DE102016005999A1

DE102016005999A1 - Kissenplatten-Wärmeübertrager

Info

Publication number: DE102016005999A1
Application number: DE102016005999.0A
Authority: DE
Inventors: Mark Piper; Eugeny Y. Kenig
Original assignee: Universitaet Paderborn
Current assignee: Universitaet Paderborn
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2017-11-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kissenplatten-Wärmeübertrager umfassend ein Paket (2) aus mehreren gestapelten Kissenplatten (1), wobei jede Kissenplatte (1) zwei Bleche umfasst, die an ihren Rändern miteinander verbunden sind, insbesondere verschweißt sind und die zwischen den Rändern (1R) in mehreren Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen (1S) miteinander verbunden sind, insbesondere wobei eine jeweilige Kissenplatte (1) in Bereichen zwischen den Verbindungsbereichen (1S) kissenartig ausgebaucht ausgebildet ist, wobei innerhalb einer jeden Kissenplatte (1) ein Strömungsweg für ein erstes Medium ausgebildet ist und im Bereich zwischen je zwei benachbart angeordneten Kissenplatten (1) ein Strömungsweg für ein zweites Medium ausgebildet ist, wobei zwischen zwei benachbart angeordneten Kissenplatten (1), insbesondere zwischen jedem Paar von zwei benachbart angeordneten Kissenplatten (1) des Paketes (2) jeweils wenigstens ein strömungsführendes Element (1KS, 7, 8, 10) ausgebildet oder angeordnet ist, das eine Längserstreckung senkrecht zur Stapelungsrichtung (3) der paketbildenden Kissenplatten (1) aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Kissenplattenwärmeübertragers.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kissenplatten-Wärmeübertrager umfassend ein Paket aus mehreren gestapelten Kissenplatten, wobei jede Kissenplatte zwei Bleche umfasst, die an ihren Rändern miteinander gedichtet verbunden, insbesondere verschweißt sind und die zwischen den Rändern in mehreren Verbindungsbereichen, insbesondere lokal begrenzten Verbindungsbereichen, bevorzugt Schweißbereichen miteinander verbunden sind, insbesondere wobei eine jeweilige Kissenplatte in Bereichen zwischen den Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen kissenartig ausgebaucht ausgebildet ist, wobei innerhalb einer jeden Kissenplatte ein Strömungsweg für ein erstes Medium ausgebildet ist und im Bereich zwischen je zwei benachbart angeordneten Kissenplatten ein Strömungsweg für ein zweites Medium ausgebildet ist.
Solche Kissenplatten-Wärmeübertrager sind im Stand der Technik bekannt und werden auch als Thermoblech-Wärmeübertrager bezeichnet. Beide Bezeichnungen stehen für dieselbe Konstruktion. Gemäß einer Möglichkeit der Herstellung wird eine Kissenplatte aus zwei zunächst planen Blechen gefertigt, die am Rand, insbesondere komplett umlaufend bis auf Zu- und Abführöffnungen, gedichtet verbunden, bevorzugt verschweißt werden. In einer Richtung senkrecht zur Blechebene werden die Bleche miteinander in Verbindungsbereichen verbunden, bevorzugt in Schweißbereichen durch Schweißen verbunden, typischerweise in Schweißpunkten oder Schweißlinien.
Eine solche noch plane Konstruktion wird unter Überdruck gesetzt, z. B. durch innere Fluidbeaufschlagung, wodurch sich die Bleche zwischen den Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen, in denen sie verbunden sind, kissenförmig ausbauchen. Durch die verbundenen Bereiche zwischen den Blechen wird die Fluidführung eines Medium im Inneren einer jeden solchen Kissenplatte definiert.
Die Ausbauchung beider Bleche kann gleich sein, wenn z. B. gleichdicke Bleche in einer Kissenplatte verwendet werden oder auch unterschiedlich sein, wenn verschieden dicke Bleche verwendet werden und sich überwiegend oder ausschließlich das dünnere der beiden Bleche ausbaucht.
Alternativ zu vorgenannter Herstellung, können die einzelnen Bleche auch durch einen Preß-Schritt mechanisch verformt sein, z. B. durch Tiefziehen und bereits vor der Verbindung an den Rändern und den Verbindungsbereichen ausgebauchte Kissen aufweisen. In diesem Fall entfällt eine Kissenbildung durch Druckbeauschlagung.
Die vorgenannten Verbindungen an den Rändern und in den Verbindungsbereichen werden bevorzugt durch Schweißen erstellt. Es können jedoch auch geklebte und/oder gelötete Verbindungen zum Einsatz kommen.
Eine Wärmeübertragung kann stattfinden zwischen einem ersten Wärmeträgermedium, welches im Inneren der Kissenplatten strömt und einem zweiten Medium, das außen um die Platten herumströmt. Die Medien können flüssig und/oder gasförmig sein. Ein Wärmeträgermedium kann z. B. in einer möglichen Kondensator-Anwendung ein Kühlmedium sein.
In einem Kissenplattenwärmetauscher werden üblicherweise mehrere in einer Stapelungsrichtung senkrecht zur Blechebene gestapelte Kissenplatten an den Seiten- bzw. Randbereichen mit Seitenblechen verschlossen, um so auch den Strömungsweg für das zweite Medium von der Umgebung zu trennen, bzw. diesen zu definieren. Als Blechebene kann die Ebene der ursprünglich planen Bleche verstanden werden oder alternativ eine Mittelebene einer Kissenplatte.
