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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wärmeübertragungsplatte für einen
Plattenwärmeaustauscher,
der umfasst: einen Eingangsabschnitt, einen Ausgangsabschnitt und
einen Wärmeübertragungsabschnitt,
der zwischen dem Eingangsabschnitt und dem Ausgangsabschnitt positioniert
ist und der eine Anzahl von Rippen und Mulden darstellt, die in
die Platte eingepresst sind und sich zwischen einer oberen geometrischen
Ebene und einer unteren geometrischen Ebene der Platte erstrecken,
wobei die Ebenen zu der zentralen geometrischen Ebene der Platte
im wesentlichen parallel sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung
auf ein Plattenpaket, das eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsplatten, wie oben
angegeben, umfasst, in welchem ein Fluid vorgesehen ist, um in einer
Anzahl von Strömungsbereichen
zu strömen,
die durch die Zwischenräume
zwischen den Wärmeübertragungsplatten
ausgebildet sind, die das Plattenpaket entlang einer Hauptströmungsrichtung
zusammensetzen, welche sich zwischen dem Eingangsabschnitt und dem
Ausgangsabschnitt erstreckt. Die Erfindung betrifft auch einen Plattenwärmeaustauscher.
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Stand der Technik
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Ein
Plattenwärmeaustauscher
umfasst ein Plattenpaket bestehend aus einer Anzahl von zusammengestellten
Wärmeübertragungsplatten,
die zwischen sich Zwischenräume
bilden. In den meisten Fällen
ist jeder zweite Plattenzwischenraum mit einem ersten Eingangskanal
und einem ersten Ausgangskanal verbunden, wobei jeder Plattenzwischenraum
angepasst ist, um einen Strömungsbereich
zwischen den Eingangs- und Ausgangskanälen zu definieren. Dementsprechend
sind die anderen Plattenzwischenräume mit einem zweiten Eingangskanal
und einem zweiten Ausgangskanal für eine Strömung eines zweiten Fluids verbunden.
Somit sind die Platten in Kontakt mit einem Fluid durch eine ihrer
Seitenflächen
und mit dem anderen Fluid durch die andere Seitenfläche, was
einen beachtlichen Wärmeaustausch
zwischen den zwei Fluiden erlaubt.
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Moderne
Plattenwärmeaustauscher
beinhalten Wärmeübertragungsplatten,
welche meistens aus Blechstreifen hergestellt werden, die zum Erhalten
ihrer endgültigen
Form gepresst und gestanzt worden sind. Jede Wärmeübertragungsplatte ist üblicher
Weise mit vier oder mehr „Öffnungen" versehen, die aus
in der Platte eingestanzten Durchbruchbohrungen bestehen. Die Öffnungen
der verschiedenen Platten definieren die Ein- und Ausgangskanäle, welche
sich entlang des Plattenwärmetauschers
quer zur Ebene der Platten erstrecken. Dichtringe oder jede andere
Art von Dichtmitteln sind abwechselnd um einige Öffnungen herum in jedem zweiten
Plattenzwischenraum und, in den anderen Plattenzwischenräumen, um
die andere Öffnungen
herum so angeordnet, um zwei getrennte Kanäle für das erste Fluid bzw. und
das zweite Fluid auszubilden. Solch ein Wärmetauscher wird z.B. in WO
87/01795 dargestellt.
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Da
die während
des Betriebes erreichten Druckpegel im Wärmetauscher beachtlich sind,
müssen
die Platten eine bestimmte Steifigkeit aufweisen, um durch den Fluiddruck
nicht deformiert zu werden. Die Anwendung von Platten aus Blechstreifen
ist nur möglich,
wenn die Platten irgendwie gestützt
werden. In der Regel wird dies durch Wärmeübertragungsplatten gelöst, die
mit Strukturmustern so ausgelegt sind, dass die Platten sich gegenseitig
an einer Vielzahl von Punkten stützen.
Die Platten sind zwischen zwei steifen Endplatten in einem „Rahmen" aneinander befestigt
und bilden dabei steife Einheiten aus, die in jedem Plattenzwischenraum
Strömungskanäle aufweisen.
Zur Erzielung des gewünschten
Kontaktes zwischen den Platten werden zwei Arten von Platten erzeugt,
welche dann abwechselnd derart angeordnet werden, dass die Platten
in dem Wärmetauscher
abwechselnd von der ersten Art und der zweiten Art sind. Alternativ
wird von gleichen Platten Gebrauch gemacht, die abwechselnd um eine
Symmetrieachse rotiert oder umgedreht werden. In den meisten Fällen werden
die Öffnungen
für die
jeweiligen Strömungsgebereiche
in zwei Öffnungsabschnitten an
zwei entgegengesetzten Rändern
der Wärmeübertragungsplatte
positioniert, und die Strömungsgebereiche
werden durch die zwischen den Öffnungsabschnitten
positionierten Wärmeübertragungsflächen ausgebildet.
In den Plattenabschnitten, die sich am nächsten zu den Öffnungen
(die Verteilungsfläche)
befinden, weisen die Platten ein zur Verteilung des Fluids über den
gesamten Strömungsbereich ausgelegtes
Strukturmuster auf.
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In
einigen Anwendungsfällen
macht der Druckabfall entlang der Wärmeübertragungsfläche nur
einen kleinen Teil des Druckabfalls aus, was bedeutet, dass die
Druckabfalldifferenz in der Querrichtung relativ klein ist, auch
wenn relativ große
Fluidströmungsdifferenzen über die
Breite der Strömungsfläche aufkommen.
Obwohl eine ungleichmäßigen Verteilung,
auch wenn sie erheblich ist, einen kleinen Einfluss auf die Wärmeübertragung
in einem Wärmetauscher
mit sauberen Platten hat, ist eine ungleichmäßig verteilte Strömung in
vielen Fällen
nicht akzeptabel, da das Risiko des Foulings erheblich zunimmt.
Wenn Fouling stattfindet, wird die Wärmeübertragungskapazität des Wärmetauschers
drastisch verringert. Neben der Verringerung der thermischen Effektivität kann das
Fouling nachteilige Einflüsse
auf die Qualität
des Produktes haben, das durch den Wärmetauscher hindurchgetreten
ist. Darüber
hinaus ist ein größerer Reinigungsaufwand
nötig und,
in ernsthaften Fällen,
können
ausserplanmässige
Stilllegungen notwendig werden.
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Ein
Beispiel für
Prozesse, in denen der Druckabfall entlang der Wärmeübertragungsfläche klein
ist, ist die aufsteigende Filmverdampfung.
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Um
eine ausreichende Verteilung entlang des Strömungsbereiches auch in durch
einen kleinen Druckabfall gekennzeichnet Anwendungsfällen zu erzielen,
müssen
die Strukturmuster des Strömungsbereiches 'offen' sein, d.h. eine
ausrechende Strömung
auch ohne große
Druckdifferenzen soll erhalten bleiben. Zwecks der Verteilung sollen
die Strukturmuster in der Querrichtung 'offen' sein, und zwecks der Hauptströmung sollen
die Strukturmuster in der Hauptströmungsrichtung 'offen' sein. Ein 'offenes' Strukturmuster wird
einfach dadurch erzielt, dass die Platten so eben wie möglich angefertigt
und mit einer geringen Anzahl von lokalen Senken versehen werden.
