DE1074063B - Plate heat exchangers with one-piece flat grids that distance the plates and have flat sections bent out to opposite sides across the flow direction - Google Patents
Plate heat exchangers with one-piece flat grids that distance the plates and have flat sections bent out to opposite sides across the flow directionInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmeaustauscher, welcher von im wesentlichen im Gegenstrom geführten wärmetauschenden Medien beaufschlagbar ist und dessen im Abstand parallel angeordnete Platten jeweils durch ein zu diesen paralleles, einteiliges Flächengitter distanziert sind, das in regelmäßigen Abständen längs und quer zur Strömungsrichtüng wechselweise nach entgegengesetzten Seiten etwa V-förmig herausgebogene, parallel zur Strömungsrichtüng verlaufende Flächenabschnitte' aufweist, deren Scheitel mit den benachbarten Platten verbunden sind.The invention relates to a plate heat exchanger which operates from essentially countercurrent guided heat-exchanging media can be acted upon and its plates arranged in parallel at a distance are each spaced by a parallel, one-piece surface grid that is in regular Distances along and across the direction of flow alternately bent out in an approximately V-shape on opposite sides, parallel to the direction of flow extending surface sections', the apex of which is connected to the adjacent plates are.
Bei einem derartigen Plattenwärmeaustauscher ist es bekannt, die quer zur Strömungsrichtung ineinander übergehenden, nach entgegengesetzten Seiten ausgebogenen Flächenabschnitte in Strömungsrichtüng jeweils um die halbe Breite eines Flächenabschnitts versetzt anzuordnen. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß der in diesem Bereich des Flächengitters für die Wärmeleitung zur Verfügung stehende Querschnitt um die Hälfte vermindert ist. Hierdurch entstehen Wärmestauungen, weil nur eine verringerte Wärmeübertragung durch Leitung zwischen den nach entgegengesetzten Seiten ausgebogenen Flächenabschnitten möglich ist. Damit nimmt zwangläufig auch die Wärmestromdichte in diesem Bereich ab, so daß die Wärmeübertragung zwischen den beiden das Flächengitter einschließenden Platten, die in der Regel eine unterschiedliche Temperatur aufweisen, ebenfalls entsprechend verringert wird.In such a plate heat exchanger, it is known that transversely to the flow direction into one another transitioning surface sections bent out towards opposite sides in the direction of flow to be arranged offset in each case by half the width of a surface section. This arrangement has the disadvantage that the cross section available for heat conduction in this area of the surface lattice is reduced by half. This creates heat accumulations because only a reduced one Heat transfer by conduction between the surface sections bent on opposite sides is possible. This inevitably also decreases the heat flux density in this area, see above that the heat transfer between the two plates enclosing the surface lattice, as a rule have a different temperature, is also reduced accordingly.
Ferner gehen bei diesem bekannten Plattenwärmeaustauscher die nach entgegengesetzten Seiten ausgebogenen Blechstreifen stetig ineinander über, so daß an jedem Ende eines die Flächenabschnitte aufteilenden Schlitzes Flächenabschnitte angreifen^ die einen Winkel von etwa 90° einschließen. Infolgedessen werden die von dem strömenden Medium ausgehenden Druckwellen unmittelbar auf die Schlitzenden übertragen, so daß die Gefahr besteht, daß das Blech einreißt. Die durch das Einreißen entstehenden Kerbstellen sind der Korrosion ausgesetzt und vermindern die mechanische Festigkeit und den für die Wärmeleitung erforderlichen Querschnitt.Furthermore, in this known plate heat exchanger, the curved sides are bent outwards Sheet metal strips continuously into one another, so that at each end one dividing the surface sections Attack slit surface sections ^ which include an angle of about 90 °. Consequently the pressure waves emanating from the flowing medium are transmitted directly to the slot ends, so that there is a risk that the sheet will tear. The notches created by the tearing are exposed to corrosion and reduce the mechanical strength and that for heat conduction required cross-section.
