DE3210168C2

DE3210168C2 - Geschichteter Spiral-Wärmetauscher

Info

Publication number: DE3210168C2
Application number: DE3210168A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kudamatsu Higaki; Kenjiro Kasai; Koji Koibuchi; Norihide Saho
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1981-03-20
Filing date: 1982-03-19
Publication date: 1985-05-15
Also published as: DE3210168A1; JPS57155089A; US4445569A; JPS6217157B2

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen geschichteten Wärmetauscher mit einem Paket- oder Schichtenaufbau aus mehreren perforierten oder gelochten Wärmeübertragungsplatten (9) und Abstandsgliedern (7), die abwechselnd angeordnet sind, wobei die Abstandsglieder mehrere Fluiddurchtritte zwischen jeweils benachbarten Wärmeübertragungsplatten bilden derart, daß Wärme zwischen verschiedenen Fluiden getauscht wird, die in verschiedenen Fluiddurchtritten strömen, über Wärmeübertragung über die Wärmeübertragungsplatten. Insbesondere gibt die Erfindung einen Wärmetauscher der erwähnten Art an, bei dem mehrere getrennte Schnecken- oder Spiraldurchtritte durch das Abstandsglied gebildet sind, so daß örtliche Konzentrationen jedes Fluids in ihrem Durchtritt vermieden sind, wodurch der Wärmeübertragungswirkungsgrad erheblich verbessert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen typischen laminierten oder geschichteten Wärmetauscher mit mehreren War-Sa-fdl,

(D

(2)

Bei dem Entwurf des Wärmetauschers werden diese Durchtrittskanäle abhängig von den Strömungsge-

rerseits ändert sich der Wärmeübertragungswirkungsgrad der Wärmeübertragungsplatte 2 sehr stark mit den radialen Breiten der Durchtrittskanäle. Insbesondere wird der Wärmeübertragungswirkungsgrad der mit Rippen versehenen Wärmeübertragurgsplatte verbessert wenn die Werie d,/2 und (d-i — d₂)l2 in den jeweiligen Gleichungen möglichst klein gewählt werden. Um größere Strömungsgeschwindigkeiten der Medien A und B zu erreichen, ist es notwendig, ausreichend große Flächen Sa und Sb für die Durchtrittskanäle vorzusehen. Dadurch wird jedoch der Rippenwirkungsgrad verringert, wodurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers insgesamt verringert wird.

Zum Erhöhen der Fläche der Strömungsdurchtritte unter Begrenzen der Breite jedes Durchtrittskanals ist es beabsichtigt, zusätzlich mindestens ein AbstancJsglied zu verwenden, um zusätzliche konzentrische Durchtrittskanäle um den Kreis mit dem Durchmesser <A gemäß F i g. 1 zu bilden, um dadurch die Anzahl der Durchtrittskanäle zu erhöhen. In einem solchen Fall werden mehrere Durchtrittskanäle, die durch die Abstandsglieder abgetrennt sind, für jedes der Medien A und B verwendet, so daß die Gefahr besteht, daß jedes Medium ungleichförmig auf diese Durchtrittskanäle verteilt wird, wodurch der Wärmeübertragungs- bzw. Wärmetauschwirkungsgrad gestört bzw. herabgesetzt wird. Zusätzlich müssen die F.ndkammern (header) für jedes der Medien A und ßim Aufbau kompliziert sein, um das Medium auf mehrere ' ^r Durchtrittskanäle zu verteilen und um dieses von mehreren Durchtrittskanähnzu sammeln.

Aus der DE-PS 8 62 757 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem mehrere Platten übereinandergeschichtet sind, die für jedes am Wärmetausch beteiligte Medium den Strömungskanal enthalten, der in Form einer ebenen Spirale ausgebildet ist.

Aus der DE-PS 6 69 442 ist i\n Wärmetauscher mit dünnen Blechen bekannt, bei dem Stromungskanäle ebenfalls einen spiralförmigen Verlauf haben.

