DE102019110262A1 - Plate-fin heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Platten-Rippen-Wärmeübertrager (1) mit einer Deck- und einer Bodenplatte als horizontalen Begrenzungsplatten (2) und Seitenwänden (3) sowie einer Anordnung von mehreren senkrecht zur Strömungsrichtung (9) angeordneten Rippen (7), die sich senkrecht und stabförmig zwischen den horizontalen Begrenzungsplatten (2) erstrecken, wobei mindestens eine Trennwand (8) zwischen den horizontalen Begrenzungsplatten (2) als Platte ausgebildet ist, die von den Rippen (7) durchdrungen wird und die mindestens zwei von Fluidströmen durchströmbare Strömungskanäle (6) ausbildet, die stofflich durch die Trennwand (8) getrennt sind, wobei die Rippen (7) in Strömungsrichtung (9) eine Rippentiefe (a) und eine Rippenbreite (b) aufweisen, wobei mehrere Rippen (7) in einer Rippenreihe quer zur Strömungsrichtung (9) angeordnet sind und mehrere Rippenreihen in Strömungsrichtung (9) in einem Reihenabstand benachbarter Reihen (c) hintereinander angeordnet sind und dass die Rippen (7) benachbarter Rippenreihen zueinander derart versetzt angeordnet sind, dass sich die Querschnitte der Rippen (7) in Strömungsrichtung (9) überlappen und zwischen benachbarten Rippen (7) ein von Fluid durchströmbarer Spalt (10) mit einer Spaltbreite (e) ausgebildet ist.The invention relates to a plate-fin heat exchanger (1) with a top and a bottom plate as horizontal boundary plates (2) and side walls (3) as well as an arrangement of several ribs (7) arranged perpendicular to the direction of flow (9), which are perpendicular and extend rod-shaped between the horizontal delimitation plates (2), at least one partition (8) between the horizontal delimitation plates (2) being designed as a plate which is penetrated by the ribs (7) and which has at least two flow channels (6) through which fluid flows can flow. which are materially separated by the partition (8), the ribs (7) having a rib depth (a) and a rib width (b) in the flow direction (9), with several ribs (7) in a row of ribs transversely to the flow direction ( 9) are arranged and several rows of ribs are arranged one behind the other in the flow direction (9) at a row spacing between adjacent rows (c) and that the ribs (7) ben adjacent rows of ribs are offset from one another in such a way that the cross-sections of the ribs (7) overlap in the flow direction (9) and a gap (10) with a gap width (e) through which fluid can flow is formed between adjacent ribs (7).
Description
Die Erfindung betrifft einen Platten-Rippen-Wärmeübertrager der insbesondere für kryotechnische Anwendungen oder Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt einsetzbar ist.The invention relates to a plate-fin heat exchanger which can be used in particular for cryotechnical applications or applications in aerospace.
Ein gattungsgemäßer Platten-Rippen-Wärmeübertrager weist mindestens zwei Strömungskanäle für die wärmeübertragenden Fluide auf, welche durch eine Trennwand als Platte stofflich voneinander getrennt sind. Die Wärmeübertragung von einem Fluid auf das andere Fluid erfolgt durch die Trennwand hindurch, wobei Rippen in den Strömungskanälen vorgesehen sind, welche die wärmeübertragende Oberfläche über die Oberfläche der Trennwand hinaus vergrößern.A plate-fin heat exchanger of the generic type has at least two flow channels for the heat-transferring fluids, which are materially separated from one another by a partition wall as a plate. The heat transfer from one fluid to the other fluid takes place through the partition wall, with ribs being provided in the flow channels which enlarge the heat transferring surface area beyond the surface of the partition wall.
