DE102023004600A1 - Cross-flow heat exchanger - Google Patents
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Abstract
1. Kreuzstromwärmetauscher in Platten- und Leistenbauweise
2. Kreuzstromwärmetauscher in Platten- und Leistenbauweise, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten (12, 14, 16), die einen Stapelverbund (10) miteinander bilden, mit mindestens
- einer ersten Komponente (12), die einen Fluiddurchlass eines Mediums in einer Richtung ermöglicht,
- einer zweiten Komponente (14), die einen Fluiddurchlass dieses oder eines anderen Mediums in einer weiteren Richtung ermöglicht,
- einer dritten Komponente (16), die zwischen der ersten (12) und der zweiten (14) Komponente angeordnet einen festen Verbund zwischen diesen herstellt, und
- fluidführenden Kanälen (18), die zumindest abschnittsweise den Stapelverbund (10) endseitig durchgreifen und von denen zumindest ein Kanalabschnitt (20) der Zufuhr und ein anderer Kanalabschnitt (20) der Abfuhr des Mediums für die erste Komponente (12) dient.
1. Cross-flow heat exchanger in plate and strip design
2. Cross-flow heat exchanger in plate and strip construction, consisting of a plurality of individual components (12, 14, 16) which form a stack (10) with each other, with at least
- a first component (12) which allows fluid passage of a medium in one direction,
- a second component (14) which allows fluid passage of this or another medium in a further direction,
- a third component (16) arranged between the first (12) and the second (14) component to form a firm bond between them, and
- fluid-conducting channels (18) which extend at least partially through the stack assembly (10) at the end and of which at least one channel section (20) serves to supply and another channel section (20) to remove the medium for the first component (12).
Description
Die Erfindung betrifft einen Kreuzstromwärmetauscher in Platten- und Leistenbauweise, bestehend aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, die einen Stapelverbund miteinander bilden.The invention relates to a cross-flow heat exchanger in plate and strip construction, consisting of a plurality of individual components which form a stacked assembly.
Ein Kreuzstromwärmetauscher führt die Stoffströme derart, dass sich ihre Richtungen kreuzen. Dahingehende Wärmetauscher bilden im Ergebnis etwas zwischen einem Gegenstrom- und einem Gleichstrom-Wärmetauscher. Mittels eines Kreuzstromes kann beispielsweise ein Fluidstrom auf eine bestimmte, festgelegte Temperatur gebracht werden.A cross-flow heat exchanger directs the material flows in such a way that their directions intersect. These heat exchangers are essentially something between a countercurrent and a cocurrent heat exchanger. Cross-flow heat exchangers, for example, can be used to heat a fluid flow to a specific, fixed temperature.
Wärmetauscher dieser Art, auch Lamellenkühler genannt, sind Stand der Technik, vergleiche
Um solchen Spannungsrissen wirksam zu begegnen, ist in
Um den dahingehenden Stapelverbund mit dem zu kühlenden Medium zu versorgen, sind von außen her kastenförmige Kammern angelötet, die als Einström- bzw. Ausströmkammer für das strömungsfähige Medium dienen, regelmäßig in Form von zu kühlendem Hydrauliköl eines an den Wärmetauscher angeschlossenen Hydraulikkreises. Eine dahingehende Einströmkammer sowie eine Ausströmkammer für den Stapelverbund eines Kreuzstromwärmetauschers ist in
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Wärmetauscher zu verbessern, insbesondere eine kostengünstige Herstellung zu ermöglichen. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Kreuzstromwärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.Based on this prior art, the invention is based on the object of improving known heat exchangers, in particular enabling cost-effective production. This object is achieved by a cross-flow heat exchanger having the features of patent claim 1 in its entirety.
Der erfindungsgemäße Kreuzstromwärmetauscher besteht aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, die einen Stapelverbund miteinander bilden, mit mindestens
- - einer ersten Komponente, die einen Fluiddurchlass eines Mediums in einer Richtung ermöglicht,
- - einer zweiten Komponente, die einen Fluiddurchlass dieses oder eines anderen Mediums in einer weiteren Richtung ermöglicht,
- - einer dritten Komponente, die zwischen der ersten und der zweiten Komponente angeordnet einen festen Verbund zwischen diesen herstellt, und
- - fluidführenden Kanälen, die zumindest abschnittsweise den Stapelverbund endseitig durchgreifen und von denen zumindest ein Kanalabschnitt der Zufuhr und ein anderer Kanalabschnitt der Abfuhr des Mediums für die erste Komponente dient.
