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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers sowie einen entsprechend hergestellten Rippen-Platten-Wärmetauscher gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium (Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchangers, PFHE; Bezeichnungen gemäß der deutschen und englischen Ausgabe der ISO 15547-2:3005), wie sie in einer Vielzahl von Anlagen bei unterschiedlichsten Drücken und Temperaturen eingesetzt werden. Entsprechende Wärmetauscher finden beispielsweise Anwendung bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft, bei der Verflüssigung von Erdgas oder in Anlagen zur Herstellung von Ethylen. Ist nachfolgend verkürzend von einem „Wärmetauscher“ oder „Plattenwärmetauscher“ die Rede, sei hierunter stets ein entsprechender (hart-) gelöteter Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium verstanden. Es versteht sich, dass „Aluminium“ dabei auch eine Aluminiumlegierung bezeichnen kann.
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Gelötete Rippen-Platten-Wärmetauscher aus Aluminium sind in 2 der erwähnten ISO 15547-2:3005 sowie auf Seite 5 der Veröffentlichung „The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association‟ der ALPEMA, 3. Auflage 2010, gezeigt und beschrieben. Eine Abbildung, die im Wesentlichen den dortigen Abbildungen entspricht, ist in der beigefügten 1 als Stand der Technik dargestellt und wird im Folgenden vorab erläutert.
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Der in 1 teilweise eröffnet dargestellte Plattenwärmetauscher 300 gemäß dem Stand der Technik dient dem Wärmeaustausch von im dargestellten Beispiel fünf verschiedenen Prozessmedien A bis E.
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Zum Wärmeaustausch zwischen den Prozessmedien A bis E umfasst der Plattenwärmetauscher 300 dabei eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Trennblechen 4 (in den zuvor genannten Veröffentlichungen, auf die sich auch die nachfolgenden Angaben in Klammern beziehen, im Englischen als Parting Sheets bezeichnet), zwischen denen durch Strukturbleche mit Lamellen 3 (Fins) definierte Wärmeaustauschpassagen 1 für jeweils eines der Prozessmedien A bis E, die dadurch in Wärmeaustausch miteinander treten können, ausgebildet sind.
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Die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind typischerweise gefaltet bzw. gewellt ausgebildet, wobei durch die Faltungen bzw. Wellen jeweils Strömungskanäle gebildet werden, wie auch in 1 der ISO 15547-2:3005 gezeigt. Die Bereitstellung der Strukturbleche mit Lamellen 3 bietet im Vergleich zu Plattenwärmetauschern ohne Lamellen den Vorteil einer verbesserten Wärmeübertragung, einer gezielteren Fluidführung und einer Erhöhung der mechanischen (Zug-)Festigkeit. In den Wärmeaustauschpassagen 1 strömen die Prozessmedien A bis E insbesondere durch die Trennbleche 4 getrennt voneinander, können ggf. aber im Fall von perforierten Strukturblechen mit Lamellen 3 durch letztere hindurchtreten.
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Die einzelnen Passagen 1 bzw. die Strukturbleche mit den Lamellen 3 sind seitlich jeweils durch sogenannte Sidebars 8 umgeben, die jedoch Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 freilassen. Die Sidebars 8 halten die Trennbleche 4 auf Abstand und sorgen für eine mechanische Verstärkung des Druckraumes. Zum Abschluss an zumindest zwei Seiten dienen insbesondere verstärkt ausgebildete Deckbleche 5 (Cap Sheets), die parallel zu den Trennblechen 4 angeordnet sind.
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Mittels sogenannter Header 7, die mit Stutzen 6 (Nozzles) versehen sind, werden die Prozessmedien A bis E über Einspeise- und Entnahmeöffnungen 9 zu- und abgeführt. Im Eingangsbereich der Passagen 1 befinden sich weitere Strukturbleche mit sogenannten Verteilerlamellen 2 (Distributor Fins), die für eine gleichmäßige Verteilung auf die gesamte Breite der Passagen 1 sorgen. In Strömungsrichtung gesehen am Ende der Passage 1 können sich weitere Strukturbleche mit Verteilerlamellen 2 befinden, die die Prozessmedien A bis E aus den Passagen 1 in die Header 7 führen, wo sie gesammelt und über die entsprechenden Stutzen 6 abgezogen werden.
