Plattenwärmeübertrager aus Kunststoff

Abstract

 Bei einem Plattenwärmeübertrager sind in die aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungsplatten (2) Endloskohlenstofffasern eingebunden, so dass zum einen aufgrund der dadurch erzielten Dünnwandigkeit und zum anderen der Wärmeleitfähigkeit der Endloskohlefasern Wärmeübertragungsplatten mit hohem Wärmedurchgang zur Verfügung stehen. Die identisch ausgebildeten Wärmeübertragungsplatten sind mit in nur einer Richtung schräg zur Längsachse verlaufenden Wellenbergen (7) und Wellentälern (8) sowie einer am Plattenrand umlaufenden Verbindungssicke (9) und einem sich von dieser zum Platteninneren hin anschließenden, umlaufenden waagerechten Verbindungsbereich (15) jeweils um eine Querachse gedreht aufeinandergestapelt und an den aneinanderstoßenden Verbindungssicken und waagerechten Verbindungsbereichen sowie an den Berührungsflächen (16) sich kreuzender Wellenberge und der aneinanderstoßenden hochliegenden Randbereiche (11') der Durchgangsöffnungen (11) fest und abdichtend miteinander verschweißt oder verklebt. Der einfach ausgebildete und kostengünstig gefertigte Plattenwämeübertrager zeichnet sich durch eine hohe - durch eine Bandage (6) noch verbesserte - Druckfestigkeit und eine hohe Wärmeübertragungsleistung aus. Die Wärmeübertragungsplatten sind aufgrund der in den Kunststoff eingebundenen Endloskohlenstofffasern zudem elektrisch leitfähig, so dass einzelne Wärmeübertragungsplatten (2) zur zusätzlichen Erwärmung des Fluids durch Anlegen einer Spannung aufheizbar sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeübertrager aus Kunststoff, der einen mit einer Frontplatte und einer Rückplatte abgedeckten Plattenstapel aus am Rand abdichtend miteinander verbundenen, profilierten Wärmeübertragungsplatten zur Bildung von abwechselnd für ein erstes Fluid und für ein zweites Fluid vorgesehenen Strömungskanälen umfasst, wobei die Wärmeübertragungsplatten Durchgangsöffnungen zur Verbindung der für das jeweils gleiche Fluid vorgesehenen Strömungskanäle aufweisen.

[0002] Aus Kunststoff bestehende Wärmeübertrager werden beispielsweise in der EP 0 038 454 A2, der DE 10 2006 036 965 A1 oder der DE 20 2010 007 615 U1 beschrieben. Wärmeübertrager aus Kunststoff zeichnen sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit, einfache und kostengünstige Fertigung sowie ein geringes Gewicht aus, weisen jedoch aufgrund des verwendeten Werkstoffs und wegen der zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit größeren Dicke eine verminderte Wärmeleitfähigkeit auf bzw. können aufgrund der geringen Festigkeit nur mit geringen Drücken betrieben werden.

[0003] Der in der DE 20 2010 007 615 U1 beschriebene Plattenwärmeübertrager aus Kunststoff umfasst übereinander gestapelte, im Spritzgussverfahren gefertigte Wärmeübertragungsplatten mit Durchgangsöffnungen sowie eine Front- und eine Rückplatte mit Anschlussrohren. Die Wärmeübertragungsplatten weisen auf der Vorderseite und auf der Rückseite jeweils einen unterschiedlich oder spiegelsymmetrisch ausgebildeten, als flächige Vertiefung mit Strömungsbarrieren ausgeführten Strömungskanal auf. Der an den ebenen Rändern der eine nur geringe Festigkeit aufweisenden Wärmeübertragungsplatten verschweißte oder verklebte Plattenwärmeübertrager kann nur bei geringen Drücken betrieben werden. Zudem ist die Wärmeübertragung aufgrund der erforderlichen großen Dicke der aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungsplatten vergleichsweise gering. Weitere, jedoch nicht aus Kunststoff bestehende Wärmeübertrager werden in der US 7004237 B2, der EP 0203213 A1, der WO 2009 123519 A1 und der EP 2306133 A1 beschrieben.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plattenwärmeübertrager aus Kunststoff anzugeben, der einfach und kostengünstig gefertigt werden kann und eine hohe Druckfestigkeit sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit gewährleistet.