Bei einer geringen Anzahl von Kontaktpunkten muss jedoch jeder Kontaktpunkt
eine beachtliche Belastung tragen und die Abschnitte zwischen den
Kontaktpunkten sind einer beachtlichen Biegebelastung ausgesetzt.
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Ein
Problem mit dem Stand der Technik ist die Tatsache, dass es keine
Struktur gibt, welche in einer vollkommen zufriedenstellenden Art
die gewünschte
Verteilung auch bei kleinen Druckabfällen erbringt, obwohl ein starkes,
durch einzelne Platten ausgebildetes Plattenpaket vorhanden ist.
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Bekannte
Kompromisse zwischen den zwei scheinbar nicht zu vereinbarenden
Konstruktionsanforderungen zeigen zu viele Mängel entweder hinsichtlich
der Verteilung oder der Festigkeit.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lösung für die oben angeführten Probleme
bereitzustellen oder zumindest einen Kompromiss zu erreichen, welcher
keine nennenswerten Mängel
in Bezug auf entweder Verteilung oder Festigkeit zeigt.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, eine Wärmeübertragungsplatte zu schaffen,
welche zumindest einen effektiven Kompromiss in Bezug auf die oben
angeführten
Probleme bietet und welche einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Plattenpaket und einen
Wärmetauscher
bereitzustellen, die zumindest ein effektives Kompromiss in Bezug
auf der oben angeführten
Probleme bieten und die einfach und kostengünstig herstellbar sind.
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Die
vorstehenden Aufgaben der Erfindung wurden mittels einer Wärmeübertragungsplatte,
die die im unabhängigen
Anspruch 1 definierten Merkmale besitzt, gelöst.
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Die
Aufgabe der Erfindung wurden auch mittels eines Plattenpakets und
eines Plattenwärmetauschers,
die jeweils die in den abhängigen
Ansprüchen
18 und 25 definierten Merkmalen besitzen, gelöst.
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Bevorzugte
Beispiele der Ausführungsformen
der Erfindung sind aus den den Unteransprüchen ersichtlich.
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Das
neue Strukturmuster der Platte ist eine Lösung zu den scheinbar nicht
zu vereinbarenden Konstruktionsanforderungen.
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Das
erfinderische Konzept kann zusammengefasst werden als eine Platte,
die eine Anzahl von Reihen von länglichen,
sich entlang der Hauptströmungsrichtung
erstreckenden Rippen und Mulden, die einerseits zur Übernahme
von Lasten, die zwischen Platten eines Plattenpakets in einem Plattenwärmetauscher
aufkommen, und, andererseits zur Bereitstellung von Strömungsverteilungsverbindungen
angepasst sind, und eine Anzahl von die Reihen von Rippen und Mulden
voneinander trennenden Kanalabschnitten, die zur Ausbildung nur
unwesentliche Druckabfälle
verursachender Hauptströmungskanäle angepasst
sind, umfasst. Dies führt
zu einer Platte mit zufriedenstellender Festigkeit und zufriedenstellender
Verteilungskapazität
in der Querrichtung auch in den Anwendungsfällen, bei denen der Druckabfall entlang
der Wärmeübertragungsfläche klein
sein muss. Die Merkmale des Anspruchs 1 werden nachfolgend ausführlicher
beschrieben.
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Erstens,
der Wärmeübertragungsabschnitt umfasst
eine Mehrzahl von angrenzenden Reihen von Rippen und Mulden, wobei
die Reihen sich entlang einer Hauptströmungsrichtung erstrecken, welche
sich zwischen dem Eingangsabschnitt und Ausgangsabschnitt erstreckt.
Eine Platte mit diesem Aufbau besitzt eine starke Wärmeübertragungsfläche. Stark
bedeutet hier, unter anderem, dass die Platte in der Lage ist gegen
den auf die Platte entlang ihrer Normalen wirkenden Druck Widerstand
zu leisten, wobei der Druck im Zusammenhang mit der Befestigungskraft
des Gestellrahmens sowie des Drucks des Fluides steht, das im durch
die Platten ausgebildeten Plattenzwischenraum strömt. Die
Kraft, die entlang der Normalen wirkt, kann beachtliche Größen erreichen,
weil die Platten normaler Weise große Wärmeübertragungsflächen aufweisen.
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Zweitens,
die Reihen von Rippen und Mulden sind in der Querrichtung von einander
getrennt, wobei die Querrichtung im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung
ist und welche sich entlang der zentralen Ebene der Platte erstreckt,
durch im Wesentlichen ebene Kanalabschnitte des Wärmeübertragungsabschnittes,
welcher sich im Wesentlichen parallel zu der zentralen Ebene der
Platte erstreckt. Dies hilft, das Pressen verhältnismäßig unkompliziert zu gestalten.
Das bedeutet auch, dass es Hauptströmungskanäle gibt, welche sich entlang
der Hauptströmungsrichtung
erstrecken und nur einen sehr kleinen Druckabfall verursachen. Wie
bereits erwähnt
ist eine geringer Druckabfall eine Anforderung für bestimmte Anwendungsgebiete.
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Drittens,
jede Reihe stellt abwechselnd längliche
Rippen und längliche
Mulden dar, welche sich in der Hauptströmungsrichtung erstrecken. Die
Rippen von zwei angrenzenden Wärmeübertragungsplatten sind
eingerichtet, um sich gegenseitig zu stützen. Somit bilden die längliche
Rippen, welche sich gegen eine benachbarte Platte stützen, auf
der anderen Seite der Platte eine Mulde aus, und sind in einem Abstand
von der dementsprechenden Mulde auf der anderen Seite der benachbarten
Platte positioniert. Dabei werden längliche Querverbindungen zwischen den
Hauptströmungskanälen in der
Hauptströmungsrichtung
ausgebildet. Somit kann die Strömung
in verschiedenen Hauptströmungskanälen mittels
dieser Querverbindungen ausgeglichen werden, ohne jeglichen nennenswerten
Druckabfall. Rippe bedeutet vor allem eine erhabene Seite einer
gepressten Komponente und Mulde bedeutet ihre hohle Seite. Somit
bildet eine Rippe auf der großen
Fläche
einer Platte eine Mulde auf der entgegengesetzten großen Fläche der
Platte. Das Strukturmuster der Platte ist beschrieben, wie es auf
einer großen
Fläche
der Platte zum Vorschein kommt.