Bei den aus diesen beiden Druckschriften bekannten Wärmetauschern durchströmen die am Wärmetausch beteiligten Medien die jeweiligen Strömungskanäle in deren voller Länge. Durch diese Führung der Medien kann kein gleichmäßiger Wärmetausch zwischen den beteiligten Medien gewährleistet werden.

Es ist Aufgaber der Erfindung, einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Patentanpruchs 1 beschriebenen

Art so weiterzubilden, daß ein völlig gleichmäßiger Wärmeaustausch zwischen den beteiligten Medien erfolgt

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Wärmetauscher der in Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst

In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen des ei aiidungsgemäßen Wärmetauschers beschrieben.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 in Draufsicht, einen Wärmeübertragungsabschnitt eines herkömmlichen geschichteten Wärmetauschers,

F i g. 2 den Schnitt I-I in F i g. 1,

F i g. 3 in Draufsicht den Wärmeübertragungsabschnitt eines geschichteten Spiral-Wärmetauschers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 4 den Schnitt Ii-II in F i g. 3,

F i g. 5 einen vertikalen Schnitt des Wärmetauschers gemäß Fig.4, wobei an beiden Enden EndVammern vorgesehen sind,

Fig.6 in Aufsicht eine zwischengelagerte (mittige) Strömungsverteilungsplatte eines geschichteten Spiral-Wärmetauschers gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 7 den Schnitt HI-IH in F i g. 6, und

F i g. 8 in Draufsicht ein Abstandsglied, das in einem geschichteten Spiral-Wärmetauscher gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen ist

Ein herkömmlicher Wärmetauscher wurde anhand der F i g. 1 und 2 bereits erläutert

Ein erstes Auführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die F i g. 3 bis 5 näher erläutert Gemäß den F i g. 3 und 4 weist der Wärmeübertragungsabschnitt des geschichteten Schnecken-oder Spiral-Wärmetauschers (Wärmetauscherpaket) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel zwei Wärmeübertragungsplatten und drei erste Platten auf, die in der dargestellten Weise in Lagen geschichtet sind, jede erste Platte 7 besitzt spiralförmige Form, die durch Evolventenkurven a —- b. c — d, e—»/und g—*h definiert sind. Die Form der ersten Platte 7 kann in Werten von X- und V-Achsen eines .Y-V-Koordinatensystems gemäß den folgenden Gleichungen ausgedrückt werden:

X = ao (cos A + A sin A) Y = ao (sin A — A cc A)

Dabei bedeuten A einen Parameter und ao den Radius des Grundkreises der Evolente. Die Punkte a und csind auf dem gleichen Basiskreis angeordnet, während die Punkte e und g auf einem anderen Basiskreis angeordnet sind.

Die Kurven sind zu Kurven eines X'— K'-Koordinatensystems kongruent, das durch Drehen des X- Y- Koordinatensystem um einen Punkt (O, ojum einen Winkel θ erhalten wird. Diese Kurven sind nämlich als geometrischer Ort des Punkts (X', Y') definiert, der sich aus der folgenden Gleichung (5) ergibt:

Weise ist die Kurve g—*h eine Kurve, die durch Drehen der Kurve c—* cf um einen Winkel θ = λ erhalten würt Die Punkte a, d, F und h sind die Punkte, bei denen die Evolventenkurven den äußeren Kreis berühren. Daher besitzen die Abschnitte der ersten Platte, die sich weiter von diesen Punkten erstrecken, Formen von Teilen eines Kreises.

Wenn es notwendig ist drei oder mehr Durchtrittskanäle zu bilden, wird der Winkel θ so gewählt, daß er

ίο nicht größer als π ist Wenn beispielsweise drei Durchtrittskanäle gebüdet werden, werden drei Evolventenkurven mit Winkeln

