DE10118625B4

DE10118625B4 - Wellenförmige Lamelle mit Versatz für Plattenwärmetauscher

Info

Publication number: DE10118625B4
Application number: DE10118625.8A
Authority: DE
Inventors: Claude Gerard; Claire Szulman; Fabienne Chatel; Jean-Yves Thonnelier; Etienne Werlen
Original assignee: Fives Cryo SAS
Current assignee: Fives Cryo SAS
Priority date: 2000-04-17
Filing date: 2001-04-12
Publication date: 2021-07-22
Anticipated expiration: 2021-04-13
Also published as: FR2807828A1; FR2807828B1; GB0109441D0; GB2362456B; DE10118625A1; US20010054499A1; JP2001349685A; US6415855B2; GB2362456A; JP4524052B2

Abstract

Wellenförmige Lamelle mit Versatz für Plattenwärmetauscher mit einer Hauptrichtung der Welle (D1) und einer Anzahl von benachbarten Reihen (9A, 9B, 9C) der Wellen, wobei jede Reihe im Wesentlichen quer in Bezug auf die Hauptrichtung der Welle läuft und in ihrer eigenen Längsrichtung (D2) in Bezug auf zwei benachbarte Reihen versetzt ist, und wobei jede Reihe der Wellen eine Anzahl von Wellenschenkeln (10) umfasst, die alternierend mit Wellenrücken (13) und Wellentälern (14) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Wellenschenkel (10) eine Ausnehmung (18, 21) an wenigstens einer in Hauptrichtung (D1) vorderen oder hinteren Kante (11, 12) und über wenigstens einen Teil der Höhe aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wellenförmige Lamelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine wellenförmige Lamelle mit Versatz für Plattenwärmetauscher, mit einer Hauptrichtung der Wellen und einer Anzahl von benachbarten Reihen von Wellen, wobei jede Reihe im Wesentlichen quer zu der Hauptrichtung verläuft und in Bezug auf die eigene Längsrichtung zu der nächsten Reihe versetzt ist, und wobei die Reihen der Wellen wenigstens einen Satz von Wellenschenkeln umfassen, die alternierend durch Wellenrücken und Wellentäler verbunden sind.
Wellenförmige Lamellen, die im Allgemeinen als „gezahnte Wellen“ bezeichnet werden, werden weithin verwendet für gelötete Plattenwärmetauscher, die den Vorteil haben, eine große Wärmetauscherfläche in Bezug auf ihr geringes Volumen zu bieten und leicht herzustellen zu sein. Bei diesen Wärmetauschern können die Fluidströme im Gleichstrom, im Gegenstrom oder im Querstrom geführt werden.
1 der Zeichnung, auf die bereits hier Bezug genommen werden soll, zeigt perspektivisch und mit teilweisen Ausbrüchen ein Ausführungsbeispiel eines derartigen herkömmlichen Wärmetauschers, auf den sich die Erfindung bezieht. Es kann sich dabei insbesondere um einen cryogenen Wärmetauscher handeln.
Der dargestellte Wärmetauscher 1 besteht aus einem Stapel von parallelen, rechtwinkligen Platten 2, die untereinander identisch sind und die zwischeneinander eine Anzahl von Kanälen für Fluide bilden, die in indirekten Wärmeaustausch gebracht werden sollen. Bei dem dargestellten Beispiel sind diese Kanäle nacheinander und zyklisch Kanäle 3 für ein erstes Fluid, 4 für ein zweites Fluid und 5 für ein drittes Fluid.
Jeder Kanal 3 bis 5 ist begrenzt durch Verschlußstangen 6, die die Kanäle unter Freilassung der Einlaß- und Auslaßöffnungen 7 für das entsprechende Fluid begrenzen.
In jedem Kanal sind wellenförmige Distanzstücke oder wellenförmige Lamellen 8 vorgesehen, die zugleich als Wärmetauscherrippen und als Abstandshalter zwischen den Platten dienen, insbesondere während des Lötvorgangs, und zur Vermeidung jeglicher Verformung der Platten bei Verwendung von Druckfluiden und zur Führung des Fluidstroms.
Der Plattenstapel, die Verschlußstangen und die wellenförmigen Distanzstücke bestehen im Allgemeinen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen und werden in einem einzigen Vorgang im Lötofen verbunden.
Einlaß- und Auslaßkästen 9 für Fluide, die insgesamt eine halbzylindrische Form aufweisen, werden sodann an den auf diese Weise hergestellten Wärmetauscherkorpus angeschweißt und überbrücken die entsprechenden Reihen der Einlaß- und Auslaßöffnungen, und sie sind mit Rohren 109 für die Zufuhr und Abfuhr der Fluide verbunden.
Es gibt unterschiedliche Typen von wellenförmigen Distanzstücken 8. Das herkömmliche wellenförmige Distanzstück, das als „gezahnte Welle“ bekannt ist, ist in 2 gezeigt.