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Viertens,
die Überleitung
zwischen jeder Rippe und einer benachbarten Mulde in der selben
Reihe ist durch einen kontinuierlichen, im Wesentlichen, geraden Überleitungsabschnitt
der Platte ausgebildet, welcher relativ zur zentralen Ebene der
Platte geneigt ist und wovon ein erster Teil eine Endwand der Rippe
ausbildet und ein zweiter Teil eine Endwand der benachbarten Mulde
ausbildet. Durch die geneigten Abschnitte wird ein gepresstes Strukturmuster
erzielt, das relativ leicht herzustellen ist. Weil die geneigten Überleitungsabschnitte
im Wesentlichen gerade sind und sich direkt von einer Rippe zu einer
Mulde erstrecken, wird eine sehr starke Struktur erzielt. Ein aufrechter
Abschnitt eines Metallbleches kann beachtliche Lasten in der Ebene
des Metallblechabschnittes verkraften, verglichen mit einem Metallblechabschnitt,
der entlang seines Normalen einer Belastung ausgesetzt ist. Durch
den geraden Metallblechabschnitt, der sich direkt von einer Rippe zu
einer benachbarten Mulde erstreckt, wird die Druckkraft zwischen
zwei Platten, die auf beiden Seiten der mittleren Platte positioniert
sind, direkt von einer Platte mittels des Rippenkontaktpunkts zu
der anderen Platte mittels des Muldenkontaktpunkts, übergeleitet.
Folglich gibt es keine Plattenabschnitte, die irgendwelchen nennenswerten
Biegebelastungen ausgesetzt sind, welche zu beachtlichen Auslenkungen
auch im Falle kleinerer Belastungen kommt. In diesem Zusammenhang
ist der Neigungswinkel eine Frage der Optimierung. Ein orthogonaler,
aufrechter Abschnitt bietet eine bessere Steifigkeit aber ist schwieriger
zu erzielen, ohne das Material zu dünn zu machen. Somit sind die
Druckeigenschaften des Materials so wie seine zugehörige Steifigkeit,
das Anwendungsgebiet der Platte usw. zu berücksichtigen.
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Ein
weitere Vorteil des oben beschriebenen Plattenstrukturmusters ist,
dass die Platten symmetrisch ausgelegt werden können, um die Anordnung eines
Plattenpakets in einem Plattenwärmetauscher mit
Anwendung nur eines Plattentyps zu ermöglichen, wobei jede zweite
Platte in dem Plattenpaket um eine Symmetrieachse umgedreht wird.
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Vorteilhafter
Weise weisen die Kanalabschnitte der Platte eine Erstreckung, welche
in der Querrichtung größer ist
als die Erstreckung der dementsprechenden Reihen der Rippen und
Mulden in der Querrichtung. D.h. es gibt keinen nennenswerten Druckabfall.
Die Reihen der Rippen und Mulden bieten der Platte die geforderte
Festigkeit, und die relativ breiten Kanalabschnitte verschaffen
den Kanälen große Strömungskapazitäten.
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Vorzugsweise
besitzen die Kanalabschnitte der Platte eine Erstreckung, die in
der Querrichtung um das Zweifache größer als die Erstreckung der dementsprechenden
Reihen der Rippen und Mulden in der Querrichtung ist. Durch die
so ausgelegten Platte ist der Druckabfall sehr klein und die Platte weist
ein Strukturmuster auf, das sie stark macht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist jede längliche
Rippe in einem zentralen Abschnitt davon derart enger, dass der
Abschnitt der mit der oberen Ebene zusammenfallenden Rippe eine
Erstreckung in der Querrichtung aufweist, die in dem zentralen Abschnitt
der Rippe kleiner als die Erstreckung in den Endabschnitten der
Rippe ist. Durch eine so ausgelegte Platte wird die potentielle
Wärmeübertragungsfläche erhalten.
Der Anteil der Wärmeübertragungsfläche, die
sich gegen die benachbarte Platte stützt, wird nicht nennenswert
für die
Wärmeübertragung
zwischen zwei Medien oder Fluiden in dem Plattenwärmetauscher
benutzt. Um die Wärmeübertragungsfläche, mit
gleichzeitiger Beibehaltung der Lastüberleitungskapazität zwischen
den benachbarten Platten, zu erweitern, werden die Rippen in ihrem zentralen
Bereich, aus der Sicht der Hauptströmungsrichtung, enger gemacht
als in ihren Endabschnitten. Dies kann durchgeführt werden z.B. dadurch, dass
die gepresste Rippe enger gemacht wird, aber es kann auch durchgeführt werden
z.B. dadurch, dass der gepressten Rippe eine stärker gerundete Form gegeben
wird oder dadurch, dass die Presstiefe verkleinert wird, wobei während des
Betriebes die Lasten auf die Rippen derart wirken, dass die geforderte
Breite sich gegen die dementsprechende Rippe der benachbarten Platte
stützt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform,
ist jede längliche
Mulde in einem zentralen Abschnitt davon derart enger, dass der
Abschnitt der mit der unteren Ebene zusammenfallenden Mulde, eine
Erstreckung in der Querrichtung aufweist, die in dem zentralen Abschnitt
der Mulde kleiner als die Erstreckung in den Endabschnitten der
Mulde ist. Wie oben im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform
der Rippen beschrieben wurde, erlaubt dies in einem hohen Ausmaß die Nutzung
der Wärmeübertragungsfläche und
ruft eine starke Platte hervor. Abhängig von dem Anwendungsgebiet
können
sowohl die Rippe als auch die Mulden, wie oben beschrieben, ausgelegt
werden, aber es ist auch vorstellbar, dass nur die Rippen oder nur
die Mulden derart ausgelegt werden. Die Rippen und die Mulden können zum
Beispiel unterschiedlich für
Fälle mit zwei
Fluiden ausgelegt werden, die deutlich unterschiedliche Eigenschaften
im Hinblick auf geforderten Druck und Wärmeübertragungskapazität aufweisen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weisen die Rippen und die Mulden in ein und derselben Reihe dieselbe
Erstreckung in der Hauptströmungsrichtung
auf. Dadurch wird eine Platte erzielt, welche in dieser Beziehung
symmetrisch ist. Dies erleichtert ihre Herstellung und in meisten
Anwendungsfällen ergibt
sich eine symmetrische Belastung auf die angrenzende Umgebung.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Rippen und die Mulden in ein und derselben Reihe unterschiedliche
Erstreckungen in der Hauptströmungsrichtung
auf. Mit einer so ausgelegten Platte können sich zwischen den Hauptströmungskanälen erstreckende
Querverbindungen erzielt werden, wobei die Querverbindungen den Druckabfall
des Fluides in der Hauptströmungsrichtung
und die bereits in einem bestimmten Ausmaß in einer vorhergehenden Stufe
stromaufwärts
der Hauptströmungsrichtung
erfolgte Verteilung des Fluids kompensieren. Somit kann die Beziehung
zwischen den Hauptströmungskanälen im Sinne
von Druckabfall und Fluidverteilung entlang der Erstreckung der
Platte in der Hauptströmungsrichtung,
optimiert werden.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform,
weisen die Rippen und die Mulden, die in der Querrichtung zu einander
benachbart angeordnet sind, dieselbe Erstreckung in der Hauptströmungsrichtung
auf. Dadurch wird eine Platte erzielt, welche in dieser Beziehung
symmetrisch ist, was ihre Herstellung erleichtert und in meisten
Anwendungsfällen
eine symmetrische Belastung in der angrenzenden Umgebung ergibt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Rippen und die Mulden, die in der Querrichtung zu einander
benachbart angeordnet sind, unterschiedliche Erstreckungen in der Hauptströmungsrichtung
auf. Mit einer so ausgelegten Platte können sich zwischen den Hauptströmungskanälen erstreckende
Querverbindungen erzielt werden, die die in den meisten Fällen niedrigere Strömung in
den äußeren Abschnitten
der Wärmeübertragungsfläche der
Platte kompensieren. Dies ermöglicht
es, die Beziehung zwischen den Hauptströmungskanälen und Querverbindungenhinsichtlich zum
Beispiel Druckabfall und Fluidverteilung entlang der gesamten Erstreckung
der Platte in der Querrichtung zu optimieren.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform werden
die Reihen der Rippen und Mulden derart angeordnet, dass sie entlang
einer ersten Linie in der Querrichtung, jeweils eine Rippe und entlang
einer zweiten Linie in der Querrichtung, jeweils eine Mulde darstellen.