Im Stand der Technik sind hocheffiziente Gegenstromwärmeübertrager vom Typ Platten-Rippen-Wärmeübertrager bekannt. Insbesondere bei anspruchsvollen Wärmeübertragungsaufgaben, beispielsweise in der Kryotechnik, setzt man gelötete Platten-Rippen-Wärmeübertrager ein. Dabei werden die einzelnen Elemente des Wärmeübertragers zur Erreichung eines guten Wärmeübergangs und hervorragender Wärmeübertragungseigenschaften miteinander verlötet. Ein wichtiges Bauelement gattungsgemäßer Wärmeübertrager sind die Rippen, welche der Oberflächenvergrößerung der wärmeübertragenden Fläche dienen und die eine materialbedingt gute Wärmeleitfähigkeit besitzen.
Nachteilig bei Wärmeübertragern der Platten-Rippen-Bauart ist, dass die Auswahl der Rippentypen sehr eingeschränkt ist und dass die Fabrikation sehr viel Handarbeit erfordert. Dies macht die Wärmeübertrager relativ kostspielig. Bei hocheffizienten Wärmeübertragern der bekannten Bauart besteht zudem das Problem, dass diese ein sehr großes Bauvolumen aufweisen und damit die Baugröße der gesamte Anlage bestimmen.In the prior art, highly efficient counterflow heat exchangers of the plate-fin heat exchanger type are known. Brazed plate-fin heat exchangers are used in particular for demanding heat transfer tasks, for example in cryogenics. The individual elements of the heat exchanger are soldered together to achieve good heat transfer and excellent heat transfer properties. An important component of generic heat exchangers are the ribs, which serve to increase the surface area of the heat-transferring surface and which, due to the material, have good thermal conductivity.
The disadvantage of heat exchangers of the plate-fin design is that the choice of fin types is very limited and that the manufacture requires a great deal of manual labor. This makes the heat exchangers relatively expensive. In the case of highly efficient heat exchangers of the known type, there is also the problem that they have a very large structural volume and thus determine the size of the entire system.
Im Stand der Technik sind weiterhin Wärmeübertrager bekannt, welche Profilrohre anstelle von Platten zur Trennung der Fluidströme einsetzen, wobei ein Fluid in den Rohren und das zweite Fluid um die Rohre herum strömt.
Aus der
From the
Nach einer ähnlichen Bauweise sind Profilrohre nach der GB 468,980 bekannt, welche ebenso Profilrohre mit tropfenförmiger Kontur in einer matrixartigen Anordnung zur Umströmung durch ein wärmeübertragendes Fluid vorsehen.According to a similar construction, profile tubes according to GB 468,980 are known which also provide profile tubes with a teardrop-shaped contour in a matrix-like arrangement for a heat-transferring fluid to flow around.
Den Wärmeübertragern nach dem Stand der Technik ist allgemein der Nachteil zu eigen, dass zur Reduzierung der Baugröße der Wärmeübertrager eine Miniaturisierung der einzelnen Komponenten nicht beliebig stattfinden kann.The heat exchangers according to the prior art generally have the disadvantage that the individual components cannot be miniaturized as desired in order to reduce the size of the heat exchangers.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Platten-Rippen-Wärmeübertrager zur Verfügung zu stellen, welcher gute Wärmeübertragungseigenschaften bei gleichzeitig geringer Baugröße aufweist und der weiterhin mit geringem fertigungstechnischem Aufwand in einer druckstabilen Ausführung beispielsweise für den Einsatz in kryotechnischen Anlagen herstellbar ist. Die druck- und stoffdichte Trennung der Fluidströme im Wärmeübertrager stellt weiterhin besonders hohe Anforderungen an die Fertigungstechnik und die Konstruktion des Wärmeübertragers.The object of the invention is to provide a plate-fin heat exchanger which has good heat transfer properties while at the same time being small in size and which can also be produced with little manufacturing effort in a pressure-stable design, for example for use in cryotechnical systems. The pressure-tight and material-tight separation of the fluid flows in the heat exchanger continues to place particularly high demands on the manufacturing technology and the design of the heat exchanger.
