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EP0901602B1 - Wärmetauscher und Vorrichtung zum Durchführen eines Kreisprozesses - Google Patents

Wärmetauscher und Vorrichtung zum Durchführen eines Kreisprozesses Download PDF

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Publication number
EP0901602B1
EP0901602B1 EP97920477A EP97920477A EP0901602B1 EP 0901602 B1 EP0901602 B1 EP 0901602B1 EP 97920477 A EP97920477 A EP 97920477A EP 97920477 A EP97920477 A EP 97920477A EP 0901602 B1 EP0901602 B1 EP 0901602B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
channels
heat exchanger
plate
main channels
main
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97920477A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0901602A1 (de
Inventor
Arthur FLÜCK
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alenko AG
Original Assignee
Alenko AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alenko AG filed Critical Alenko AG
Publication of EP0901602A1 publication Critical patent/EP0901602A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0901602B1 publication Critical patent/EP0901602B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D21/00Heat-exchange apparatus not covered by any of the groups F28D1/00 - F28D20/00
    • F28D21/0017Flooded core heat exchangers
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28D9/0012Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the apparatus having an annular form
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    • F28D9/0031Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other
    • F28D9/0043Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other the plates having openings therein for circulation of at least one heat-exchange medium from one conduit to another
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    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2339/00Details of evaporators; Details of condensers
    • F25B2339/02Details of evaporators
    • F25B2339/024Evaporators with refrigerant in a vessel in which is situated a heat exchanger
    • F25B2339/0241Evaporators with refrigerant in a vessel in which is situated a heat exchanger having plate-like elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2339/04Details of condensers
    • F25B2339/043Condensers made by assembling plate-like or laminated elements
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D2021/0019Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for
    • F28D2021/0068Other heat exchangers for particular applications; Heat exchange systems not otherwise provided for for refrigerant cycles
    • F28D2021/0071Evaporators

Definitions

  • the invention relates to heat exchangers according to the preamble of claim 1 and a device for Perform a cycle.
  • Heat exchangers are designed to be as quick and complete as possible Heat transfer between two fluids with different Allow outlet temperatures. To do this the two fluids on both sides of heat-conducting contact surfaces guided. To have the largest possible active contact area to get the fluids mostly through complex channel systems guided. Tube bundle exchangers allow for the Heat exchange efficient ducting, but are very elaborately constructed. Are significantly easier to set up Plate heat exchanger. Plate heat exchangers are now known alternating between plates arranged in parallel Channels for one and the other fluid like this are arranged that similarly complex channel systems, such as arise with tube bundle exchangers. In particular, they are Channels for both fluids designed to last as long as possible and highly structured flow paths arise. The strong structured flow paths lead to undesirably high flow rates Flow resistance.
  • a plate heat exchanger is known from WO 95/17272 in which the first channel system is designed such that at least part of the channels as first and second Main channels for at least a first fluid through their entire length substantially along a first and a second main direction.
  • the flow resistance is used for pure liquids or gases downsized.
  • the phase transitions have been shown in this channel system to reduce the Flow, or to undesirably high flow resistances to lead.
  • Individual channel areas at least from one phase of at least one fluid or only poorly flowed, which leads to a reduction in the Heat exchange leads.
  • a heat exchanger as an evaporator resulting vapor bubbles in individual channel sections stay behind and the passage of gas and or Hinder liquid.
  • Corresponding problems arise when used as a capacitor, the passage hindrance from remaining drops.
  • the object of the invention is a simple structure Find heat exchangers that are also in use optimal heat exchange as an evaporator or condenser guaranteed.
  • the task is solved by realizing the General term features together with the characteristic features of claim 1 or by the features of the claim 8th.
  • the main directions are aligned for the operation that at least one main direction to the vertical one Includes angles that are less than 30 °, in particular is less than 20 °, optionally essentially 0 °. In addition, the angle between the two main directions is less than 60 °. Both main directions are preferably like this orientable that they are between 10 ° and 20 °, preferably both are inclined essentially by 15 ° to the vertical.
  • the first two connection areas of the first channels for the first fluid are used in evaporative heat exchangers two opposite circumferential areas of the plates arranged and possibly merge.
  • the first two connection areas are in the operating state arranged one above the other and are at least part of the main channels directly connected to each other. Because at least a main direction includes an angle to the vertical, which is less than 30 °, in particular less than 20 °, optionally essentially 0 °, or preferably Is 15 °, the first two connection areas are direct connected by main channels which are in one direction run that is inclined less than 30 ° to the vertical. This ensures a good rise of gas bubbles or at Condensation heat exchangers a good sink of condensed Liquid drops guaranteed.
  • the second Channels constructed similar to the first and include third and fourth main channels for the second fluid, which in the run essentially along a main direction.
  • the first and second and the third and fourth channels optionally in outer end areas, but preferably connected in all intersection areas.
  • the first and second and third and fourth main channels respectively on both sides of a first or second connection level as open half channels formed against the connecting plane.
  • the first and second are in the intersection areas or third and fourth main channels in the first or second connection level open to each other so that the first and second channels each as having the main channels sewer networks formed at the junctions in the intersection areas must be considered.
  • Plate stack with the described Sewer networks are mutually alternating subsequent first and second plates, being on one side of the first and second plates the fourth or second and on the other the first or third half-channels are formed. All channels one Plate run essentially parallel to each other.
  • the second two Connection areas for the second fluid carrying second channels as transverse to the plates preferably through these trending chambers are formed. These two chambers are mutually exclusive only through the second channels connected and completely separated from the first channels.
  • the second connection areas are transverse to the bisector spaced apart from each other in the two main directions, so they're not directly through individual Main channels are interconnected. The connection is thus only by at least two interconnected channel sections possible, with at least one channel section in the first and at least one in the second Main direction is aligned.
  • this is preferably made up of essentially identical plates or sheets constructed.
  • each plate are on both sides in a main direction Grooves arranged.
  • the plates as Sheets are formed, they can be provided on both sides Creasing by pressing or punching as beads are formed by a sheet metal side as Depressions and from the other sheet metal side as burr-shaped Protrusions appear.
  • To by connecting the plates are two completely separate duct systems to be able to train is along the entire circumference of the plate in a first, the plate on a first Edge bordering, level a first level contact surface intended.
  • the plate on the second Bordering the side two contact areas are provided, which are each arranged around a passage opening.
  • the Plates or sheets of the heat exchanger also close the same pages or levels. Corresponding Always alternately close contact areas and contact areas to each other and are ever closer to each other connected, especially welded or soldered together.
  • the substantially parallel beads or their Longitudinal axes close to a normal plane of the connecting line between the centers of the passage openings an angle that is smaller than 30 °, in particular smaller than 20 °, but is preferably essentially 15 °.
  • the beads start from the first level and have theirs on the back protruding ridges in the second Level.
  • the depressions between the ridge lines are preferred essentially the same shape as the beads, that means in cross section the parallel beads form one Wavy line, especially with half waves in the form of a Trapezes, the small side of which is rounded.
  • To the wettable Do not unnecessarily close the area on either side of the ridge lines reduce, preferably rounding the ridge line a small radius.
  • the built up from the plates or sheets described above Plate pack of the heat exchanger is with your two first or second connection areas to first or second connection cables can be connected. Training the Connection areas, the connecting cables and the Connections between these is the particular use customizable.