Somit wird eine zufriedenstellende Querschnittesverteilung auch
für die
Fälle des
geringen Druckabfalls erzielt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform,
werden die Reihen der Rippen und Mulden, in der Art angeordnet,
dass jede zweite Reihe eine Rippe und jede zweite Reihe eine Mulde
darstellt. Die Querverbindungen zwischen den Hauptströmungskanälen folgen
im Wesentlichen einer Anzahl von Diagonallinien quer durch die Wärmeübertragungsfläche der
Platte, was eine zufriedenstellende Verteilung des Fluides über die
Breite der Platte ergibt, weil eine Strömung durch eine Querverbindung
leicht zu der nächsten
Querverbindung (zu einem weiteren Strömungskanal) hindurchtreten
kann, ohne dass ihre Strömungsrichtung
in einem nennenswerten Ausmaß geändert wird.
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Bevorzugter
Weise wird jeder Kanalabschnitt schrittweise in eine Anzahl von
im Wesentlichen ebenen Stufenabschnitten unterteilt, welche einer
nach dem anderem in der Hauptströmungsrichtung
angeordnet werden, und in Relation zu einander entlang einer Normalen
zur zentralen Ebene der Platte versetzt sind. Diese Auslegung macht
die Platte beachtlich steifer und stärker als vorher, einerseits
weil die die Stufenabschnitte verbindenden Abschnitte sich mindestens
teilweise entlang des Normalen der Platte erstrecken, und somit
einen Teil der Belastung tragen und, anderseits weil die relativ
versetzten Abschnitte die Flächenträgheitsmoment
der Platte bezüglich
der Biegung und somit das Widerstandsmoment beachtlich erhöhen. Das
bedeutet, dass die durch eine bestimmte Belastung verursachte Verformung
drastisch verringert wird, weil für die meisten Plattenauslegungen,
die Relation zwischen der Verformung und der Länge des der Kraft ausgesetzten Abschnittes
linear ist. Mit derart ausgelegten Kanalabschnitten wird ein zusätzlicher
Vorteil erzielt, nämlich
dass die in den Hauptströmungskanälen ausgebildeten
Stufen effektiv die Entstehung eines Fluidfilmes verhindern, der
sonst über
der Wärmeübertragungsfläche der
Platte auftreten kann. Die Bildung eines Filmes hat einen nachteiligen
Effekt auf die Wärmeübertragung,
d.h. die Wärmeübertragung
wird reduziert und auch das Risiko des Foulings wird erhöht.
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Vorteilhafter
Weise wird jeder zweite Stufenabschnitt in einer ersten Stufenebene
platziert, welche im Wesentlichen parallel zu der zentralen Ebene der
Platte ist, und die anderen Stufenabschnitte werden in einer zweiten
Stufenebene platziert, welche im Wesentlichen parallel zu der zentralen
Ebene der Platte ist. Aus der Sicht der Herstellung ist dies eine bevorzugte
Ausführungsform,
welche auch eine symmetrische Verteilung der Kräfte erlaubt.
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Vorzugsweise
besitzt jeder Stufenabschnitt eine Erstreckung in der Hauptströmungsrichtung,
die die Hälfte
der Erstreckung der Rippen und Mulden in der Hauptströmungsrichtung
beträgt.
Dies erlaubt eine besonders günstige
Verteilung der Kräfte
zwischen den nächst
liegenden Reihen von Rippen und Mulden, während sich für die Kanalabschnittflächen eine
günstige
Filmverhinderungskapazität
ergibt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Anordnung jedes Stufenabschnittes entlang einer Normalen zu
der zentralen Ebene der Platte in der Hauptströmungsrichtung konstant, wobei
die Stufenabschnitte angeordnet werden, um zusammen mit den dementsprechenden
Stufenabschnitten einer anderen Platte, einen Kanal auszubilden,
der eine wellige Erstreckung und eine in der Hauptströmungsrichtung
konstante Kanalbreite entlang der Normalen aufweist. Jeder zweite
Stufenabschnitt ist tangential zu einer ersten Ebene und andere
Stufenabschnitte sind tangential zu einer zweiten Ebene, wobei die erste
Ebene und die zweite Ebene im Wesentlichen parallel zu der zentralen
Ebene der Platte sind. Aus der Sicht der Herstellung ist dies eine
bevorzugte Ausführungsform,
welche gleichzeitig den Kanalabschnittflächen eine günstige Filmverhinderungskapazität verleiht.
Weiterhin erhöhen
die Stufenabschnitte der benachbarten Platte durch eine Wechselwirkung die
Filmverhinderungskapazität.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform,
variiert die Anordnung eines jeden Stufenabschnittes entlang des
Normalen der zentralen Ebene der Platte entlang der Hauptströmungsrichtung,
wobei die Stufenabschnitte angeordnet sind, um zusammen mit den
entsprechenden Stufenabschnitten von einer anderen Platte, einen
Kanal auszubilden, der eine in der Hauptströmungsrichtung variierende Kanalbereite
entlang des Normalen aufweist. Gemäß einer Variante davon ist
jeder zweite Stufenabschnitt zu einer ersten Ebene tangential und
die anderen Stufenabschnitte sind zu einer zweiten Ebene tangential,
wobei die erste und zweite Ebenen im wesentlichen zu der zentralen
Ebene der Platte parallel sind. Die Variation der Kanalbereite in
der Hauptströmungsrichtung
bietet eine ausgezeichnete Filmverhinderungskapazität. Wahlweise
ist es möglich,
ein bestimmtes Ausmaß der
Neigung der Platten, zu welchen die Stufenabschnitte tangential
sind, zu haben, um eine mehr oder weniger kontinuierliche Vergrößerung oder
Verkleinerung der Kanalbereite in der Hauptströmungsrichtung zu erzielen.
Diese Auslegung ermöglicht,
dass Druckabfälle
oder jegliche Phasenänderungen
(und damit zusammenhängenden
Volumenänderungen)
der Fluide berücksichtigt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform variiert
die Position jedes Stufenabschnittes entlang eines Normalen zu der
zentralen Ebene der Platte in der Querrichtung, wobei die Stufenabschnitte
angeordnet sind, um zusammen mit den dementsprechenden Stufenabschnitten
der anderen Platte, eine Anzahl von Kanälen auszubilden, welche entlang
der Normalen entlang der Querrichtung variierende Kanalbreiten aufweisen.