Diese gezahnte Welle hat eine Hauptrichtung D1 der Welle und umfaßt eine große Anzahl von Reihen benachbarter Wellen 9A, 9B, 9C, usw., die in eine Richtung D2 senkrecht zur Richtung D1 orientiert sind.
Zur Erleichterung der Beschreibung soll angenommen werden, daß die Richtungen D1 und D2 gemäß 2 waagerecht sind.
Jede Reihe der Wellen weist eine abgewinkelte, wellige Form mit einer großen Anzahl von rechtwinkligen Wellenschenkeln 10A, 10B auf, die jeweils in einer senkrechten Ebene im rechten Winkel zu der Richtung D2 liegen. In Bezug auf eine Gesamtrichtung F des Fluidstroms in Richtung D1 in den jeweiligen Kanälen weist jeder Schenkel eine vordere Kante 11 und eine hintere Kante 12 auf. Die Schenkel sind alternierend entlang ihren oberen Kanten durch flache und waagerechte, rechtwinklige Wellenrücken 13 und entlang ihren unteren Kanten durch Wellentäler 14 verbunden, die ebenfalls rechteckig, flach und waagerecht sind.
Die Reihen 9A, 9B, 9C sind in Richtung D2 gegeneinander versetzt, und zwar abwechselnd zur einen und zur anderen Seite. Wenn der Abstand zwischen den aufeinanderfolgenden senkrechten Schenkeln 10A, 10B mit p bezeichnet werden, beträgt der Versatz unter Vernachlässigung der Dicke e des Dünnblechmaterials, aus denen die Wellen bestehen, p/2.
Jede Reihe 9A mit der nächsten Reihe 9B über die Rücken 13 in geradlinigen Abschnitten 15 mit der Länge p/2 verbunden, und über die Wellentäler 14 in geraden Linien 16 in den selben Längen p/2. Die Ebenen des Versatzes sind die senkrechten Ebenen P_AB, F_BC, etc., und die Ebenen des Versatzes, von oben gesehen, sind mit der Bezugsziffer 17 bezeichnet.
Im übrigen ist die Länge jeder Reihe 9A, 9B, 9C in Richtung D1 mit 1 bezeichnet worden, und diese Länge wird als Zahnungslänge bezeichnet, und die Höhe der Welle wird mit h bezeichnet.
In der Praxis können die verschiedenen Formen der Teile der Welle etwas von den beschriebenen theoretischen Formen abweichen, insbesondere hinsichtlich der Flachheit der Flächen 10, 13 und 14, der senkrechten Anordnung und der rechteckigen Form dieser Flächen.
3 bis 5 in der Zeichnung zeigen schematische Querschnitte entlang der senkrechten Ebene III-III in 2. annähernd in der Versatzebene P und der waagerechten Mittelebene Q der Wellen. Diese Darstellung veranschaulichen den Nachteil der herkömmlichen gezahnten Wellen.
Ein vorgegebener Fluidstrom, der in Richtung D1 strömt, hat in dieser Richtung innerhalb einer Reihe, beispielsweise der Reihe 9A, einen weiten Durchlaß zur Verfügung (3), der sich in jeder Ebene P wegen der Anwesenheit der Schenkel 10A, 10B der nächsten Reihe, in diesem Fall der Schenkel 10B der Reihe 9B, verengt.
Daher verursacht der charakteristische Versatz der gezahnten Wellenteile einen erheblichen Druckverlust. Um diesen Effekt einzugrenzen, müssen relativ große Wellenlängen 1 verwendet werden, obgleich diese nicht optimal sind im Hinblick auf die thermische Effektivität.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Druckverluste, die durch die wellenförmigen Lamellen aufgrund des Versatzes von einer Reihe gegen die nächste entstehen, zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine wellenförmige Lamelle mit teilweisem Versatz gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführung, die gekennzeichnet ist dadurch, daß wenigstens einige Wellenschenkel eine Nut an wenigstens einer Kante und über wenigstens einen Teil ihrer Höhe aufweisen.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung ein Plattenwärmetauscher mit wellenförmigen Lamellen, wie er oben definiert wurde. Dieser Wärmetauscher umfaßt einen Stapel von parallelen Platten, die eine Anzahl von insgesamt im wesentlichen flachen Kanälen zur Zirkulation von Fluiden bilden. Verschlußstangen, die diese Kanäle begrenzen, und wellenförmige Lamellen, die in den Kanälen angeordnet sind, zeichnet sich dadurch aus, daß wenigstens einige der wellenförmigen Lamellen der obigen Definition der Lamellen entsprechen.
Einige als Beispiel zur Verfügung stehende Ausführungsformen der Erfindung sollen jetzt anhand von 6 bis 17 der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.