Die gemäß dem bekannten Vorschlag um etwa 90° gegeneinander abgebogenen Flächenteile haben strömungstechnisch den Nachteil, daß durch sie »tote Ecken« gebildet werden, in denen das strömende Medium zur Ausbildung verhältnismäßig dicker, festhaftender laminarer Schichten neigt, die eine gute Wärmeübertragung beeinträchtigen. Der eckige Strömungsquerschnitt der von den Flächenabschnitten gebildeten Kanäle trägt ferner dazu bei, daß die Geschwindigkeitsverteilung des strömenden Mediums verhältnismäßig ungünstig ist, die für die Ausbildung Plattenwärmeaustauscher mit einteiligen, die Platten distanzierenden Flächengittem, die quer zur StrömungsrichtungAccording to the known proposal, the surface parts bent relative to one another by about 90 ° have fluidic properties the disadvantage that they form "dead corners" in which the flowing medium tends to form relatively thick, firmly adhering laminar layers, which are good Affect heat transfer. The angular flow cross-section formed by the surface sections Channels also contributes to the speed distribution of the flowing medium is relatively unfavorable for the formation of plate heat exchangers with one-piece, the plates spacing surface grids, which are transverse to the direction of flow
nach entgegengesetzten Seitento opposite sides
herausgebogene Flächenabschnittecurved surface sections
aufweisenexhibit
Anmelder:Applicant:
GEA-Luftkühler-Gesellschaft m. b. H.r
Bochum, Königsallee 45GEA-Luftkühler-Gesellschaft mb H. r
Bochum, Königsallee 45
Dipl.-Ing. Karl Weiß, Bochum,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Ing. Karl White, Bochum,
has been named as the inventor
einer für eine gute Wärmeübertragungsleistung wichtigen turbulenten Strömung bedeutungsvoll ist.a turbulent flow that is important for good heat transfer performance is significant.
Die Scheitel der um etwa 90° abgewinkelten Flächenabschnitte bilden bei der bekannten Konstruktion linienförmige Befestigungsstellen mit den Platten, so daß nur ein kleiner Querschnitt für die Wärmeleitung zwischen den Platten und dem Flächengitter zur Verfugung steht. Infolgedessen sind nur ein verhältnismäßig geringer Wärmestrom und eine verminderte Wärmestromdichte zu erreichen. Hierzu trägt bei, daß an den Befestigungsstellen der giebeldachartig ausgebogenen Flächenabschnitte ein größerer Wärmeleitwiderstand auftritt, weil die an diesen Befestigungsstellen durch - Schweißmaterial verstärkte Wanddicke im ungünstigen Verhältnis zu dem für die Wärmeleitung zur Verfügung stehenden Flächenquerschnitt steht. Demzufolge ist ein höherer spezi-In the known construction, the apex of the surface sections angled by approximately 90 ° form linear attachment points with the plates, so that only a small cross-section for heat conduction is available between the plates and the surface grid. As a result, only one are proportionate to achieve a low heat flow and a reduced heat flow density. Contributes to this in that at the fastening points of the gable-roof-like curved surface sections a larger one Thermal resistance occurs because the weld material reinforced at these fastening points Wall thickness in an unfavorable ratio to the area cross-section available for heat conduction stands. As a result, a higher specific
nscher Wärmeleitwiderstand vorhanden, wodurch die Wärmedurchgangszahl in unerwünschter Weise herabgesetzt wird.nscher thermal resistance present, whereby the heat transfer coefficient is reduced in an undesirable manner will.
Erfindungsgemäß lassen sich Plattenwärmeaustauscher der vorstehend beschriebenen Art dadurch verbessern, daß die in in Strömungsrichtung in etwa gleichen Abständen parallel hintereinanderliegenden, quer zur Strömungsrichtung gerichteten Ebenen angeordneten Flächenabschnitte wechselweise nach entgegengesetzten Seiten ausgebogen sind und daß zwisehen den von den Flächenabschnitten in Strömungsrichtung gebildeten Kanälen jeweils ein etwa in der Mitte zwischen den Platten sich über deren ganze Länge in Strömungsrichtung erstreckender schmaler Flächenstreifen vorgesehen ist, während die ScheitelAccording to the invention, plate heat exchangers of the type described above can be improved by that the parallel, one behind the other, at approximately equal intervals in the direction of flow, surface sections arranged transversely to the flow direction planes alternately to opposite one another Pages are bent and that between the channels formed by the surface sections in the flow direction each one approximately in the The middle between the plates is narrower and extends over their entire length in the direction of flow Surface strip is provided while the apex
