EP0315052A1

EP0315052A1 - Kreuzstromwärmetauscher aus Kunststoff

Info

Publication number: EP0315052A1
Application number: EP88117901A
Authority: EP
Inventors: Friedel Emmerich; Dieter Franitza; Heinrich Hartmann; Klaus Kerk
Original assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Current assignee: Roehm GmbH Darmstadt
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1988-10-27
Publication date: 1989-05-10
Also published as: US4907648A; DE8714559U1; JPH01150794A

Abstract

Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper aus einem Stapel verbundener, parallel durchströmbarer Stegplatten (1) und je einer quer dazu durchströmbaren Hohlkammer (5) zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Stegplatten (1), wobei die Deckschichten (2, 2') von jeweils aufeinanderfolgenden Stegplatten (1) an ihren Enden über die dazwischen eingeschlossene Hohlkammer (5) hinweg gegeneinander geneigt und über die ganze Breite dicht miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper aus Kunststoff, der aus einem Stapel von extrudierten Stegplatten zusammengesetzt ist und dem Wärmeaustausch zwischen strömenden Medien dient. Im Gegensatz zu einem vollständigen Wärmetauscher, zu dem auch die Zu- und Abführungsleitungen für die strömenden Medien nebst den erforderlichen Sammelkästen gehören, soll mit dem Begriff "Wärmetauscherkörper" nur die Anordnung von durchströmbaren Kanälen, zwischen denen Wärme übertragen wird, bezeichnet werden.

Stand der Technik

Obwohl Kunststoffe allgemein schlechtere Wärmeleiter sind als Metalle, haben Wärmetauscher aus Kunststoff für die Anwendungen eine beträchtliche Bedeutung erlangt, wo es auf eine einfache und billige Herstellungsweise und niedrige Materialkosten ankommt, die mit Wärmetauschern aus Metall nicht erreichbar wären. Auch das geringere Gewicht kann für die Wahl von Kunststoff als Werkstoff für Wärmetauscher maßgeblich sein.
In jedem Fall wird die Wirtschaftlichkeit großer Wärmetauscheranlagen, wie sie in Trockenkühltürmen oder Abgasentschwefelungsanlagen gebraucht werden, von dem technischen Aufwand zur Herstellung der Wärmetauscherkörper entscheidend beeinflußt.
Extrudierte Stegplatten aus Kunststoff, bestehend aus zwei ebenen, parallelen Deckschichten und dazwischen angeordneten, einstückig mit den Deckschichten coextrudierten Stegen, welche parallel durchströmbare Hohlkammern umschließen, sind wegen ihrer niedrigen Herstellungskosten hervorragende Aufbauelemente für Wärmetauscherkörper. Nach DE-A 27 51 115 werden Stegplatten aus Kunststoff mittels eines auf die Deckschichten aufgebrachten Klebstoffes zu einem Stapel verklebt. Gemäß EP-B 167 938 werden bei einer solchen Anordnung zwecks Vereinfachung des Herstellungsverfahrens die gestapelten Stegplatten nur im Bereich ihrer Stirnseiten miteinander verbunden, beispielsweise mittels eines zwischengelegten Heizdrahtes, der durch Anlegen einer elektrischen Spannung über die Schmelztemperatur des Kunststoffes erhitzt wird und zur Verschweißung der aufeinanderliegenden Kunststoffflächen führt.
Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper, die aus extrudierten Stegplatten aus Kunststoff zusammengesetzt sind und zwischen je zwei parallel durchströmbaren Stegplatten eine quer dazu durchströmbare Hohlkammer enthalten, sind auch aus FR-A 2 469 684 und DE-A 31 37 296 bekannt. In beiden Fällen haben die Stegplatten ein bis zu den Stirnflächen gleichbleibendes Profil. Eine Verbindungstechnik, die einen schnellen und einfachen Aufbau eines Wärmetauscherkörpers aus einer Vielzahl von Stegplatten gestattet, ist in keiner dieser Druckschriften beschrieben. Ein Nachteil der bekannten Wärmetauscherkörper liegt in dem ungünstigen Anströmprofil der offenen Stirnseiten.