Die Aufgabe wird durch einen Platten-Rippen-Wärmeübertrager und durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmeübertragers mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is achieved by a plate-fin heat exchanger and by a method for producing such a heat exchanger with the features of the independent claims. Further developments are given in the dependent claims.
Die Aufgabe der Erfindung wird insbesondere durch einen Platten-Rippen-Wärmeübertrager gelöst, der aus einer Deck- und einer Bodenplatte als horizontalen Begrenzungsplatten und Seitenwänden sowie einer Anordnung von mehreren senkrecht zur Strömungsrichtung angeordneten Rippen aufgebaut ist. Die Rippen erstrecken sich senkrecht und stabförmig zwischen den horizontalen Begrenzungsplatten. Zwischen den horizontalen Begrenzungsplatten ist mindestens eine Trennwand als Platte des Platten-Wärmeübertragers ausgebildet, die von den Rippen durchdrungen wird. Die Trennwand als horizontale Ebene zwischen den horizontalen Begrenzungsplatten bildet somit mindestens zwei von Fluidströmen durchströmbare Strömungskanäle aus, die stofflich durch die Trennwand getrennt sind. Wird mehr als eine Trennwand vorgesehen so bilden sich entsprechend der Anzahl der Trennwände zusätzliche Strömungskanäle aus, die zu verschiedenen Fluten zusammengefasst werden können. Die Rippen weisen in Strömungsrichtung eine Rippentiefe und eine Rippenbreite auf.
Mehrere Rippen sind in einer Rippenreihe quer zur Strömungsrichtung angeordnet und mehrere Rippenreihen sind in Strömungsrichtung in einem Reihenabstand hintereinander angeordnet. Dabei sind die Rippen benachbarter beziehungsweise aufeinander folgender Rippenreihen zueinander derart versetzt angeordnet, dass sich die Querschnitte der Rippen in Strömungsrichtung überlappen. Zwischen benachbarten Rippen ist ein von Fluid durchströmbarer Spalt mit einer Spaltbreite ausgebildet.The object of the invention is achieved in particular by a plate-fin heat exchanger which is constructed from a top and a bottom plate as horizontal boundary plates and side walls and an arrangement of several ribs arranged perpendicular to the direction of flow. The ribs extend vertically and rod-shaped between the horizontal delimitation plates. At least one partition wall is formed as a plate of the plate heat exchanger between the horizontal delimitation plates, through which the ribs penetrate. The partition wall as a horizontal plane between the horizontal delimitation plates thus forms at least two flow channels through which fluid flows can flow and which are materially separated by the partition wall. If more than one partition is provided, additional flow channels are formed corresponding to the number of partition walls, which can be combined to form different flows. The ribs have a rib depth and a rib width in the flow direction.
Several ribs are arranged in a row of ribs transversely to the flow direction and several rows of ribs are arranged one behind the other at a row spacing in the flow direction. The ribs of adjacent or successive rows of ribs are arranged offset from one another in such a way that the cross sections of the ribs overlap in the flow direction. A gap with a gap width through which fluid can flow is formed between adjacent ribs.
Bevorzugt sind die Rippen im Querschnitt als Zweieck ausgebildet und weisen eine spitze Anströmkante und eine spitze Abströmkante auf. Als Zweieck wird geometrisch ein Querschnitt verstanden, der zwei gegenüberliegende Ecken mit spitzen Winkeln aufweist, welche miteinander zu einer Fläche verbunden sind, ohne eine weitere strömungsmechanisch wirksame Ecke zu bilden.The ribs are preferably designed as a triangle in cross-section and have a pointed leading edge and a pointed trailing edge. A triangle is understood geometrically as a cross section which has two opposite corners with acute angles, which are connected to one another to form a surface without forming a further corner which is effective in terms of fluid mechanics.