  • connections are preferred designed so that there is a clear separation for both fluids between inflow and outflow or that both through the fluid volume guided through the heat exchanger completely each have to flow a channel system. It can be useful be the two channel systems and their connection areas essentially the same, especially as for the second Described channels to train. If necessary, that is complete flow through a sewer network on a fluid limited and the other fluid forms a bath in which the plate pack with the closed channel system added is. But at least part of the bath fluid must for example as a convection flow Main channels in the plate pack flow around one enough to ensure great heat exchange.
  • the first two connection areas are not completely apart train separately. This can make it incomplete separate phase components in the heat exchanger each separate Main parts of the two phases are fed.
  • the plate pack is preferably partially in or arranged above a bath area for the first fluid.
  • the liquid level is in the working state chosen so that a large part of the plate pack or the first sewer network with the liquid phase of the first fluid is filled. This makes a big one Area of contact area between the two fluids Heating of the fluid to be evaporated used.
  • the plate pack essentially completely in the first liquid care must be taken to ensure that the Gas outlet is arranged so that no liquid can escape can, or that escaping liquid from a Separator can be returned to the bathroom.
  • the liquid escaping gas can pass through the first and / or second main channels rise into the gas area. Gas that when entering the bath by relaxing or in the bath arises spontaneously, can be from the side of the plate pack climb through the bath into the gas area.
  • a particularly compact and effective evaporator or evaporative heat exchanger includes a housing with a side attached refrigerant inlet for the liquid phase of the refrigerant and with one in the highest Housing area over a liquid separator arranged refrigerant outlet for the Gas phase of the refrigerant, as well as a plate pack inlet and outlet connections through the housing for a heat transfer fluid. Is in the operating state the plate pack to a large extent in the liquid Refrigerant phase. Connects to the refrigerant inlet in the housing a relaxation chamber from which the gas escaping during the expansion into the above the liquid ascend the gas area and to the refrigerant outlet can reach.
  • the liquid phase can get directly from the relaxation chamber, or via a level chamber in the bathroom area with the Plate pack where the liquid is essentially the first channels filled up to the liquid level.
  • the coolant fluid flows through the second channels and loses the heat necessary for the evaporation of the refrigerant.
  • the liquid level is chosen so that at least in the working state under the capacitor plate pack lies so that in the plate pack resulting liquid drops through first and / or drain the second main channels down and out of the plate pack can exit. The heat of condensation will through that through the second channels of the capacitor plate pack guided coolant added.
  • the relative vertical arrangement of the evaporator and condenser is selected so that the refrigerant level in the evaporator and in the capacitor in the operating state in a desired one Area is relative to the plate packs.
  • the capacitor plate pack should essentially lie above the corresponding mirror and the evaporator plate pack for the most part in the liquid phase of the refrigerant. Because of the essentially the same The chiller is built up by the evaporator and condenser easily dimensionable, buildable and adjustable.
  • Heat exchangers according to the invention are in any devices to carry out processes with a heat exchange step applicable. Because of the under a small Alignable to the vertical, essentially straight Main channels for a first fluid, can be in these channels both escaping gas and heated liquid one Bath in the sense of a guided convection flow, flow out upwards. The main channels for the first fluid also allow condensate drops to flow out well. By appropriate configurations of the connection areas it is possible to use the first and second channels of each Use accordingly with direct main channels between the connection areas or with connections via at least two differently oriented channel sections to make it usable.
  • Fig. 1 illustrates two adjoining plates a heat exchanger plate pack.
  • the plates are as circular disk-shaped sheets 1a and 1b with an annular, the outer edge of the contact surface forming the disc 2a, 2b, with two through passage openings 3a, 3b arranged contact areas 4a, 4b and with parallel, formed by beads 5a, 5b, arranged on both sides Main channels formed.
  • the beads 5a extend over the entire sheet metal area, which is not a contact area 2a and not designed as a contact area 4a is.
  • the beads 5a are shown in the illustration according to FIG. 1 of an upper plate la from a second level - the Drawing plane - in which the contact surface 2a lies, according to above before.
  • the beads 5b of a lower plate 1b are from down the same level before, so after the dense Connect the contact surface 2a of the upper plate la with the contact surface 2b of the lower plate 1b one of the Main channels formed second channel system that is only accessible through the passage openings 3a, 3b.
  • the axes are the Main channels of the upper and lower sheets 1a, 1b around a first angle of 30 ° to each other.
  • the against each other open main channels are in the connection areas 6, in which they face each other, with each other connected.
  • the contact areas 4a, 4b face away from one another, so that through the through openings 3a, 3b second fluid in the between the sheets 1a shown and 1b lying second channel system enter or from this can leak.
  • the formation of the sheets 1a, 1b and becomes the second channel system formed by the main channels further illustrated by the section shown in FIG. 2.
  • Fig. 2 shows a section (II-II, according to Fig. 1) through four sheets 1a, 1b, 1c, 1d.
  • the view shown in Fig. 1 is marked in Fig. 2 with B-B, this Level is referred to as the first level 7.
  • the one mentioned above second level is between the sheets 1a and 1b 8 and marked between the sheets 1c and 1d with 8 '.
  • the sheets 1a and 1b lie with their contact surfaces 2a and 2b in the second level 8.
  • the second one Level 8 outgoing beads 5a and 5b extend with their outer ridge lines 9a and 9b, like the contact areas 4a and 4b, up to the first levels 7 and 7 '.
  • the Sheet 1b and 1c together become the second channel system tightly closed. That through the passage openings extending second chambers 10 are with the between the two sheets 1a and 1b formed second channels 11 connected and form the second connection areas. Of the main channels of the second go to the connection areas 6 Channel system as half channels in both directions the beads away, what about the hatching is indicated.
  • the first channels 12 are between the two sheets 1b and 1c, with analogous to the second channels 11 on both sides of the first level 7 'half-channels in the directions the beads run.
  • the first connection areas are arranged between the contact surfaces 2b and 2c. In the Use the plate pack in a bath or as a condenser the division of the ring-shaped first results Connection areas in an inflow and an outflow area by the mode of operation, in particular by the liquid level of the bath or by the fact that Condensate drops only flow out through downward channels can. If necessary, the first connection areas but through tight connections between the Contact areas 2b and 2c delimited, or are analogous to the second chambers 10 are clearly defined first chambers.
  • the first channel system 12 is designed that direct channels between the lower and the upper Edge area of the plate pack, or the sheets 1 as the first and second main channels 13 and 14 along their entire length run along a first and a second main direction.
  • the fluid level 15 determines which Channels the liquid phase of the first fluid enters and thus also the connection area in which liquid flows.
  • the open ends of channels 13 and 14 flow into the connection area in which the gas produced emanates.
  • first and / or second channels are only slightly inclined towards the vertical and a direct one Connection between the inflow connection area or Channel area in which gas bubbles arise and the outflow connection area there is a hardly impeded flow 13a and 14a guaranteed by the first fluid.
  • Flow with the liquid phase in the intersection areas 6 two in the adjacent first and second Main channels guided partial flows with boundary layer contact across each other, what in both sub-currents leads to a slight turbulence excitation. This will a heated boundary layer adjacent to the channel walls dissolved and the heat transfer between the duct wall and the first fluid improved.