Somit sind bei solchen typischen Konstruktionen sowohl der erste als auch der zweite Strömungsweg von der atmosphärischen Umgebung getrennt. Die Strömung erfolgt dabei zwischen gegenüberliegenden Ein- und Auslaßbereichen des Wärmeübertragers und erfolgt bei üblichen bisherigen Konstruktionen im zweiten Strömungsweg auf direkten gradlinigen Weg.
Allenfalls wird der Strömungsweg durch Abstandshalter oder Montagestäbe lokal gestört, die sich zwischen den gestapelten Kissenplatten in der Stapelungsrichtung erstrecken und lediglich vorgesehen sind, um eine mechanische Stabilität des Wärmeübertragers zu erreichen. Die Strömung wird hierbei jedoch nicht durch solche Abstandshalter/Montagestäbe in einen bestimmten gewünschten Strömungsweg gelenkt. Die mittlere Strömungsrichtung wird hierdurch nicht beeinflusst.
Innerhalb der Kissenplatten kann der Strömungsweg für das erste Medium von einer (insbesondere mittlere) Geradlinigkeit abweichen, wenn nämlich z. B. die Verbindungsbereiche, insbesondere die Schweißbereiche (bevorzugt Schweisslinien), in denen die gegenüberliegenden Bleche einer Kissenplatte verbunden sind, den gradlinigen Strömungsweg zwischen Ein- und Auslaß verhindern, insbesondere die mittlere Strömungsrichtung mehrfach umlenken. Z. B. ist es hier bekannt einen mäanderförmigen Weg zu definieren.
Bei den bisherigen Konstruktionen im Stand der Technik weichen somit der Strömungsweg für das erste Medium und der für das zweite Medium voneinander ab. Eine echte Gegen- oder Gleichstrombetriebsweise ist daher bislang nicht möglich.
Somit ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Konstruktion von Kissenplattenwärmetauschern bereitzustellen, mit der auch für das zweite Medium ein Strömungsweg, der zwischen benachbarten Kissenplatten verläuft, definiert werden kann, insbesondere dieser Strömungsweg mehrfach umgelenkt wird und bevorzugt der Strömungsweg für das zweite Medium mit demjenigen Strömungsweg für das erste Medium, insbesondere im Mittel, korrespondiert, der innerhalb einer jeden Kissenplatte ausgebildet ist, insbesondere um echten Gleich- oder Gegenstrom zu ermöglichen. Weiterhin ist es eine Aufgabe, die Verteilung der Strömung im Spalt zwischen benachbarten Blechen zu erleichtern bzw. zu verbessern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen zwei benachbart angeordneten Kissenplatten, insbesondere zwischen jedem Paar von zwei benachbart angeordneten Kissenplatten des gestapelten Paketes jeweils wenigstens ein strömungsführendes Element angeordnet ist, das eine Längserstreckung senkrecht zur Stapelungsrichtung der paketbildenden Kissenplatten aufweist.
Durch diese Ausbildung wird erreicht, dass auch zwischen den Kissenplatten eine Definition des Strömungsweges für das zweite Medium erfolgt. Durch die Ausrichtung der Längserstreckung senkrecht zur Stapelungsrichtung wird bevorzugt der Strömungsweg zwischen den gegenüberliegenden Ein- und Auslaßbereichen aus einer direkten geradlinigen Verbindungsrichtung herausgelenkt. Die Strömung kann so entlang der Längserstreckungsrichtung der Elemente durch diese Elemente geführt werden. Die Richtung der Längserstreckung kann dabei Richtungskomponenten in Richtung der Breite und/oder in Richtung der Länge des Wärmetauschers aufweisen.
Dies führt auch zu einer Verlängerung des effektiven Strömungsweges gegenüber der geradlinigen Verbindung zwischen Ein- und Auslassbereich. Es können dabei bevorzugt zwischen je zwei benachbarten Kissenplatten auch mehrere strömungsführende Elemente eingesetzt werden, um die Strömung wenigstens einmal, bevorzugt mehrfach zwischen zwei gegenüberliegenden Seiten hin- und zurückzuführen, insbesondere zwischen zwei solchen gegenüberliegenden Seiten, an denen nicht die Ein- und Auslassbereiche angeordnet sind. So kann z. B. auch zwischen benachbarten Kissenplatten ein mäanderförmiger Weg erschlossen werden.
Die strömungsführenden Elemente können allgemein dabei so angeordnet werden, dass deren jeweilige Lage zwischen zwei Kissenplatten mit einer jeweiligen Lage von strömungsführenden Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen, bevorzugt Schweißlinien der beiden umgebenden Kissenplatten übereinstimmt. Unter einer Übereinstimmung wird dabei bevorzugt verstanden, dass ein jeweiliges strömungsführendes Element und jeweiliger strömungsführender Verbindungsbereich/Schweißbereich (Schweißlinie) in Stapelungsrichtung der Kissenplatten fluchtend hintereinander angeordnet sind. So kann, insbesondere auch auf einem nicht geradlinigen Strömungsweg zwischen Ein- und Auslaß beider Medien ein echter Gleich- oder Gegenstrom erzielt werden.
Die Erfindung kann vorsehen, dass sich wenigstens ein strömungsführendes Element, insbesondere jedes, von einer Randseite des Paketes, insbesondere an welcher alle Kissenplattenränder miteinander (z. B. durch Seitenbleche) verbunden sind, bevorzugt an welcher das Element abstandslos anschließt, in Richtung zur gegenüberliegenden Randseite erstreckt und in einem Abstand vor der gegenüberliegenden Randseite endet, insbesondere wobei keine dieser Randseiten den Ein- und/oder Auslass für das zweite Medium umfasst. Nur an der genannten gegenüberliegenden Randseite kann somit am Ende des strömungsführenden Elementes das zweite Medium das Element umströmen, wobei es vor dem Ende an dem Element entsprechend seiner Längserstreckung entlanggeführt wird.