[0005] Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 ausgebildeten Plattenwärmeübertrager gelöst.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

[0007] Bei einem Plattenwärmeübertrager der eingangs erwähnten Art besteht der Grundgedanke der Erfindung in der Einbindung von Endloskohlenstofffasern in die aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungsplatten, so dass zum einen aufgrund der dadurch erzielten Dünnwandigkeit und zum anderen der Wärmeleitfähigkeit der Endloskohlefasern Wärmeübertragungsplatten mit hoher Wärmeleitfähigkeit zur Verfügung stehen. Die identisch ausgebildeten Wärmeübertragungsplatten sind mit in nur einer Richtung schräg zur Längsachse verlaufenden - ein oberes und ein unteres Plattenniveau definierenden - Wellenbergen und Wellentälern sowie einer am Plattenrand umlaufenden Verbindungssicke und einem sich von dieser zum Platteninneren hin anschließenden umlaufenden - in Bezug auf die Plattenebene - waagerechten Verbindungsbereich jeweils um eine Plattenquerachse gedreht aufeinandergestapelt und an den aneinanderstoßenden Verbindungssicken und waagerechten Verbindungsbereichen sowie an den Berührungsflächen sich kreuzender Wellenberge bzw. -täler und der aneinanderstoßenden hochliegenden - das obere Plattenniveau bildenden - Randbereiche der Durchgangsöffnungen fest und abdichtend miteinander verschweißt oder verklebt. Der einfach ausgebildete und kostengünstig gefertigte Plattenwärmeübertrager zeichnet sich durch eine hohe Druckfestigkeit und eine hohe Wärmeübertragungsleistung aus. Die Wärmeübertragungsplatten sind aufgrund der in den Kunststoff eingebundenen Endloskohlenstofffasern elektrisch leitfähig, so dass einzelne Wärmeübertragungsplatten zur zusätzlichen Erwärmung des Fluids durch Anlegen einer Spannung aufheizbar sind.

[0008] In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung weisen die Verbindungssicken und die Wellenberge zur Erzielung eines großflächigen Abdicht- oder Verbindungsbereichs zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten einen trapezförmigen Querschnitt auf.

[0009] In weiterer Ausbildung der Erfindung ist am Fluideintritt und -austritt des zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten bestehenden Strömungskanals in einem tiefliegenden - das untere Plattenniveau bildenden - Randbereich gegenüberliegender Durchgangsöffnungen ein die beiden Randbereiche gegenseitig abstützendes und fest verbindendes Fluidverteilungselement angeordnet. Das Fluidverteilungselement ist als Stützring bzw. Zuganker ausgebildet und weist düsenförmige Durchlässe zur gleichmäßigen Fluidverteilung auf. Die Ausbildung aus Kunststoff ermöglicht zur Verringerung von Druckverlusten eine freie und zudem glatte Gestaltung der Ein- und Ausgänge.

[0010] In Ausgestaltung der Erfindung sind die Wellenberge und die Wellentäler zur Erzeugung eines unterschiedlichen Fluidvolumens in benachbarten Strömungskanälen unterschiedlich weit ausgebildet.

[0011] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der mit der Front- und der Rückplatte abgedeckte Plattenstapel zur weiteren Erhöhung der Drucksteifigkeit des Plattenwärmeübertragers in Längs- und/oder Querrichtung mit einer Bandage aus kunststoffimprägnierten Fasern umwickelt. Die Front- und die Rückplatte sind in dieser Ausführungsform auf der Außenseite konvex gewölbt ausgebildet. An den Außenflächen der Front- und der Rückplatte können zusätzlich auch Versteifungsrippen ausgebildet sein.

[0012] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist an der Außenfläche des Plattenwärmeübertragers ein Wärmeisoliermaterial aufgebracht.