  • the two main directions are at an angle of less than 60 °, especially less than 40 °, preferably of essentially 30 ° to each other.
  • the main directions can be aligned so that at least one Main direction includes an angle to the vertical that is less than 30 °, in particular less than 20 °.
  • channels 14 are essentially as shown in FIG vertically aligned. If necessary, however 3 essentially by 15 ° inclined to the vertical.
  • the first and / or the second Main channels ensure in the chosen orientations a good rise of gas bubbles or in condensation heat exchangers a good sinking of condensed liquid drops.
  • the second channels have the same structure as the first and include third and fourth main channels 16, 17 for the second fluid, essentially along one each Main direction and at the ends through each other connected contact surfaces 2a, 2b are closed.
  • the third and fourth lie in the intersection areas 6 Main channels on both sides of the second connection levels 8, 8 ' open to each other.
  • the result is accordingly second channel system constructed in a network. Because the second Connection areas have 10 small dimensions and on one line perpendicular to the main directions are arranged, there are no main channels 16, 17 that the Connect the two connection areas 10 directly to one another.
  • the flow paths 18 extend over at least two, but preferably over at least three main channel sections 16, 17 and the crossing areas connecting them 6.
  • the second channel system is suitable for a fluid makes no phase transition, especially for a liquid.
  • the second fluid must therefore be between the second two Connection areas 10 a long way with strong Make changes of direction. It also gets together partial currents flowing past increase the turbulence, so that the partial flows are well homogenized and heat transfer is optimized. That through the third and fourth main channels 16, 17 formed channel network is independent on the orientation of the plate pack (Fig. 3 and 4 b) advantageous.
  • FIG. 5 and 6 show a particularly compact and effective Evaporator or evaporative heat exchanger, which is a housing 20 comprises with a refrigerant inlet opening attached to the side 21 for the liquid phase of the refrigerant and with one in the highest housing area above one Liquid separation device 22 arranged refrigerant outlet opening 23 for the gas phase of the refrigerant, as well as a plate pack 24 with led through the housing 20 Inlet and outlet connections 25 for a heat transfer fluid.
  • the plate pack is in the operating state 24 to a large extent in the liquid phase of the Refrigerant.
  • a relaxation chamber 26 Connects to the refrigerant inlet opening in the housing 20 21 a relaxation chamber 26 from which gas escaping during expansion via a partition 27 and under a deflecting element 28 through in the over the Liquid gas region 29 flow and from there via lateral guide elements 22a of the separating device 22 can reach the refrigerant outlet opening 23.
  • the liquid phase passes from the expansion chamber 26 if necessary, directly or via a level chamber 30, that between a housing wall 20a or the expansion chamber 26 and the partition 27 is formed in one Bath area 31 with the plate pack 24 where the liquid the first channels essentially up to a liquid level 32 replenishes.
  • a level chamber 30 that between a housing wall 20a or the expansion chamber 26 and the partition 27 is formed in one Bath area 31 with the plate pack 24 where the liquid the first channels essentially up to a liquid level 32 replenishes.
  • two fillers 39 are to be reduced on both sides the plate pack 24 between this and the inner wall of the housing 20 arranged.
  • In the deepest part of the housing remains a supply channel 40 through which the Liquid reach the first channels connected in parallel can.
  • the coolant fluid flows through the inlet and Outlet connections 25 and through the second channels of Plate pack 24 and thereby loses that for evaporation necessary heat of the refrigerant.
  • Fig. 7 shows a refrigerator or heat pump 33, with an evaporative heat exchanger 34 and a condensation heat exchanger 35, both of which are described above Include plate pack.
  • the gas from the evaporator 34 led to the capacitor 35 via a compressor 36.
  • the liquid phase of the refrigerant passes from the condenser 35 via a throttle valve 37 or an orifice in the evaporator 34.
  • the evaporator 34 comprises refrigerant connections 25 and the condenser 35 recoolant connections 38. It goes without saying that all known vaporizable Refrigerant and all appropriate refrigerants Recooling agents can be used.
  • the relative vertical arrangement of evaporator 34 and Condenser 35 is selected so that the refrigerant level in the evaporator and in the condenser 34a and 35a in the operating state in a desired area relative to the plate packs 24a and 24b.
  • the capacitor plate pack should 24b substantially above the corresponding one Mirrors 35a lie and the evaporator plate pack 24a is said to be largely in the liquid phase of the refrigerant lie. Due to the essentially identical structure of Evaporator 34 and condenser 35 becomes the refrigerator easily dimensionable, buildable and adjustable.

Landscapes

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Wärmetauscher nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und auf eine Vorrichtung zum Durchführen eines Kreisprozesses.
Wärmetauscher sollen eine möglichst schnelle und vollständige Wärmeübertragung zwischen zwei Fluiden mit unterschiedlichen Ausgangstemperaturen ermöglichen. Dazu werden die beiden Fluide beidseits von wärmeleitenden Kontaktflächen geführt. Um eine möglichst grosse aktive Kontaktfläche zu erhalten, werden die Fluide meist durch komplexe Kanalsysteme geführt. Rohrbündeltauscher ermöglichen für den Wärmeaustauch effiziente Kanalführungen, sind aber sehr aufwendig aufgebaut. Deutlich einfacher im Aufbau sind Plattenwärmetauscher. Es sind nun Plattenwärmetauscher bekannt, bei denen zwischen parallel angeordneten Platten abwechslungsweise Kanäle für das eine und das andere Fluid so angeordnet sind, dass ähnlich komplexe Kanalsysteme, wie bei Rohrbündeltauschern entstehen. Insbesondere sind die Kanäle für beide Fluide so ausgelegt, dass möglichst lange und stark strukturierte Fliesswege entstehen. Die stark strukturierten Fliesswege führen zu unerwünscht hohen Durchströmwiderständen.
Aus der WO 95/17272 ist ein Plattenwärmetauscher bekannt bei dem das erste Kanalsystem so ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil der Kanäle als erste und zweite Hauptkanäle für mindestens ein erstes Fluid über ihre gesamte Länge im wesentlichen entlang einer ersten und einer zweiten Hauptrichtung verlaufen. Der Durchströmungs-Widerstand wird für reine Flüssigkeiten oder Gase verkleinert. Es hat sich aber gezeigt das Phasenübergänge in diesem Kanalsystem zu einer Verringerung des Durchflusses, bzw. zu unerwünscht hohen Durchströmungs-Widerständen führen. Dabei werden einzelne Kanalbereiche zumindest von einer Phase mindestens eines Fluids nicht oder nur schlecht durchströmt, was zu einer Reduktion des Wärmeaustausches führt. Insbesondere bei der Verwendung eines solchen Wärmetauschers als Verdampfer können entstehende Dampfblasen in einzelnen Kanalabschnitten zurückbleiben und den Durchtritt von Gas und oder Flüssigkeit behindern. Entsprechende Probleme ergeben sich bei der Verwendung als Kondensator, wobei die Durchtrittsbehinderung von zurückbleibenden Tropfen ausgeht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen einfach aufgebauten Wärmetauscher zu finden, der auch bei der Verwendung als Verdampfer oder Kondensator einen optimalen Wärmeaustausch gewährleistet.
Die Lösung der Aufgabe gelingt durch die Verwirklichung der Oberbegriffsmerkmale zusammen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bzw. durch die Merkmale des Anspruches 8.
