Plattenwärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Trennwänden (10), die abwechselnd jeweils einen ersten und einen zweiten Durchflussraum (12, 14) für ein erstes, bzw. zweites Medium aufspannen, wobei in zumindest einem Durchflussraum (12, 14) zumindest ein vorzugsweise aus Blech bestehender Turbulenzerzeuger (16) angeordnet ist, welcher aus einer Platte mit mehreren nebeneinander angeordneten bandartigen Reihen (18, 20) alternierend hintereinander folgender Erhebungen (22) und Senken (24) besteht, welche über Stege (26, 28) miteinander verbunden sind, wobei die Erhebungen (22) und Senken (24) jeder Reihe (18, 20) in Bezug auf jede unmittelbar benachbarte Reihe (20; 18) versetzt sind, und wobei jede der Reihen (18, 20) zumindest einen Übertrittsbereich (30, 32) für das Medium zur unmittelbar angrenzenden Reihe (20; 18) aufweist, so dass die Senken (24) jeder Reihe (18, 20) mit unmittelbar angrenzenden Erhebungen (22) zumindest einer unmittelbar benachbarten Reihe (20, 18) in Strömungsverbindung stehen. Um auf möglichst einfache Weise eine hohe Wärmeübertragungsleistung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Stege (26, 28) jeder Reihe (18, 20) zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet und gleichsinnig in Bezug auf die Trennwände (10) geneigt ausgebildet sind, wobei zwischen einer Trennwand (10) und den Stegen (26, 28) jeweils ein spitzer Winkel (α) aufgespannt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Trennwänden, die abwechselnd jeweils einen ersten und einen zweiten Durchflussraum für ein erstes, bzw. zweites Medium aufspannen, wobei in zumindest einem Durchflussraum zumindest ein vorzugsweise aus Blech bestehender Turbulenzerzeuger angeordnet ist, welcher aus einer Platte mit mehreren nebeneinander angeordneten bandartigen Reihen alternierend hintereinander folgender Erhebungen und Senken besteht, welche über Stege miteinander verbunden sind, wobei die Erhebungen und Senken jeder Reihe in Bezug auf jede unmittelbar benachbarte Reihe versetzt sind, und wobei jede der Reihen zumindest einen Übertrittsbereich für das Medium zur unmittelbar angrenzenden Reihe aufweist, so dass die Senken jeder Reihe mit unmittelbar angrenzenden Erhebungen zumindest einer unmittelbar benachbarten Reihe in Strömungsverbindung stehen.

[0002] Plattenwärmetauscher, insbesondere Öl/Wasser-Wärmetauscher, bestehen aus mehreren übereinander gestapelten Platten, die jeweils abwechselnd mit einem ersten und einem zweiten Medium, beispielsweise Öl und Wasser, durchflossene Lagen bilden. Der aufgestellte Rand der Platten umschließt jede Wärmetauscherlage und ragt bis über den Rand der darauffolgenden Platte, so dass sich im Herstellverfahren eine dichte Lötverbindung nach außen einstellen kann. Die Anströmung der Platten erfolgt über Öffnungen in den Eckbereichen der vorwiegend rechteckig ausgeführten Platten.

[0003] Es ist bekannt, die Wärmetauscheinheiten von Wärmetauschern mit internen Turbulenzerzeugern auszustatten, um die Wärmetauschercharakteristika des Wärmetauschers zu verbessern. Im Allgemeinen veranlassen die Turbulenzerzeuger das Medium, welches durch die Wärmetauschereinheit entströmt, in einer turbulenten Art und Weise zu strömen, wobei die Wärmetauschcharakteristika des Wärmetauschers verbessert werden.

[0004] Bei einem bekannten Öl/Wasser-Wärmetauscher befinden sich zwischen den einzelnen Lagen von Platten Turbulenzbleche, die mit den jeweiligen Ober- und Unterseiten der angrenzenden Platten im Herstellverfahren verlötet sind. Die Turbulenzbleche erfüllen dabei wesentliche Aufgaben:

• Vergrößerung der Oberfläche für bessere Wärmeübertragung;
• Verwirbelung der durchströmenden Medien für bessere Wärmeübertragung;
• Verlängerung des Strömungsweges;
• Abstützung der dünnwandigen Platten gegen Druckbeaufschlagung;
• Abstützung der dünnwandigen Platten gegen Verformung beim Lötprozess.