[0013] Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden der Kunststoffmatrix zum Teil Kohlenstoffnanotubs (CNT) oder Graphen beigemischt.

[0014] In Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Wärmeübertragungsplatten aus einem thermoplastischen Kunststoff und sind durch Reibschweißen miteinander verbunden. Bei der Verwendung duroplastischer Kunststoffe erfolgt die Verbindung durch Kleben.

[0015] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der

Fig. 1

eine perspektivische Darstellung eines aus Kunststoff bestehenden Plattenwärmeübertragers im Schnitt; und

Fig. 2

eine Explosionsdarstellung der Einzelteile des Plattenwärmeübertragers

zeigt, näher erläutert.

[0016] Der Plattenwärmeübertrager 1 umfasst in der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform sieben identische Wärmeübertragungsplatten 2, eine Frontplatte 3, eine Rückplatte 4 und vier an Öffnungen 3' in der Frontplatte 3 anschließende Anschlussstutzen 5 zur Zuführung und Abführung eines wärmeabgebenden und eines wärmeaufnehmenden (ersten und zweiten) Fluids.

[0017] Die Wärmeübertragungsplatten 2 bestehen vorzugsweise aus einem endlosfaserverstärktem thermoplastischem Kunststoff, wobei zur Erhöhung der - thermischen und elektrischen - Leitfähigkeit in der Kunststoffmatrix Kohlenstoffnanotubs (CNT) oder Graphen (einem Kohlenstoff mit zweidimensionaler Struktur) dispergiert werden können. Durch die Verstärkung mit Endloskohlefasern wird zum einen die Festigkeit der Wärmeübertragungsplatten 2 und zum anderen deren Wärmeleitfähigkeit verbessert. Des Weiteren sind die aus Kunststoff bestehenden Wärmeübertragungsplatten 2 durch die integrierten Kohlefasern elektrisch leitfähig, so dass einzelne Wärmeübertragungsplatten 2 durch Anlegen einer Spannung erwärmt werden können und somit eine gezielte zusätzliche Erwärmung des Fluids möglich ist. Aufgrund der Versteifung mit Endloskohlefasern sind außerdem geringe Plattenwandstärken möglich, so dass die Wärmeübertragung auch aufgrund dieser Tatsche verbessert werden kann. Die Frontplatte 3 und die Rückplatte 4, die zum Umgebungsdruck hoch belastet sind, können durch angespritzte Rippen (nicht dargestellt) zusätzlich versteift sein und sind an der Außenflächen konvex gewölbt ausgebildet. Schließlich sind am Außenumfang des Plattenwärmetauschers 1 eine in Längsrichtung und eine in Querrichtung verlaufende Bandage 6 aus mit Kunststoff imprägnierten Endloskohlefasern angebracht, so dass der aus Kunststoff bestehende Wärmetauscher mit einem noch höheren Druck betrieben werden kann. Aufgrund der Wölbung der Front- und der Rückplatte werden Innendruckkräfte des Wärmeübertragers in Längskräfte in der Außenkontur umgewandelt und dort von in Längsrichtung hoch belastbaren Faserbandagen aufgenommen. Es ist auch möglich, aber in der Zeichnung nicht dargestellt, den Plattenwärmeübertrager 1 mit einem Wärmeisoliermaterial zu umspritzen.