Die Hauptrichtungen sind für den Betrieb so ausgerichtet, dass zumindest eine Hauptrichtung zur Vertikalen einen Winkel einschliesst, der kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20°, gegebenenfalls im wesentlichen 0° ist. Zudem beträgt der Winkel zwischen den beiden Hauptichtungen weniger als 60°. Vorzugsweise sind beide Hauptrichtungen so ausrichtbar, dass sie zwischen 10° und 20°, vorzugsweise beide im wesentlichen um 15° zur Vertikalen geneigt sind.
Die beiden ersten Anschlussbereiche der ersten Kanäle für das erste Fluid werden bei Verdampfungswärmetauschern an zwei einander gegenüberliegenden Umfangsbereichen der Platten angeordnet und gehen gegebenenfalls ineinander über. Im Betriebszustand sind die beiden ersten Anschlussbereiche übereinander angeordnet und werden zumindest von einem Teil der Hauptkanäle direkt miteinander verbunden. Weil zumindest eine Hauptrichtung zur Vertikalen einen Winkel einschliesst, der kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20°, gegebenenfalls im wesentlichen 0°, oder aber vorzugsweise 15° ist, sind die beiden ersten Anschlussbereiche direkt durch Hauptkanäle verbunden, welche in einer Richtung verlaufen, die weniger als 30° zur Vertikalen geneigt ist. Dadurch wird ein gutes Aufsteigen von Gasblasen bzw. bei Kondensations-Wärmetauschern ein gutes Absinken von kondensierten Flüssigkeitstropfen gewährleistet.
Um bei einfachem Aufbau eine möglichst vielseitige Einsetzbarkeit des Wärmetauschers zu ermöglichen, sind die zweiten Kanäle ähnlich wie die ersten aufgebaut und umfassen dabei dritte und vierte Hauptkanäle für das zweite Fluid, die im wesentlichen entlang je einer Hauptrichtung verlaufen. Die ersten und zweiten bzw. die dritten und vierten Kanäle sind gegebenenfalls in äusseren Endbereichen, vorzugsweise aber in allen Kreuzungsbereichen miteinander verbunden. Die ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Hauptkanäle sind beidseits einer ersten bzw. zweiten Verbindungsebene als gegen die Verbindungsebene offene Halbkanäle ausgebildet. In den Kreuzungsbereichen liegen die ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Hauptkanäle in der ersten bzw. zweiten Verbindungsebene offen aneinander an, so dass die ersten und zweiten Kanäle je als von den Hauptkanälen mit den Verbindungen in den Kreuzungsbereichen gebildete Kanalnetze betrachtet werden müssen. Plattenstapel mit den beschriebenen Kanalnetzen sind aus abwechslungsweise aneinander anschliessenden ersten und zweiten Platten aufgebaut, wobei auf der einen Seite der ersten bzw. zweiten Platten die vierten bzw. zweiten und auf der anderen die ersten bzw. dritten Halbkanäle ausgebildet sind. Alle Kanäle einer Platte verlaufen im wesentlichen parallel zueinander.
Um einfach eine vollständige Trennung zwischen den beiden Kanalsystemen zu erzielen, sind die beiden zweiten Anschlussbereiche für die, das zweite Fluid führenden, zweiten Kanäle als quer zu den Platten vorzugsweise durch diese verlaufende Kammern ausgebildet. Diese beiden Kammern sind gegenseitig nur über die zweiten Kanäle miteinander verbunden und vollständig von den ersten Kanälen getrennt. Die zweiten Anschlussbereiche sind dazu quer zur Winkelhalbierenden der beiden Hauptrichtungen voneinander beabstandet, so dass sie nicht direkt durch einzelne Hauptkanäle miteinander verbunden sind. Die Verbindung ist somit nur durch mindestens zwei miteinander verbundene Kanalabschnitte möglich, wobei mindestens ein Kanalabschnitt in der ersten und mindestens einer in der zweiten Hauptrichtung ausgerichtet ist.
Um einen möglichst einfachen Aufbau des Plattenwärmetauschers zu ermöglichen, wird dieser vorzugsweise aus im wesentlichen identischen Platten bzw. Blechen aufgebaut. In jeder Platte sind beidseits in einer Hauptrichtung verlaufende Rillen angeordnet. Indem die Platten vorzugsweise als Bleche ausgebildet sind, können diese beidseitig vorgesehenen Rillen durch einen Press- bzw. Stanzvorgang als Sicken ausgebildet werden, die von der einen Blechseite als Vertiefungen und von der anderen Blechseite als gratförmige Vorsprünge in Erscheinung treten. Um durch das Verbinden der Platten zwei voneinander vollständig getrennte Kanalsysteme ausbilden zu können, ist entlang des ganzen Plattenumfanges in einer ersten, die Platte auf einer ersten Seite berandenden, Ebene eine erste ebene Kontaktfläche vorgesehen. In einer zweiten, die Platte auf der zweiten Seite berandenden, Ebene sind zwei Kontaktbereiche vorgesehen, die je um eine Durchtrittsöffnung angeordnet sind. Die Platten bzw. Bleche des Wärmetauschers schliessen je mit gleichen Seiten, bzw. Ebenen aneinander an. Entsprechend schliessen abwechslungsweise immer Kontaktflächen und Kontaktbereiche aneinander an und werden je dicht miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweist oder verlötet.
Die im wesentlichen parallel angeordneten Sicken bzw. ihre Längsachsen schliessen zu einer Normalebene der Verbindungslinie zwischen den Zentren der Durchtrittsöffnungen einen Winkel ein, der kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20° ist, vorzugsweise aber im wesentlichen 15° beträgt. Die Sicken gehen von der ersten Ebene aus und haben ihre auf der Rückseite vorstehenden Gratlinien in der zweiten Ebene. Die Vertiefungen zwischen den Gratlinien haben vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Form wie die Sicken, das heisst im Querschnitt bilden die parallelen Sicken eine Wellenlinie, insbesondere mit Halbwellen in der Form eines Trapezes, dessen kleine Seite abgerundet ist. Um die benetzbare Fläche beidseits der Gratlinien nicht unnötig zu verkleinern, hat die Rundung der Gratlinie vorzugsweise einen kleinen Radius.
Die aus den oben beschriebenen Platten bzw. Blechen aufgebaute Plattenpackung des Wärmetauschers ist mit Ihren beiden ersten bzw. zweiten Anschlussbereichen an erste bzw. zweite Anschlussleitungen anschliessbar. Die Ausbildung der Anschlussbereiche, der Anschlussleitungen und der Verbindungen zwischen diesen ist der jeweiligen Verwendung anpassbar.
Für Fluide, die im Normalbetrieb im Wärmetauscher nur in einer Phase vorkommen, werden die Anschlüsse vorzugsweise so ausgestaltet, dass für beide Fluide eine klare Trennung zwischen Zufluss und Abfluss besteht bzw. dass beide durch den Wärmetauscher geführten Fluidvolumen vollständig durch je ein Kanalsystem fliessen müssen. Es kann dabei zweckmässig sein, die beiden Kanalsysteme und ihre Anschlussbereiche im wesentlichen gleich, insbesondere wie für die zweiten Kanäle beschrieben, auszubilden. Gegebenenfalls ist das vollständige Durchfliessen eines Kanalnetzes auf ein Fluid beschränkt und das andere Fluid bildet etwa ein Bad, in dem die Plattenpackung mit dem abgeschlossenen Kanalsystem aufgenommen ist. Dabei muss aber zumindest ein Teil des Bad-Fluides, beispielsweise als Konvektionsströmung, durch Hauptkanäle in der Plattenpackung strömen, um einen genügend grossen Wärmeaustausch zu gewährleisten.
