[0001] Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatine gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs.Aus
der Patentschrift
DE19635552 ist ein Wärmetauscher mit zickzackartig ausgebildeten Wärmetauschkanälen bekannt
(Fig. 20a). Hier ist keine Lösung der Spitze-auf-Spitze stehenden Profile aufgezeigt.
Dieses Problem tritt insbesondere bei (durch das Tiefziehen) sehr dünnem Kunststoff-Material
auf.
[0002] Beim Gebrauchsmuster
DE29620248 ist dieses Problem dadurch gelöst, dass "eine Zacke in doppelter Höhe und Breite
zu den übrigen ausgebildet ist, auf welcher sich dann eine Zacke der nächsten Platte
abstützt" (Fig. 20b). Die drei Probleme, die diese Lösung mit sich bringt, sind der
Verlust an Wärmetauschfläche
- a) im Bereich des doppelt großen Zackens und
- b) dadurch, dass beim Aufsitz doppelt Material übereinander liegt sowie
- c) sich in diesem Bereich beidseitig das gleiche Medium (z. B. A - A, siehe Fig. 20b)
befindet
[0003] Das erfindungsgemäße Profil ist vergleichbar mit einer Sägezahn-Struktur, wobei das
Profil der benachbarten Platinen (1, 2) einen synchronen Profilverlauf darstellt (Fig.
1), d. h. die Profilstruktur sieht exakt gleich aus (mit Ausnahme der Aufsitzformen).
[0004] Bei großen Profilhöhen (h) und gleichzeitig kleiner Profilbreite (s) wird beim Sägezahn-Profil
(1, 2) der Winkel α allerdings recht klein. Dies führt im Bereich des spitzen Winkels
zu einem sehr engen Strömungsquerschnitt (E) (Fig. 2b). Durch die höhere Gleitreibung
an der Wandung bezogen auf den engen Strömungsquerschnitt sinkt in diesem engen Querschnittsbereich
die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Wärmeübertragungszahl; der Druckverlust
steigt.
[0005] Zur Lösung dieses Problems wird ineiner zweitenneuartigen Profilvariante das (spitze)
Dreieck (1) durch eine "Hausform mit Pultdach" (11)(Fig. 4a) ersetzt: Hier wird (der
ehemals dreieckige Bereich (Fig. 1 oder Fig. 4 und 4a: gestrichelte Linie 1a)) durch
parallele Flanken (rechte und linke "Hauswand") (Fig. 4a: Linie 1b) oder durch leicht
konische Flanken (Fig. 4: Linie 1b) der Wärmetausch-Bereich in zwei parallele, schmale
Zonen (Fig. 4, 4a, 4b) aufgeteilt, die beidseitig jeweils einen guten Wärmefluss ermöglichen
(kurzer Wärmestrom-Weg). Außerdem entfällt der spitze Winkel - er wird durch eine
"Hausdach-Form" ersetzt. Hierdurch wird es möglich, dass die Winkel (a = 45°) deutlich
bessere Strömungsverhältnisse zulassen. Außerdem kann durch diese "Haus-Form" die
Wärmetauschfläche gegenüber der Dreieck-Form (dem Sägezahn-Profil (Fig. 1)) gesteigert
werden. Für beide neuartigen Profilvarianten (Fig. 1, 4, 4b) gilt, dass die Summe
beider Strömungs-Querschnittsflächen (A = B) identisch ist.
[0006] Für beide neuartigen Profile gilt auch, dass die obere Platine (1 bzw. 11) nach unten
und die untere Platine (2 bzw. 12) auch nach unten offen sind (im dargestellten Segment-Bereich
- Fig. 2a und 5). Dadurch schließen beide "Halbschalen" einen Strömungsquerschnitt
ein (z. B. bei A oder B - siehe Fig. 1, 4, und 4b).
[0007] Die zweite neuartige Profilform (Pultdach-Profil) lässt sich durch verschiedene Variable
in ganz unterschiedliche Variationen darstellen:
- 1. Variable: Neigungswinkel β
Der Winkel β beschreibt beim Pultdach-Profil die Neigung der Schräge (a), d. h. die
Abweichung von der Waagerechten (Fig. 5, 6).
Der Neigungswinkel β sollte bei allen vier Schrägen (a, b, c, d) gleich groß sein
(Fig. 5) und es muss β > 0,1 % sein. Aus der Vergrößerung von β folgt:
- a) die Tiefzieh-Höhe (= Profilhöhe) h kann größer werden,
- b) die Wärmetauschfläche wird kleiner.
