen, die in Richtung der Außenseite des Abstandshalters
abstehen und mit 90b bezeichnet sind, versehen sind.
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Es
ist zu sehen, dass die oben angesprochenen radialen Speichen 90b,
die sich in Richtung der Außenseite
des Abstandshalters 8 erstrecken, eine Verlängerung
der radialen Speichen 90a darstellen, die sich zur Innenseite
des Abstandshalters hin erstrecken.
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Es
ist wichtig festzustellen, dass gemäß einer weiteren Ausführungsvariante,
die mit Bezug auf das Beispiel von 8 gezeigt
ist, die Löcher 7,
die in der Halbschale 6 der Gehäuse 2 offen sind,
länglich
sind.
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Löcher, die
sich quer erstrecken, sind besonders vorteilhaft in dem Fall großer Breiten
des Tauschers, die dafür
vorgesehen sind, hohen Strömungsraten
des Fluids zu widerstehen, das in den Halbschalen des Tauschers
selbst zirkuliert.
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Der
Fachmann kann zahlreiche Modifikationen an jeder der oben beschriebenen
Ausführungsvarianten
des Wärmetauschers
vornehmen, um eventuellen und spezifischen Anforderungen gerecht zu
werden, wobei alle derartigen Modifikationen in jedem Fall in den
Geltungsbereich der Erfindung fallen, der durch die im Folgenden
dargelegten Ansprüche definiert
wird.