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Durch die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Sidebars 8, die Trennbleche 4 und die Deckbleche 5 wird insgesamt ein hier quaderförmiger Wärmetauscherblock 20 gebildet, wobei unter einem „Wärmetauscherblock“ hier die genannten Elemente ohne die Header 7 und Stutzen 6 in einem miteinander verbundenem Zustand verstanden werden sollen. Wie in 1 nicht veranschaulicht, kann der Plattenwärmetauscher 300 insbesondere aus Fertigungsgründen aus mehreren entsprechenden quaderförmigen und miteinander verbundenen Wärmetauscherblöcken 20 ausgebildet sein.
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Entsprechende Plattenwärmetauscher 300 werden aus Aluminium hartgelötet. Die einzelnen Passagen 1, umfassend die Strukturbleche mit den Lamellen 3, die weiteren Strukturbleche mit den Verteilerlamellen 2, die Deckbleche 5 und die Sidebars 8 werden dabei, jeweils mit Lot versehen, aufeinander gestapelt bzw. entsprechend angeordnet und in einem Ofen erwärmt. Auf den in dieser Weise hergestellten Wärmetauscherblock 20 werden die Header 7 und die Stutzen 6 aufgeschweißt.
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Durch die Größe und Geometrie des Lötofens wird in einem derartigen Herstellungsverfahren auch die maximale Größe des Wärmetauscherblocks vorgegeben. Oft verlangen jedoch Prozesse eine größere Wärmeaustauschfläche und somit größere Wärmetauscherblöcke als in einem derartigen Ofen gefertigt werden können. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wird auf Seite 6 unter 1.2.3 des vorgenannten ALPEMA-Veröffentlichung vorschlagen, zwei oder mehrere Wärmetauscherblöcke durch Schweißen miteinander zu verbinden, um damit einen zusammengesetzten Wärmetauscherblock mit erhöhter Stapelhöhe zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers aus mehreren Wärmetauscherblöcken zu verbessern und einen Rippen-Platten-Wärmetauscher mit verbesserten Eigenschaften zu erhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers sowie einen entsprechend hergestellten Rippen-Platten-Wärmetauscher gemäß mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Um einen Rippen-Platten-Wärmetauscher aus mehreren Wärmetauscherblöcken herzustellen, werden zunächst zwei oder mehrere Wärmetauscherblöcke separat voneinander wie oben beschrieben in einem Lötofen gefertigt. Diese Wärmetauscherblöcke weisen noch keine Header auf. Auf das Deckblech eines ersten Wärmetauscherblocks werden entlang der Kanten des Deckbleches dann herkömmlicherweise weitere Sidebars aufgeschweißt, die bündig mit den Kanten des Deckblechs abschließen. Diese Sidebars bilden somit quasi einen Rahmen auf dem Deckblech des ersten Wärmetauscherblocks. Ein zweiter Wärmetauscherblock, der mit dem ersten Wärmetauschblock verbunden werden soll, wird mit seinem Deckblech auf die Sidebars, die auf den ersten Wärmetauscherblock aufgeschweißt wurden, aufgelegt und ebenfalls mit diesen verschweißt.
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Die Anordnung aus beiden verbundenen Wärmetauscherblöcken weist eine größere Stapelhöhe auf als die einzelnen Wärmetauscherblöcke, welche damit die Größe und Geometrie des Lötofens übersteigt. Auf diese Weise können grundsätzlich beliebig viele Wärmetauscherblöcke zu einer beliebig großen Wärmetauscherblockanordnung verbunden werden. Die Wärmetauscherblockanordnung kann mit Headern und Stutzen versehen werden, um einen großen Rippen-Platten-Wärmetauscher zu erhalten, der mehrere miteinander verbundene Wärmetauscherblöcke umfasst.
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Die Schweißnähte verlaufen in einem wie zuvor erläutert hergestellten Rippen-Platten-Wärmetauscher aufgrund der Verschweißung entlang der Sidebars nur entlang des äußeren Randes der Wärmetauscherblöcke. Die Wärmetauscherblöcke sind also nur am äußeren Rand miteinander verbunden. Dabei kann die Verbindung umlaufend am Rand ausgebildet sein, kann aber jederzeit auch beliebige Unterbrechungen der Verbindung entlang des Randes aufweisen.