- 2. Variable: Strecke f
Die Streckenlänge (f) entspricht der Strecke (e), auf die Waagerechte projiziert.
Die Strecke (f) kann bis auf maximal die halbe Profilbreite (s/2) vergrößert werden
- dann entspricht f der Spaltbreite (s1) - die Flanken des Pultdach-Profils verlaufen
dann senkrecht (Linie 1b in Fig. 4a) und zueinander parallel (Fig. 4b, 7, 9 - 12).
Die aus der Variation der ersten beiden Variablen β und f resultierenden möglichen
Profilkanten sind auf Fig. 6 ersichtlich: es sind in den Feldern A bis F sechs Möglichkeiten
dargestellt, die sich mit den vielen Möglichkeiten kombinieren lassen, welche sich
aus der 3. Variablen ergeben:
- 3. Variable: Neigungsrichtung
Die vier Schrägen (a, b, c, d) kann man in ihrer Neigungsrichtung beliebig festlegen:
- von links nach rechts: steigend oder
- von links nach rechts: fallend
Die sich ergebenden Neigungsvarianten sind in Fig. 7 dargestellt:
- in den Feldern 1 bis 4: vier Möglichkeiten für die ober Platine (11)
- in den Feldern 5 bis 8: vier Möglichkeiten für die untere Platine (12)
[0008] Die 16 Kombinations-Möglichkeiten (jedes Feld aus Feld 1 bis 4 kombiniert mit jedem
Feld 5 bis 8) sind auf Fig. 8 ersichtlich In den Fig. 9 bis 12 sind die 16 verschiedenen
ProfilVarianten dargestellt, wobei die genauere Betrachtung ergibt, dass sich alle
Profile auf 8 Primär-Variationen (Fig. 8, 9, 10) zurückführen lassen.
[0009] Um den Aufsitz der aufeinanderstehenden Spitzen (beim Sägezahn- und Pultdach-Profil)
sicherer zu gestalten, kann eine der zwei aufeinander stehenden Spitzen in eine flache
Ebene (7) oder eine Wölbung (8) oder eine "Negativ-Spitze" (9) oder eine schräge Ebene
(10) gewandelt werden (Fig. 3a bis 3d). Beim Pultdach-Profil kann neben den genannten
Aufsitzvarianten ein Aufsitz derart gestaltet werden, indem die Schräge (b) in eine
Gerade (17) und dieSpitze (6a) der Schräge (c) in eine Gerade (19) umgewandelt werden
(Fig. 14a bis c) oder die spitze Kante (6a) in eine ebene Fläche (19) verwandelt wird
(Fig. 13).
[0010] Die o. g Aufsitz-Varianten können sich in einem Abstand C (z. B. nach 4 Perioden
(P)) wiederholen (Fig. 3a). Die oben erwähnten Varianten für einen sicheren Aufsitz
(7, 8, 9, 10, 19) müssen sich nicht über die gesamte Länge des Profils erstrecken,
sondern können sich auf einen gewissen Streckenabschnitt (I) begrenzen (Beispiel in
Fig. 14b). Durch den Aufsitz (19) (mit der Verbreiterung der Pultdach-Spitze) ist
eine "Ausbauchung" (k) in den offenen Strömungsquerschnitt hinein verbunden. Um dort
eine Querschnitts-Verengung zu vermeiden wird in gleicher Höhe bei der benachbarten
Wandung eine "Einbuchtung" (k1) vorgesehen (Fig. 14c); im Abstand x (in Strömungsrichtung
gesehen) kann sich diese Aufsitz-Vorrichtung (wie auch jede andere vorgenannte Aufsitzform)
wiederholen. Eine derartige Ausgestaltung der Aufsitz-Form hat außerdem den Vorteil
der Turbulenz-Erzeugung und Wärmetauschflächen-Vergrößerung.
[0011] Durch die Abrundung oder Abflachung der Ecken kann ein besserer Tiefzieh-Erfolg erreicht
werden, d. h. Ausdünnen und Löcher im Tiefziehmaterial können weitgehend vermieden
werden.
[0012] Durch einen (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen (20) oder sinuskurvenähnlichen
Verlauf der Profilstruktur (Fig. 15a, 15b, 16) lässt sich die Länge des Strömungsfadens
und damit die Verweildauer und Wärmetauschdauer erhöhen, was zur Verbesserung der
Wärmetauschleistung führt. Die Wärmetauschfläche vergrößert sich durch die Zickzackstruktur
um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste im Randbereich (R) (Fig. 15b) einkalkuliert
sind.