Die Trennwand zwischen den Strömungskanälen ist bevorzugt geometrisch aus mehreren horizontalen Flächenelementen, auch Einzelflächen genannt, aufgebaut, wobei die Übergänge der Einzelflächen in die Rippe gegenüber der Horizontalen um einen FabrikationswinkelAlpha geneigt ausgebildet sind.
Besonders bevorzugt ist der Rippenquerschnitt rautenförmig ausgebildet, wobei vorteilhaft die Ecken der Raute des Rippenquerschnitts mit dem größeren Winkel abgerundet ausgebildet sind und sich dadurch der Querschnitt eines Zweiecks bildet.The dividing wall between the flow channels is preferably constructed geometrically from a plurality of horizontal surface elements, also called individual surfaces, the transitions of the individual surfaces into the rib being inclined by a fabrication angle alpha with respect to the horizontal.
Particularly preferably, the rib cross-section is designed in a diamond shape, the corners of the rhombus of the rib cross-section advantageously being rounded with the larger angle, thereby forming the cross-section of a delta.
Das Verhältnis von Rippentiefe als Längsdiagonale der Raute zu Rippenbreite als Querdiagonale der Raute des Rippenquerschnitts beträgt vorteilhaft zwischen 1,5 und 3 und bevorzugt 2. Damit ist die Längsdiagonale etwa doppelt so lang wie die Querdiagonale.The ratio of the rib depth as the longitudinal diagonal of the rhombus to the rib width as the transverse diagonal of the rhombus of the rib cross-section is advantageously between 1.5 and 3 and preferably 2. The longitudinal diagonal is about twice as long as the transverse diagonal.
Vorteilhaft ist beim Übergang der Rippen in die obere horizontale Begrenzungsplatte ein Rippenkapitell ausgebildet. Das Rippenkapitell, vergleichbar einem Säulenkapitell, wird auch als Rippenkopf bezeichnet und ist der Bereich des Übergangs des Querschnittes der Rippe in die obere horizontale Begrenzungsplatte.A rib capital is advantageously formed at the transition of the ribs into the upper horizontal delimitation plate. The rib capital, comparable to a column capital, is also referred to as the rib head and is the area of transition of the cross section of the rib into the upper horizontal delimitation plate.
Bevorzugt sind die Flächenelemente der Trennwand, die Einzelflächen, als Basisrauten ausgebildet. Die Rippenrauten sind um einen Verkleinerungsfaktor Beta kleiner als die Basisrauten ausgebildet.The surface elements of the partition, the individual surfaces, are preferably designed as basic diamonds. The rib diamonds are designed to be smaller than the basic diamonds by a reduction factor beta.
Die Einzelflächen sind an der oberen Trennfläche im Übergang von der Basisraute in die Rippenraute in einem Fabrikationswinkel für generative Herstellungsverfahren mit einer Neigung von maximal 45° ausgebildet. Dabei wird unter der Neigung der Winkel zur Senkrechten verstanden.The individual surfaces are formed on the upper separating surface in the transition from the basic diamond to the ribbed diamond at a manufacturing angle for generative manufacturing processes with a maximum inclination of 45 °. The inclination is understood to mean the angle to the vertical.
Der Verkleinerungsfaktor Beta von Rippenraute zu Basisraute liegt vorteilhaft in einem Bereich zwischen 0,6 und 0,9.The reduction factor beta from the rib diamond to the basic diamond is advantageously in a range between 0.6 and 0.9.
Der Wärmeübertrager ist bevorzugt mit mehreren im Wesentlichen horizontalen Trennwänden ausgestattet. Damit sind mehrere Strömungsbereiche als Fluten ausgebildet, in denen die wärmeübertragende Fluide im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom geführt werden können.The heat exchanger is preferably equipped with several essentially horizontal partition walls. Several flow areas are thus designed as floods in which the heat-transferring fluids can be guided in cocurrent, countercurrent or cross-flow.