Bei einer angenommenen Strömung von oben nach unten kann so das zweite Medium erst am genannten Ende des Elementes zwischen diesem und dem gegenüberliegenden Rand von einem Bereich oberhalb des Elementes in einen Bereich unterhalb des Elementes übertreten.
Zwei solcher Elemente, die an einer Randseite ohne Abstand zu dieser starten und sich in Richtung zur gegenüberliegenden Randseite erstrecken und vor dieser mit Abstand enden können auch auf gleicher Höhe (bezogen auf die Verbindungrichtung zwischen Einlaß und Auslaß) gegenüberliegend angeordnet sein, so dass zwischen deren jeweiligen freien Enden ein Abstandsbereich ausgebildet ist, durch den das Medium hindurchströmen kann. Ein solcher Abstandsbereich kann bevorzugt zwischen den genannten Randseiten mittig angeordnet sein.
Die Erfindung kann aber auch vorsehen, dass wenigstens ein strömungsführendes Element zwischen zwei gegenüberliegenden Randseiten des Paketes angeordnet ist und zu beiden dieser Randseiten einen Abstand aufweist, insbesondere zu beiden Randseiten den gleichen Abstand aufweist. Mehrere solcher Elemente können auf derselben Höhe mit Abstand zueinander angeordnet sein. Die Längserstreckungsrichtung des jeweiligen Elementes verläuft dabei bevorzugt in einer Verbindungsrichtung zwischen diesen Randseiten, insbesondere bedeutet dies, dass eine gedachte, entlang der Längserstreckungsrichtung durch das Element gelegte Gerade beide Randseiten, oder zumindest deren Tangenten schneidet. Anders als bei der vorherigen Ausführung kann das Medium hier an beiden Enden eines Elementes um dieses Element herumströmen.
Die vorgenannten Ausführungen können auch miteinander kombiniert werden. Insbesondere kann in einer Verbindungsrichtung zwischen Einlaß und Auslaß des zweiten Mediums wenigstens ein Element einer der Ausführungen abwechselnd mit wenigstens einem Element einer anderen der genannten Ausführungen angeordnet sein.
Bevorzugt kann es bei jeder der möglichen vorgenannten Ausführungen vorgesehen sein, dass sich ein jeweiliges strömungsführendes Element in einer Richtung senkrecht zur den beiden Randseiten erstreckt, insbesondere also denen ohne Ein-/Auslass.
Eine weiterhin bevorzugte Ausführung kann vorsehen, dass betrachtet in der geometrischen Verbindungsrichtung zwischen den Ein- und Auslassseiten des Paketes, an denen die Ein- und Auslässe zumindest des zweiten Mediums, bevorzugt beider Medien, angeordnet sind, hintereinander angeordnete strömungsführende Elemente fingerartig ineinander verzahnt angeordnet sind. Insbesondere bedeutet das, dass das Ende eines Elementes welches von einer ersten Randseite in Richtung zu einer zweiten Randseite erstreckt in einem Bereich zwischen zwei anderen Elementen liegt, die sich von der zweiten Randseite in Richtung zur ersten Randseite Seite erstrecken. Die Verzahnung kann allgemein auch so ausgebildet sein, dass zwei in Strömungsrichtung hintereinander folgende strömungsführende Elemente eine jeweilige Länge in der Längserstreckungsrichtung aufweisen, deren Summe größer ist als der Abstand zwischen den Randseiten. Insbesondere hierdurch wird sichergestellt, dass sich in der Verbindungsrichtung zwischen Ein- und Auslaß betrachtet die jeweiligen Enden überlappen.
Allgemein und insbesondere durch die vorgenannte Ausführung bietet die Konstruktion die Eigenschaft, dass durch die strömungsführenden Elemente im Strömungsweg des zweiten Mediums jegliche direkte geradlinige Verbindung und/oder Strömungsmöglichkeit für das zweite Medium zwischen dessen Ein- und Auslassseite, insbesondere zwischen dessen Ein- und Auslass unterbrochen ist.
Dies wird insbesondere vorteilhaft unterstützt, wenn ein strömungsführendes Element, bevorzugt jedes, dicht an den beiden aufeinander zuweisenden Blechflächen der sich gegenüberliegenden Kissenplatten anliegt, insbesondere also im Bereich der Längserstreckung des Elementes eine Strömung zwischen dem jeweiligen Element und der Kissenplattenoberfläche unmöglich ist.
Eine bevorzugte Ausführung kann hier vorsehen, dass ein strömungsführendes Element, bevorzugt jedes, zwischen zwei Blechflächen sich gegenüberliegender Kissenplatten form- und/oder kraftschlüssig angeordnet, insbesondere eingeklemmt ist.
Ein strömungsführendes Element kann z. B. ausgebildet sein durch ein verformbares, insbesondere elastisch, elastoplastisch oder auch nicht reversibel verformbares Material, das an den Oberflächenverlauf der Kissen der sich gegenüberliegenden Bleche zweier verschiedener sich gegenüberliegenden Kissenplatten angepasst ist, insbesondere an der Oberfläche beider Blechflächen gedichtet anliegt.