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Aus mechanischer Sicht stellt eine derartige Verbindung, weil sie eben nur am Außenrand besteht und häufig auch Unterbrechungen aufweist, eine geometrische Unstetigkeit dar. In der Vergangenheit wurden vereinzelt Schäden beobachtet, die sich an diesen Stellen ausbilden, weil an der Verbindung eine Spannungskonzentration bewirkt wird. Durch den Temperaturgang des Rippen-Platten-Wärmetauschers werden stets thermische Verformungen bewirkt. Die Verbindung behindert diese Verformung und stellt zugleich und eine thermische Barriere zwischen den Wärmetauscherblöcken dar. Dadurch entstehen mechanische Zwängungsspannungen, die durch die Unstetigkeit an der Modulverbindung verstärkt werden.
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Entsprechende Herstellungsverfahren und damit hergestellte Rippen-Platten-Wärmetauscher sind im Stand der Technik, beispielsweise der
EP 1 471 322 A1 , und in der Fachliteratur mehrfach beschrieben.
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In der
EP 2 645 038 A1 wird ferner vorgeschlagen, auf den beiden zu verbindenden Deckblechen zweier Wärmetauscherblöcke, die die Kontaktflächen der Wärmetauscherblöcke bilden, jeweils mindestens ein Formteil zu befestigen. Die Formteile sind derart angeordnet und ausgeformt, dass durch mindestens ein Formteil auf einer Kontaktfläche und ein Formteil auf der anderen Kontaktfläche, in einer Ausgestaltung zusätzlich unter Zuhilfenahme eines weiteren Formteils, die Bewegung der Module senkrecht zu den Kontaktflächen verhindert wird. Die Formteile können jeweils durch Löten, Kleben, Schweißen und/oder Heften befestigt sein. Eine direkte Verklebung entsprechender Kontaktflächen oder eine Verbindung über dazwischen geklebte Blechstreifen wird in der
EP 2 645 037 A1 vorgeschlagen.
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In der
EP 2 843 348 A1 wird vorgeschlagen, in einen Zwischenraum zwischen gegenüberliegenden Kontaktflächen benachbarter Wärmetauscherblöcke einen Metallschaum einzubringen, der die Kontaktflächen miteinander verbindet.
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Gemäß der
EP 3 039 367 A1 werden die Wärmetauscherblöcke an den Kontaktflächen durch mindestens einen flachen Träger verbunden, der über Lot mit den Deckblechen der Wärmtauscherblöcke verbunden ist. Hierdurch wird eine deutlich flächigere Verbindung als in herkömmlicheren Verfahren gewährleistet.
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In der
EP 3 430 342 A1 wird vorgeschlagen, an den Kontaktflächen zweier zu verbindender Wärmetauscherblöcke jeweils zumindest ein längserstrecktes erstes Profil festzulegen. Die Kontaktflächen mit den Profilen werden derart einander gegenüberliegend angeordnet, dass zwischen den beiden Profilen ein Zwischenraum verbleibt. In dem Zwischenraum wird ein längs erstrecktes Element reibschlüssig mit den beiden Profilen angeordnet, das insbesondere aufgeweitet werden kann, so dass die beiden Deckplatten und damit die beiden Wärmetauscherblöcke aneinander festgelegt werden. Das längserstreckte Element ist als Hohlprofil ausgebildet.
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Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass alternativ zu den erläuterten Verfahren bei der Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers die Verwendung eines mit beiden Deckblechen stoffschlüssig verbundenen Strukturblechs mit repetitiven Blechstrukturen besonders vorteilhaft ist.
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Durch die beiderseitige stoffschlüssige Verbindung und die Verwendung eines Strukturblechs, das grundsätzlich den innerhalb der Wärmetauscherblöcke in den Wärmetauscherpassagen verwendeten Strukturblechen ähneln kann, ergibt sich an der Verbindung der beiden Wärmetauscherblöcke, im Gegensatz zu bekannten Verfahren, bei denen nur der äußere Rand der Wärmetauscherblöcke miteinander verbunden wird, aus mechanischer Sicht eine deutlich geringere geometrische Unstetigkeit. Dadurch können Schäden reduziert werden, die sich an diesen Stellen ausbilden, weil die herkömmlicherweise bewirkte Spannungskonzentration verringert werden kann. Die durch den Temperaturgang des Rippen-Platten-Wärmetauschers bewirkten thermischen Verformungen werden durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindung in geringerem Umfang behindert.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindung stellt insbesondere aufgrund der beiderseitigen stoffschlüssigen Anbindung eine deutlich geringer ausgeprägte thermische Barriere zwischen den Wärmetauscherblöcken dar. Die an dieser Stelle herkömmlicherweise entstehenden mechanischen Zwängungsspannungen, werden durch die geringere Unstetigkeit an der Verbindung deutlich reduziert.