In einer besonders vorteilhaften Anwendung ist der Wärmeübertrager für Fluidströme unterschiedlicher Volumenströme, beispielsweise Fluidströme auf verschiedenem Druckniveau, ausgebildet. In den verschiedenen Strömungsbereichen sind bevorzugt beispielsweise im Bereich des Hochdruckstroms die Rippen in Strömungsrichtung mit einem vertikalen Spalt versehen, um einen zusätzlichen Strömungsquerschnitt mit einer zusätzlichen Wärmeübertragungsfläche im Vergleich zum Bereich des Niederdruckstromes zur Verfügung zu stellen.
Bevorzugt ist der horizontale Spalt dabei in der Rippentiefe, der Längsdiagonale der Rippenraute der Rippe, ausgebildet.In a particularly advantageous application, the heat exchanger is designed for fluid flows of different volume flows, for example fluid flows at different pressure levels. In the various flow areas, for example in the area of the high pressure flow, the ribs are preferably provided with a vertical gap in the direction of flow in order to provide an additional flow cross-section with an additional heat transfer surface compared to the area of the low pressure flow.
The horizontal gap is preferably formed in the rib depth, the longitudinal diagonal of the rib diamond of the rib.
Die Rippe weist vorteilhaft im Bereich des Hochdruckstromes einen anderen Verkleinerungsfaktor Beta von Rippenraute zu Basisraute auf als im Bereich des Niederdruckstromes.
Bevorzugt weist die Rippe im Bereich des Hochdruckstromes einen größeren Verkleinerungsfaktor in Verbindung mit einem Spalt auf.The rib advantageously has a different reduction factor beta from the rib diamond to the base diamond in the area of the high pressure flow than in the area of the low pressure flow.
The rib preferably has a larger reduction factor in connection with a gap in the area of the high pressure flow.
Besonders bevorzugt ist der Verkleinerungsfaktor Beta von Rippenraute zu Basisraute in Strömungsrichtung variabel ausgebildet, wenn sich der Volumenstrom entlang des Wärmeübertragers ändert.Particularly preferably, the reduction factor beta is designed to be variable in the direction of flow from the rib diamond to the base diamond when the volume flow changes along the heat exchanger.
Bevorzugt sind die Rippen aus Vollmaterial ausgebildet, wobei als Vollmaterial ein Material mit möglichst guter Wärmeleitfähigkeit ausgewählt ist. Damit sind Metalle, wie Aluminium oder Kupfer und entsprechende Legierungen davon, besonders geeignet.The ribs are preferably made of solid material, a material with the best possible thermal conductivity being selected as the solid material. Metals such as aluminum or copper and corresponding alloys thereof are therefore particularly suitable.
Die Außenwände des Wärmeübertragers, das heißt die horizontalen Begrenzungsplatten und die Seitenwände, sind bevorzugt aus einer äußeren und einer inneren Schicht aufgebaut, wobei die äußere Schicht eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die innere Schicht.The outer walls of the heat exchanger, that is to say the horizontal delimiting plates and the side walls, are preferably constructed from an outer and an inner layer, the outer layer having a lower thermal conductivity than the inner layer.
Die innere Schicht der Außenwände und die Rippen sind bevorzugt aus dem gleichen gut wärmeleitenden Material ausgebildet.The inner layer of the outer walls and the ribs are preferably formed from the same material which is a good conductor of heat.