Besonders bei einer Einklemmung eines solchen Elementes zwischen zwei Kissenplatten, die zum Zweck des Klemmens in Stapelungsrichtung aufeinander zubewegt werden, kann eine Verformung des Elementes aus einer Ursprungsform heraus erfolgen, welches sich dadurch an die Oberflächenform der Kissenplatten dicht anlegt.
Z. B. kann ein solches Element dafür aus einem Elastomer ausgebildet sein oder auch aus einem nicht reversibel verformbaren, bevorzugt geschlossenporigen Schaumgefüge, insbesondere Metallschaum. Die Verformung kann bewirkt werden durch die Kraft, die bei Stapeln der Kissenplatten in Stapelungsrichtung erzeugt wird. Diese Kraft kann durch Abstandshalter begrenzt sein, die verhindern, dass bei der Stapelung die Kissenplatten einen gewünschten Abstand unterschreiten.
Ein strömungsführendes Element kann auch ausgebildet sein als ein Körper, z. B. starrer Körper, mit gegenüberliegenden, in der Längserstreckungsrichtung verlaufenden planen Flächen, der ebenso über die Längserstreckungslänge des Körpers plan ausgebildete sich gegenüberliegende Oberflächenbereiche der Kissenplatten direkt oder indirekt über ein Dichtmittel mit seinen planen Flächen kontaktiert.
Solche planen Bereiche an den Kissenplatten können erzielt werden durch flächige Verbindungen, bevorzugt Verschweißung der Bleche der Kissenplatten in den gewünschten planen Bereichen, so dass sich diese Bereiche bei einer Fluidbeaufschlagung mit einem unter Druck stehenden Fluid nicht ausbauchen, also keine Kissen ausbilden, sondern die ursprünglich plane Form der Bleche dort erhalten bleibt.
Bei einer Herstellung der Kissen in den Blechen durch Tiefziehen oder einen anderen Press-Schritt können die planen Bereiche durch nicht umgeformte Blechbereiche ausgebildet werden.
Ggfs. kann bei geschweißten Bereichen die Oberfläche eingeebnet werden um eine gewünschte oder nötige Planität zu erzielen. Bei ausreichender Planität zwischen den genannten Flächen der Elemente und der Kissenplatten muss kein Dichtmittel zwischen diesen Flächen eingesetzt werden, da sich keine oder nur unwesentliche Restspalte ergeben, durch die das zweite Medium fließen kann. Insbesondere bei nicht ausreichender Planität kann ein Dichtmittel zwischen den genannten Flächen zum Einsatz kommen.
Ein jeweiliges strömungsführendes Element kann auch ausgebildet sein durch sich direkt oder indirekt über ein Dichtmittel kontaktierende Oberflächenbereiche von jeweiligen längserstrecken kissenförmigen Ausbauchungen der sich gegenüberliegenden Bleche zweier verschiedener sich im Stapel gegenüberliegender Kissenplatten. In diesem Fall ist ein strömungsführendes Element somit nicht durch ein zu den Kissenplatten separates Element ausgebildet, sondern wird durch die Kissenplatten selbst ausgebildet, insbesondere durch je zwei gegenüberliegende Kissenplatten.
Hierfür können bevorzugt die ein jeweiliges strömungsführendes Element bildenden kissenförmigen Ausbauchungen eine größere/höhere Ausbauchung aufweisen, als umliegende kissenförmige Ausbauchungen.
Durch das Stapeln der Kissenplatten in der genannten Stapelungsrichtung senkrecht zur Blechebene kommen somit die weiter bzw. maximal ausgebauchten Bauchbereiche dieser zur Elementbildung genutzten Kissen miteinander in Kontakt und sperren den Strömungsweg des zweiten Mediums entlang der Kontaktlinie bzw. -fläche ab. Der Kontakt kann dabei direkt zwischen den Bauchbereichen erfolgen oder auch mittelbar durch dazwischen befindliche Dichtelemente.
Die Stapelung kann in einer möglichen Ausführung so, insbesondere also mit einer solchen Stapelungskraft erfolgen, dass eine Verformung der Kissen erfolgt, die zur Elementbildung verwendet werden. Bei dieser Verformung kann eine ursprüngliche Ausbauchung abgeplattet werden.
Es kann in einer anderen Ausführung hingegen auch vorgesehen sein, schon vor dem Stapeln diejenigen ausgebauchten Kissen, die zur Elementbildung genutzt werden abzuplatten, so dass sich ein Flächenkontakt zwischen den gegenüberliegenden Kissen ergibt, insbesondere also ohne dass dieser durch die Stapelungskraft erzeugt werden muss. Eine Abplattung muss hingegen nicht zwingend vorgesehen werden. Z. B. kann auch ein Linienkontakt zwischen den zur Elementbildung genutzten Kissen benachbarter Kissenplatten vorgesehen sein.
Bei diesen vorgenannten Ausführungen der Elementbildung durch Kissen kann ein jeweiliger an einer Randseite vor den längserstreckten kissenförmigen Ausbauchungen liegender Bereich zwischen zwei Kissenplatten mit einem Dichtmittel/Dichtelement verschlossen werden. Dies ist vorgesehen, da die Kontaktlinien bzw. Kontaktflächen zwischen gegenüberliegenden Kissen vor dem Randbereich der Kissenplatten enden. Der Randbereich bis zur Kontaktlinie/-fläche wird so durch das Dichtelement geschlossen.
Eine andere Ausführung kann auch vorsehen, dass ein jeweiliges strömungsführendes Element ausgebildet ist durch ein Blech, das in jeweilige Schlitze jeder Kissenplatte eingeschoben ist, wobei die einem Blech zugeordneten Schlitze aller Kissenplatten in Stapelungsrichtung des Paketes fluchtend hintereinander liegen.