- - a first component which allows fluid passage of a medium in one direction,
- - a second component that allows fluid passage of this or another medium in a further direction,
- - a third component arranged between the first and second components to form a firm bond between them, and
- - fluid-carrying channels which at least partially pass through the stack assembly at the end and of which at least one channel section serves to supply and another channel section to remove the medium for the first component.
Dadurch, dass die angesprochenen fluidführenden Kanäle im Wesentlichen integraler Bestandteil des Stapelverbundes, gebildet aus den einzelnen Komponenten, sind, brauchen diese nicht wie im Stand der Technik aufgezeigt von außen her als Ein- oder Ausströmkammern konzipiert auf den Stapelverbund seitlich aufgesetzt und mit diesem fest verbunden, insbesondere verlötet oder verschweißt, werden, was die Herstellung des Wärmetauschers deutlich erleichtert und Herstellkosten einsparen hilft. Des Weiteren lassen sich die freien Querschnitte der fluidführenden Kanäle im Rahmen der Innenführung reduzieren, sodass Strömungsverluste im Betrieb, insbesondere durch Turbulenz, innerhalb der Medienströmung vermieden sind. Da der erfindungsgemäße Kreuzstromwärmetauscher aufgrund der integralen Fluidführung in Summe gesehen auch weniger Lötstellen respektive Lötflächen für seinen Aufbau benötigt, ist der insoweit damit in Verbindung stehende thermische Eintrag entsprechend reduziert, sodass der Eintrag übermäßiger Wärmespannungen vermieden ist und somit der Gefahr des Auftretens von Spannungsrissen innerhalb der Lötverbindungen des starren Wärmetauscherblockes wirksam begegnet ist. Dergestalt ist ein lang andauernder Betrieb des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers ermöglicht.Due to the fact that the fluid-carrying channels mentioned are essentially an integral part of the stacked assembly, formed from the individual components, they do not need to be designed from the outside as inlet or outlet chambers, placed laterally onto the stacked assembly and firmly connected to it, in particular soldered or welded, as shown in the prior art, which significantly simplifies the manufacture of the heat exchanger and helps to save manufacturing costs. Furthermore, the free cross sections of the fluid-carrying channels can be reduced within the internal guide, so that flow losses during operation, in particular due to turbulence, within the media flow are avoided. Since the cross-flow heat exchanger according to the invention also requires fewer soldering points or soldering surfaces for its construction due to the integral fluid guide, the associated thermal input is correspondingly reduced, so that the introduction of excessive thermal stresses is avoided and thus the risk of stress cracks occurring within the soldered connections of the rigid heat exchanger block is effectively counteracted. In this way, long-term operation of the cross-flow heat exchanger according to the invention is enabled.
Die genannten Komponenten im Stapelverbund lassen sich in der Art von Gleichteilen ausbilden, was der Funktionssicherheit zugutekommt. Auch lassen sich die Komponenten als Gleichteile in der Art eines Baukastensystems konzipieren, sodass mit nur wenigen, voneinander verschiedenen Komponenten sich von der Baugröße her unterschiedliche Wärmetauscher in kostengünstiger Weise aufbauen und insoweit realisieren lassen. Es versteht sich, dass in einer größeren Stapelabfolge alternierend die dritte Komponente zwischen der ersten und der zweiten Komponente und nachfolgend zwischen der zweiten und der ersten Komponente angeordnet ist usw. Auf der Oberseite und der Unterseite einer ersten oder zweiten Komponente ist in der Stapelfolge also immer eine dritte Komponente eingebracht. The components mentioned in the stack can be designed as identical parts, which benefits functional reliability. The components can also be designed as identical parts in the form of a modular system, so that heat exchangers of different sizes can be constructed and implemented cost-effectively using only a few, differently sized components. It goes without saying that in a larger stack sequence, the third component is arranged alternately between the first and second components and subsequently between the second and first components, and so on. In the stack sequence, a third component is therefore always incorporated on the top and bottom of a first or second component.