Wegen dieser Auslegung kann jegliche unsymmetrische Positionierung
von Öffnungen
und Eingangs- und Ausgangsabschnitten, die entlang der Platte zu
Strömungswegen
unterschiedlicher Länge
führen,
berücksichtigt
werden. Durch das Variieren der Stufenebenen in der Querrichtung
kann der gewünschte
Druckabfall für
unterschiedliche Abschnitte der Platte in der Querrichtung gewählt werden,
was einen gleichmäßigen Wärmeaustausch
bei unsymmetrischer Positionierung der Öffnungen oder bei jeglicher
aus anderen Gründen
vorliegender Asymmetrie ermöglicht.
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Das
Plattenpaket der Erfindung umfasst eine Anzahl von erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsplatten.
Die mittels der bevorzugten Ausführungsformen
der Wärmeübertragungsplatten
erzielten Problemlösungen
sind in den meisten Fällen
mit der Anwendung der Platten jeweils in einem Plattenpaket und
einem Plattenwärmetauscher
verbunden, und werden nicht mehr wiederholt. Jedoch werden einige
der gelösten
Probleme und ihre erzielten Vorteile eingehender beschrieben, da
sie im Zusammenhang mit der Anwendung in einem Plattenpaket oder einem
Plattenwärmetauscher
besser verstanden werden können.
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Das
Plattenpaket ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragungsabschnitt
eine Mehrzahl von angrenzenden Reihen von Rippen und Mulden aufweist,
wobei die Reihen sich entlang der Hauptströmungsrichtung erstrecken, wobei
die Reihen der Rippen und Mulden in einer Querrichtung, welche im
Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ist und sich
entlang der zentralen Ebene erstreckt, im Wesentlichen durch ebene
Kanalabschnitte des Wärmeübertragungsabschnittes von
einander getrennt sind, welche sich im Wesentlichen parallel zu
der zentralen Ebene der Platte erstrecken, wobei jede Reihe abwechselnd
längliche Rippen
und längliche
Mulden darstellt, welche sich in der Hauptströmungsrichtung erstrecken, wobei
der Übergang
zwischen jeder Rippe und einer benachbarten Mulde in der gleichen
Reihe durch einen kontinuierlichen und im Wesentlichen geraden Übergangsabschnitt
der Platte ausgebildet wird, welcher bezogen auf die zentrale Ebene
der Platte geneigt ist, und ein erster Teil davon eine Endwand der
Rippe ausbildet und ein zweiter Teil davon eine Endwand der benachbarten
Mulde ausbildet, wobei ein Hauptteil der Fluidströmung in
der Hauptströmungsrichtung in
den Hauptströmungkanälen fließt, welche
sich entlang der Hauptströmungsrichtung
erstrecken und welche im Wesentlichen aus ebenen Kanalabschnitten
von zwei benachbarten Wärmeübertragungsplatten
ausgebildet sind, und wobei ein kleiner Anteil der Fluidströmung in
der Querrichtung in die Abschnitte fließt, wo die Mulden von zwei
benachbarten Wärmeübertragungsplatten
offene Querverbindungen zwischen den Hauptströmungkanälen ausbilden.
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Diese
Auslegung ist eine zufriedenstellende Kompromisslösung zwischen
anscheinend unvereinbaren Bauanforderungen, gemäß denen das Plattenpaket stark
sein soll, ohne dass irgendein Druckabfall verursacht wird. Die
Rippen der Reihen stützen
sich gegenseitig und weil das Material sich direkt zwischen den
Rippen und Mulden erstreckt (welche eine Rippe bezüglich der
benachbarten Platte auf der anderen Seite ausbildet), wird eine
starke Platte erzielt. Wegen der im Wesentlichen ebenen Kanalabschnitten
wird das Fluid durch das Plattenpaket ohne jeglichen nennenswerten
Druckabfall geführt.
Weiterhin ermöglicht
die Querverbindung, dass die Fluide über die gesamte Breite der
Platte verteilt werden, ohne dass irgendein nennenswerter Druck
benötigt
wird, um die Verteilung zu erzielen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform sind
die Platten, die das Plattenpaket ausbilden, identisch. Jede zweite
Platte im Plattenpaket ist normaler Weise um eine Art von Symmetrielinie
gedreht oder rotiert, damit die unterschiedlichen Zwischenräume mit
unterschiedlichen Öffnungen
des Wärmetauschers
kommunizieren. Die Anwendung von identischen Platten im Plattenpaket,
im Gegensatz zur Anwendung von mehreren unterschiedlichen Platten, erlaubt,
dass die Anzahl der Presswerkzeuge klein gehalten wird.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
sind die Platten, die das Plattenpaket ausbilden, aus verschiedenen
Sorten, so dass jede zweite Platte von der ersten Sorte ist und
jede zweite Platte von der zweiten Sorte ist. Diese Bauweise macht die
Optimierung der Plattenauslegung im Sinne der Fluidströmung und
der Übermittlung
von Kräften
zwischen verschiedenen Platten leichter.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der begleitenden schematischen
Zeichnungen eingehender beschrieben, welche beispielhaft gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung veranschaulichen.
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1 ist
eine Seitendarstellung eines Plattenwärmetauschers.
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2 ist
eine Explosionsdarstellung des Plattenwärmetauschers von 1.
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3 zeigt
eine Wärmeübertragungsplatte gemäß der Erfindung.
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4 ist
eine ausführliche
Abschnittsdarstellung einer Ausführungsform
der Strukturmuster, die in die Wärmeübertragungsfläche der
Wärmeübertragungsplatte
in 3 eingepresst sind.
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5 ist
eine ausführliche
Abschnittsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Strukturmustern,
die in die Wärmeübertragungsfläche der Wärmeübertragungsplatte
in 3 eingepresst sind.
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6 ist
eine ausführliche
Abschnittsdarstellung einer vergrößerten Version der ausführlichen Abschnittsdarstellung
der 5.
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7 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie VII-VII in der 6.
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8 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie VIII-VIII in der 6.
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9 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie IX-IX in der 6.
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10 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie X-X in der 6.
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11 ist
eine ausführliche
Abschnittsdarstellung entsprechend der 6.
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12 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie XII-XII in der 11.
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13 ist
eine schematische Darstellung eine Platte gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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14 ist
eine Schnittdarstellung einer Anzahl von Platten der Sorte der 13.
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15 ist
eine Schnittdarstellung einer Anzahl von Platten der Sorte der 14.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Wie
in 3 dargestellt, weist die Wärmeübertragungsplatte 1 der
Erfindung einen ersten Öffnungsabschnitt
A und einen zweiten Öffnungsabschnitt
B auf, welche benachbart zu zwei Kantenabschnitten 2, 3 der
Wärmeübertragungsplatte 1 angeordnet
sind. Die Wärmeübertragungsplatte 1 umfasst weiter
eine Wärmeübertragungsfläche C, welche zwischen
zwei Öffnungsabschnitten
A, B angeordnet ist. Neben den Öffnungsabschnitten
A, B und in einem Ausmaß übereinstimmend
damit, weist die Platte 1 Abschnitte D, E auf, welche mit
einem Fluidverteilungsstrukturmuster versehen sind.
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Die
Platte 1 ist vorgesehen, um zusammen mit einer Vielzahl
von ähnlichen
Platten in einen Plattenwärmetauscher 100,
wie in der 1 gezeigt, eingebaut zu werden.