[0013] Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (20) wird
die Wärmeübergangszahla durch Turbulenzen erhöht (Fig. 15a bis 16). Dabei können die
übereinanderliegenden Profile synchron (11, 12) (Fig. 15a) oder kreuzweise (Fig. 16)
verlaufen. Beim kreuzweisen Verlauf stützen sich die Profile an Auflagepunkten ab.Bei
einer weiteren Variante verlaufen die Profile jeweils zweier benachbarter Platinen
synchron - das benachbarte Profilpaar hat dann aber einen kreuzweisen Verlauf der
Zickzackstruktur zum ersten Paar. Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen
Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen auch der in größerer Profiltiefe
befindliche Strömungsbereich E (Fig. 2b, 4) verwirbelt, bewirkt durch die häufige
Umlenkung an den Ecken (20) (Fig. 15a bis 16).
[0014] Dies bedeutet einen Vorteil gegenüber Profilstrukturen, deren Verlauf (in einem bestimmten
Winkel geneigt) quer über die Platine (von rechts nach links - und umgedreht) verlaufen
(Stand der Technik - siehe
DE29916493,
DE29824920). Hier erfolgt an den Kreuzungspunkten zwar eine Vermischung (ein Teil der Strömung
"drillt" in den Strömungskanal der nächsten Etage), aber nicht bis in die Profiltiefe
(Bereich E - Totgebiet - Fig. 2b und 4) hinein. Dies erfolgt lediglich in der Randzone
beim Umlenken der Strömung in den benachbarten Strömungskanal.
[0015] Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (21) erreicht
werden (Fig. 18, 19). Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei auf bogenförmig ausgeführt
sein (U-Form).
Bezugszeichenliste
[0016]
- 1
- Wärmetauscherplatine mit Sägezahn-Profil, obere Platine
- 1a
- Schräge im Sägezahn-Profil (Hypotenuse des Dreiecks)
- 1b
- Verbindung zwischen den beiden Schrägen a und b beim Pultdach-Profil
- 2
- Wärmetauscherplatine mit Sägezahn-Profil, untere Platine
- 3
- untere Spitze des Sägezahn-Profils, obere Platine
- 3a
- untere Spitze des Pultdach-Profils, obere Platine
- 4
- obere Spitze des Sägezahn-Profils, obere Platine
- 4a
- obere Spitze des Pultdach-Profils, obere Platine
- 5
- untere Spitze des Sägezahn-Profils, untere Platine
- 5a
- untere Spitze des Pultdach-Profils, untere Platine
- 6
- obere Spitze des Sägezahn-Profils, untere Platine
- 6a
- obere Spitze des Pultdach-Profils, untere Platine
- 7
- flacher ebener Aufsitz
- 8
- gewölbter Aufsitz
- 9
- "Negativ-Spitze" als Aufsitz
- 10
- schräge Ebene als Aufsitz - durch die gegenläufige Neigung (nach Abstand C) wird das
rechts-/links-Verschieben verhindert
- 11
- Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil, obere Platine
- 12
- Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil, untere Platine
- 13
- Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑥ (Fig. 7, 8, 9),
obere Platine
- 14
- Pultdach-Profil, Kombination der Neigungsvarianten im Feld ① und ⑥ (Fig. 7, 8, 9),
untere Platine
- 17
- flacher ebener Aufsitz beim Pultdach-Profil
- 19
- ebener Aufsitz beim Pultdach-Profil über die Strecke I
- 20
- zickzackförmiger Verlauf der Profilstruktur
- 21
- V-förmige Ausbuchtung
- 21a
- V-förmige Ausbuchtung bei zickzackförmigem Profilverlauf (20) 15,16,18 entfällt
- A
- Medium A
- B
- Medium B
- C
- seitlicher Abstand innerhalb einer Platinen-Breite, nach der sich derAufsitz wiederholt
- P
- eine Periode
- a
- obere Schräge beim Pultdach-Profil - obere Platine
- b
- untere Schräge beim Pultdach-Profil - obere Platine
- c
- obere Schräge beim Pultdach-Profil - untere Platine
- d
- untere Schräge beim Pultdach-Profil - untere Platine
- e
- Länge der Schräge beim Pultdach-Profil
- f
- Strecke der Länge (e), auf die Waagerechte projiziert
- h
- Profilhöhe
- k
- Breite der "Ausbauchung" für Aufsitz (19) in den offenen Strömungsquerschnitt hinein
- k1
- Breite der "Einbuchtung" in Höhe der benachbarten "Ausbauchung" (k)