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers ist vorgesehen, dass die erste Komponente außenumfangsseitig von einem Rahmen umfasst ist, dessen Bauhöhe der Bauhöhe mindestens eines Strömungsleitkanals entspricht, der sich fluidführend zwischen zwei an diesen angrenzenden Kanalabschnitten erstreckt, die von diesem Rand zumindest teilweise mit umfasst sind. Dabei kann der Rahmen durchgehend einstückig ausgebildet sein, beispielsweise als Stanzteil, oder der Rahmen ist aus einzelnen leistenförmigen Rahmenteilen zusammengesetzt, die zum Aufbau unterschiedlicher Wärmetauschergrößen in unterschiedlichen Längen zur Verfügung stehen, was der Grundkonzeption des Wärmetauschers als Baukasten zugutekommt. Vorzugsweise grenzen dabei die leistenförmigen Rahmenteile in einer horizontalen Einbaulage derart aneinander, dass jeweils ein Eckbereich freigelassen ist, wobei vorzugsweise die den Rahmenteilen benachbart nachfolgenden Komponenten im Stapelverbund eine dem jeweiligen Eckbereich nachfolgende Konturausnehmung aufweisen. Die derart freigelassenen Eckbereiche können der Aufnahme von Montagestäben als Montagehilfe dienen, wobei eine Art kastenförmiger Montagehilfsrahmen entsteht, der von der freien Oberseite her mit den Komponenten in vorgebbarer Reihenfolge beschickt den Stapelverbund ergibt, der dann mittels entsprechendem Wärmeeintrag zu festen Verbindungen zwischen den Komponenten führt und damit zu dem gesamten blockartigen Wärmetauscher. Unabhängig hiervon besteht auch die Möglichkeit die freigelassenen Eckbereiche im Stapelverbund für das Einbringen einer Schweißnaht vorzusehen, um dergestalt den Stapelverbund als Wärmetauscherblock zu erhalten.In a preferred embodiment of the cross-flow heat exchanger according to the invention, the first component is enclosed on the outer circumference by a frame whose overall height corresponds to the overall height of at least one flow guide channel which extends in a fluid-conducting manner between two channel sections adjacent to it, which are at least partially enclosed by this edge. The frame can be formed as a single piece, for example as a stamped part, or the frame can be composed of individual strip-shaped frame parts which are available in different lengths for constructing different heat exchanger sizes, which benefits the basic concept of the heat exchanger as a modular system. The strip-shaped frame parts are preferably adjacent to one another in a horizontal installation position such that a corner region is left free in each case, wherein the components adjacent to the frame parts in the stack preferably have a contour recess following the respective corner region. The corner areas left free in this way can serve as assembly aids for mounting rods, creating a kind of box-shaped auxiliary assembly frame. Loaded with the components in a predefined sequence from the free top side, the stacked assembly then forms a rigid connection between the components through appropriate heat input, thus forming the entire block-like heat exchanger. Independently of this, it is also possible to use the left-free corner areas in the stacked assembly for the insertion of a weld seam, thus creating the stacked assembly as a heat exchanger block.
In jedem Fall ist es von Vorteil, wenn die dritte Komponente aus einer eben verlaufenden Platte gebildet ist, die endseitig Ausnehmungen in der Größe der benachbarten Kanalabschnitte aufweist und die mit lötfähigen Materialien beschichtet ist. Durch thermischen Wärmeeintrag schmilzt dann das Lot der Platte, welches auf beiden gegenüberliegenden Seiten flächig aufgetragen ist, das feste Verbindungen mit den benachbarten Komponenten unter Bildung des Stapelverbundes eingeht.In any case, it is advantageous if the third component is formed from a flat plate with recesses at the ends the size of the adjacent channel sections and is coated with solderable materials. Thermal heat input then melts the solder of the plate, which is applied flatly on both opposite sides, forming strong connections with the adjacent components and forming the stacked assembly.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers ist vorgesehen, dass die in der Stapelfolge zuoberst und zuunterst angeordnete Komponente jeweils aus einer eben verlaufenden Abschlussplatte gebildet ist, von denen mindestens eine den Zu- und/ oder Ablauf für das eine Medium aufweist, der aus einem separaten Anschlussstück gebildet ist, das auf die eine Seite der Abschlussplatte aufgesetzt mit dieser fest verbunden ist. Dergestalt lassen sich insoweit auch die Anschlussstücke standardisieren und als weitere Baukomponente an den Abschlussplatten des Stapelverbundes anbringen respektive anlöten.In a further preferred embodiment of the cross-flow heat exchanger according to the invention, the components arranged at the top and bottom in the stacking sequence are each formed from a flat end plate, at least one of which has the inlet and/or outlet for one medium, which is formed from a separate connecting piece that is placed on one side of the end plate and firmly connected to it. In this way, the connecting pieces can also be standardized and attached or soldered to the end plates of the stack as additional components.