i = o, θ=4- und 0 = 4e

gezogen und mit drei Evolventenkurven verbunden, die durch

θ = α, θ = —+ a und θ = —τα

cos θ- sin

Daher wird die Kurve e -»/durch Drehen der Kurve a— b um einen Winkel θ = π erhalten. In ähnlicher wiedergegeben sind. Dadurch wird es möglich, drei Nuten, d. h. drei Durchtriltskanäle in der ersten Platte 7 zu bilden. Das Symbol λ gibt einen Faktor wieder, der die Breite der Spirale der ersten Platte 7 bestimmt, d. h. die Breite der Abtrennung zwischen einem Durchtrittskanal und den benachbarten Durchtrittskanälen.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den F i g. 3 bis 5 beträgt das Flächenverhältnis zwischen den Durchtrittskanälen für das Medium A und das Medium 5 1:1, während das Flächenverhältnis zwischen den Durchtrittskanälen durch Ändern des Winkels θ verändert werden kann. Die zweiten Platten 9 aus einem Metall mit vielen Löchern 8 und die ersten Platten 7 werden abwechselnd in Lagen geschichtet und die Derüfrungsabschnitte zwischen den ersten Platten 7 und den zweiten Platten 9 werden metallurgisch oder mittels eines Klebstoffs miteinander verbunden. Die Durchtrittskanäle 3a und 3Zj für die Medien A und B sind voneinander durch eine erste Platte 7 an einer gemeinsamen zweiten Platte 9 getrennt und jeder Durchtritiskanal besitzt eine konstante Breite über den gesamten Evolventenbereich, der nicht mit dem äußeren Kreis in Berührung ist.

Die ersten Platten 7 sind in gleichen Phasen miteinander bezüglich der X- und K-Achsen, so daß die Durchtrittskanäle auch in Strömungsrichtung der Medien A und B konstante QuRrschnittsfläche besitzen. Der Wärmetausch in diesem geschichteten Wärmetauscher beruht auf der Wärmeüber'ragung durch die Wand jeder z-veit.M Platte in radialer Richtung des Wärmetauschers. In radialer Richtung des Wärmetauschers betrachtet, ist jede Wi.idung des Durchtrittskanals jedes Mediums zwischen die Windungen der Durchtrittskanäle des anderen Fluids zwischengeschichtet mit Ausnahme des äußersten Abschnittes der Spirale derart, daß es möglich ist, den Rippenwirkungsgrad der zweiten Platte 9 über die gesamte Länge der Durchtrittskanäle 3a, 4a durch eine geeignete Wahl der Breiten der Strötnungsdurchtritte zu erhöhen. Zusätzlich ist es durch Erhöhen der Anzahl der Windungen der Spirale möglich, die Flächen der Strömungsiurchtritte zu erhöhen, ohne daß

ü5 dies durch eine Verringerung des Rippenwirkungsgrades begleitet wäre. Es ist weiter zu bemerken, daß, da der Durchtrittskanal des gleichen Mediums an jeder der zweiten Platten 9 kontinuierlich ist. es möelich ist. die

5 6

Druckschwankung des Mediums in dem Durchtrittska- migen Nuten definieren, wie sich das aus F i g. 8 ergibt, nal zwischen benachbarten zweiten Platten 9 über die Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es möglich, den

gesamte Länge des Durchtrittskanals zu absorbieren. Rippenwirkungsgrad der äußersten Umfangsabschnitte Folglich wird die Neigung zu örtlichen Konzentrationen der spiralförmigen Durchtrittkanäle zu erhöhen, die den des Mediums in der Richtung der Schichtung wirksam 5 Durchtrittskanäien des anderen Mediums nur an deren unterdrückt, wodurch ein guter Wärmeübertragungs- einer Seite benachbart sind, und zwar durch Verringern wirkungsgrad des Wärmetauschers sichergestellt ist. Da der Breite dieser Abschnitte der spiralförmigen Nuten, andererseits die äußerste Umfangsflächc der Spiralnu- wodurch der Wirkungsgrad des Wärmetauschers ingeten einen konzentrischen Kreis bildet, ist es möglich, samt weiter verbessert wird.

den Außendurchmesser </o der ersten Platten 7 aufs Au- io Wenn auch die Erfindung anhand besonderer Ausfühßerste zu verringern. rungsbeispiele erläutert worden ist, bei denen die spiral-