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Die vorliegende Erfindung sieht also, mit anderen Worten, vor, zwischen zwei - oder auch mehreren - miteinander zu verbindenden Wärmetauscherblöcken ein Strukturblech (auch als Fin bezeichnet), wie es z.B. bereits beim Stapeln der jeweils miteinander zu verbindenden Wärmetauscherblöcke benutzt wurde, einzubringen. Insbesondere mit Hilfe eines Lotes mit niedrigem Schmelzpunkt, das beispielsweise durch Heißluft, eine resistive Erwärmung über eingeschobene Heizelemente oder induktiv aufgeschmolzen werden kann, können das Strukturblech und die Deckbleche der zu verbindenden Wärmetauscherblöcke form- und kraftschlüssig, und im Wesentlichen über den gesamten Querschnitt hinweg, verbunden werden.
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Eine Verbindung „über den gesamten Querschnitt hinweg“ ist dabei aber insbesondere keine vollflächige Verbindung im Sinne einer durchgängigen, ununterbrochenen Lotfläche, sondern erfolgt insbesondere an den jeweiligen repetitiven Strukturen in dem Strukturblech, beispielsweise an Wellen. Es ist jedoch insbesondere eine der Anzahl von repetitiven Strukturen entsprechende Anzahl an Verbindungsstellen bereitgestellt oder es ist zumindest ein nennenswerter Anteil der repetitiven Strukturen an entsprechenden Verbindungsstellen angebunden. Es kann sich beispielsweise um wenigstens 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 oder 90 % der repetitiven Strukturen handeln. Eine lediglich zweifach vorhandene Struktur wird dabei im hier verstandenen Sinne nicht als „repetitiv“ angesehen; „repetitive“ Strukturen sind vielmehr mindestens fünf-, zehn-, zwanzig- oder fünfzigfach und beispielsweise bis zu einhundertfach vorhanden.
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Durch diese Verbindung können aus dem Betrieb des Rippen-Platten-Wärmetauschers entstehende Temperaturunterschiede zwischen den Wärmetauscherblöcken ausgeglichen bzw. abgebaut werden und mechanische Unstetigkeiten sowie eine etwaige Kerbwirkung einer bereits bestehenden Modulverbindungslage nach herkömmlicher Bauart treten nicht mehr auf. Dadurch können größere Einheiten ohne die Gefahr einer örtlichen mechanischen Überlastung gefertigt werden. Die Betriebssicherheit und Ausfallsicherheit bzw. die Lebensdauer des Rippen-Platten-Wärmetauschers werden auf diese Weise erhöht. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch in gewissem Umfang mögliche elastische Verformung Unregelmäßigkeiten bzw. Unebenheiten der Deckbleche, die sich aus der Fertigung ergeben können, auszugleichen.
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Im Sprachgebrauch der Patentansprüche schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers vor, bei dem wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke bereitgestellt und unter Verwendung jeweils eines oder mehrerer Zwischenelemente miteinander verbunden werden, wobei die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils eine Vielzahl von Wärmetauscherpassagen aufweisen, die unter Verwendung von übereinander angeordneten Strukturblechen mit Lamellen gebildet sind, welche durch zwischen den Strukturblechen mit den Lamellen angeordnete Trennbleche voneinander getrennt sind, und wobei parallel zu den Trennblechen angeordnete Außenflächen der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils durch ein Deckblech gebildet sind.
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Zum Aufbau entsprechender Wärmetauscherblöcke sei auf den eingangs unter Bezugnahme auf 1 ausführlich erläuterten Rippen-Platten-Wärmetauscher 300 und die dortigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen. Wie dort ersichtlich, sind neben den durch die Deckbleche 5 gebildeten Außenflächen, die parallel zu den Trennblechen 4 liegen, weitere Außenflächen vorhanden, die zumindest teilweise mit Headern versehen sind. Diese weiteren Außenflächen werden im Wesentlichen durch die Seitenflächen der Sidebars 8 und die dazwischen angeordneten Trennbleche 4 bzw. deren Kanten und die Außenkanten der Deckbleche 5 gebildet, können aber jederzeit beispielsweise durch weitere Bleche abgedeckt sein. Es versteht sich, dass diese weiteren Flächen durch mit den Headern in Fluidverbindung stehende Öffnungen unterbrochen sind, um auf diese Weise Fluid ein- und ausspeisen zu können.