Hier kann ein jeweiliger Schlitz sich vom Rand einer Kissenplatte in Richtung zum gegenüberliegenden Rand erstrecken, insbesondere senkrecht zur Randrichtung, vor dem gegenüberliegenden Rand enden und die Kissenplatte kann entlang des Schlitzes durch eine um den Schlitz herumlaufende und in die Randverbindung, insbesondere Randverschweißung übergehende Verbindung/Verschweißung gedichtet sein. So bleibt das Innere der Kissenplatte trotz der Schlitzung in den beiden zur Kissenplatte verbundenen Blechen gegenüber dem Außenbereich getrennt.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert:
1 zeigt eine erste Ausführungsmöglichkeit der Erfindung.
Bei dieser, sowie auch den nachfolgend noch beschriebenen Ausführungen ist allgemein der Wärmeübertrager aus mehreren Kissenplatten 1 zu einem Kissenplattenpaket 2 gestapelt. Jede Kissenplatte 1 hat einen Rand 1R, an welchem die beiden Bleche, welche die Kissenplatte ausbilden, miteinander verbunden, insbesondere verschweißt sind.
Bei jeder Kissenplatte 1 sind weiterhin die beiden Bleche durch Verbindungen, bevorzugt punktuelle Verbindungen, insbesondere Schweißungen 1S in der Stapelungsrichtung 3 verbunden und die nicht verbundenen Blechbereiche ausgebaucht ausgebildet, bilden also Kissen 1K aus. Diese Kissen 1K sind in der 1 und den Aufsichten der nachfolgenden Figuren nicht visualisiert, jedoch in den Querschnittsdarstellungen erkennbar.
An zwei gegenüberliegenden Seiten, hier oben und unten, sind im Rand Öffnungen vorgesehen, um ein erstes Medium in das Innere der Kissenplatten 1 einzuleiten und wieder herauszuleiten. Dafür ist hier am oberen Rand die jeweilige Einlaßöffnung 1E vorgesehen und am unteren Rand die Auslaßöffnung 1A. Beide Öffnungen liegen sich hier diagonal gegenüber, dies muss aber nicht bei allen möglichen Ausführungen der Fall sein. Die Öffnungen 1A bzw. 1E aller Kissenplatten sind fluchtend in Stapelrichtung 3 hintereinanderliegend und können an einen jeweiligen hier nicht gezeigten Sammler bzw. Verteiler angeschlossen sein.
Die nicht einen Einlass- oder Auslaßbereich bildenden Randbereiche der gestapelten Kissenplatten sind durch Seitenbleche 4 verschlossen. Diese dichten das Volumen zwischen den gestapelten Kissenplatten 1 hier also rechts, links, oben und unten gegenüber der Umgebung ab, ausgenommen an den Bereichen, die den Einlaß 5E bzw. Auslaß 5A für das zweite Medium bilden, das zwischen den Kissenplatten strömt. Einlaß 5E und Auslaß 5A können hier ebenfalls an einem Sammler/Verteiler angeschlossen sein.
Die bis hierhin beschriebene Konstruktion ist auch bei den nachfolgenden Ausführungen gegeben.
Gemäß der Erfindung ist nun in dieser Variante jede Kissenplatte 1 mit Schlitzen 6 versehen. Jeder Schlitz 6 erstreckt sich von einer der Seitenflächen (welche nicht Einlaß oder Auslaß des zweiten und/oder ersten Mediums umfassen) in die Richtung zur gegenüberliegenden Seitenfläche und endet vor dieser. Die korrespondierenden, d. h. lagegleichen Schlitze 6 aller Kissenplatten 1 sind in Stapelungsrichtung 3 fluchtend hintereinander angeordnet. Schlitze 6, die von gegenüberliegenden Seitenflächen ausgehen sind hier fingerartig ineinander verschränkt angeordnet.
Jeder Schlitz 6 in einer Kissenplatte 1 weist einen Schweißrandbereich 6R auf, an welchem die beiden Bleche der Kissenplatte 1 wiederum verschweißt sind. Statt Verschweißung können hier auch andere Verbindungen gewählt sein, z. B. Löten, Kleben. Dies gilt auch für alle anderen Ausführungen die beschrieben werden. Die Schweißung erstreckt sich entlang der gesamten Schlitzlänge und um das Schlitzende herum bis wieder an/in die Schweißnaht am Rand 1R jeder Kissenplatte, so dass auch im Schlitzbereich das Innere einer Kissenplatte 2 gegenüber der Umgebung getrennt ist.
Der Randschweißbereich 6R bildet innerhalb jeder Kissenplatte ein strömungsführendes Element für das erste Medium, das in der Kissenplatte strömt.
In die Schlitze 6 sind weiterhin strömungsführende Blechelemente 7 eingesteckt, die sich bevorzugt über die gesamte Schlitzlänge erstrecken. Jedes Blechelement 7 hat eine Breite in Stapelungsrichtung 3, die zumindest im Wesentlichen der Dicke des Stapels 2 entspricht.
Durch diese Blechelemente 7 wird somit im Bereich zwischen den Kissenplatten 1 das zweite Medium in seiner Strömungsrichtung beeinflusst, insbesondere genauso gelenkt, wie es die Schweißränder 6R mit dem ersten Medium machen.
Da die Schlitze 6 und die Randschweißungen 6R im Wesentlichen lagegleich sind, da die Randschweißungen 6R die Schlitze 6 umgeben, ist die mittlere Strömungsrichtung vom ersten und zweiten Medium gleich.