F i g. 5 zeigt den Wärmeübertragungsabschnitt ge- förmigen Nuten exakten Spiralverlauf besitzen, so ist maß den F i g. 3 und 4, wobei Endkammern an beiden dies nicht einschränkend zu verstehen und können spi-Enden angebracht sind. Jede Endkammer 10 ist auf einer ralförmige Nuten in Winkelform oder Polygonform Seite in Dickenrichtung mit Spiralnuten 11 gleicher is ebenfalls verwendet werden. Insbesondere ist die Erfin-Größe und Form wie diejenigen der ersten Platte 7 dung auch mittels ersten und zweiten Platten durchführversehen. Die Nuten U in der Endkammer 10, die mit bar, die Polygonform besitzen.

den Durchtrittskanälen 3a. 4a in Verbindung stehen, Wie das erläutert worden ist, erreicht die Erfindung

sind iviii Öffnungen 12 bzw. 53 versehen. Diese öffnun einen geschichteten Wärmetauscher mit mehreren ergen 12 und 13 bilden den Einlaß oder den Auslaß der 20 sten und zweiten Platten, die in abwechselnden Lagen j Medien A und B. Durch Vorsehen solcher Öffnungen 12 geschichtet sind, zur Bildung von Durchtrittskanälen für

und 13 in der Endkammer 10 ist es möglich, die Medien verschiedene Medien in dem Raum zwischen benach-

| über alle Abschnitte der Durchtrittskanäle in dem harten zweiten Platten, wobei die ersten Platten spiral-

| Wärmeübertragungsabschnitt zu verteilen. Folglich ist förmige Form besitzen derart, daß mehrere spiralförmi-

es möglich, den Aufbau der Endkammern in wesentli- 25 ge Fluiddurchtritte, die jeweils kontinuierlich in der Spichem Umfang zu vereinfachen. Gemäß F i g. 5 besitzt ral- oder Schneckenrichtung sind, derart gebildet sind, eine zwischenliegende Strömungsverteilungsplatte 14 daß die Durchtrittskanäle für verschiedene Medien eindie gleiche Spiralform wie die ersten Platten 7. jedoch ander 'b. radialer Richtung der Spirale oder Schnecke ist deren Dicke größer als die der ersten Platten 7. Des- benachbart sind.

halb wird, selbst «-enn eine ungleichförmige Druckver- 30 Folglich ist es gemäß der Erfindung möglich, die örtliteilung in der Nut in der ersten Platte 7 gebildet wird, ehe Konzentration des Mediums in jedem Durchtrittsdie Druckverteilung in der Nut der zwischenliegenden kanal zu beseitigen, wodurch de> Wärmeübertragungs-Strömungsverteilungsplatte 14 größeren Volumens ver- wirkungsgrad des Wärmetauschers erheblich verbesgleichmäßigt, wodurch weiter die örtliche Konzentra- sertwird.

tion der Strömung beseitigt wird, um einen höheren 35

Wärmeübertragungswirkungsgrad sicherzustellen. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Die r i g. 6 und 7 zeigen ein anderes Ausführungsbei-

spiel der Erfindung, bei dem Druchtrittskanäle 15 und
16. die mit der Außenseite des Wärmetauschers in Verbindung stehen, in dem äußersten Umfangsabschnitt der 40
Durchtrittskanäle 3a und 4a gebildet sind, die in der
zwischenliegenden Strömungsverteilungsplatte 14 vorgesehen sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es daher möglich. Teile der Medien A und B nach außerhalb
des Wärmetauschers durch diese zwischenliegende 45
Strömungsverteilungsplatte 14 zu verteilen. Dies bedeutet daß die Strömungsgeschwindigkeiten der Medien A
und B an den zwischenliegenden Abschnitt des geschichteten Wärmetauschers (Wärmetauscherpaket) er- W höht oder verringert werden können. Daher dient die 50 t% zwischenliegendi Strömungsverteilungsplatte 14 bei ^; diesem Ausführungsbeispiel als Strömungsverteilungs- e-Endkammer. ζ" Fig.8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei \ dem die äußersten Abschnitte der Durchtrittskanäle, die 55 \ dem Durchtrittskanal des anderen Mediums lediglich an ' deren einen Seite benachbart sind, d. h. die Durchtrittskanäle. die sich über die Kurvenabschnitte f'—a' und
h'—b'erstrecken, so ausgebildet sind, daß sie eine Breite besitzen, die kleiner als die der anderen Abschnitte 60 . } der Durchtrittskanäle sind, die zwischen den Durch- i trittskanälen des anderen Mediums zwischengeschich- i tet sind. f Die die äußersten Umfangsabschnitte der spiralför- |- migen Nuten bildenden Kurven sind nämlich so be- 65 ί stimmt, daß sie eine konstante Breite bzw. einen Ab- | stand W von den Kurven beibehalten, die die inneren ,f Umfange der entsprechenden Abschnitte der spiralför- |