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Erfindungsgemäß wird als das Zwischenelement zur Verbindung der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke oder als eines von entsprechenden mehreren Zwischenelementen ein weiteres Strukturblech verwendet, das repetitive Strukturelemente aufweist, die sich (jeweils) zwischen einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene erstrecken. Dies ist insbesondere bei einer gewellten Struktur der Fall, in der sich die „Wellenberge“ jeweils in der ersten und die „Wellentäler“ jeweils in der zweiten Ebene befinden. Für das Verbinden der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke wird das weitere Strukturblech ferner erfindungsgemäß an mehreren disjunkten ersten Verbindungsstellen (z.B. den „Wellenbergen“) in der ersten Ebene mit einem der Deckbleche eines der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke und an mehreren disjunkten zweiten Verbindungsstellen in der zweiten Ebene (z.B. den „Wellentälern“) mit einem der Deckbleche eines weiteren der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke stoffschlüssig verbunden.
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Die Verbindung kann dabei ihrerseits durchgängig (beispielsweise längs über einen gesamten „Wellenberg“ oder ein gesamtes „Wellental“ hinweg) oder abschnittsweise unterbrochen (beispielsweise durch streckenweise, aber unterbrochene Verbindungen oder Verbindungspunkte an den „Wellenbergen“ und/oder „Wellentälern“) ausgebildet sein. Die Verbindungsstellen sind jedoch über einen wesentlichen Teil beider betroffener Deckbleche ausgebildet.
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Wie bereits zuvor angesprochen, können die repetitiven Strukturelemente des weiteren Strukturblechs insbesondere Wellenstrukturen umfassen. Unter einer „Wellenstruktur“ soll dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht nur eine in Form einer Sinuswelle ausgebildete Struktur, sondern jegliche Struktur verstanden werden, die in einer Draufsicht aus einer Ebene (insbesondere der erwähnten ersten oder zweiten Ebene) in einer Richtung, insbesondere gerade, verlaufende Isohypsen aufweist, deren Höhenlage zueinander sich zumindest in einem Abschnitt der Struktur kontinuierlich bzw. stetig oder sprunghaft ändert. Auch „waschbrettartige“, Strukturen d.h. Strukturen, die wellenförmig verlaufende Isohypsen aufweisen, können verwendet werden. Der Querschnitt zu den Isohypsen muss keine kontinuierliche Krümmung aufweisen, sondern kann auch gerade Abschnitte umfassen. Beispielsweise kann dieser Querschnitt zickzackartig erscheinen oder trapezartige oder rechteckartige Abschnitte aufweisen. Zur stoffschlüssigen Anbindung können die repetitiven Strukturelemente vergrößerte bzw. abgeflachte Befestigungsbereiche in der ersten und zweiten Ebene aufweisen, wie beispielsweise bei abgeflachten Sinus- oder bei Trapezwellen der Fall.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann das weitere Strukturblech zumindest teilweise identisch wie ein oder mehrere der Strukturbleche mit Lamellen sein, unter Verwendung derer die Wärmetauscherpassagen der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke gebildet sind. Auf diese Weise erhöht sich der Anteil an Gleichteilen bei der Herstellung des Rippen-Platten-Wärmetauschers und die Verbindung kann mit im Wesentlichen denselben thermischen und mechanischen Eigenschaften ausgebildet werden wie der Rest des Rippen-Platten-Wärmetauschers. Hierdurch können die erwähnten thermischen und/oder mechanischen Unstetigkeiten und entsprechende, hierdurch bedingte Spannungen weiter reduziert werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das stoffschlüssige Verbinden insbesondere ein Schweißen, Weichlöten, Hartlöten und/oder Kleben an Verbindungspunkten, -fugen und/oder -nähten in der ersten und/oder in der zweiten Ebene umfassen. Ein Weichlöten ist besonders bevorzugt, da es auch unter Verwendung geringerer Wärmemengen außerhalb eines Lötofens durchgeführt werden kann. Durch eine auf diese Weise hergestellte metallische stoffschlüssige Verbindung kann die Wärmeleitung besonders günstig gestaltet werden. Auch ein Verkleben ist jedoch in bestimmten Fällen vorteilhaft, da es ohne zusätzlichen Wärmeeintrag durchgeführt werden kann. Es werden an den jeweiligen Verwendungszweck des Rippen-Platten-Wärmetauschers angepasste Klebstoffe eingesetzt, beispielsweise tieftemperaturfeste Klebstoffe bei kryogenen Anwendungen.