Die Erfindung kann vorsehen, insbesondere wenn eine hermetische Dichtung des zweiten Mediums zur Umgebung nötig ist, dass die Spaltbereiche zwischen strömungsführendem Blechelement und Schlitz 6 gedichtet sind. Dies kann z. B. auch durch eine Verschweißung erfolgen. Eine Dichtung kann insbesondere nur oder zumindest bei den Schlitzen 6 der beiden außenliegenden Kissenplatten 1 des Stapels 2.
Durch die beschriebene Konstruktion kann ein echter Gleichstrom oder Gegenstrom beider Medien erzielt werden, insbesondere wobei beide Medien mäanderförmig zwischen zwei gegenüberliegenden Seitenblechen 4 hin- und herströmen.
2 zeigt eine Ausführung, bei der die strömungsführenden Elemente durch längserstrecke Körper 8 ausgebildet sind, die zwischen je zwei Kissenplatten 1 des Stapels 2 angeordnet sind.
In Abwandlung zur 1 sind in den einzelnen Kissenplatten 1 keine Schlitze angeordnete, sondern die Bleche, welche eine Kissenplatte ausbilden bereichsweise von einem Verbindungsrand, bevorzugt Schweißrand 1R ausgehend zum gegenüberliegenden Rand mit planen Flächen 9 versehen. Diese planen Flächen können dadurch ausgebildet sein, dass die Bleche dort verbunden, z. B. verschweißt sind und bei einer Fluidbeaufschlagung zum Zweck der Kissenbildung dort keine Kissen ausbilden. Die Flächenbereiche 9 sind hier bei den gestapelten Kissenplatten 1 alle lagegleich und im Stapel fluchtend ausgebildet.
Gemäß 3 wird zwischen jeweils zwei Kissenplatten 1 an den gewünschten Positionen ein strömungsführendes Element 10 angeordnet, dass verformbar ist und sich an die Hoch- und Tiefstruktur der Kissen der beiden gegenüberliegenden Kissenplatten 1 anpasst, wenn diese gestapelt werden. Bei dieser Ausführung müssen somit Kissenplatten selbst nicht für die Erfindung individualisiert werden, sondern es können übliche Kissenplatten 1 verwendet werden.
Die Elemente 10 können aus einem Elastomer oder auch einem nicht reversibel verformbaren Material ausgebildet sein. Z. B. aus einem Metallschaum. Die Erfindung kann hier vorsehen, dass mit Abstandshaltern 11 die Verformung der Elemente 10 und der Abstand zwischen den Kissenplatten beim Stapeln begrenzt wird.
4 beschreibt eine Variante, bei der die Strömungsführung zwischen den Kissenplatten 1 durch darin ausgebildete Kissen erfolgt. Hierfür weist jede Kissenplatte an den Orten, wo eine Strömungslenkung bzw. -führung erfolgen soll, in einem längserstreckten Flächenbereich der Bleche, die die Kissenplatte bilden, keine die Bleche verbindenden Verbindungen/Schweißungen auf. Die Bleche bleiben also unverbunden in diesem längserstreckten Flächenbereich, der sich bevorzugt jeweils von einem Kissenplattenrand 1R ausgehend in Richtung zum gegenüberliegenden Rand 1R, jedoch davor endend, erstreckt. Bevorzugt ist die Erstreckungslänge eines solchen Bereiches länger als der Abstand vom Ende eines solchen Bereiches bis zum gegenüberliegenden Rand 1R.
Beim Druckbeaufschlagen zum Zweck der Kissenbildung bilden sich somit bei diesen Flächenbereichen entsprechend längserstreckte Kissen aus, hier bezeichnet als Kissen 1KS.
Bei den Kissenplatten 1, die den Stapel 2 bilden, sind bevorzugt solche Kissen 1KS lagegleich angeordnet. Es ist hier auch vorgesehen, dass die Kissen 1KS stärker ausbauchend ausgebildet sind als umgebenden Kissen 1K, die zwischen punktuellen Schweißungen 1S gebildet sind.
Beim Stapeln der Kissenplatten 1 kommen somit solche längserstreckten Kissen 1KS, welche strömungsführende Elemente ausbilden, miteinander unmittelbar oder mittelbar über ein zwischengelegtes Dichtelement in Kontakt, so dass eine Strömung des zweiten Mediums zwischen den Kissenplatten 1 quer/senkrecht zur Längserstreckung der Kissen 1KS unterbunden ist, das Medium also entlang der Längserstreckung der Kissen 1KS zwischen den Kissenplatten strömen muss. Ein solcher Kontakt kann entlang einer Kontaktlinie 1KL oder auch einer Kontaktfläche erfolgen.
Im Bereich der Randverbindung/Randverschweißung 1R jeder Kissenplatte ist zwischen zwei Kissenplatten dort ein Dichtelement eingelegt, wo ein längserstrecktes Kissen 1KS vor der Randverbindung/Randverschweißung 1R endet, um den Raum zwischen den Kissenplatten 1 dort zu dichten und eine randnahe Strömung senkrecht zur Längserstreckung des Kissens 1KS an diesem vorbei zu unterbinden.
Eine Herstellung einer jeweiligen solchen Kissenplatte 1 kann allgemein, also ohne zwingenden Bezug zu der konkret in der Figur gezeigten Variante, z. B. so erfolgen, dass die randverbundenen/randverschweißten Bleche mit einem Druck durch ein Fluid von innen beaufschlagt werden und sich alle Kissen beginnen auszubauchen. Durch die wirkende Druckbeaufschlagung bauchen nur die längserstreckten Kissen 1KS weiter aus als die Kissen 1K, welche zwischen Verbindungsbereichen/Verbindungspunkten bevorzugt Schweißpunkten gebildet sind.