Die Platten 1 werden zusammengepresst, um ein Plattenpaket 101 zwischen
einer Rahmenplatte 102 und einer Druckplatte 103 auszubilden,
welche mittels einer Anzahl von Verbindungsbalken 104 zusammengehalten
werden. Die Verbindungsbalken 104 sind mit Gewinde versehen,
und die Rahmenplatte 102 und Druckplatte 103 werden mittels
Muttern 105 zusammengehalten, die die Platten 102, 103 und
die Balken 104 verbinden. Zusätzlich zu der Rahmenplatte 102 und
der Druckplatte 103 umfasst der Rahmen des Plattenwärmetauschers 100 auch
einen oberen und einen unteren Balken 106 und 107 sowie
eine Stütze,
die neben dem Ende der Balken 106, 107, abgewandt
von der Rahmenplatte 102, angeordnet ist. An den Kanten 2,3 der Öffnungsabschnitte
A, B sind die Wärmeübertragungsplatten 1 oberen
und einen unteren Balken 106 und 107 mit Vertiefungen 4, 5 (siehe 3)
versehen, welche angepasst sind um den oberen und bzw. den unteren
Balken 106 und 107 aufzunehmen.
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Wie
in 2 dargestellt, ist die Platte 102 mit Verbindungsbohrungen 110a–d, 11a–c versehen, welche
mit den Öffnungen 10a–d, 11a–c in der
Wärmeübertragungsplatte 1 kommunizieren.
Diese Öffnungen 10a–d, 11a–c enthalten
Bohrungen, die sich durch die Platte 1 erstrecken. Dichtringe
sind an den Öffnungen 10a–d, 11a–c der Platte 1 angebracht,
und die Wärmeübertragungsfläche C wird
durch die Dichtringe 112, die in den in die Platte 1 eingepressten Nuten
angeordnet sind, eingeschlossen.
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Die
Dichtringe 112 werden benutzt um eine Fluidströmung durch
die Verbindungen 111a–c
und die Öffnungen 11a–c, die
mit jeden zweiten Plattenzwischenraum 111d und den Verbindungen 110a–d kommunizieren,
und die Öffnungen 10a–e, die
mit den anderen Plattenzwischenräumen 110e kommunizieren,
abriegeln bzw. zuzulassen. Somit fließt ein erstes Fluid in einen
Strömungsbereich
in jedem zweiten Plattenzwischenraum 111d und ein zweites Fluid
in einen Strömungsbereich
in den anderen Plattenzwischenräumen 110e.
Es gibt keinen direkten Kontakt zwischen den beiden Fluiden. Stattdessen wird
die Wärme
durch die dazwischen liegenden Wärmeübertragungsflächen C der
Platte 1 ausgetauscht. Die 2 zeigt
drei separate Plattenpaare 1,1, wobei jedes aus zwei Wärmeübertragungsplatten 1 die
mit einander verbunden worden sind, zusammengesetzt ist. Der Rest
der Platten 1 sind zu einem Plattenpaket zusammengebaut.
Das Pfeil Q zeigt ein Plattenpaar 1,1, in welchem eine
der Platten 1 (die vordere Platte im Bild) als Teilabschnitt
dargestellt ist, um die Strömung
im Plattenzwischenraum 110e zwischen den Platten 1,
die das Plattenpaar 1,1 ausbilden, darzustellen.
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Wie
in der 3 dargestellt, ist die Wärmeübertragungsflächen C der
Wärmeübertragungsplatte 1 mit
irgendwelchen Strukturmustern versehen. Der Zweck dieser Strukturmuster
ist sowohl Stützpunkte, bei
welchen die Platten sich gegeneinander stützen, als auch eine geeignete
Fluidströmung über der
Wärmeübertragungsflächen C zu
erzielen, bereitzustellen. Die Strukturmuster sind in der 4 ausführlicher
dargestellt und bestehen aus einer Anzahl von Reihen 200 von
Rippen 210 und Mulden 220, wobei die Reihen 200 sich
entlang einer Hauptströmungsrichtung
zwischen den Öffnungsabschnitten
A, B erstrecken. Die Hauptströmungsrichtung
F verläuft
somit von einem Öffnungsabschnitt
zu dem anderen. Die Reihen 200 weisen eine im Wesentlichen
wellige Erstreckung in der Hauptströmungsrichtung F auf und bilden
längliche
Rippen 210, welche zu einer geometrisch oberen Ebene P2
tangential sind, und längliche
Mulden 220, welche zu einer geometrisch unteren Ebene P3
tangential sind (Siehe 12). Die Rippen 210 und
die Mulden 220 haben entlang der Hauptströmungsrichtung
F dieselbe Erstreckung. Die obere Ebene P2 und die untere Ebene
P3 sind parallel zu der zentralen geometrischen Ebene P1 der Platte 1.
In den Figuren werden die Mulden 220 durch Umrisslinien
dargestellt, die etwas dicker sind als die die Rippen 210 darstellen
(siehe zum Beispiel 11).
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In
einer Querrichtung G, welche zu der Hauptströmungsrichtung F senkrecht ist,
werden die Reihen 200 von Rippen (210) und Mulden
(220) durch Kanalabschnitten 240, die sich in
der Hauptströmungsrichtung
F erstrecken, getrennt oder abgegrenzt. Eine gerade oder ebene Übergangs-
oder Verbindungsabschnitt 230 erstreckt sich zwischen jeden
der länglichen
Rippen 210 und Mulden 220, wobei der Abschnitt 230 bezogen
auf die zentralen Ebene P1 der Platte 1 geneigt ist. Die
Verbindungsabschnitte 230 sind kontinuierlich und stellen
eine gerade, ununterbrochene Flanke, welche sich zwischen den Rippen 210 und
Mulden 220 in einer sehr vorteilhafter Weise erstreckt.
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Die
Rippen 210 sind in deren Zentralabschnitt 211 schmaler
als in den Endabschnitten 212. Somit ist der Zentralabschnitt 211 tangential
zu der oberen Ebene P2 entlang einer Bereite H1, welche schmaler
ist als die Bereite H2, entlang welche die Endabschnitten 212 zu
der oberen Ebene P2 tangential sind (siehe 11 und 12).
Dementsprechend ist der Zentralabschnitt 221 der Mulden 220 auch
schmaler als die Endabschnitte 222 und, somit ist jede
Mulde 220 tangential zu der unteren Ebene P3 entlang einer
Bereite, welche im Zentralabschnitt 221 schmaler ist als
in den Endabschnitten 222.