[0018] Die faserverstärkten Wärmeübertragungsplatten 2 sind in nur einer Richtung (hier in einem Winkel von 45° zur Längsrichtung, wobei jeder Winkel zwischen 0 und < 90° möglich ist, wellenförmig profiliert. Die Wellenberge 7 und Wellentäler 8 haben die Gestalt eines Trapezes und sind jeweils gleich groß. (Es ist jedoch auch denkbar, die Wellenberge und die Wellentäler in voneinander unterschiedlicher Größe auszubilden, so dass - beispielsweise bei Medien mit unterschiedlicher Viskosität - in benachbarten Strömungskanälen des Plattenwärmetauschers 1 unterschiedliche Volumina transportiert werden können). Die Wärmeübertragungsplatten 2 weisen im Außenrandbereich eine umlaufende trapezförmige Verbindungssicke 9 und einen sich daran nach außen anschließenden waagerechten Randabschnitt 10 und einen sich nach innen anschließenden umlaufenden, waagerechten Verbindungsbereich 15 auf. In den Eckbereichen der Wärmeübertragungsplatten 2 befinden sich Durchgangsöffnungen 11, über die das jeweils über die Anschlussstutzen 5 zugeführte wärmeabgebende Medium bzw. das wärmeaufnehmende Medium in den jeweiligen, zwischen zwei Wärmeübertragungsplatten 2 gebildeten Strömungskanal geleitet wird. Auf der Längsseite der Wärmeübertragungsplatte 2 mit dem Fluideintritt- und -austritt sind in dem von der betreffenden Durchgangsöffnung 11 ausgehenden - tief liegenden - Randbereich 11' zur Bildung der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung des Strömungskanals zwischen zwei benachbarten Wärmeübertragungsplatten 2 Fluidverteilungselemente 12 angebracht. Diese - beispielsweise in Form eines düsenförmige Durchlässe 13 bildenden Ringes gestalteten Fluidverteilungselemente 12 sorgen zum einen für eine bessere Verteilung des zugeführten Fluids im betreffenden Strömungskanal und sorgen darüber hinaus aber gleichzeitig für eine gegenseitige Abstützung benachbarter Wärmeübertragungsplatten 2 im Bereich der Durchgangsöffnungen 11 im Fluideintritts- und - austrittsbereich und somit für eine hohe Druckfestigkeit auch in diesem Teil des Plattenwärmeübertragers 1.

[0019] Die zuvor beschriebenen - identisch ausgebildeten - Wärmeübertragungsplatten 2 werden - jeweils um die Querachse um 180° gedreht - übereinander gestapelt und an den Berührungsflächen zwischen zwei Platten, das heißt, an den aneinanderstoßenden waagerechten Rücken 14 der umlaufenden trapezförmigen Verbindungssicken 9 bzw. an den an die Sicken 9 zum Inneren der Platten hin angrenzenden umlaufenden waagerechten Verbindungsbereichen 15, an den von den Durchgangsöffnungen 11 ausgehenden aneinander stoßenden Randbereichen 11" sowie den sich kreuzenden Berührungsflächen 16 der trapezförmigen Wellenberge 7 durch Reibschweißen fest und abdichtend miteinander verbunden. Eine weitere Verbindung zwischen den Platten kann auch im Bereich der Fluidverteilungselemente 12 erfolgen. Neben dem Reibschweißen kann die Verbindung und Abdichtung auch durch andere Schweißverfahren oder - bei Wärmeübertragungsplatten aus duroplastischem Kunststoff - durch Kleben erfolgen.

[0020] Der zuvor beschriebene Plattenwärmeübertrager aus Kunststoff zeichnet sich aufgrund der konstruktiven und werkstoffseitigen Gestaltung der dünnen, hoch wärmeleitfähigen und hochfesten sowie an mehreren Flächenabschnitten fest und abdichtend miteinander verbundenen Wärmeübertragungsplatten durch eine hohe Druckfestigkeit und Wärmeübertragungsleistung aus. Zusätzlich wird die Druckfestigkeit noch durch die um die gewölbte Front- und Rückplatte gewickelten Bandagen aus kunststoffgetränkten Endlosfasern erhöht. Die Herstellung der in nur einer einzigen Form ausgebildeten Wärmeübertragungsplatten erfolgt durch ein kombiniertes Verfahren aus Umformen der thermoplastisch faserverstärkten Kunststoffplatte und Anspritzen von eventuell erforderlichen Verstärkungs- oder Funktionselementen. Die Herstellung der Platten und die Montage des Plattenwärmeübertragers ist einfach und kostengünstig.