Für Wärmetauscher, in denen zumindest ein Teil des ersten Fluides einen Phasenübergang durchläuft, ist es zweckmässig die beiden ersten Anschlussbereiche nicht vollständig voneinander getrennt auszubilden. Dadurch können unvollständig getrennte Phasenanteile im Wärmetauscher den jeweiligen getrennten Hauptanteilen der beiden Phasen zugeführt werden. Vorzugsweise wird dazu etwa die Plattenpackung teilweise in oder über einem Badbereich für das erste Fluid angeordnet.
Bei einem Verdampfer wird der Flüssigkeitsspiegel im Arbeitszustand so gewählt, dass ein grosser Teil der Plattenpackung bzw. des ersten Kanalnetzes mit der flüssigen Phase des ersten Fluides gefüllt ist. Dadurch wird ein grosser Bereich der Kontaktfläche zwischen den beiden Fluiden zum Erwärmen des zu verdampfenden Fluides genutzt. Bei einem hohen Flüssigkeitsspiegel, insbesondere wenn die Plattenpackung im wesentlichen vollständig in der ersten Flüssigkeit aufgenommen ist, muss darauf geachtet werden, dass der Gasaustritt so angeordnet ist, dass keine Flüssigkeit austreten kann, bzw. dass austretende Flüssigkeit von einem Ausscheider wieder in das Bad rückführbar ist. In der Flüssigkeit austretendes Gas kann durch die ersten und/oder zweiten Hauptkanäle in den Gasbereich aufsteigen. Gas, das beim Eintreten in das Bad durch Entspannung oder im Bad spontan entsteht, kann seitlich von der Plattenpackung durch das Bad in den Gasbereich aufsteigen.
Ein besonders kompakter und wirksamer Verdampfer bzw. Verdampfungswärmetauscher umfasst ein Gehäuse mit einer seitlich angebrachten Kältemittel-Eintrittsöffnung für die flüssige Phase des Kältemittels und mit einer im höchstgelegenen Gehäusebereich über einer Flüssigkeitsabscheidevorrichtung angeordneten Kältemittel-Austrittsöffnung für die Gasphase des Kältemittels, sowie eine Plattenpackung mit durch das Gehäuse geführten Ein- und Austrittsanschlüssen für ein Wärmeträger-Fluid. Im Betriebszustand befindet sich die Plattenpackung zu einem grossen Teil in der flüssigen Phase des Kältemittels. Im Gehäuse schliesst an die Kältemittel-Eintrittsöffnung eine Entspannungskammer an, von der bei der Entspannung austretendes Gas in den über der Flüssigkeit liegenden Gasbereich aufsteigen und dort zur Kältemittel-Austrittsöffnung gelangen kann. Die flüssige Phase gelangt von der Entspannungskammer gegebenenfalls direkt, oder aber über eine Niveaukammer in den Badbereich mit der Plattenpackung, wo die Flüssigkeit die ersten Kanäle im wesentlichen bis zum Flüssigkeitsspiegel auffüllt. Das Kälteträgerfluid strömt durch die zweiten Kanäle und verliert dabei die für das Verdampfen des Kältemittels nötige Wärme.
Bei einem Kondensator wird der Flüssigkeitsspiegel so gewählt, dass er zumindest im Arbeitszustand unter der Kondensator-Plattenpackung liegt, so dass in der Plattenpackung entstehende Flüssigkeitstropfen durch erste und/oder zweite Hauptkanäle nach unten abfliessen und aus der Plattenpackung austreten können. Die Kondensationswärme wird durch das durch die zweiten Kanäle der Kondensator-Plattenpackung geführte Rückkühlmittel aufgenommen.
Durch die Kombination eines Verdampfungs Wärmetauschers mit einem Kondensations-Wärmetauscher, welche beide eine oben beschriebenen Plattenpackung umfassen, kann eine einfache und effiziente Kältemaschine bzw. Wärmepumpe zusammengestellt werden. Dabei wird das Gas vom Verdampfer über einen Verdichter zum Kondensator geführt. Die flüssige Phase des Kältemittels gelangt vom Kondensator über ein Drosselventil in den Verdampfer.
Da der Verdampfer und der Kondensator aufgrund der Leitung mit der Drossel als kommunizierende Gefässe eingesetzt sind, stellt sich im Stillstand bzw. bei ausgeschaltetem Verdichter in beiden ein Kältemittelspiegel im wesentlichen auf der gleichen Höhe ein. Im Betriebszustand wird durch die Druckerhöhung im Verdichter der Spiegel im Kondensator abgesenkt und im Verdampfer angehoben. Indem das Volumen des flüssigen Kältemittels kleiner als das Kältemittel-Aufnahmevolumen des Verdamfpers gewählt wird, kann verhindert werden, dass flüssiges Kältemittel aus dem Verdampfer ausfliesst und in den Verdichter gelangt. Um zu verhindern, dass der im Verdichter aufgebaute Druck das gesamte kondensierte Kältemittel aus dem Kondensator ausstösst und somit direkt Gas vom Kondensator in den Verdampfer gelangt, muss gewährleistet sein, dass der Verdichterdruck immer kleiner ist als der hydrostatische Druck beim Drosselventil, wenn das gesamte flüssige Kältemittel auf der Verdampferseite des Drosselventils ist.
Die relative Vertikalanordnung von Verdampfer und Kondensator wird so gewählt, dass der Kältemittelspiegel im Verdampfer und im Kondensator im Betriebszustand in einem gewünschten Bereich relativ zu den Plattenpackungen liegt. Dabei soll die Kondensator-Plattenpackung im wesentlichen über dem entsprechenden Spiegel liegen und die Verdampfer-Plattenpackung soll grösstenteils in der flüssigen Phase des Kältemittels liegen. Aufgrund des im wesentlichen gleichen Aufbaus von Verdampfer und Kondensator wird die Kältemaschine einfach dimensionierbar, aufbaubar und regulierbar.
Erfindungsgemässe Wärmetauscher sind in beliebigen Vorrichtungen zur Durchführung von Prozessen mit einem Wärmeaustausch-Schritt einsetzbar. Aufgrund der unter einem kleinen Winkel zur Vertikalen ausrichtbaren im wesentlichen geraden Hauptkanäle für ein erstes Fluid, kann in diesen Kanälen sowohl austretendes Gas, als auch erwärmte Flüssigkeit eines Bades im Sinne einer geführten Konvektionsströmung, nach oben ausströmen. Die Hauptkanäle für das erste Fluid ermöglichen auch ein gutes Ausfliessen von Kondensat-Tropfen. Durch entsprechende Ausgestaltungen der Anschlussberiche ist es möglich die ersten und zweiten Kanäle der jeweiligen Verwendung entsprechend mit direkten Hauptkanälen zwischen den Anschlussbereichen oder mit Verbindungen über mindestens zwei verschieden ausgerichtete Kanalabschnitte benützbar zu machen.