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers ist vorgesehen, dass die freien Querschnitte für die einzelnen Kanalabschnitte rechteckförmig, vorzugsweise quadratisch sind. Die dahingehenden Kanalabschnitte lassen sich auf einfache und kostengünstige Weise herstellen und benötigen durch die direkte Aufnahme in den Stapelverbund wenig Bauraum, was einem platzsparenden Aufbau des Wärmetauschers, zugutekommt.In a preferred embodiment of the cross-flow heat exchanger according to the invention, the free cross-sections for the individual channel sections are rectangular, preferably square. These channel sections can be manufactured simply and cost-effectively and, due to their direct integration into the stacked assembly, require little installation space, which benefits a space-saving design of the heat exchanger.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauschers ist vorgesehen, dass bei Einsatz mehrerer Strömungsleitkanäle für das eine Medium diese jeweils aus einem Längskanal gebildet sind, die sich von einem Kanalabschnitt an einem Ende zum gegenläufigen Kanalabschnitt am anderen Ende erstrecken. Dergestalt ist ein maximaler Wärmeübertrag zwischen der Medienführung der einen Komponente und der zweiten Komponente erreicht, die vorzugsweise über die wärmeführende dritte, plattenartige Komponente voneinander mediendicht separiert sind.In a further preferred embodiment of the cross-flow heat exchanger according to the invention When using multiple flow guide channels for one medium, each of these is formed from a longitudinal channel extending from a channel section at one end to the opposite channel section at the other end. This achieves maximum heat transfer between the media guide of one component and the second component, which are preferably separated from each other in a media-tight manner by the heat-conducting third, plate-like component.
Für einen dahingehend verbesserten Wärmeübergang ist vorgesehen, dass die zweite Komponente mindestens ein Leitblech aufweist, das durch seine Ausformung sowohl die Wärmeübertragungsfläche vergrößert als auch die Strömung hinsichtlich eines besseren Wärmeübergang steuert. Eine typische Ausführung ist zick-zackförmig gewellt. Das Leitblech mündet an den freien Stirnseiten des Wärmetauschers ins Freie und verläuft quer oder kreuzförmig zu den Längskanälen der jeweils ersten Komponenten. Das dahingehende Leitblech der zweiten Komponente dient insbesondere der Strömungsführung von Luft, die vorzugsweise mittels eines motorangetriebenen Lüfters bei hoher Strömungsgeschwindigkeit hindurchgeführt wird.To improve heat transfer in this regard, the second component is provided with at least one baffle, which, through its shape, both increases the heat transfer surface and controls the flow for better heat transfer. A typical design is corrugated in a zigzag pattern. The baffle opens into the open air at the free end faces of the heat exchanger and runs transversely or crosswise to the longitudinal channels of the respective first components. The baffle of the second component serves in particular to guide the flow of air, which is preferably passed through by a motor-driven fan at high flow velocity.
Neben der Kühlung von Hydrauliköl besteht auch die Möglichkeit Wasser-Glykolmischungen oder weitere Flüssigkeiten und Gase zu kühlen, wie Wasser als Betriebsmedium oder Ladeluft eines Kompressors.In addition to cooling hydraulic oil, it is also possible to cool water-glycol mixtures or other liquids and gases, such as water as an operating medium or charge air of a compressor.
Insgesamt ist mit dem erfindungsgemäßen Kreuzstromwärmetauscher ein Aufbau geschaffen, der dem Grunde nach mit nur einem einzigen Lötvorgang die Herstellung eines platten- und leistenbasierten Kreuzstromwärmetauschers als Ganzes erlaubt, was so keine Entsprechung im Stand der Technik hat.Overall, the cross-flow heat exchanger according to the invention creates a structure that essentially allows the production of a plate and strip-based cross-flow heat exchanger as a whole with only a single soldering process, which has no equivalent in the prior art.