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der Flächenabschnitte als zu den Platten parallel verlaufende, an diesen wärmeleitend befestigte Flächenabschnitte ausgebildet sind. Dadurch, daß die nach entgegengesetzten Seiten ausgebildeten Flächenabschnitte mit gleichbleibendem Querschnitt jeweils in derselben, quer zur Strömungsrichtung gerichteten Ebene untereinander verbunden sind, werden Wärmestauuhgen vermieden und ein geradliniger Wärmefluß bei durch.Wärmeleitung innerhalb des Flächengitters übertragener Wärme erreicht. Sämtliche Knickstellen oder Ausbiegungen des Flächengitters schließen durch die Anordnung des jeweils in der Mitte zwischen den Platten sich über deren ganze Länge erstreckenden schmalen Flächenstreifens und der abgeflachten Scheitel der Flächenabschnitte gegenüber benachbarten Flächenteilen nur einen Winkel von etwa 45° ein. Dadurch wird das Blech bereits bei der Herstellung des Flächengitters wesentlich geringer beansprucht, so daß billigere, hinsichtlich ihrer metallurgischen Zusammensetzung weniger anspruchsvolle Bleche verwendet werden können. Die von den Flächenabschnitten bei unterschiedlichen Wärmedehnungen und Schwingungserscheinungen auf die Schlitzenden zwischen den einzelnen Flächenabschnitten übertragenen Kräfte sind infolge ihrer kleineren, in Richtung der um 45° abgebogenen Flächenabschnitte fallenden Kraftkomponente unwesentlich. Im übrigen erweist sich hier die Fähigkeit der Flächenstreifen als vorteilhaft, durch eine gewisse elastische Verformbarkeit den schädlichen Einfluß etwaiger durch Wärmespannungen und gegebenenfalls durch Druckunterschied zwischen den wärmetauschenden Medien hervorgerufener Kräfte ausgleichen zu können, so daß deren Einfluß auf die Schlitzenden und eine damit gegebenenfalls verbundene Gefahr des Einreißens der Schlitzstelle ausgeschaltet ist.of the surface sections as running parallel to the plates and attached to them in a thermally conductive manner Surface sections are formed. In that the surface sections formed on opposite sides with a constant cross-section in each case in the same direction transverse to the direction of flow Level are connected to each other, heat accumulations are avoided and a straight heat flow achieved with heat transferred through heat conduction within the surface lattice. All kinks or bends of the surface lattice close by the arrangement of each in the middle between the Plates extending over the entire length of the narrow surface strip and the flattened apex of the surface sections only an angle of about 45 ° with respect to neighboring surface parts. As a result, the sheet is stressed significantly less during the production of the flat grille, so that cheaper sheets, which are less demanding in terms of their metallurgical composition, are used can be. The of the surface sections at different thermal expansions and Vibration phenomena transferred to the slot ends between the individual surface sections Forces are due to their smaller, falling in the direction of the 45 ° bent surface sections Force component insignificant. In addition, the ability of the surface strips proves to be advantageous here, due to a certain elastic deformability the harmful influence of any thermal stresses and possibly caused by the pressure difference between the heat-exchanging media To be able to compensate forces, so that their influence on the slot ends and thus possibly associated risk of tearing the slit point is eliminated.
Diese sich parallel zur Strömungsrichtung des Mediums zwischen den von den Flächenabschnitten gebildeten Kanälen erstreckenden Flächenstreifen ermöglichen außerdem eine gute Wärmeleitung zwischen den in Strömungsrichtung hintereinanderliegenden Flächenabschnitten und — da sie parallel zu den Platten angeordnet sind — eine zusätzliche Wärmeübertragung durch Strahlung, die zu einer Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung beiträgt.These are parallel to the direction of flow of the medium between the surface sections Formed channels extending surface strips also allow good heat conduction between the surface sections lying one behind the other in the direction of flow and - since they are parallel to the plates are arranged - an additional heat transfer by radiation, which leads to an improvement contributes to the heat transfer performance.
In strömungstechnischer Hinsicht wird durch die abgeflachten Scheitel und die in der Mittelebene des Flächengitters befindlichen Flächenstreifen der Querschnitt der von den abgebogenen Flächenabschnitten gebildeten Kanäle günstiger gestaltet, weil die Neigung des Austauschmediums, im Bereich der abgewinkelten Flächenteile dickere laminare Schichten zu bilden, wesentlich herabgesetzt wird. Da die F'lächenabschnitte durch ihre abgeflachten Scheitel mit den Platten verhältnismäßig großflächig verbunden sind, werden ein höherer Wärmestrom sowie eine dementsprechend höhere Wärmestromdichte erreicht, wobei diese Wirkung dadurch begünstigt wird, daß die Wanddicke der Platten und der den Scheitel der Flächenabschnitte bildenden Längenabschnitte gegenüber der in der Zeiteinheit durch die Fläche hindurchgehenden Wärmemenge verhältnismäßig klein gehalten werden kann.In terms of flow, the flattened apex and the in the middle plane of the The surface strips located in the surface lattice are the cross-section of the surface sections that are bent over formed channels designed more favorable because the inclination of the exchange medium in the area of the angled Surface parts to form thicker laminar layers is significantly reduced. Since the Surface sections are connected to the plates over a relatively large area by their flattened apexes a higher heat flow and a correspondingly higher heat flow density are achieved, this effect is favored by the fact that the wall thickness of the plates and the apex of the Length sections forming surface sections compared to the length sections passing through the surface in the unit of time The amount of heat can be kept relatively small.