Bezugszeichenliste

[0021] 

1

Plattenwärmeübertrager

2

Wärmeübertragungsplatten

3

Frontplatte (3' Öffnungen in 3)

4

Rückplatte

5

Anschlussstutzen

6

Bandage

7

Wellenberg

8

Wellentäler

9

umlaufende trapezförmige Verbindungssicke

10

waagerechter Randabschnitt

11

Durchgangsöffnungen

11'

tiefliegender Randbereich, unteres Plattenniveau

11"

hochliegender Randbereich, oberes Plattenniveau

12

Fluidverteilungselement (Stützring)

13

düsenförmige Durchlässe

14

Rücken von 9

15

waagerechter Verbindungsbereich

16

sich kreuzende Berührungsflächen

Ansprüche

1. Plattenwärmeübertrager aus Kunststoff, der einen mit einer Frontplatte (3) und einer Rückplatte (4) abgedeckten Plattenstapel aus an einem umlaufenden Randabschnitt (10) abdichtend miteinander verbundenen, profilierten Wärmeübertragungsplatten (2) zur Bildung von abwechselnd für ein erstes Fluid und für ein zweites Fluid vorgesehenen Strömungskanälen umfasst, wobei die Wärmeübertragungsplatten (2) jeweils zwei in einem oberen und einem unteren Plattenniveau (11', 11") ausgebildete Durchgangsöffnungen (11) zur Verbindung der für das jeweils gleiche Fluid vorgesehenen Strömungskanäle aufweisen, und wobei mit Endloskohlefasern versteifte, dünnwandige und durch die Einbindung der Kohlefasern hoch wärmeleitfähige, identisch ausgebildete Wärmeübertragungsplatten (2) mit nur in einer Richtung schräg zur Längsachse verlaufenden, das untere und obere Plattenniveau definierenden Wellenbergen (7) und Wellentälern (8) sowie einer am Randabschnitt (10) auf dem oberen Plattenniveau (11") umlaufenden Verbindungssicke (9) und einem sich von dieser zum Platteninneren hin anschließenden umlaufenden, in Bezug auf die Plattenebene waagerechten Verbindungsbereich (15) jeweils um eine Plattenquerachse gedreht aufeinandergestapelt und an den aneinanderstoßenden Verbindungssicken (9) und waagerechten Verbindungsbereichen (15) sowie an den Berührungsflächen (16) sich kreuzender Wellenberge (7) und der aneinanderstoßenden, im oberen Plattenniveau (11) hochliegenden Randbereiche der Durchgangsöffnungen (11) fest und abdichtend miteinander verschweißt oder verklebt sind.

2. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungssicken (9) und die Wellenberge (7) zur Erzielung eines großflächigen Abdicht- oder Verbindungsbereichs zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

3. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Fluideintritt und - austritt des zwischen benachbarten Wärmeübertragungsplatten (2) bestehenden Strömungskanals in einem tiefliegenden Randbereich (11') gegenüberliegender Durchgangsöffnungen (11) ein die beiden Randbereiche gegenseitig abstützendes und fest verbindendes Fluidverteilungselement (12) angeordnet ist.

4. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidverterteilungselement (12) als Stützring ausgebildet ist und düsenförmige Durchlässe (13) zur gleichmäßigen Fluidverteilung aufweist.

5. Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenberge (7) und die Wellentäler (8) zur Erzeugung eines unterschiedlichen Fluidvolumens in benachbarten Strömungskanälen unterschiedlich weit ausgebildet sind.

6. Plattenwärmeübertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine den Plattenstapel mit der Front- und der Rückplatte (3, 4) in Längs- und/oder Querrichtung umschließende Bandage (6) aus kunststoffimprägnierten Fasern.

7. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Front- und die Rückplatte (3, 4) auf der Außenseite konvex gewölbt ausgebildet sind.

8. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an dessen Außenfläche aufgebrachtes Wärmeisoliermaterial.

9. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch an den Außenflächen der Front- und der Rückplatte (3, 4) angebrachte Versteifungsrippen.

10. Plattenwärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix mit Kohlenstoffnanotubs (CNT) oder Graphen versehen ist.

11. Plattenwärmeübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungsplatten (2) elektrisch leitfähig sind und zur Erwärmung des Fluids durch Anlegen einer Spannung aufheizbar sind.

Zeichnung