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmetauscher mit einer Mehrzahl von übereinandergeschichteten ersten Platten, die jede für jedes von zwei oder mehr in Wärmeaustauch miteinanderzubringenden Strömungsmedien je einen in Form einer sich parallel zur Plattenebene erstreckenden ebenen Spirale ausgebildeten Durchtrittskanal enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskanäle (3a. 4a) für die verschiedenen Medien (A, B) durch dazwischenliegende Wände voneinander getrennt die ersten Platten (7) jeweils in voller Stärke von deren einer Stirnseite zur anderen durchsetzen und daß zwischen jedes Paar von benachbauen ersten Platten (7) je eine Platte (9) als Wärmeaustauschplatte eingefügt ist, die eine Vielzahl von sie quer durchsetzenden Löchern (8) enthält, die jeweils für eines der beteiligten Medien (A, B) bestimmte Durchtrittskanäle (3a bzw. 4a) in zwei aufeinanderfolgenden ersten Piaiten (7) miteinander in Verbindung bringen und gemeinsam mit den Durchtrittkanälen (3a, 4a) in den ersten Platten (7) durch die ersten und zweiten Platten (7 bzw. 9) jeweils quer zu deren Ebene hindurchgehende Strömungswege für jedes der be'eiligten Medien (A. B) schaffen.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, mit kreisförmiger Ausbildung der ersten Platten, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskanäle (3a, 4a) für die verschi. denen Medien (A, B) in den ersten Platten (7) radial nebeneinander angeordnet sind.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, mit kreisförmiger Ausbildung de' ersten Platten, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskanäle (3a, 4a) für die verschiedenen Medien (A. B) an ihrem äußersten Ende jeweils durch einen zum Außenumfang der betreffenden ersten Platte (7) konzentrischen Kreis begrenzt sind.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittskanä-Ie (3a, 4a^in den ersten Platten (7) an ihren äußersten Enden eine geringere Breite als in ihrem übringen Verlauf aufweisen.

5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an wenigstens eine erste Platte (7) oder eine zweite Platte (9) eine Strömungsverteilungsplatte (14) in den Strömungsweg der Medien (A. B)durch die Platten (7,9) eingefügt ist, die den Durchtrittskanälen (3a, 4a) in den ersten Platten (7) in Lage und Größe entsprechende getrennte Durchtrittskanäle für jedes der Medien (A. B) enthält und einen größere Dicke aufweist als die ersten Platten (7) (F 1 g. 5).

6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteilungsplatte (14) an ihrem Auüenumfang für jeden in ihr vorgesehenen Durchtrittskanal je einen von dessen äußerstem Ende ausgehenden Durchlaß (15, 16) in den Außenraitn enth ilt(F i g 7).

meübertragungsplaiten 2 (Wärmetauscherplatten), die jeweils viele Löcher 1 aufweisen, und mit Abstandsgliedern 5 und 6, wobei die Wärmeübertragungsplatten 2 und die Abstandsglieder 5,6 abwechselnd aufeinandergeschichtet sind derart, daß die Abstandsglieder 5, 6 Durchtrittskanäle 3 und 4 für verschiedene Medien A und B definieren, zwischen denen die Wärme zu tauschen ist. Die Durchtrittskanäle 3 und 4 sind zueinander konzentrisch ausgebildet. Die Flächen Sa unii Sb der Durchtrittskanäle für die Medien A und S ergeben sich aus den folgenden Gleichungen (1) bzw. (2):