Weiterhin sind vorteilhaft Sekundärrippen an den Rippen ausgebildet, wobei die Sekundärrippen gegenüber der Horizontalen um einen Fabrikationswinkel Alpha geneigt ausgebildet sind.Furthermore, secondary ribs are advantageously formed on the ribs, the secondary ribs being designed to be inclined relative to the horizontal by a manufacturing angle alpha.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Herstellung eines Platten-Rippen-Wärmeübertragers gelöst, bei welchem die Außenwände, die Trennwand und die Rippen als ein Stück mittels Lasersintern oder Laserschmelzen als generativem Herstellungsverfahren erzeugt werden. Hierdurch ist eine hervorragende Wärmeleitung von der Rippe höherer Temperatur quer zur Strömungsrichtung durch die Trennwand hindurch in die Rippe niedrigerer Temperatur gegeben, wobei zusätzlich auch durch die Trennwand Wärme übertragen wird.The object of the invention is further achieved by a method for producing a plate-fin heat exchanger in which the outer walls, the partition and the fins are produced as one piece by means of laser sintering or laser melting as a generative production method. As a result, there is excellent heat conduction from the rib of higher temperature across the Flow direction given through the partition wall into the lower temperature rib, with additional heat being transferred through the partition wall.
Besonders bevorzugt werden nur die horizontalen inneren Schichten der Außenwände gemeinsam mit den Rippen und der Trennwand mittels Lasersintern oder Laserschmelzen als generativem Herstellungsverfahren erzeugt.Particularly preferably, only the horizontal inner layers of the outer walls are produced together with the ribs and the partition wall by means of laser sintering or laser melting as a generative manufacturing process.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass ein hocheffizienter Platten-Rippen-Wärmeübertrager durch die Ausführung der Platten und Rippen in einem Stück und aus einem gut wärmeleitenden Material, wie Metall, erzeugbar ist, da zwischen Platte und innerhalb der Rippe ausschließlich Wärmeleitung innerhalb eines Materials und kein Wärmeübergang bei verschiedenen Materialien oder über einen Spalt hinweg besteht. Dabei sind die Platten, die funktionsgemäß die Trennwände zur stofflichen Trennung zwischen den strömenden Fluiden darstellen, und die, die Platten durchdringenden stabförmigen Rippen durch die Nutzung generativer Herstellungsverfahren einstückig, dass heißt als ein Stück und in einem Arbeitsgang, erzeugt. Herstellungsverfahren sind beispielsweise Lasersintern oder Laserschmelzen.
Damit wird eine optimale Wärmeübertragung durch Wärmeleitung der Rippen aus dem Bereich des strömenden Fluides höherer Temperatur durch die Platte als stoffliche Trennwand gleichen Materials hindurch in den Bereich des Fluides mit niedrigerer Temperatur erreicht. Die stabförmigen Rippen erstrecken sich zu beiden Seiten aus der Trennwand heraus in die Strömungspfade, beziehungsweise Strömungsbereiche, der wärmeübertragenden Fluide hinein. Die Trennwand der Strömungsbereiche ist aus einzelnen geometrischen Flächenelementen zusammengesetzt, wobei die Flächenelemente der Trennwand bevorzugt die Basis für die Geometrie der Rippen bilden. Die Aufteilung in Flächenelemente ist als eine Zwischenstufe bei der Konstruktion vorteilhaft, bei der Fabrikation spielt diese Aufteilung dann keine Rolle mehr. Die Rippen sind somit beidseits der Trennwand ausgeführt und die Trennwand ist aus einer Vielzahl von Einzelflächen mit sich jeweils daraus ergebenden Rippen aufgebaut.
Entlang der Strömungsrichtung der Fluide sind die Rippen bevorzugt senkrecht ausgerichtet und mehrere Rippen sind quer zur Strömungsrichtung als Rippenreihe ausgeführt. Mehrere Rippenreihen sind längs der Strömungsrichtung jeweils versetzt zueinander hintereinander angeordnet, so dass sich eine Matrix von umströmten Rippen bildet.