6 zeigt in perspektivischer Darstellung eine wellenförmige Lamelle gemäß der Erfindung;
7 bis 13 sind Darstellungen ähnlich 6, und zeigen jedoch andere Ausführungsformen der Erfindung;
14 ist eine Darstellung ähnlich 5. bezieht sich jedoch auf eine Lamelle gemäß 6, 7 und 8;
15 ist eine Darstellung ähnlich 14, bezieht sich jedoch auf eine wellenförmige Lamelle gemäß 9, 10 und 11;
16 und 17 zeigen Einzelheiten zu 5 und 14 und veranschaulichen eine Eigenschaft der wellenförmigen Lamellen gemäß der Erfindung.

Bei der Ausführungsform gemäß 6 weist jeder Schenkel 10 eine Nut oder Ausnehmung 18A, 18B an ihrer vorderen Kante auf. Diese Ausnehmung 18A, 18B erstreckt sich von dem Wellental 14 bis zur mittleren Höhe, d. h. bis zur Höhe h/2.
In 6 bis 13 sind zwei Reihen der Wellen 9A und 9B perspektivisch dargestellt. Diese wellenförmigen Elemente sind mit den Suffixen A und B entsprechend der zugehörigen Reihe gekennzeichnet worden.
Die Ausführungsform von 7 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 6 nur dadurch, daß die Ausnehmungen 18A, 18B, die auch hier eine Länge h/2 haben, im Mittelbereich entlang der vorderen Kante 11 verlaufen, ohne den oberen Rücken oder das untere Wellenteil 14 zu berühren.
Die Ausführungsform gemäß 9 unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform nur dadurch, daß die Schenkel 10 auch eine Ausnehmung 21 über die gesamte Höhe der hinteren Kante 12 aufweisen. Diese Ausnehmungen 21 berühren den oberen Rücken 13 und das untere Wellenteil 14 ebenfalls nicht.
Die wellenförmige Lamelle gemäß 10 unterscheidet sich von derjenigen der 7 nur dadurch, dass zusätzlich eine Ausnehmung 21 der Höhe h/2 im Mittelbereich der hinteren Kante 12 jedes Schenkels vorgesehen ist. Als Alternative können die Ausnehmungen 18A, 18B und 21A, 21B eine andere Länge als h/2, jedoch geringer als h aufweisen.
Bei der Ausführungsform der gewellten Lamelle gemäß 11 weist jeder Schenkel eine Ausnehmung 18A, 18B der vorderen Kante und eine Ausnehmung 21 der hinteren Kante auf. Diese beiden Ausnehmungen haben dieselbe Höhe zwischen h/2 und h und dieselbe vertikale Position, jedoch sind die Ausnehmungen senkrecht von einem Schenkel zum nächsten versetzt. Auf diese Weise liegen von einer Reihe 9A und 9B zur nächsten und von einem Schenkel zum nächsten die Ausnehmungen 18A, 18B und 21A, 21B alternierend angrenzend an den Rükken der Welle 13 oder angrenzend an das Wellenteil 14.
Die Ausführungsform gemäß 12 unterscheidet sich von derjenigen der 9 nur dadurch, daß Ausnehmungen 18A, 18B und 21A, 21B alternierend in die Rücken 13 und die Wellentäler 14 fortgesetzt werden und diese schwächen. Diese Schwächung kann nachteilig sein, wenn Fluide unter Druck transportiert werden, da sie den Bereich der Fläche der Lamellen verringert, auf der diese mit den angrenzenden Platten des Wärmetauschers verschweisst sind.
Daher ist es vorzuziehen, bei bestimmten Anwendungsfallen gemäß 13 einen Versatz geringer als p/2 von einer Reihe zur nächsten zu verwenden. Daraus ergibt sich der Vorteil größerer mechanischer Festigkeit, jedoch auf der anderen Seite eine Verringerung thermischer Wirksamkeit.
Wie in 14 und 15 gezeigt ist, ist bei allen Ausführungsformen der oben beschriebenen Lamellen 8 vorgesehen, daß die Ausnehmungen 18A, 18B oder 18A, 18B und 21A, 21B (oder 21A, 21B) einen zweidimensionalen Fluß des Fluids im Bereich der Versatzlinien 17 ermöglichen. Folglich werden die Ströme des Fluids, die aus den verschiedenen Kanälen in den Lamellen kommen, teilweise durchmischt. Die Wirksamkeit des Wärmeaustausches wird dadurch verbessert.
Wenn außerdem ein senkrechter Versatz zwischen den Ausnehmungen 18A, 18B und 21A, 21B vorgesehen ist, wie es im Fall der 11 gezeigt ist, ergibt sich ein dreidimensionaler Effekt in bezug auf den Fluß des Fluids, und dieser ermöglicht einen weiterverbesserten Wärmeaustausch.
Ein Vergleich zwischen 16 und 17, die den Strom eines Fluids durch eine in herkömmliche Weise ausgebildete Welle (16) und durch eine erfindungsgemäße Welle (17) zeigen, verdeutlicht, daß der Druckverlust aufgrund der Einschnürung des Kanals an der Versatzlinie 17 erheblich reduziert wird, wenn der Kanalquerschnitt 22, der definiert wird durch die Ausnehmungen 18A, 18B (oder 21A, 21B, wenn nur an der vorderen Kante Ausnehmungen vorgesehen sind, oder durch Ausnehmungen 18A, 18B und 21A, 21B, die einander zugewandt sind), wenigstens halb so groß ist wie der Kanalquerschnitt 23 jedes Kanals, der zwischen zwei Schenkeln liegt. Auf diese Weise wird die Drosselung bei Überquerung der Linie 17 eliminiert.
Die hier beschriebenen Lamellen können aus verschiedenen Materialien bestehen, die üblicherweise bei Plattenwärmetauschern verwendet werden, nämlich Aluminium und Aluminiumlegierungen, Kupfer oder Kupferlegierungen, nichtrostende Stähle oder Titan.