Zu den Prozessen bei denen erfindungsgemässe Wärmetauscher einsetzbar sind, gehören auch die fraktionierte Verdampfung und die Destillation. Die erfindungsgemässen Wärmetauscher sind somit vielseitig einsetzbar und haben einen einfachen Aufbau.
Die Zeichnungen stellen eine Ausführungsform der Erfindung dar, auf welche die Erfindung aber nicht eingeschränkt ist. Es zeigen
Fig. 1:
eine Ansicht zweier aneinander anschliessender Platten,
Fig. 2:
einen Schnitt (II-II gemäss Fig. 1) durch vier Platten,
Fig. 3 und 4:
eine Ansicht von zwischen zwei Platten ausgebildeten ersten a) und zweiten b) Kanälen,
Fig. 5:
einen Längsschnitt durch einen Wärmetauscher,
Fig. 6:
Querschnitte durch einen Wärmetauscher, wobei a) durch die Ebene A-A und b) durch B-B gemäss Fig. 5 geht; und
Fig. 7:
eine schematische Darstellung einer Kältemaschine
Fig. 1 veranschaulicht zwei aneinander anschliessende Platten einer Wärmetauscher-Plattenpackung. Die Platten sind als kreisscheibenförmige Bleche 1a und 1b mit einer ringförmigen, die Aussenberandung der Scheibe bildenden Kontaktfläche 2a, 2b, mit zwei um Durchtrittsöffnungen 3a, 3b angeordneten Kontaktbereichen 4a, 4b und mit parallel ausgerichteten, durch Sicken 5a, 5b gebildeten, beidseits angeordneten Hauptkanälen ausgebildet. Die Sicken 5a erstrecken sich über den ganzen Blechbereich, der nicht als Kontaktfläche 2a und nicht als Kontaktbereich 4a ausgebildet ist. In der Darstellung gemäss Fig. 1 stehen die Sicken 5a eines oberen Bleches la von einer zweiten Ebene - der Zeichnungsebene - in der die Kontaktfläche 2a liegt, nach oben vor. Die Sicken 5b eines unteren Bleches 1b stehen von der gleichen Ebene nach unten vor, so dass nach dem dichten Verbinden der Kontaktfläche 2a des oberen Bleches la mit der Kontaktfläche 2b des unteren Bleches 1b ein von den Hauptkanälen gebildetes zweites Kanalsystem entsteht, das nur durch die Durchtrittsöffnungen 3a, 3b zugänglich ist.
In der dargestellten Ausführungsform sind die Achsen der Hauptkanäle des oberen und des unteren Bleches 1a, 1b um einen ersten Winkel von 30° zueinander geneigt. Die gegeneinander offenen Hauptkanäle sind in den Verbindungsbereichen 6, in denen sie einander gegenüber liegen, miteinander verbunden. Die Kontaktbereiche 4a, 4b sind voneinander abgewandt, so dass durch die Durchtittsöffnungen 3a, 3b ein zweites Fluid in das zwischen den dargestellten Blechen 1a und 1b liegende zweite Kanalsystem eintreten bzw. aus diesem austreten kann. Die Ausbildung der Bleche 1a, 1b und das von den Hauptkanälen gebildete zweite Kanalsystem wird durch den in Fig. 2 dargestellten Schnitt weiter verdeutlicht.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt (II-II, gemäss Fig. 1) durch vier Bleche 1a, 1b, 1c, 1d. Die in Fig. 1 dargestellte Ansicht ist in Fig. 2 mit B-B gekennzeichnet, wobei diese Ebene als erste Ebene 7 bezeichnet wird. Eine weitere erste Ebene 7' liegt zwischen den Blechen 1b und lc. Die oben erwähnte zweite Ebene ist zwischen den Blechen 1a und 1b mit 8 und zwischen den Blechen 1c und 1d mit 8' gekennzeichnet. Die Bleche 1a und 1b liegen mit ihren Kontaktflächen 2a und 2b in der zweiten Ebene 8 aneinander an. Die von der zweiten Ebene 8 weggehenden Sicken 5a und 5b erstrecken sich mit ihren äusseren Gratlinien 9a und 9b, wie die Kontaktbereiche 4a und 4b, bis zu den ersten Ebenen 7 und 7'. Durch das dichte Verbinden der Kontaktbereiche 4b und 4c, der Bleche 1b und 1c miteinander wird das zweite Kanalsystem dicht abgeschlossen. Die sich durch die Durchtrittsöffnungen erstreckenden zweiten Kammern 10 sind mit den zwischen den beiden Blechen 1a und 1b ausgebildeten zweiten Kanälen 11 verbunden und bilden die zweiten Anschlussbereiche. Von den Verbindungsbereichen 6 gehen die Hauptkanäle des zweiten Kanalsystems je als Halbkanäle in den beiden Richtungen der Sicken weg, was mit der eingezeichneten Schraffur angedeutet ist.
Die ersten Kanäle 12 sind zwischen den beiden Blechen 1b und 1c ausgebildet, wobei analog zu den zweiten Kanälen 11 beidseits der ersten Ebene 7' Halbkanäle in den Richtungen der Sicken verlaufen. Die ersten Anschlussbereiche sind zwischen den Kontaktflächen 2b und 2c angeordnet. Bei der Verwendung der Plattenpackung in einem Bad oder als Kondensator ergibt sich die Aufteilung der ringförmigen ersten Anschlussbereiche in einen Zuström und einen Ausströmbereich durch die Betriebsweise, insbesondere durch den Flüssigkeitsspiegel des Bades oder durch die Tatsache, dass Kondensattropfen nur durch nach unten führende Kanäle ausfliessen können. Gegebenenfalls werden die ersten Anschlussbereiche aber durch dichte Verbindungen zwischen den Kontaktflächen 2b und 2c abgegrenzt, bzw. werden analog zu den zweiten Kammern 10 klar definierte erste Kammern ausgebildet.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen für einen Verdampfungs-Wärmetauscher anhand zweier verschieden ausgerichteter Plattenpackungen die charakteristisch unterschiedlichen Fliesswege für die beiden Fluide. Dabei ist jeweils die Darstellung a) eine Ansicht A-A und b) eine Ansicht B-B gemäss Fig.2. Das erste Kanalsystem 12 ist so ausgebildet, dass direkte Kanäle zwischen dem unteren und dem oberen Randbereich der Plattenpackung, bzw. der Bleche 1 als erste und zweite Hauptkanäle 13 und 14 über ihre gesamte Länge entlang einer ersten und einer zweiten Hauptrichtung verlaufen. Durch den Fluidspiegel 15 ist festgelegt, in welche Kanäle die flüssige Phase des ersten Fluides eintritt und somit auch der Anschlussbereich in dem Flüssigkeit zuströmt. Die nach oben offenen Enden der Kanäle 13 und 14 münden in den Anschlussbereich in den das entstehende Gas ausströmt.