[0005] Diese Turbulenzbleche bilden somit das Kernelement des Wärmetauschers und bestimmen maßgebend die Wärmeübertragungsleistung, den Strömungswiderstand beider Medien und die mechanische Druckbeständigkeit. Bei der Konzeptionierung eines Öl/Wasser-Wärmetauschers stellen sich folgende Anforderungen an den Konstrukteur:

• höchstmögliche Wärmeübertragungsleistung vom Ölsystem in das Kühlmittel;
• geringer Differenzdruck ölseitig;
• geringe bzw. passend abgestimmter Differenzdruck kühlmittelseitig;
• geringes Bauvolumen;
• geringster Materialaufwand;
• einfache Struktur; und
• Druckbeständigkeit gegen schwellenden Druckverlauf.

[0006] Die Hauptanforderung nach hoher Wärmeübertragungsleistung verhält sich in der Praxis allerdings entgegengesetzt zu fast allen anderen Anforderungen. So sorgt zum Beispiel eine enge Struktur des Turbulenzbleches für hohe Verwirbelung und damit für einen guten Wärmeübergang, aber auch für hohen Differenzdruck. Auch steigt die Wärmeübertragungsleistung mit dem Bauvolumen (Plattenanzahl, Plattenfläche) an, welches jedoch aus Bauraum- und Kostengründen stets zu minimieren ist. Ein wesentlicher Aspekt bei der Auswahl des Turbulenzbleches ist außerdem die Herstellbarkeit. Üblich sind perforierte Aluminiumbleche, welche durch ein Roll- oder Stanzverfahren geformt werden.

[0007] Aus der EP 1 241 426 B1 ist ein Plattenwärmetauscher mit mehreren parallelen Trennwänden bekannt, wobei die Trennwände abwechselnd jeweils einen Durchflussraum für ein erstes Medium und für ein zweites Medium aufspannen. In den Durchflussräumen für eines der beiden Medien ist ein Turbulenzerzeuger angeordnet, welcher aus einer strukturierten Blechplatte besteht, welche nebeneinander angeordnete Reihen mit abwechselnden Erhebungen und Senken aufweist. Benachbarte Reihen sind dabei versetzt zueinander angeordnet, so dass zwischen den Reihen das Medium hindurchströmen kann. Die Erhebungen und Senken sind über zueinander geneigte Stege miteinander verbunden, wobei zwischen den Stegen der Turbulenzerzeuger einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist. Um eine optimale Wärmeableitung zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Turbulenzerzeuger im Bereich der Erhebungen und Senken an den benachbarten Trennwänden aufliegt und diese kontaktiert. Dadurch ist es allerdings erforderlich, dass der Turbulenzerzeuger passgenau für den jeweiligen Anwendungsfall gefertigt wird. Nachteilig ist, dass für Wärmetauscher mit unterschiedlich beabstandeten Trennwänden separate Turbulenzerzeuger gefertigt werden müssen. Weiters haben Untersuchungen gezeigt, dass mit diesen bekannten Turbulenzerzeugern nicht in jedem Fall eine optimale Wärmeableitung gewährleistet ist.

[0008] Die DE 298 24 920 U1 offenbart einen Wärmetauscher für den Wärmetausch zwischen gasförmigen Medien, bestehend aus übereinander angeordneten Profilelementen, wobei die übereinander angeordneten Profilelemente alternierend jeweils eines Winkel mit der Längsrichtung des Wärmetauschers bilden und diese Profilelemente glatte Oberflächen aufweisen und nicht mit zusätzlichen Strukturen versehen sind. Die Profilelemente können dabei eine sägezahnartige Form oder ein trapez-, falten- oder wellenförmiges Profil aufweisen. Mit derartigen Profilelementen ist allerdings keine optimale Wärmeableitung gewährleistet.

[0009] Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und bei einem Plattenwärmetauscher die Wärmeübertragungsleistung auf möglichst einfache Weise zu erhöhen und den Fertigungsaufwand so gering wie möglich zu halten.

[0010] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass die Stege jeder Reihe zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet und gleichsinnig in Bezug auf die Trennwände geneigt ausgebildet sind, wobei zwischen einer Trennwand und den Stegen jeweils ein spitzer Winkel aufgespannt ist.