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Wird eine entsprechende Ausgestaltung gewählt, kann das thermische Verbinden unter Verwendung von resistiv und/oder mittels eines erwärmten Fluids eingebrachter Wärme durchgeführt werden. Dies betrifft sowohl Wärme zum Aufschmelzen eines entsprechenden (Weich-)Lots, aber auch beispielsweise Wärme, die zum Aushärten eines verwendeten Klebstoffs erforderlich ist.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahrens kann auch darin bestehen, dass das weitere Strukturblech in einer Richtung senkrecht parallel zu der ersten und der zweiten Ebene ziehharmonikaartig elastisch verformbar ist. Auf diese Weise kann das weitere Strukturblech sich an eine in dieser Richtung erfolgende thermisch bedingte Verformung der Wärmetauscherblöcke besonders gut anpassen. Auch eine Verformung in einer anderen Richtung kann von Vorteil sein, insbesondere, wie erwähnt, um eine Anpassung an die zuvor erwähnten Oberflächenunebenheiten zu ermöglichen.
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In dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren sind die Trennbleche der wenigstens zwei verwendeten Wärmetauscherblöcke ferner vorteilhafterweise jeweils mittels randständig mit den Trennblechen verbundener Sidebars auf Abstand zueinander gehalten. Dies entspricht grundsätzlich dem bei Rippen-PlattenWärmetauschern Bekannten. Ferner können die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke aber auch wechselseitig jeweils unter Verwendung mehrerer Zwischenelemente verbunden werden, welche das weitere Strukturblech als ein erstes Zwischenelement und weitere Sidebars als zweite Zwischenelemente umfassen. Hierdurch kann eine besonders solide mechanische Verbindung hergestellt werden. Die Sidebars können beispielsweise auf ihrer gesamten Länge mit den jeweiligen Deckblechen verschweißt werden. Die Sidebars können um den gesamten Umfang des Rippen-Platten-Wärmetauschers angeordnet sein oder nur um einen Teil hiervon. Auch die Verbindung kann im gesamten Umfang oder nur in bestimmten Bereichen ausgebildet sein. Die Erfindung kann insbesondere auch eine geeignete mechanische Vorbereitung umfassen, beispielsweise ein Planschleifen oder Glätten oder eine chemische oder mechanische Oxidentfernung vor der Verbindung.
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Lediglich zur Klarstellung sei betont, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die einen Rippen-Platten-Wärmetauscher betrifft, die Strukturbleche mit den Lamellen, weitere Strukturbleche mit Verteilerlamellen, die Sidebars, die Trennbleche und die Deckbleche zur Bereitstellung der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke durch Hartlöten miteinander verbunden werden, und Header an den Wärmetauscherblock angeschweißt werden. Wiederum sei auf den einleitend im Zusammenhang mit 1 erläuterten Stand der Technik verwiesen.
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Eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann auch umfassen, dass ein Bereich, in dem das weitere Strukturblech mit den Deckblechen verbunden wird, zur Aufnahme bzw. Durchströmung mit einem Fluid eingerichtet wird. Auf diese Weise kann in den Zwischenbereich ein Fluid eingebracht werden, das beispielsweise Wärme zu- oder abführen kann und damit Temperaturspitzen bzw. zu steile Temperaturgradienten reduziert. Hierzu sind vorteilhafterweise separate Zu- und Ableitungen bereitgestellt.