Durch die Tatsache, dass die ersten und/oder zweiten Kanäle nur wenig gegen die Vertikale geneigt sind und eine direkte Verbindung zwischen dem Zuström-Anschlussbereich, bzw. dem Kanalbereich in dem Gasblasen entstehen und dem Ausström-Anschlussbereich besteht, wird eine kaum behinderte Durchströmung 13a und 14a durch das erste Fluid gewährleistet. In den Kreuzungsbereichen 6 mit der flüssigen Phase strömen zwei in den aneinander angrenzenden ersten und zweiten Hauptkanälen geführte Teilströmungen mit Grenzschichtkontakt quer aneinander vorbei, was in beiden Teilströmungen zu einer leichten Turbulenzanregung führt. Dadurch wird eine an die Kanalwände angrenzende erwärmte Grenzschicht aufgelöst und der Wärmeübertrag zwischen der Kanalwand und dem erstem Fluid verbessert.
Die beiden Hauptrichtungen verlaufen unter einem Winkel von weniger als 60°, insbesondere weniger als 40°, vorzugsweise von im wesentlichen 30° zueinander. Die Hauptrichtungen sind für den Betrieb so ausrichtbar, dass zumindest eine Hauptrichtung zur Vertikalen einen Winkel einschliesst, der kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20° ist. Vorzugsweise sind, wie in Fig. 4 dargestellt, die Kanäle 14 im wesentlichen vertikal ausgerichtet. Gegebenenfalls sind aber beide Hauptrichtungen gemäss Fig. 3 im wesentlichen um 15° zur Vertikalen geneigt. Die ersten und/oder die zweiten Hauptkanäle gewährleisten in den gewählten Ausrichtungen ein gutes Aufsteigen von Gasblasen bzw. bei Kondensations-Wärmetauschern ein gutes Absinken von kondensierten Flüssigkeitstropfen.
Die zweiten Kanäle sind analog aufgebaut wie die ersten und umfassen dabei dritte und vierte Hauptkanäle 16, 17 für das zweite Fluid, die im wesentlichen entlang je einer Hauptrichtung verlaufen und an den Enden durch die miteinander verbundenen Kontaktflächen 2a, 2b verschlossen sind. In den Kreuzungsbereichen 6 liegen die dritten und vierten Hauptkanäle beidseits der zweiten Verbindungsebenen 8, 8' offen aneinander an. Entsprechend ist das dabei entstehende zweite Kanalsystem netzförmig aufgebaut. Weil die zweiten Anschlussbereiche 10 kleine Ausdehnungen haben und auf einer quer zu den Hauptrichtungen verlaufenden Linie angeordnet sind, gibt es keine Hauptkanäle 16, 17, die die beiden Anschlussbereiche 10 direkt miteinander verbinden.
Die Fliesswege 18 erstrecken sich über mindestens zwei, vorzugsweise aber über mindestens drei, Hauptkanalabschnitte 16, 17 und die diese verbindenden Kreuzungsbereiche 6. Das zweite Kanalsystem eignet sich für ein Fluid das keinen Phasenübergang macht, insbesondere für eine Flüssigkeit. Das zweite Fluid muss somit zwischen den beiden zweiten Anschlussbereichen 10 einen langen Weg mit starken Richtungsänderungen zurücklegen. Zudem wird auch in aneinander vorbei strömenden Teilströmungen die Turbulenz erhöht, so dass die Teilströmungen gut homogenisiert sind und die Wärmeübertragung optimiert wird. Das durch die dritten und vierten Hauptkanäle 16, 17 gebildete Kanalnetz ist unabhängig von der Ausrichtung der Plattenpackung (Fig. 3 und 4 b) vorteilhaft.
Fig. 5 und 6 zeigen einen besonders kompakten und wirksamen Verdampfer bzw. Verdampfungswärmetauscher, der ein Gehäuse 20 umfasst mit einer seitlich angebrachten Kältemittel-Eintrittsöffnung 21 für die flüssige Phase des Kältemittels und mit einer im höchstgelegenen Gehäusebereich über einer Flüssigkeitsabscheidevorrichtung 22 angeordneten Kältemittel-Austrittsöffnung 23 für die Gasphase des Kältemittels, sowie eine Plattenpackung 24 mit durch das Gehäuse 20 geführten Ein- und Austrittsanschlüssen 25 für ein Wärmeträger-Fluid. Im Betriebszustand befindet sich die Plattenpackung 24 zu einem grossen Teil in der flüssigen Phase des Kältemittels. Im Gehäuse 20 schliesst an die Kältemittel-Eintrittsöffnung 21 eine Entspannungskammer 26 an, von der bei der Entspannung austretendes Gas über eine Trennwand 27 und unter einem Umlenkelement 28 durch in den über der Flüssigkeit liegenden Gasbereich 29 strömen und von dort über seitliche Leitelemente 22a der Abscheidevorrichtung 22 zur Kältemittel-Austrittsöffnung 23 gelangen kann.
Die flüssige Phase gelangt von der Entspannungskammer 26 gegebenenfalls direkt, oder aber über eine Niveaukammer 30, die zwischen einer Gehäusewand 20a bzw. der Entspannungskammer 26 und der Trennwand 27 ausgebildet ist, in einen Badbereich 31 mit der Plattenpackung 24, wo die Flüssigkeit die ersten Kanäle im wesentlichen bis zu einem Flüssigkeitsspiegel 32 auffüllt. Um das Volumen des Badbereiches zu verkleinern sind vorzugsweise zwei Füllkörper 39 beidseits der Plattenpackung 24 zwischen dieser und der Innenwand des Gehäuses 20 angeordnet. Im tiefstliegenden Gehäusebereich bleibt ein Zuleitungskanal 40 frei, durch den die Flüssigkeit zu den parallel geschalteten ersten Kanälen gelangen kann. Das Kälteträgerfluid strömt durch die Ein- und Austrittsanschlüsse 25 und durch die zweiten Kanäle der Plattenpackung 24 und verliert dabei die für das Verdampfen des Kältemittels nötige Wärme.
Fig. 7 zeigt eine Kältemaschine bzw. Wärmepumpe 33, mit einen Verdampfungs-Wärmetauscher 34 und einem Kondensations-Wärmetauscher 35, welche beide eine oben beschriebenen Plattenpackung umfassen. Dabei wird das Gas vom Verdampfer 34 über einen Verdichter 36 zum Kondensator 35 geführt. Die flüssige Phase des Kältemittels gelangt vom Kondensator 35 über ein Drosselventil 37 oder eine Blende in den Verdampfer 34. Der Verdampfer 34 umfasst Kälteträgermittel-Anschlüsse 25 und der Kondensator 35 Rückkühlmittelanschlüsse 38. Es versteht sich von selbst, dass alle bekannten verdampfbaren Kältemittel und alle zweckmässigen Kälteträgerund Rückkühl-Mittel eingesetzt werden können.
Da der Verdampfer 34 und der Kondensator 35 aufgrund der Leitung mit der Drossel 37 als kommunizierende Gefässe eingesetzt sind, stellt sich im Stillstand bzw. bei ausgeschaltetem Verdichter 36 in beiden ein Kältemittelspiegel im wesentlichen auf der gleichen Höhe ein. Im Betriebszustand wird durch die Druckerhöhung im Verdichter 36 der Spiegel 35a im Kondensator 35 abgesenkt und der Spiegel 34a im Verdampfer 34 angehoben.