[0011] Besonders gute Ergebnisse können erzielt werden, wenn der Winkel zwischen etwa 40° und 90°, vorzugsweise etwa 50° bis 80°, besonders vorzugsweise etwa 60° bis 70° beträgt.

[0012] Für eine rasche Wärmeableitung ist es von großem Vorteil, wenn die Erhebungen und/oder Senken zumindest einer Reihe im Wesentlichen flach, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur benachbarten Trennwand, ausgebildet sind.

[0013] Dadurch, dass die Stege jeder Reihe zueinander im Wesentlichen parallel und gleichsinnig in Bezug auf die Trennwände geneigt ausgebildet sind, wird das Medium in Richtung der Trennwand abgelenkt, was zu guter Durchmischung und somit zu guter Wärmeübertragung führt. Durch die gleichsinnige Neigung der Stege ergeben sich große Öffnungsquerschnitte zwischen den einzelnen Reihen, was zu geringem Druckverlust und zu einer homogenen Durchströmung führt.

Die Herstellung des Turbulenzerzeugers erfolgt in zwei Stufen:

[0014] Zuerst wird in üblicher Weise ein kostengünstiges und prozessstabiles Walz-Prägeverfahren durchgeführt. In einer zweiten Stufe wird die Höhe des Turbulenzerzeugers, sowie der horizontale Versatz der Erhöhungen durch die gleichsinnig geneigten Stege durch ein Planierwerkzeug an den Abstand der Trennwände angepasst. Dabei werden die Öffnungen zwischen den einzelnen Reihen aufgeweitet.

[0015] Ein besonderer Vorteil ist, dass die Höhe des Turbulenzerzeugers an den jeweiligen Anwendungsfall einstellbar ist. Damit ist eine optimale Anpassung der Parameter Druckverlust, Wärmeübertragungsleistung und Bauhöhe auf verschiedene Wärmetauscherapplikationen möglich.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

[0016] 

Fig. 1

einen erfindungsgemäßen Plattenwärmetauscher im Längsschnitt;

Fig. 2

das Detail II des Wärmetauschers im Schnitt; und

Fig. 3

einen Turbulenzerzeuger in einer Schrägansicht.

[0017] Der Plattenwärmetauscher 1 besteht aus einem Stapel 2 aus tiefgezogenen, wannenförmigen Blechplatten 3, wobei die Blechplatten 3 mit Abstand zueinander und parallel angeordnete Trennwände 10 bilden. Von den Trennwänden 10 wird abwechselnd ein erster Durchflussraum 12 für ein erstes Medium und ein zweiter Durchflussraum 14 für ein zweites Medium aufgespannt. Das erste Medium kann beispielsweise zu kühlendes Öl, das zweite Medium etwa durch Wasser gebildetes Kühlmedium ausgebildet sein.

[0018] Im Ausführungsbeispiel sind sowohl im ersten Durchflussraum 12, als auch im zweiten Durchflussraum 14 plattenartige Turbulenzerzeuger 16 angeordnet. Jeder Turbulenzerzeuger 16 weist mehrere nebeneinander angeordnete strangförmige Reihen 18, 20 mit Erhebungen 22 und Senken 24 auf. Die Erhebungen 22 sind dabei mit den Senken 24 über Stege 26, 28 verbunden. Zwei unmittelbar aneinander grenzende Reihen sind dabei zueinander versetzt ausgebildet, so dass die Erhebungen 22 und Senken 24 einer Reihe 18 in Bezug auf jede unmittelbar benachbarte Reihe 18, 20 versetzt ausgebildet sind. Jede Reihe 18 weist somit pro Seitenwand 26, 28 einen Übertrittsbereich 30, 32 zwischen den beiden Reihen 18, 20 auf, so dass die Senken 24 jeder Reihe 18, 20 mit den Erhebungen 22 der benachbarten Reihe 20, 18 in Strömungsverbindung stehen.