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In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann den Deckblechen der Wärmetauscherblöcke, die mittels des weiteren Strukturblechs stoffschlüssig miteinander verbunden werden, auch beispielsweise ein Metallschaum eingebracht werden. Dieser kann ebenfalls für eine verbesserte Wärmeübertragung bzw. einen Temperaturausgleich zwischen den Wärmetauscherblöcken sorgen. Eine ggf. geringere Stabilität eines Metallschaums kann durch das weitere Strukturblech ausgeglichen werden. Der Metallschaum kann bei der Herstellung des Rippen-Platten-Wärmetauschers insbesondere thermisch expandiert werden, beispielsweise indem in der bereits oben für das Verlöten erläuterten Weise eine Widerstandsheizung oder eine Fluidheizung vorgenommen wird.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Rippen-Platten-Wärmetauscher mit wenigstens zwei Wärmetauscherblöcken die unter Verwendung jeweils eines oder mehrerer Zwischenelemente miteinander verbunden sind, wobei die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils eine Vielzahl von Wärmetauscherpassagen aufweisen, die unter Verwendung von übereinander angeordneten Strukturblechen mit Lamellen gebildet sind, welche durch zwischen den Strukturblechen mit den Lamellen angeordnete Trennbleche voneinander getrennt sind, und wobei parallel zu den Trennblechen angeordnete Außenflächen der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke jeweils durch ein Deckblech gebildet sind.
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Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Rippen-Platten-Wärmetauscher zeichnet sich dadurch aus, dass das Zwischenelement oder eines der mehreren Zwischenelemente ein weiteres Strukturblech ist, das repetitive Strukturelemente aufweist, die sich zwischen einer ersten Ebene und einer zweiten Ebene erstrecken, und dass die Verbindung umfasst, dass das weitere Strukturblech an mehreren disjunkten ersten Verbindungsstellen in der ersten Ebene mit einem der Deckbleche eines der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke und an mehreren disjunkten zweiten Verbindungsstellen in der zweiten Ebene mit einem der Deckbleche eines weiteren der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke stoffschlüssig verbunden ist.
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Vorteilhafterweise sind in dem Rippen-Platten-Wärmetauscher zumindest die zur Bildung der Wärmetauscherpassagen verwendeten, übereinander angeordneten Strukturbleche mit den Lamellen und die Trennbleche und/oder bei der Herstellung der Wärmetauscherblöcke verwendete Sidebars mit Hartlot verbunden, und das weitere Strukturblech ist an den mehreren disjunkten ersten Verbindungsstellen und an den mehreren disjunkten zweiten Verbindungsstellen mit den Deckblechen mittels Weichlot oder unter Verwendung eines Klebstoffs verbunden.
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Zu weiteren Merkmalen und Vorteilen des erfindungsgemäßen Rippen-Platten-Wärmetauschers, der insbesondere durch ein Verfahren hergestellt sein kann, wie es zuvor erläutert wurde, sei ausdrücklich auf die Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen verwiesen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, welche die vorliegende Erfindung und ihre Merkmale gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen nicht erfindungsgemäßen Rippen-Platten-Wärmetauscher in vereinfachter isometrischer Darstellung.
- 2 zeigt die Verbindung von Wärmetauscherblöcken eines Rippen-Platten-Wärmetauschers stark vereinfachter schematischer Darstellung.
- 3A und 3B zeigen die Verbindung von Wärmetauscherblöcken eines Rippen-Platten-Wärmetauschers gemäß einer Ausgestaltung der Verbindung.
- 4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines stark vereinfachten schematischen Ablaufplans.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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1 wurde bereits in der Beschreibungseinleitung bei der Würdigung des Standes der Technik erläutert. Die dort verwendeten Bezugszeichen und Erläuterungen gelten auch für die nachfolgend erläuterten Figuren.
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2 zeigt die Verbindung von Wärmetauscherblöcken 10a und 10b eines Rippen-Platten-Wärmetauschers 100 in stark vereinfachter schematischer Darstellung. Ein gattungsbildendes Verfahren umfasst, die Wärmetauscherblöcke 10a und 10b (es können auch mehrere solcher Wärmetauscherblöcke miteinander verbunden werden) bereitzustellen und unter Verwendung jeweils eines oder mehrerer Zwischenelemente, die hier nicht gesondert veranschaulicht sind, miteinander zu verbinden.
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Die wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke 10a, 10b weisen, wie zu 1 bzw. dem dort im Wesentlichen gleich ausgebildeten Wärmetauscherblock 20 erläutert, jeweils eine Vielzahl von Wärmetauscherpassagen 1 auf, die unter Verwendung von übereinander angeordneten Strukturblechen mit Lamellen 3 gebildet sind, welche durch zwischen den Strukturblechen mit den Lamellen 3 angeordnete Trennbleche 4 voneinander getrennt sind, und wobei parallel zu den Trennblechen 4 angeordnete Außenflächen der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke 10a und 10b jeweils durch ein Deckblech 5 gebildet sind.