Dies wird z. B. dadurch erreicht, dass all die Kissen 1K, die nicht strömungsführend wirken sollen an einer weiteren Ausbauchung gehindert werden, z. B. durch Andruckplatten, zwischen denen eine Kissenplatte beim Ausbauchen eingespannt wird, wobei die Andruckplatten nur im Bereich der zu bildenden längserstreckten Kissenplatten 1KS Ausnehmungen aufweisen, in welche hinein die weitere Ausbauchung der Kissen 1KS erfolgen kann.
Alternativ kann der Prozess des Ausbauchens auch so ausgeführt werden, dass in einem ersten Schritt der Erzeugung von Ausbauchungen Anschlagmittel so angeordnet werden, dass sich zuerst alle Kissen 1K und 1KS bzw. Ausbauchungen mit einer ersten Höhe der Ausbauchung ausbilden, wobei die gebildeten Ausbauchungen an die Anschlagmittel anschlagen und somit an der weitere Ausbauchung gehindert werden.
Danach werden die Anschlagmittel weiter auseinander platziert, so dass sich in einem zweiten Schritt bei der Druckbeaufschlagung die strömungsführenden Kissen bzw. Ausbauchungen 1KS bilden. Dabei bauchen sich die Kissen 1K, die bei den umliegenden Bereichen gebildet sind in der Höhe nicht oder nur kaum weiter aus, insbesondere nur um weniger als 10%. Dies liegt daran, dass die Kissen 1K, die zwischen den geringer beabstandeten Verbindungen/Schweißverbindungen gebildet sind, eine größere Kraft benötigen um weiter auszubauchen als das oder die Kissen 1KS die an einem jeweiligen längserstreckten Bereich gebildet sind, bei dem der Abstand zwischen zwei die Längserstreckung begrenzenden Verbindungen/Schweißverbindungen größer ist.
Es kann in einer möglichen Ausführung somit auch vorgesehen sein, den Druck bei der inneren Druckbeaufschlagung für den zweiten Schritt der Erzeugung der Ausbauchung geringer einzustellen als bei dem ersten Schritt.
Der erste und zweite Schritt der Erzeugung von Ausbauchungen können mit zeitlichem Abstand oder auch zeitlich ansatzlos nacheinander ausgeführt werden. Z. B. kann nach der Kontaktierung aller Kissen an den Anschlagmitteln eine Bewegung der Anschlagmittel zur Vergrößerung der Begrenzung bis zu einer zweiten Begrenzungsposition erfolgen unter fortwährender Druckbeaufschlagung, wobei die längserstreckten Kissen automatisch weiter ausbauchen. GGfs. kann wie oben erwähnt vor oder bei der Bewegung der Anschlagmittel der Druck reduziert werden.

Claims

Kissenplatten-Wärmeübertrager umfassend ein Paket (2) aus mehreren gestapelten Kissenplatten (1), wobei jede Kissenplatte (1) zwei Bleche umfasst, die an ihren Rändern miteinander verbunden sind, insbesondere verschweißt sind und die zwischen den Rändern (1R) in mehreren Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen (1S) miteinander verbunden sind, insbesondere wobei eine jeweilige Kissenplatte (1) in Bereichen zwischen den Verbindungsbereichen (1S) kissenartig ausgebaucht ausgebildet ist, wobei innerhalb einer jeden Kissenplatte (1) ein Strömungsweg für ein erstes Medium ausgebildet ist und im Bereich zwischen je zwei benachbart angeordneten Kissenplatten (1) ein Strömungsweg für ein zweites Medium ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbart angeordneten Kissenplatten (1), insbesondere zwischen jedem Paar von zwei benachbart angeordneten Kissenplatten (1) des Paketes (2) jeweils wenigstens ein strömungsführendes Element (1KS, 7, 8, 10) ausgebildet oder angeordnet ist, das eine Längserstreckung senkrecht zur Stapelungsrichtung (3) der paketbildenden Kissenplatten (1) aufweist.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens ein strömungsführendes Element (1KS, 7, 8, 10), insbesondere jedes strömungsführende Element (1KS, 7, 8, 10), von einer Randseite des Paketes (2), insbesondere an welcher alle Kissenplattenränder (1R) miteinander verbunden sind, in Richtung zur gegenüberliegenden Randseite (1R) erstreckt und in einem Abstand vor der gegenüberliegenden Randseite (1R) endet, insbesondere wobei keine dieser Randseiten (1R) den Ein- und/oder Auslass (5E, 5A) für das zweite Medium umfasst.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein strömungsführendes Element (1KS, 7, 8, 10) zwischen zwei gegenüberliegenden Randseiten des Paketes (2) angeordnet ist und zu beiden Randseiten einen Abstand aufweist, insbesondere zu beiden Randseiten den gleichen Abstand aufweist.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein jeweiliges strömungsführendes Element (1KS, 7, 8, 10) in einer Richtung senkrecht zu den beiden Randseiten (1R) erstreckt.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass betrachtet in der Verbindungsrichtung zwischen den Ein- und Auslassseiten des Paketes (2), an denen die Ein- und Auslässe (5E, 5A) zumindest des zweiten Mediums angeordnet sind, hintereinander angeordnete strömungsführende Elemente (1KS, 7, 8, 10) fingerartig ineinander verzahnt angeordnet sind.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die strömungsführenden Elemente (1KS, 7, 8, 10) im Strömungsweg des zweiten Mediums jegliche direkte geradlinige Verbindung und/oder Strömungsmöglichkeit für das zweite Medium zwischen dessen Ein- und Auslassseite, insbesondere zwischen dessen Ein- und Auslass (5E, 5A) unterbrochen ist.