- l
- Strecke des Aufsitzes (in Strömungsrichtung gesehen)
- s
- Profilbreite
- s1
- Spaltbreite
- x
- Abstand zwischen den Aufsitzformen (in Strömungsrichtung gesehen)
- α
- eingeschlossener Winkel des Dreiecks beim Sägezahn-Profil bzw. der spitze Winkel beim
Pultdach-Profil
- β
- Neigungswinkel der Strecke (1a) (beim Dreieck des Sägezahn-Profils) bzw. der Schräge
(a) am Pultdach-Profil
1. Wärmetauscher aus übereinander angeordneten profilierten Wärmetauscherplatinen, wobei
die übereinander angeordneten Platinen durch ihren mäanderförmigen Verlauf parallele
Strömungskanäle bilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil einer Sägezahn-Struktur vergleichbar ist, wobei das Profil der benachbarten
Platinen (1, 2) einen synchronen Profilverlauf darstellt, d. h. die Profilstruktur
sieht exakt gleich aus und die Profile sind "Spitze-auf-Spitze-stehend" (3, 6) angeordnet.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schräge (1a) des Dreiecks (also die Hypotenuse) in eine abgeknickte Linie (1b)
verwandelt wird, so dass an Stelle der Dreiecke (des Sägezahn-Profils) eine Profilform
tritt, die ähnlich einer Hausform mit Pultdach (11, 12) gestaltet ist, mit der Spitze
nach oben (4a) und unten (5a) zeigend, also die Spitzen beider übereinanderstehenden
Profile sich berühren. Das Profil der benachbarten Platinen stellt ein synchrones
Abbild dar.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägen (a, b - obere Platine, c, d - untere Platine) des Pultdach-Profils einen
vorteilhafterweise gleich großen Neigungswinkel βhaben (β min. 0,1°) und die Länge
(e) der vier o. g. Schrägen jeweils gleich lang ist und jeweils so bemessen ist, dass
die auf die Waagerechte projizierte Strecke (f) maximal der Hälfte der Profilbreite
(also s/2) entspricht.
Die Neigungsrichtung (also von links nach rechts steigend oder fallend) von einer
jeden der vier Schrägen (a, b, c, d) ist für eine Profilvariante festgelegt, kann
aber für eine andere Profilvariante beliebig anders zusammengestellt sein.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Spitzen, die zueinander einen bestimmten Abstand (C) haben, z. B. nach 4 Perioden
(P), einen glatten (7) oder gewölbten (8) oder spitzen ("Negativ-Spitze") (9) oder
schrägen (10) Aufsitz haben oder beim Pultdach-Profil gemäß Anspruch 2 und 3 ein Aufsitz
derart gestaltet wird, indem die Spitze (6a) der Schräge (b) in eine Gerade (17) und
die Schräge (c) in eine Gerade (19) umgewandelt wird oder die spitze Kante (6a) in
eine kleine ebene Fläche (19) verwandelt wird. Die beschriebenen Aufsitzvarianten
können sich auf einen gewissen Streckenabschnitt (I) begrenzen. Mit der Aufsitzvariante
(19) ist eine "Ausbauchung" (k) verbunden, durch die eine "Einbuchtung" (k1) in der
benachbarten Profilwandung erforderlich wird.
5. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ecken der Profile alternativ abgerundet oder abgeflacht (5a) sind zur Verbesserung
der Tiefziehfähigkeit.
6. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen zickzackförmigen (20) oder
sinuskurvenähnlichen Verlauf nimmt, wobei die Profilstruktur bei allen übereinanderliegenden
Platinen synchron verlaufen kann oder sich die Profilstrukturen von Platine zu Platine
kreuzen, oder die Profilstruktur zweier benachbarter Platinen verläuft jeweils synchron
- das benachbarte Profilpaar hat dann aber einen kreuzweisen Verlauf der Zickzackstruktur
zum ersten Paar.
7. Wärmetauscher nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstruktur in Strömungsrichtung gesehen einen V-förmig ausgebauchten Verlauf
nimmt, sowohl bei (ansonsten) geradem Profilverlauf (21) als auch bei Zickzack-Profil
(21a). Die V-förmigen Ausbuchtungen können dabei an den Kanten auch abgerundet sein
(U-Form).