Die relative Vertikalanordnung von Verdampfer 34 und Kondensator 35 wird so gewählt, dass der Kältemittelspiegel im Verdampfer und im Kondensator 34a und 35a im Betriebszustand in einem gewünschten Bereich relativ zu den Plattenpackungen 24a und 24b liegt. Dabei soll die Kondensator-Plattenpackung 24b im wesentlichen über dem entsprechenden Spiegel 35a liegen und die Verdampfer-Plattenpackung 24a soll grösstenteils in der flüssigen Phase des Kältemittels liegen. Aufgrund des im wesentlichen gleichen Aufbaus von Verdampfer 34 und Kondensator 35 wird die Kältemaschine einfach dimensionierbar, aufbaubar und regulierbar.

Claims (9)

  1. Wärmetauscher mit einer Plattenpackung (24), bestehend aus abwechselnd aneinandergereihten ersten und zweiten Platten (1a,1b,1c,1d) zwischen denen erste und zweite Kanäle (12,11) ausgebildet sind, die über erste und zweite Anschlussbereiche mit ersten und zweiten Anschlussöffnungen (21,23,25) verbunden sind, wobei die ersten Anschlussöffnungen (21,23), Anschlussbereiche und Kanäle (12) vollständig von den zweiten (25,11) getrennt sind, die ersten und zweiten Platten (1a,1b,1c,1d) je beidseits eine Vielzahl von im wesentlichen geraden und in jeder Platte (1a,1b,1c,1d) zueinander parallel ausgerichteten Hauptkanälen (13,17;14,16) umfassen und die ersten (12) bzw. zweiten Kanäle (11) aus zueinander einen ersten Winkel einschliessenden ersten und zweiten (13,14) bzw. dritten und vierten Hauptkanälen (16,17) bestehen, die beidseits einer ersten (7,7') bzw. zweiten Verbindungsebene (8,8') als gegen die Verbindungsebene offene Halbkanäle ausgebildet sind, wobei auf der einen Seite einer ersten (1b,1d) bzw. zweiten Platte (1a,1c) die vierten (17) bzw. zweiten (14) und auf der anderen die ersten (13) bzw. dritten Hauptkanäle (16) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel weniger als 60° beträgt, die Plattenpackung (24) in einem Gehäuse (20) mit ersten Anschlussöffnungen (21, 23) aufgenommen ist und ein zweiter Winkel zwischen der Vertikalen und einer Achse in Richtung von Hauptkanälen (13,14,16,17) kleiner als 30° ist.
  2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Winkel weniger als 40°, vorzugsweise im wesentlichen 30° beträgt.
  3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Platten (1b,1d; 1a,1c) gleich ausgebildet sind, entlang des ganzen Plattenumfanges jeder Platte (1a,1b,1c,1d) an einer ersten, jede Platte (1a,1b,1c,1d) auf einer ersten Seite berandenden, Ebene (7,7') eine ebene Kontaktfläche (2a, 2b;2c,2d) vorgesehen ist und in einer zweiten, jede Platte (1a,1b,1c,1d) auf der zweiten Seite berandenden, Ebene (8,8') zwei je eine Durchtrittsöffnung umschliessende Kontaktbereiche (4a,4b,4c,4d) vorgesehen sind, so dass durch das Aneinanderanschliessen der Platten (la, lb,lc,ld) je mit gleichen Seiten abwechslungsweise immer Kontaktflächen (2a,2b;2c,2d) und Kontaktbereiche (4a,4b,4c,4d) aneinander anliegen, welche zum dichten Trennen der ersten und zweiten Kanäle (12,11) je dicht miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweist oder verlötet sind.
  4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten Bleche (1a,1b,1c,1d) sind, deren beidseitigen Hauptkanäle (13,17;14,16) als Sicken (5a,5b) ausgebildet werden, die auf der einen Blechseite als Vertiefungen und auf der anderen Blechseite als gratförmige Vorsprünge in Erscheinung treten und dass mindestens eines der folgenden Merkmale vorgesehen ist
    a) die im wesentlichen parallel angeordneten Sicken (5a; 5b) jedes Bleches (1a,1b,1c,1d) bzw. ihre Längsachsen schliessen zu einer Normalebene der Verbindungslinie zwischen den Zentren der Durchtrittsöffnungen (3a,3b, 3c,3d) einen Winkel ein, der kleiner als 30°, insbesondere kleiner als 20° ist, vorzugsweise aber im wesentlichen 15° beträgt;
    b) die Sicken (5a,5b) gehen von der ersten Ebene (7,7') aus und haben ihre auf der Rückseite vorstehenden Gratlinien in der zweiten Ebene (8,8'); und
    c) die Vertiefungen zwischen den Gratlinien (9a,9b) haben im wesentlichen die gleiche Form wie die Sicken (5a,5b).
  5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Anschlussöffnung (23) in einem obenliegenden Gehäusebereich angeordnet ist und dass mindestens eines der folgenden Merkmale vorgesehen ist,
    a) der zweite Winkel zwischen der Vertikalen und einer Achse entlang von Hauptkanälen (13,14,16,17) ist kleiner als 20° und beträgt vorzugsweise im wesentlichen 0° oder 15°;
    b) die ersten Anschlussbereiche sind an die Plattenpackung anschliessende Teilberiche des Gehäuseinnenraumes, so dass die ersten Kanäle (12) direkt vom Gehäuseinnenraum aus zugänglich sind; und
    c) die zweiten Anschlussbereiche sind als durch die Plattenpackung (24) verlaufende Kammern (10), die mit Durchtrittsöffnungen (25) des Gehäuses (20) verbunden sind, ausgebildet.
  6. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obenliegende erste Anschlussöffnung (23) als Gasaustrittsöffnung und eine weitere erste Anschlussöffnung (21) als Flüssigkeitseintrittsöffnung ausgebildet ist wobei mindestens eines der folgenden Merkmale vorgesehen ist
    a) der Gasaustrittsöffnung (23) ist ein Flüssigkeitsabscheider (22) zum Verhindern des Austrittes von Flüssigkeitstropfen zugeordnet;
    b) an die Füssigkeitseintrittsöffnung (21) ist eine Entspannungskammer (26) zum Entspannen der Flüssigkeit so angeschlossen, dass austretendes Gas nach oben gegen die Gasaustrittsöffnung (23) entweichen kann; und
    c) zwischen der Entspannungskammer (26) und dem Aufnahmebereich für die Plattenpackung (24) ist eine Nieveaukammer (30) angeordnet.
  7. Wärmetauscher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die obenliegende erste Anschlussöffnung als Gaseintrittsöffnung und eine weitere erste Anschlussöffnung im tiefstgelegenen Gehäuseberich als Flüssigkeitsaustrittsöffnung ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung zum Durchführen eines Kreisprozesses mit einem als Verdampfer (34) betreibbaren Wärmetauscher nach Anspruch 6, einem als Kondensator (35) betreibbaren Wärmetauscher nach Anspruch 7, einem Verdichter (36) und einem Drosselventil (37) oder einer Blende, wobei ein Kältemittel in den ersten Verdampfer-Kanälen (12) durch das Aufnehmen von Wärme des durch die zweiten Verdampfer-Kanäle (11) strömenden Kälteträger-Fluids verdampfbar und über den Verdichter (36) in den Kondensator (35) führbar ist, um nach der Kondensation mittels der Abgabe von Wärme an ein durch die zweiten Kondensator-Kanäle strömendes Rückkühlmittel durch das Drosselventil (37) oder die Blende in den Verdampfer (34) zu fliessen.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe ist.
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