Im Folgenden wird der erfindungsgemäße Kreuzstromwärmetauscher anhand von zwei Ausführungsbeispielen nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
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1 eine perspektivische Teilansicht auf einen hälftigen Wärmetauscher gemäß einem ersten Ausführungsbespiel; -
2 in der Art eine Explosionszeichnung, eine der1 entsprechende Ansicht auf Komponenten des Wärmetauschers; -
3 in der Art eine Explosionszeichnung, eine perspektivische Seitenansicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Kreuzstromwärmetauschers mit Fluidführung gemäß Pfeildarstellung; -
4 eine Draufsicht auf eine Komponente des Wärmetauschers nach der3 in Form einer Wärmetauscherplatte; und -
5 in perspektivischer Seitenansicht den aus den Komponenten nach den3 und4 zusammengesetzten Wärmetauscher als Ganzes.
-
1 a perspective partial view of a half heat exchanger according to a first embodiment; -
2 in the style of an exploded view, one of the1 corresponding view of heat exchanger components; -
3 in the manner of an exploded drawing, a perspective side view of a further embodiment of a cross-flow heat exchanger with fluid guidance according to the arrow representation; -
4 a top view of a component of the heat exchanger after3 in the form of a heat exchanger plate; and -
5 in perspective side view the one made up of the components according to the3 and4 composite heat exchanger as a whole.
Der erfindungsgemäße Kreuzstromwärmetauscher besteht aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten, die einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Stapelverbund miteinander bilden, mit ersten Komponenten 12, die einen Fluiddurchlass eines Mediums in einer vorgebbaren Richtung ermöglichen. Ferner sind zweite Komponenten 14 vorhanden, die jeweils einen Fluiddurchlass dieses oder eines anderen Mediums in einer weiteren vorgebbaren Richtung ermöglichen. Dritte Komponenten 16, die zwischen der jeweils ersten Komponente 12 und der zweiten Komponente 14 angeordnet sind, stellen einen festen Verbund unter den genannten Komponenten 12, 14, 16 her.The cross-flow heat exchanger according to the invention consists of a plurality of individual components that form a stacked assembly, designated as a whole by 10, with
Des Weiteren weisen alle Komponenten 12, 14, 16, wie sich dies insbesondere aus der
Wie sich weiter aus der
Der Rahmen 22 ist bei dem Ausführungsbeispiel nach den
Anstelle einer Vielzahl von Strömungsleitkanälen 24 besteht auch die Möglichkeit, die stabartigen Längsführungen 26 entfallen zu lassen und es erfolgt dann ein freier Fluiddurchtritt vom vorderen Kanalabschnitt 20 zum hinteren Kanalabschnitt 20 entlang eines einzigen Strömungskanales über den gesamten Querschnitt, der von dem Rahmen 22 begrenzt ist. Jeder Rahmen 22 besteht aus vier Leisten 36 oder Längsstäben, deren Baulängen im Wesentlichen frei vorgebbar sind und die an die Größe des jeweils zu realisierenden Wärmetauschers angepasst sind.Instead of a plurality of
Wie sich des Weiteren aus den Figuren ergibt, weist die zweite Komponente 14 ein bevorzugt zick-zack-förmiges Leitblech 38 auf, das an den freien Stirnseiten des Wärmetauschers ins Freie mündet und das mit seinen freien, dreieckigen Öffnungsquerschnitten quer zu den Längskanälen 24 der jeweils ersten Komponente 12 verläuft. Das dahingehende Leitblech 38 dient regelmäßig der Strömungsführung von Kühlluft; es ist aber auch denkbar hier ein anderes gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium im Bedarfsfall hindurchzuleiten.As further shown in the figures, the
Zur Vervollständigung des Wärmetauschers ist noch vorgesehen, dass die in der Stapelfolge zuoberst und zuunterst angeordnete vierte Komponente 40 jeweils aus einer eben verlaufenden Abschlussplatte gebildet ist, von denen die obere den Zulauf und die untere den Ablauf (nicht dargestellt) für das eine Medium, beispielsweise in Form von Hydraulikmedium, aufweist. Der dahingehende Zulauf 42 oder Ablauf 44 ist aus einem separaten zylindrischen Anschlussstück 46 gebildet, das auf die eine freie Seite der Abschlussplatte aufgesetzt mit dieser über eine ringförmige Schweißnaht 48 fest verbunden ist. Anstelle einer Schweißnaht 48 könnte auch eine Lötnaht vorgesehen sein, die optisch aber derart unauffällig ist, dass sie in der Zeichnung nicht mehr erkennbar wäre. So sind auch in der
Das zweite Ausführungsbeispiel nach den
Bei der Lösung nach der
Wie sich insbesondere aus der
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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DE 10 2014 001 703 A1 [0028]
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