[0019] Die Stege 26, 28 jeder Reihe 18, 20 sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und gleichsinnig geneigt, wobei die Stege 26, 28 mit der benachbarten Trennwand 10 einen Winkel α aufspannen, welcher im Ausführungsbeispiel etwa 60° bis 70° beträgt. Um eine gute Wärmeübertragung zwischen Turbulenzerzeugern 16 und den Trennwänden 10 zu ermöglichen, sind die Erhebungen 22 und Senken 24 im Wesentlichen flach, insbesondere parallel zu den Trennwänden 10 ausgebildet. Die Turbulenzerzeuger 16 sind dabei im Bereich der Erhebungen 22 und Senken 24 mit den benachbarten Trennwänden 10 verlötet.

[0020] Durch die gleichsinnig Neigung der Stege 26, 28 ergeben sich große Übertrittsbereiche 30, 32 zwischen den einzelnen Reihen 18, 20, wodurch ein geringer Druckverlust und eine homogene Durchströmung gewährleistet ist. Die Neigung der Stege 26, 28 um den spitzen Winkel α bewirkt darüber hinaus eine Ablenkung des Mediums in Richtung der Trennwände 10, was zu guter Durchmischung und somit guter Wärmeübertragung führt.

[0021] Die Herstellung der Turbulenzerzeuger 16 kann in zwei Stufen erfolgen. In einer ersten Stufe wird ein übliches, kostengünstiges und prozessstabiles Walz-Prägeverfahren durchgeführt. In einer zweiten Stufe wird unter Einsatz eines Planierwerkzeuges eine definierte Höhe H und ein bestimmter horizontaler Versatz der Erhebungen 22 bezüglich der Senken 24 verwirklicht. In diesem Schritt werden die Übertrittsbereiche 30, 32 aufgeweitet. Während der erwähnten zweiten Herstellungsstufe ist die Höhe H des Turbulenzerzeugers auf den jeweiligen Anwendungsfall einstellbar. Damit ist eine optimale Anpassung der Parameter Druckverlust, Wärmeübertragungsleistung und Bauhöhe auf verschiedene Anwendungen möglich.

Ansprüche

1. Plattenwärmetauscher mit mehreren übereinander gestapelten Trennwänden (10), die abwechselnd jeweils einen ersten und einen zweiten Durchflussraum (12, 14) für ein erstes, bzw. zweites Medium aufspannen, wobei in zumindest einem Durchflussraum (12, 14) zumindest ein vorzugsweise aus Blech bestehender Turbulenzerzeuger (16) angeordnet ist, welcher aus einer Platte mit mehreren nebeneinander angeordneten bandartigen Reihen (18, 20) alternierend hintereinander folgender Erhebungen (22) und Senken (24) besteht, welche über Stege (26, 28) miteinander verbunden sind, wobei die Erhebungen (22) und Senken (24) jeder Reihe (18, 20) in Bezug auf jede unmittelbar benachbarte Reihe (20; 18) versetzt sind, und wobei jede der Reihen (18, 20) zumindest einen Übertrittsbereich (30, 32) für das Medium zur unmittelbar angrenzenden Reihe (20; 18) aufweist, so dass die Senken (24) jeder Reihe (18, 20) mit unmittelbar angrenzenden Erhebungen (22) zumindest einer unmittelbar benachbarten Reihe (20, 18) in Strömungsverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (26, 28) jeder Reihe (18, 20) zueinander im Wesentlichen parallel angeordnet und gleichsinnig in Bezug auf die Trennwände (10) geneigt ausgebildet sind, wobei zwischen einer Trennwand (10) und den Stegen (26, 28) jeweils ein spitzer Winkel (α) aufgespannt ist.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen etwa 40° und 90°, vorzugsweise etwa 50° bis 80°, besonders vorzugsweise etwa 60° bis 70° beträgt.

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (22) und/oder Senken (24) zumindest einer Reihe (18, 20) im Wesentlichen flach, vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur benachbarten Trennwand (10), ausgebildet sind.

4. Verfahren zur Herstellung eines Turbulenzerzeugers (16) für einen Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erhebungen (22) und Senken (24) mittels eines Walz-Prägeverfahrens gefertigt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) des Turbulenzerzeugers (16) und der horizontale Versatz der Erhebungen (22) bezüglich der Senken (24) durch Neigen der Stege (26, 28) im gleichen Sinne mittels eines Planierwerkzeuges an den Abstand zwischen den Trennwänden (10) angepasst werden.

Zeichnung