Die Matrix ist in besonders bevorzugter Weise derart ausgestaltet, dass die Querschnitte der Rippen in Strömungsrichtung betrachtet überlappen und sich somit zwischen den benachbarten Rippen Kanäle ausbilden, durch welche die Fluide strömen. Die Kanäle sind dabei derart ausgebildet, dass durch die Anordnung eine Führung des Fluidstromes erreicht wird, die eine Ablösung der Strömung auf der Hinterseite der Rippen, beziehungsweise der strömungsabgewandten spitzen Ecke des Zweiecks, verhindert.The concept of the invention is that a highly efficient plate-fin heat exchanger can be produced by making the plates and fins in one piece and from a material that conducts heat well, such as metal, since between the plate and within the fin there is only heat conduction within one material and there is no heat transfer between different materials or across a gap. The plates, which functionally represent the partition walls for material separation between the flowing fluids, and the rod-shaped ribs penetrating the plates are produced in one piece, i.e. as one piece and in one operation, using generative manufacturing processes. Manufacturing processes are, for example, laser sintering or laser melting.
In this way, optimal heat transfer is achieved by conduction of the ribs from the area of the flowing fluid of higher temperature through the plate as a material partition of the same material into the area of the fluid with lower temperature. The rod-shaped ribs extend on both sides out of the partition wall into the flow paths, or flow areas, of the heat-transferring fluids. The dividing wall of the flow areas is composed of individual geometric surface elements, the surface elements of the dividing wall preferably forming the basis for the geometry of the ribs. The division into surface elements is advantageous as an intermediate stage in the construction; this division then no longer plays a role in manufacture. The ribs are thus made on both sides of the partition and the partition is constructed from a large number of individual surfaces with ribs resulting therefrom.
The ribs are preferably aligned vertically along the flow direction of the fluids and several ribs are designed as a row of ribs transversely to the flow direction. Several rows of ribs are arranged offset to one another along the direction of flow, so that a matrix of ribs around which flow flows is formed.
The matrix is designed in a particularly preferred manner in such a way that the cross sections of the ribs overlap, viewed in the direction of flow, and channels through which the fluids flow are thus formed between the adjacent ribs. The channels are designed in such a way that the arrangement achieves a guiding of the fluid flow which prevents the flow from separating on the rear side of the ribs or the pointed corner of the triangle facing away from the flow.
Besonders vorteilhaft ist die laminare Strömung ohne Strömungsablösung durch die Zwangsführung der Fluide in den Kanälen kombiniert mit der optimierten Wärmeleitung mit den durch die Trennwände hindurchgehenden Rippen.The laminar flow without flow separation is particularly advantageous due to the forced guidance of the fluids in the channels combined with the optimized heat conduction with the ribs passing through the partition walls.
Die Wärmeübertragung von einem Fluidstrom auf einen anderen wird auch als Zweistromübertragung bezeichnet, wobei Wärmeübertrager nach der Konzeption der Erfindung in gleicher Weise auch als Drei- oder Mehrstromwärmeübertrager ausgebildet sein können.The heat transfer from one fluid flow to another is also referred to as dual flow transfer, with heat exchangers according to the concept of the invention also being able to be designed in the same way as three or multiple flow heat exchangers.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, dass über durchgängig wärmeleitende Rippen hocheffizient Wärme zwischen verschiedenen Fluiden übertragen werden kann, wobei die Fluide sicher stofflich voneinander durch Platten beziehungsweise Trennwände getrennt sind. Generative Herstellungsverfahren ermöglichen die Erzeugung auch geometrisch komplizierterer Strukturen von strömungsoptimierten Rippen mit Trennwänden bei optimierten Kosten und Zeitaufwand.The advantages of the invention are in particular that heat can be transferred between different fluids in a highly efficient manner via continuous, heat-conducting ribs, the fluids being reliably separated from one another in terms of material by plates or partition walls. Generative manufacturing processes enable the creation of geometrically more complex structures of flow-optimized ribs with partition walls with optimized costs and expenditure of time.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
-
1 : Platten-Rippen-Wärmeübertrager, -
2 : Querschnitt eines Platten-Rippen-Wärmeübertragers, -
3 : Querschnitt von Einzelfläche und Rippe als Basisraute und Rippenraute im Niederdruckströmungsbereich, -
4 : Querschnitt von Einzelfläche und Rippe als Basisraute und Rippenraute im Hochdruckströmungsbereich, -
5 : Rippe mit Rippenkapitell im Niederdruckströmungsbereich, -
6 : Wandbereich und eine Rippe im Niederdruckströmungsbereich, -
7 : Rippe mit Rippenkapitell im Hochdruckströmungsbereich, -
8 : Wandbereich und eine Rippe im Hochdruckströmungsbereich, -
9 : Rippensäulen mit Trennwänden, -
10 : Ausschnitt Platten-Rippen-Wärmeübertrager mit Primärrippen und Sekundärrippen.