Aufgabe und Lösung

Ziel der Erfindung war die Schaffung eines Kreuzstrom-Wärmetauscherkörpers aus einem Stapel von extrudierten Stegplatten aus Kunststoff, der ein vorteilhaftes Anströmprofil hat und einfach und zuverlässig herstellbar ist.
Dieses Ziel wird mit dem Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper gemäß den Ansprüchen erreicht. Eine zweckmäßige Gestaltung ist in der beigefügten Figur als Schnittbild des Randbereichs dargestellt, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit ein Stapel aus nur drei Stegplatten gezeigt wird.

Ausführung der Erfindung

Die Hohlkammern 4 in allen Stegplatten 1 sind parallel ausgerichtet und an den stirnseitigen Enden offen und daher in der Extrusionsrichtung der Stegplatten durchströmbar. Dagegen sind die von den Stegplatten 1 eingeschlossenen Hohlkammern 5 an den Stirnseiten der Stegplatten geschlossen und an den Seiten des Wärmetauscherkörpers, an denen die Stegplatten durch ihre Randstege verschlossen sind, offen und deshalb quer zu den Hohlkammern 4 durchströmbar.
Die Neigung und Verbindung der Deckschichten an den Stirnseiten der Stegplatten 1 führt zu trichterförmigen Öffnungen der Hohlkammern 4. Dadurch wird für das einströmende Medium ein günstiges Anströmprofil mit niedrigem Strömungswiderstand erreicht. Durch Anschluß von Sammelkästen und Zu- und Abführungsleitungen für die strömenden Medien an allen vier Seiten des in der Regel rechteckigen Wärmetauscherkörpers erhält man einen Kreuzstrom-Wärmetauscher mit vorteilhaften Eigenschaften. Vom wirtschaftlichen Gesichtspunkte liegt in der einfachen Herstellbarkeit der neuen Wärmetauscherkörper ein entscheidender Vorteil vor den bekannten Gestaltungen.
Die zum Aufbau des Wärmtauscherkörpers verwendeten Stegplatten sind durch Extrusion aus thermoplastischem Kunststoff hergestellt. Der Kunststoff muß gegenüber den durchströmenden Medien beständig sein und eine oberhalb der höchsten Betriebstemperatur liegende Erweichungstemperatur haben. Soweit diese Voraussetzungen erfüllt sind, können alle extrudierbaren Kunststoffe verwendet werden, wie z B. Polyäthylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol oder Polymethylmethacrylat. Für Betriebstemperaturen über 100 bis etwa l20°C sind Polycarbonat- und Polysulfon-Kunststoffe brauchbar. Für Betriebstemperaturen bis l50°C können z.B. Polyphenylenoxide, Polyätherimide oder Polyäthersulfone verwendet werden.
Zweckmaßige Abmessungen der Stegplatten sind eine Länge von 500 bis 3000 mm, eine Breite von 300 bis 2000 mm und eine Dicke von 3 bis 30 mm, jedoch sind diese Abmessungen nicht kritisch. Die Deckschichten 2 und die stege 3 können entsprechend den statischen Erfordernissen bei der Betriebstemperatur eine - meistens etwa gleiche - Dicke von 0,5 bis 5 mm haben. Die Hohlkammern 4 werden durch die Stege 3 und die dazwischenliegenden Abschnitte der Deckschichten 2 begrenzt. Die Stege können senkrecht zu den Deckschichten oder schräg dazu stehen. Der Wärmeübergang zwischen dem stömenden Medium und der Stegplatte wird verbessert, wenn man durch eine geeignete Geometrie des Hohlkammerquerschnittes für eine turbulente Durchströmung Sorge trägt. Das kann auch durch Wellung der Stege in Längsrichtung gefördert werden. Verfahhren zur Herstellung von Stegplatten mit gewellten Stegen sind bekannt.
Der Wärmetauscherkörper besteht in der Regel aus mehr als 2, vorzugsweise aus 5 bis 100 miteinander zu einem Stapel verbundenen Stegplatten 1. Ihre Deckschichten 2,2′, zumindest soweit sie Hohlkammern 5 begrenzen, sind an den stirnseitigen Enden über die dazwischenliegenden Hohlkammern hinweg gegeneinander geneigt und über die ganze Breite der Stegplatten dicht miteinander verbunden. Der Bereich, in dem die Deckschichten geneigt sind, kann sich beispielsweise über eine Länge vom ein- bis zweifachen der Dicke der Stegplatte erstrecken. Vorzugsweise sind die Stege 3 bis zu dieser Tiefe ausgeschnitten, insbesondere ausgefräst. wenn das nicht der Fall sind, müssen sie eine der Neigung der Deckschichten folgende, zum Ende hin zunehmende Höhe haben, was durch Dehnung im thermoelastischen Zustand gleichzeitig mit der Verformung der Deckschichten erreichbar ist. Die Neigung zweier eine Hohlkammer 5 begrenzender Deckschichten 2, 2′ ist in der Regel gleichgroß, so daß sie sich in der Mittelebene der Hohlkammer 5 treffen und dort dicht verbunden sind. Die Dicke der Hohlkammern 5 wird durch die Stärke der Neigung der Deckschichten bestimmt. Zweckmäßig liegt diese Dicke etwa in der gleichen Größe wie die der Hohlkammern 4 innerhalb der Stegplatten 1, jedoch kann das Verhältnis dieser Dicken in einem breiteren Bereich von etwa 1 : 3 bis 3 : 1 liegen.