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Die jeweiligen Deckbleche sind der besseren Unterscheidbarkeit halber entsprechend zu den Wärmetauscherblöcken 10a und 10b in 2 mit 5a und 5b bezeichnet. Wie zuvor mehrfach erwähnt, wird dabei herkömmlicherweise auf das Deckblech 5a des ersten Wärmetauscherblocks 10a entlang der Kanten des Deckbleches 5a weitere Sidebars aufgeschweißt, die bündig mit den Kanten des Deckblechs 5a abschließen. Diese Sidebars bilden somit quasi einen Rahmen auf dem Deckblech 5a des ersten Wärmetauscherblocks 10a. Der zweite Wärmetauscherblock 10b, der mit dem ersten Wärmetauschblock 10a verbunden werden soll, wird mit seinem Deckblech 5b auf die Sidebars, die auf den ersten Wärmetauscherblock 10a aufgeschweißt wurden, aufgelegt und ebenfalls mit diesen verschweißt. Dies führt zumindest bei alleiniger Anwendung zu den zuvor erwähnten Nachteilen.
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3A und 3B zeigen die Verbindung von Wärmetauscherblöcken 10a und 10b eines Rippen-Platten-Wärmetauschers 100 gemäß einer Ausgestaltung der Verbindung, die diese Nachteile überwindet. 3A veranschaulicht dabei eine vergrößerte Ansicht der Verbindung zwischen den hier nur abschnittsweise dargestellten Wärmetauscherblöcken 10a und 10b. 3B zeigt eine Ausschnittsvergrößerung.
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Wie aus einer Zusammenschau der 3A und 3B ersichtlich, wird hier als ein Zwischenelement zwischen den Deckblechen 5a und 5b ein weiteres Strukturblech 11 verwendet wird, das repetitive Strukturelemente 11a in Form von Wellen aufweist, die sich zwischen einer ersten Ebene E1 und einer zweiten Ebene E2 erstrecken. Die Ebenen E1 und E2 sind parallel zu den Deckblechen 5a und 5b angeordnet und liegen insbesondere in derselben Ebene wie diese.
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Für das Verbinden der wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke 10a und 10b wird das weitere Strukturblech 11 an mehreren disjunkten ersten Verbindungsstellen 12a in der ersten Ebene E1 mit dem Deckblech 5a und an mehreren disjunkten zweiten Verbindungsstellen 12b in der zweiten Ebene E2 dem Deckblech 5b stoffschlüssig verbunden, beispielsweise verklebt und verschweißt.
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4 zeigt ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in Form eines stark vereinfachten schematischen Ablaufplans. Das Verfahren ist insgesamt mit 200 bezeichnet. Es umfasst die Schritte 210, 220, 230 und 240.
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In dem Verfahrensschritt 210 werden zur Herstellung eines Rippen-Platten-Wärmetauschers 100 wenigstens zwei Wärmetauscherblöcke 10a, 10b bereitgestellt, wie sie mehrfach zuvor erläutert wurden.
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In dem Verfahrensschritt 220 werden ein Verbindungselement, im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Form eines weiteren Strukturblechs 11 mit repetitiven Strukturelementen, sowie ggf. weitere Verbindungselemente, bereitgestellt und mit den Wärmetauscherblöcken 10a, 10b derart angeordnet, dass das oder die Verbindungselemente 11 usw. zwischen den parallel angeordneten Deckblechen 5a, 5b der Wärmetauscherblöcke liegen. Auch Lot oder ein Klebstoff kann in diesem Verfahrensschritt 220 entsprechend bereitgestellt werden.
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In dem Verfahrensschritt 230 werden die in dem Verfahrensschritt 230 stoffschlüssig verbunden, wie mehrfach erläutert, beispielsweise durch Wärmezufuhr. In dem Verfahrensschritt 240 erfolgt das Aufschweißen bzw. Anbringen weiterer Elemente, beispielsweise von Headern 7 und Stutzen 6.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1471322 A1 [0018]
- EP 2645038 A1 [0019]
- EP 2645037 A1 [0019]
- EP 2843348 A1 [0020]
- EP 3039367 A1 [0021]
- EP 3430342 A1 [0022]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ISO 15547-2:3005 [0002, 0003]
- „The Standards of the Brazed Aluminium Plate-Fin Heat Exchanger Manufacturers' Association‟ der ALPEMA, 3. Auflage 2010 [0003]