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Die
Kanalabschnitte 240 sind in eine Anzahl von Stufenanschnitten 241, 242 unterteilt,
welche einer nach dem anderen in der Hauptströmungsrichtung F angeordnet
sind. Jeder Stufenanschnitt 241, 242 erstreckt
sich über
die Bereite von dem gesamten Kanalabschnitt 240 zwischen
zwei Reihen 200. Jeder zweite Stufenanschnitt 241 ist
in einer ersten Stufenebene P4 angeordnet und jeder zweite Stufenanschnitt 242 ist
entlang des Normalen N in der Richtung der zentralen Ebene P1 der
Platte 1 versetzt und liegt in einer zweiten Stufenebene
P5 (siehe 9–12). Die
Stufenebenen P4 und P5 sind parallel zu der zentralen Ebene P1 der
Platte 1. Die Stufenanschnitte 241, 242 weisen
dieselbe Erstreckung in der Hauptströmungsrichtung F. Die Erstreckung
der Stufenanschnitte 241, 242 ist um die Hälfte der
Erstreckung der Rippen 210 bzw. der Mulden 220 in
der Hauptströmungsrichtung
F. Eine ununterbrochene Flanke 243 erstreckt sich zwischen
den verschiedenen Stufenanschnitte 241, 242, wobei
die Flanke 243 bezogen auf die zentralen Ebene P1 der Platte 1 geneigt
ist. Die Flanken 243 des ein und selben Stufenanschnitts 242 sind
auf den beiden Seiten der Flanke 230, zwischen den Rippen 210 und
Mulden 220, symmetrisch angeordnet. Somit stellt jede Schnittfläche zwischen
einer Rippe 210 und einer Mulde 220 und jedem
Kanalabschnitt 240, den Stufenanschnitt 242 in
der zweiten Stufenebene P5 dar, wobei dem entgegen die Rippen 210 bzw.
die Mulden 220, der jede Kanalabschnitt 240 stellt
den Stufenanschnitt 241 in der ersten Stufenebene P4 dar.
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In
den Figuren werden dieselben Referenznummern benutzt, um die Rippen 210,
die Mulden 220, die Kanalabschnitte 240 usw. für die unterschiedlichen
Ausführungsformen
in der 4, 5–10 und 13–15 zu
bezeichnen, weil die unterschiedlichen Abschnitte, im Sinne der Gestalt,
zu einander gleichwertig sind. Der Hauptunterschied zwischen den
verschiedenen Ausführungsformen
ist, dass die Rippen 210 und Mulden 220 unterschiedlich
festgelegt worden sind, welche die Auslegung von keiner einzelnen
Rippe 210 oder Mulde 220 in einem nennenswerten
Ausmaß beeinflusst, und
deswegen sind Rippen und Mulden beschrieben worden, ohne sie direkt
mit einer bestimmten Konfiguration zuzuordnen, wofür sie vorgesehen
wären. Ein
Vergleich zwischen 4 und 5, und 14–15 legt
den Konfigurationsunterschied offen.
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In
der in der 4 dargestellten Ausführungsform
werden die Rippen 210 und die Mulden 220 so gestaltet,
dass entlang einer Line, welche parallel zur Querrichtung G ist,
alle Reihen 200 Mulden 220 darstellen und, entlang
einer anderen Line, welche parallel zur Querrichtung G ist, alle
Reihen 200 Rippen 210 darstellen. In der Hauptströmungsrichtung
F ist und jede zweite Querlinie ist eine Linie der Mulden 220.
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In
der in den 5–10 dargestellten Ausführungsform
werden die Rippen 210 und die Mulden 220 so gestaltet,
dass entlang einer Line, welche parallel zur Querrichtung G ist,
jede zweite Reihe 200 eine Mulde 220 und jede
zweite Reihe eine Rippe 210 darstellt. In diesem Fall eine
Linie die gezogen ist, um nur zu den Rippen 210 oder nur
zu den Mulden 220 tangential zu sein (entsprechend der Linien
der in der 4 dargestellten Ausführungsform),
ist eine Diagonallinie, die einen Winkel mit sowohl der Querrichtung
G als auch der Hauptströmungsrichtung
F bildet.
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Die
Stufenabschnitte 241, 242 werden so festgelegt,
dass entlang einer Linie, welche parallel zu der Querrichtung G
ist, alle Kanalabschnitte 240 Stufenabschnitte darstellen,
welche zu derselben Stufenebene tangential sind. Entlang einer Linie,
welche parallel zu der Querrichtung G ist, stellen alle Kanalabschnitte 240 den
Stufenabschnitt bezeichnet als 241 und, entlang einer anderen
Linie, welche parallel zu der Querrichtung G ist, stellen alle Kanalabschnitte 240 den
Stufenabschnitt bezeichnet als 242.
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Der
Zweck der Stufenabschnitte 241, 242, die in der
Relation versetzt sind, ist eine Platte 1 zu beschaffen,
die beachtlich stärker
ist als die, die früher
möglich
war. Weiterhin wegen der Flanke 243, welche die Stufenabschnitte 241, 242 mit
einander verbindet, kann eine Filmentstehung in den Kanälen verhindert
werden, welche ein Vorteil ist.
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Wie
oben beschrieben sind die Platten 1 für die Anwendung in einem Plattenpaket 101 in
einem Plattenwärmetauscher 100 angepasst.
Für diesen Zweck
wird jede zweite Platte um einer Symmetrieachse S gedreht, welche
parallel zu der Hauptströmungsrichtung
F ist. Die Rippen 210 von einer Platte 1 stützen sich
gegen die dementsprechenden Rippen 210 von einer benachbarten
Platte 1. In der gleichen Weise bilden die Mulden 220 der
Platte 1 auf der anderen Seite Rippen 210 aus,
welche sich gegen die Rippen 210 von einer anderen benachbarten
Platte 1 stützen.
Dies ist in den 7–10 deutlich
dargestellt. Somit bilden Kanalabschnitte 240 die Hauptströmungskanäle F', welche sicht entlang
der Hauptströmungsrichtung
F erstrecken. Zusätzlich
werden Querverbindungen G' zwischen
den Hauptströmungskanäle F' an den Stellen,
wo die benachbarten Platten 1 sich nicht gegen einander
stützen,
ausgebildet. 7 zeigt die Querverbindungen
G' zwischen den
Hauptströmungskanälen F'. 8 ist
eine Abschnittdarstellung, in welcher die Rippen 210 sich
gegen einander abstützen
und die Hauptströmungskanäle F' definieren und trennen.
Die Hauptströmungskanäle F' und die Querverbindungen
G' werden auch durch
die Strömungslinien
auf der rechten Seite der 4 und 5 schematisch
angedeutet.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform führt zu einer
Bauweise, in der der Hauptanteil der Fluidströmung über der Wärmeübertragungsfläche C zwischen
den Öffnungsabschnitten
A, B in den Hauptströmungskanälen F', ohne einen nennenswerten
Druckabfall, fließen.
Weiterhin lässt
die beschriebene Ausführungsform
der Fluidströmung
zu, zwischen verschiedenen Hauptströmungskanälen F' so verteilt zu werden, dass eine gleichmäßige Strömung über der
gesamten Wärmeübertragungsfläche C erzielt
wird. Wegen dieser Auslegung finden die geforderten Querströmungen statt,
ohne dass ein nennenswerter Druck benötigt wird. Somit fließt der großer Anteil
der Fluidströmung
in den Hauptströmungskanälen F' und nur ein kleiner
Anteil der Strömung fließt zwischen
den Hauptströmungskanälen F' über jede einzelne Querverbindungen
G'.