Die Verbindung der gegeneinander geneigten Enden der Deckschichten 2,2′ soll so dicht sein, daß ein Durchtritt der durch die Hohlkammern strömenden Medien in beiden Richtungen weitgehend oder ganz unterbunden ist. Eine dichte Verbindung wird durch aufgeklemmte U-Profile, durch Verkleben oder vorzugsweise durch Verschweißen zu einer Schweißnaht 9 erreicht.
Wenn die Hohlkammern 5 nur durch die geneigten und verbundenen Enden der Deckschichten 2,2′ abgeschlossen sind, hat der Wärmetauscherkörper eine nicht für alle Zwecke ausreichende Festigkeit. Zur Verbesserung der Festigkeit und Steifigkeit sind in den Hohlkammern vorzugsweise Abstandhalter 6 von der Dicke der Hohlkammern angeordnet und stützen die anliegenden Deckschichtsn 2, 2′ ab. Vorzugsweise sind die Abstandhalter 6 durchgehend parallel zu den Stirnseiten der Stegplatten nahe an den geneigten Enden angeordnet. Sie können Hohlkammern 7 enthalten, die ebenso wie die Hohlkammern 5 quer zur Extrusionsrichtung der Stegplatten durchströmbar sind. Es ist vorteilhaft, wenn die Abstandhalter 6 seitliche Fortsätze 8 aufweisen, mit denen sie in die Verbindung der Deckschichten hineinragen und gleichfalls mit diesen verbunden sind. Vorzugsweise bilden die geneigten Enden der Deckschichten 2,2′ und die Fortsätze 8 der Abstandhalter zusammen die Schweißnaht 9. Obwohl die Abstandhalter grundsätzlich aus jedem geeigneten Werkstoff von ausreichenden Druckfestigkeit bestehen können, bestehen sie vorzugsweise aus dem gleichen Kunststoff wie die Stegplatten 1. Sie können einschließlich der seitlichen Fortsätze 8 durch Extrusion erzeugt worden sein. Wenn der Wärmetauscherkörper eine beträchtliche Länge hat, kann es zur Steigerung seiner Steifigkeit und Druckfestigkeit zweckmäßig sein, weitere Abstandhalter an einer oder mehreren Stellen zwischen den Stirnseiten der Stegplatten anzuordnen. Ebenso ist es möglich, als Abstandhalter Stegplatten zu verwenden, die die Hohlkammern 5 im wesentlichen ausfüllen. Sie können an den aus dem Wärmetauscherkörper herausragenden Enden in der gleichen Weise miteinander verbunden sein wie die Stegplatten 1 und zeichnen sich dann durch gleichgute Anströmeigenschaften aus.
Die neuen Wärmetauscherkörper lassen sich auf einfache Weise herstellen. Dazu werden alle Stegplatten 1 auf die gleiche gewünschte Länge zugeschnitten und ihre Stege bis zur Tiefe der notwendigen Verformung ausgeschnitten. Die Stegplatten, deren Deckschichten an ihren Stirnseiten noch nicht geneigt sind, werden in einem Abstand, der der gewünschten Dicke der Hohlkammern 5 entspricht, so gestapelt, daß ihre Stirnflächen in einer Ebene liegen. Vorzugsweise geschieht das durch Einfügen je eines Abstandhalters 6 an jeder Stirnseite einer Stegplatte. Die stirnseitigen Enden der Deckschichten 2, 2′ werden durch Auflegen von durchgehenden beheizten Schweißbacken bis zur Erweichungstemperatur des Kunststoffes erwärmt und dann durch Annähern der Schweißbacken paarweise aneinandergepreßt. Sofern Abstandhalter 6 mit Fortsätzen 8 mitverwendet werden, werden diese gleichzeitig erhitzt und - soweit nötig - mitverformt. Wenn eine Verbindung durch Aufsteckprofile oder durch Klebstoff beabsichtigt ist, kann man die verformten Enden der Stegplatten in dieser Stellung erkalten lassen und verbindet sie dananch. Vorzugsweise werden die verformten Endender Deckschichten sowie gegebenenfalls die Fortsätze der Abstandhalter 6 im Berührungsbereich bis zum Schmelzen erhitzt und eine Schweißnaht 9 gebildet.
Das Profil der Schweißbacken sollte so beschaffen sein, daß es formgebend auf die Enden der Deckschichten 2 und 2′ einwirkt und die Ausbildung trichterförmiger Eingänge in die Hohlkammern 4 mit einem günstigen Anströmprofil fördert. Vorzugsweise haben die Schweißbacken ein halbkreis- bzw. halboval-förmiges Profil. Werden Stegplatten eingesetzt, bei denen die Stege nicht bis zur Tiefe der gewünschten Verformung ausgeschnitten sind, so werden kammartige Schweißbacken verwendet, die in die Enden der Hohlkammern 4 eingreifen und die Stege 3 ebenfalls auf die Erweichungstemperatur erhitzen.
Sobald die Schweißnaht 9 gebildet ist, können die Schweißbacken abgenommen werden. In der Regel ist es nicht notwendig, die Schweißnaht zusammen mit den Schweißbacken abkühlen zu lassen. Dadurch ergibt sich eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit.