-
1 : Plate-fin heat exchanger, -
2 : Cross section of a plate-fin heat exchanger, -
3 : Cross-section of individual surface and rib as basic diamond and rib diamond in the low-pressure flow area, -
4th : Cross-section of individual surface and rib as basic diamond and rib diamond in the high-pressure flow area, -
5 : Rib with rib capital in the low-pressure flow area, -
6 : Wall area and a rib in the low pressure flow area, -
7th : Rib with rib capital in the high pressure flow area, -
8th : Wall area and a rib in the high pressure flow area, -
9 : Rib columns with partitions, -
10 : Detail of plate-fin heat exchanger with primary fins and secondary fins.
In
In
Der Platten-Rippen-Wärmeübertrager
The plate-
In
Dabei sind zwei Rippen
There are two ribs
In
Der Hochdruckstrom hat einen deutlich kleineren Volumenstrom als der Niederdruckstrom. Deshalb kann die Rippenhöhe der Kanäle niedriger gewählt werden. Bei gleicher Rippenausführung würde sich die Wärmeübertragungsfläche stärker verringern als dass sich die Wärmeübergangszahl verbessert. Deshalb muss die Wärmeübertragungsfläche vergrößert werden. Dazu wird ein gerader Kanal als Spalt
The high pressure flow has a significantly smaller volume flow than the low pressure flow. Therefore, the rib height of the channels can be chosen to be lower. With the same rib design, the heat transfer area would decrease more than the heat transfer coefficient would improve. Therefore, the heat transfer area needs to be increased. This is done using a straight channel as a
Die Einzelflächen
In
In
In den
In
In
In der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung besteht eine Zweiteilung der Begrenzungsplatten
In the illustrated embodiment of the invention there is a division of the
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Platten-Rippen-WärmeübertragerPlate-fin heat exchanger
- 22
- Horizontale BegrenzungsplatteHorizontal delimitation plate
- 33
- SeitenwandSide wall
- 44th
- Anström kanteLeading edge
- 55
- Abström kanteTrailing edge
- 66th
- StrömungskanalFlow channel
- 77th
- Ripperib
- 88th
- Trennwandpartition wall
- 99
- StrömungsrichtungDirection of flow
- 1010
- Spaltgap
- 1111
- Anschluss- und VerteilbereichConnection and distribution area
- 1212
- EinzelflächenSingle areas
- 1313
- RippenquerschnittRib cross-section
- 1414th
- RippenkapitellRib capital
- 1515th
- BasisrauteBasic diamond
- 1616
- RippenrauteRibbed diamond
- 1717th
- Vordere RippenreiheFront row of ribs
- 1818th
- Hintere RippenreihePosterior row of ribs
- 19a-d19a-d
- SekundärrippenSecondary ribs
- 2020th
- innere Schichtinner layer
- 2121st
- äußere Schicht outer layer
- aa
- RippentiefeRib depth
- bb
- RippenbreiteRib width
- cc
- Reihenabstand benachbarter ReihenRow spacing between adjacent rows
- ee
- Spaltbreite Gap width
- αα
- Alpha FabrikationswinkelAlpha manufacturing angle
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 4234006 A1 [0004]DE 4234006 A1 [0004]
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Also Published As
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