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In
den 4 und 5 werden die Bahnen der Hauptströmung F' und Querströmung G' sehr schematisch
dargestellt. Wie gezeigt kommunizieren alle Kanalabschnitte in der 4 mit
einander in den selben Stellen in der Hauptströmungsrichtung F, dahingegen
die Kanalabschnitte 240 in der 5 kommunizieren
in unterschiedlichen Stellen in der Hauptströmungsrichtung F.
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Wie
besonders in den 4 und 5 gezeigt,
weisen die Kanalabschnitte 240 eine Erstreckung auf, welche
in der Querrichtung um eine zweifache größer ist die Erstreckung einer
jeden Reihe 200 in der Querrichtung G. Die Positionierung
der Stufenebenen P4 und P5 bedeutet, dass die Stufenabschnitte 241 und 242 von
zwei benachbarten Platten 1 die Hauptströmungskanälen F' ausbilden, wessen Kanalbereite
K (oder Höhe)
sich entlang des Plattennormalen N, zwischen zwei konstanten Kanalbereiten
K1, K2 in der Hauptströmungsrichtung
F variiert.
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Wie
in den 14 und 15 dargestellt, kann
die Position der Stufenebenen P4 und P5 entlang der Querrichtung
G variiert werden. Um der Klarheit willen wird in den 14 und 15 nur
die Stufenebene P4 gezeigt. In der gleichen Weise wie in den anderen
Ausführungsformen
wurde P5 um einen kleinen Abstand entlang des Normalen N versetzt. Ferner
wird die Darstellung der Rippen 210 und Mulden 220 stark
vereinfacht. Da die Stufenebenen P4, P5 in jeglicher Position bezogen,
auf die Punkte 210, 220 der Stütze, angeordnet werden können, kann
ein Kanal 240 erzeugt werden, wessen Drucktiefe (die Bereite
K entlang des Normalen) sich in der Querrichtung G oder in der Hauptströmungsrichtung
F variiert. Der Kanal 240 auf der anderen Seite der Platte 1 (der Zwischenraum
der benachbarten platte) weist eine Kanalbereite K auf, welche sich
in der dementsprechenden Weise schmälert oder erweitert. Durch
die Wahl von unterschiedlichen Kanalbereiten K kann der Druckabfall
entlang verschiedener Strömungsbahnen
kontrolliert werden, um ungeachtet der variierenden, geometrischen
Länge der
Strömungsbahnen,
den gleichen Druckabfall zu erzielen. In der Öffnungskonfiguration, gezeigt
in der 13, ist zum Beispiel die Strömungsbahn
L nennenswert länger als
die Strömungsbahn
M. Dies bewirkt, dass die Fluidströmung entlang der Strömungsbahn
L mehr Wärme überträgt. Um die
selbe Ausgangstemperatur oder Dampfqualität zu erzielen, muss die Strömung entlang
der Strömungsbahn
L größer sein
als die Strömung
entlang der Strömungsbahn
M. Somit muss die Strömung
in der Langen Bahn größer sein, welche
wiederum bedeutet, dass der Druckabfall pro Meter entlang der Strömungsbahn
L eben kleiner als entlang der Strömungsbahn M sein muss.
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Es
ist zu beachten, dass eine Anzahl von Änderungen der hier beschriebenen
Ausführungsformen
der Erfindung innerhalb des Erfindungsbereiches möglich, welcher
durch die angehängten
Ansprüchen
definiert wird.
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Zum
Beispiel können
die Rippen und Mulden von ein und der selben Reihe, unterschiedliche
Erstreckungen in der Hauptströmungsrichtung
haben. Die Erstreckung der Rippen können größer oder kleiner als die der
Mulden sein. Gemäß einer
anderen Alternative kann die Erstreckung der Rippen und/oder Mulden
in der Hauptströmungsrichtung
variieren. In einer weiteren Alternative kann die Erstreckung der Rippen
und Mulden sich im Bezug auf einander in der Hauptströmungsrichtung ändern, wobei
eine Lösung Ausgleich
verschafft für
die Druckabfälle
und/oder jegliche Änderungen
im Bezug auf den Zustand des einen oder der beiden der zwei Fluide.
Die relative Erstreckung der Rippen und Mulden können in einer großen Anzahl
von Wegen in Abhängigkeit
des Anwendungsgebietes variiert werden. Weiterhin kann die Erstreckung
der Rippen und Mulden und das Verhältnis zwischen denen, zum Beispiel
entlang der Querrichtung variiert werden, um zum Beispiel, für die Tatsache,
dass in meisten Fällen,
die Fluidströmung
anfänglich
leicht ungleichmäßig verteilt
ist, Ausgleich zu verschaffen.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform können die
Stufenabschnitte in solch einer Weise angeordnet werden, dass die
Kanalbereite der Hauptströmungskanäle entlang
des Plattennormalen konstant ist und die Seitenwände des Kanals (d.h. die Stufenebenen)
in der selben Richtung in die selbe Position in der Hauptströmungsrichtung
bewegt werden. Dies kann zum Beispiel erzielt werden durch die Abwechslung
der verschieden Stufenabschnittebenen entlang einer Linie in der
Querrichtung.
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Gemäß einer
weiteren alternativen Ausführungsform
werden die Stufenebenen so geneigt, dass die Kanalbereite sich kontinuierlich
in der Hauptströmungsrichtung ändert. Die
Kanalbereite kann auch durch Anordnung der Stufenabschnitte in einer
Anzahl von unterschiedlichen Ebenen, wessen relativer Abstand sich
in der Hauptströmungsrichtung,
und nicht nur in zwei Ebenen variiert, geändert werden. Die relative
Position und Höhe
der Stufenabschnitte können
sowohl in der Hauptströmungsrichtung
als auch in der Querrichtung in einer großen Anzahl von Wegen, variiert
werden.
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Es
ist auch denkbar, verschiedene Ausführungsformen zu haben, in welchen
zwei oder mehrere unterschiedlichen Sorten von Platten benutzt werden,
um ein Plattenpaket in einem Plattenwärmetauscher auszubilden. Eine übliche Lösung ist,
zwei verschiedene Platten zu benutzen, welche abwechselnd in dem
Plattenpaket in dem Plattenwärmetauscher angeordnet
sind. Andere übliche
Variante ist, identische Platten (gepresste Metallblechplatte) und
zwei unterschiedlichen Sorten von Dichtungsringe zu benutzen, so
dass zwei verschiedene Wärmeübertragungsplatten
mittels nur eines einzigen Presswerkzeuges erzielt werden können. Jedoch
ist der Vorteil des oben beschrieben Plattenstrukturmusters, dass es
die Auslegung einer Sorte der Platte zulässt, welche gedreht und benutzt
werden kann, um alle Platten des Plattenpakets zu formen.
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Die
Dichtung 112 kann durch andere Dichtungen ersetzt werden,
wie Rippen, die sich gegen die benachbarten Platten stützen und
an diese Platten angeschweißt
werden.
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Die
obere Beschreibung bezieht sich auf einen Plattenwärmetauscher
mit nur einem Plattenpaket. Jedoch ist es denkbar, mehrere Plattenpakete
in ein und demselben Plattenwärmetauscher
zu benutzen. In jenem Fall können
die verschiedenen Plattenpakete gänzlich getrennt von einander
sein oder sie können
mit einander hinsichtlich der Strömung kommunizieren.