Claims

1. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper aus einem Stapel verbundener durchströmbarer Stegplatten (1) aus Kunststoff, bestehend aus zwei ebenen, parallelen Deckschichten (2) und dazwischen liegenden, einstückig mit diesen verbundenen parallelen Stegen (3) , welche parallel durchströmbare Hohlkammern (4) umschließen, wobei eine Vielzahl von Stegplatten so in einem Stapel angeordnet ist, daß ihre Hohlkammern parallel durchströmbar sind und daß zwischen jeweils zwei solchen im Stapel aufeinanderfolgenden Stegplatten eine quer dazu durchströmbare Hohlkammer (5) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Deckschichten (2,2′) von jeweils zwei Stegplatten, die einer, quer durchströmbaren Hohlkammer (5) benachbart sind, an ihren Enden über die dazwischenliegende Hohlkammer (5) hinweg gegeneinander geneigt und über die ganze Breite dicht miteinander verbunden sind.

2. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den quer durchströmbaren Hohlkammern (5) Abstandhalter (6) von der Dicke der Hohlkammern angeordnet sind.

3. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandhalter (6) quer durchströmbare Hohlkammern (7) enthalten.

4. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Abstandhalter (6) seitliche Fortsätze (8) aufweisen, die in die Verbindung der Deckschichten (2,2′) hineinragen und ebenfalls mit diesen verbunden sind.

5. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege im Endbereich der Stegplatten (2) wenigstens bis zu der Tiefe, in der die Deckschichten geneigt sind, ausgeschnitten sind.

6. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschichten (2,2′) durch eine Schweißnaht (9) dicht verbunden sind.

7. Kreuzstrom-Wärmetauscherkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Hohlkammern (7) quer durchströmbaren Abstandhalter (6) die Hohlkammern (5) im wesentlichen ausfüllen und an ihren seitlich aus dem Stapel herausragenden Enden in gleicher Weise wie die Stegplatten (1) geformt und aufeinanderfolgende Abstandhalter dicht miteinander verbunden sind.