Claims

Wellenförmige Lamelle mit Versatz für Plattenwärmetauscher mit einer Hauptrichtung der Welle (D1) und einer Anzahl von benachbarten Reihen (9A, 9B, 9C) der Wellen, wobei jede Reihe im Wesentlichen quer in Bezug auf die Hauptrichtung der Welle läuft und in ihrer eigenen Längsrichtung (D2) in Bezug auf zwei benachbarte Reihen versetzt ist, und wobei jede Reihe der Wellen eine Anzahl von Wellenschenkeln (10) umfasst, die alternierend mit Wellenrücken (13) und Wellentälern (14) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Wellenschenkel (10) eine Ausnehmung (18, 21) an wenigstens einer in Hauptrichtung (D1) vorderen oder hinteren Kante (11, 12) und über wenigstens einen Teil der Höhe aufweisen.
Wellenförmige Lamelle gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Ausnehmung (18, 21) so gewählt ist, dass ein Fluidstrom im Wesentlichen in Hauptrichtung der Welle (D1) entsteht bei einem Kanalquerschnitt, der im Bereich der Ausnehmungen der Schenkel (10) im Wesentlichen konstant oder erhöht ist.
Wellenförmige Lamelle gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (18) an der vorderen Kante (11) des Schenkels vorgesehen ist.
Wellenförmige Lamelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (21) an der hinteren Kante (12) des Schenkels vorgesehen ist.
Wellenförmige Lamelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einige Ausnehmungen (18, 21) in Bezug auf die anderen im rechten Winkel zu der Gesamtebene der Lamelle versetzt sind.
Wellenförmige Lamelle gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (18, 21) im rechten Winkel zu der Gesamtebene der Lamelle von einem Wellenschenkel (10) zum nächsten in derselben Reihe (9A, 9B) versetzt sind.
Wellenförmige Lamelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (18, 21) über die gesamte Höhe des Wellenschenkels (10) verläuft.
Wellenförmige Lamelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (18, 21) in das angrenzende Wellental (14) und/ oder den angrenzenden Wellenrücken (13) fortgesetzt ist.
Wellenförmige Lamelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz von einer Reihe zur nächsten geringer ist als die halbe Wellenlänge (p/2).
Plattenwärmetauscher mit einem Stapel von parallelen Platten (2), die eine Anzahl von Kanälen (3 bis 5) mit generell flacher Form für den Durchlauf von Fluiden, Verschlussstangen (6), die diese Kanäle begrenzen, und wellenförmige Lamellen (8) innerhalb der Kanäle umfassen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der wellenförmigen Lamellen (8) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet sind.