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges strömungsführendes Element (7, 8, 10) zwischen zwei Blechoberflächen sich gegenüberliegender Kissenplatten (1) form- und/oder kraftschlüssig angeordnet, insbesondere eingeklemmt ist.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein strömungsführendes Element (1KS, 7, 8, 10) ausgebildet ist durch: a. ein verformbares Element (10), insbesondere aus elasto-plastisch verformbaren Material gebildetes Element (10), dass an den Oberflächenverlauf der Kissen (1K) der sich gegenüberliegenden Blechoberflächen der Kissenplatten (1) angepasst ist, insbesondere an der Oberfläche beider gegenüberliegender Bleche gedichtet anliegt oder b. einen Körper (8) mit gegenüberliegenden planen Flächen, der über die Längserstreckungslänge des Körpers (8) plan ausgebildete sich gegenüberliegende Oberflächenbereiche (9) der Kissenplatten (1) direkt oder indirekt über ein Dichtmittel kontaktiert.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges strömungsführendes Element (1KS) ausgebildet ist durch sich direkt oder indirekt über ein Dichtmittel kontaktierende Oberflächenbereiche von jeweiligen längserstrecken kissenförmigen Ausbauchungen von sich gegenüberliegenden Blechen von sich gegenüberliegenden Kissenplatten (1).
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ein jeweiliges strömungsführendes Element (1KS) bildenden kissenförmigen Ausbauchungen eine größere/höhere Ausbauchung aufweisen, als umliegende kissenförmige Ausbauchungen (1K).
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach einem der vorherigen Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger an einer Randseite vor den längserstreckten kissenförmigen Ausbauchungen (1KS) liegender Bereich zwischen zwei Kissenplatten (1) mit einem Dichtmittel/Dichtelement verschlossen ist.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliges strömungsführendes Element (7) ausgebildet ist durch ein Führungsblech (7), das in jeweilige Schlitze (6) jeder Kissenplatte (1) eingeschoben ist, wobei die einem Führungsblech (8) zugeordneten Schlitze (6) aller Kissenplatten (1) in Stapelungsrichtung (3) fluchtend hintereinander liegen.
Kissenplatten-Wärmeübertrager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Schlitz (6) sich vom Rand (1R) einer Kissenplatte (1) in Richtung zum gegenüberliegenden Rand (1R) erstreckt, vor dem gegenüberliegenden Rand (1R) endet und die Kissenplatte (1) entlang des Schlitzes (6) durch eine um den Schlitz (6) herumlaufende Verbindung der Kissenplattenbleche, insbesondere Verschweißung (6R) gedichtet ist, insbesondere die an die Verbindung, insbesondere Verschweißung des Randes (1R) der Kissenplatte (1) anschließt oder in diese übergeht.
Verfahren zur Herstellung einer Kissenplatte eines Wärmeübertragers nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kissenplatte (1) in wenigstens einem längserstrecken Bereich (1KS), der sich von einen Rand (1R) der Kissenplatte (1) in Richtung zum gegenüberliegenden Rand (1R) erstreckt und vor diesem endet, unverbundene Bleche aufweist, wobei dieser Bereich (1KS) von Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen (1S) umgeben ist, in denen die Bleche lokal verbunden sind, insbesondere wobei ein jeweiliger längserstreckter unverbundener Bereich länger ist als der in derselben Längserstreckungsrichtung gemessene Abstand zwischen den umgebenden Schweißbereichen (1S) und/oder länger ist als der Abstand des Endes des jeweiligen längserstreckten unverbundenen Bereiches bis zum gegenüberliegenden Rand (1R), und durch innere Druckbeaufschlagung mit einem Fluid kissenförmige Ausbauchungen (1K, 1KS) in den unverbundenen Bereichen der Bleche zwischen den Verbindungsbereichen, insbesondere Schweißbereichen (1S) erzeugt werden, wobei ein jeweiliger längserstreckter unverbundener Bereich (1KS) stärker ausgebaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbauchweite umliegender Bereiche begrenzt wird durch mechanische Anschlagmittel, an welche diese umliegenden Bereiche bei der Ausbauchung anschlagen.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der Erzeugung von Ausbauchungen/Kissen (1KS, 1K) durch die innere Druckbeaufschlagung die Ausbauchweite aller in dem ersten Schritt erzeugten Ausbauchungen/Kissen (1KS, 1K) durch Anschlagmittel auf ein erstes Maß begrenzt wird und nach einer Einstellung der Anschlagmittel auf ein zweites größeres Maß der Begrenzung der Ausbauchweite in einem zweiten Schritt eine weitere Ausbauchung durch eine innere Druckbeaufschlagung erfolgt, bei welcher eine weitere Ausbauchung der längserstreckten unverbundenen Bereiche (1KS) erfolgt, insbesondere die Kissen (1K) umliegender Bereiche nicht oder nur kleiner 10% weiter ausgebaucht werden.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem zweiten Schritt der Erzeugung von Ausbauchungen/Kissen (1KS, 1K) durch innere Druckbeaufschlagung ein geringerer Druck verwendet wird als bei dem ersten Schritt.