Werkstoff, Formgebung, Flächengröße und Wandstärke der Flächengitter sowie Werkstoff und Wandstärke der Platten werden dem Druck, der Temperatur, der Strömungsgeschwindigkeit, der kinematischen Zähigkeit und den chemischen Eigenschaften der wärmetauschenden Medien angepaßt. So ist es beispielsweise möglich, die von einem aggressiven Medium umströmten Flächenabschnitte einschließlich der diesem Medium zugekehrten Seiten der Platten mit einem entsprechenden Oberflächenschutz zu versehen oder aus korrosionsfestem Material herzustellen, während die von dem zweiten — gegebenenfalls nicht aggressiven — Medium umströmten Flächengitter des Wärmeaustauschers aus billigerem Werkstoff bestehen können.Material, shape, area size and wall thickness of the surface grids as well as material and wall thickness the plates are the pressure, the temperature, the flow velocity, the kinematic Toughness and the chemical properties of the heat-exchanging media adapted. This is how it is, for example possible, the surface sections around which an aggressive medium flows, including the to provide the sides of the plates facing this medium with appropriate surface protection or made of corrosion-resistant material, while those of the second - possibly not aggressive - medium flowing around the surface grids of the heat exchanger are made of cheaper material can.
Plattenwärmeaustauscher gemäß der Erfindung eignen sich insbesondere für den Wärmeaustausch zwischen Druckluft und Abgas bei Gasturbinen, für die Kühlung von Druckluft oder Druckgas durch Luft, für die Kühlung von Flüssigkeiten durch Luft oder für die Kondensation von Dämpfen durch Luft oder Flüssigkeiten.Plate heat exchangers according to the invention are particularly suitable for heat exchange between Compressed air and exhaust gas in gas turbines, for cooling compressed air or compressed gas using air, for the cooling of liquids by air or for the condensation of vapors by air or Liquids.
In der Zeichnung ist ein durch zueinander parallel angeordnete Platten 1 begrenztes Flächengitter 2 eines Plattenwärmeaustauschers gemäß der Erfindung in perspektivischer Ansicht beispielsweise dargestellt, wobei die Platten 1 als Trennwände für die im Gegenstrom geführten wärmetauschenden Medien dienen. Das gleichzeitig als Versteifungselement dienende Flächengitter besteht aus einem wärmeleitenden Werkstoff, z. B. 0,5 bis 1 mm starkem Stahlblech. Indessen können auch stärkere Eisenbleche verwendet werden. Die zweckmäßig aus 2 mm starkem Blech bestehenden Platten 1 sind im Bereich ihrer benachbarten Endabschnitte durch nicht dargestellte U-förmige Profilleisten fest und dichtend im Abstand zueinander verschweißt. In the drawing, a surface grating 2 delimited by plates 1 arranged parallel to one another is one Plate heat exchanger according to the invention shown in a perspective view, for example, wherein the plates 1 serve as partition walls for the countercurrently guided heat-exchanging media. The surface grille, which also serves as a stiffening element, consists of a thermally conductive material, z. B. 0.5 to 1 mm thick sheet steel. However, thicker iron sheets can also be used. The plates 1, which are expediently made of 2 mm thick sheet metal, are in the area of their adjacent end sections welded firmly and sealingly at a distance from one another by U-shaped profile strips (not shown).
Das einteilige, aus dünnwandigem geschlitztem Blech bestehende Flächengitter 2 weist in in Strömungsrichtung in etwa gleichen Abständen parallel hintereinanderliegenden, quer zur Strömungsrichtung gerichteten Ebenen angeordnet, wechselweise nach entgegengesetzten Seiten V-förmig ausgebogene Flächenabschnitte auf. Zwischen von den ausgebogenen Flächenabschnitten in Strömungsrichtung gebildeten Kanälen ist jeweils etwa in der Mitte zwischen den Platten 1 ein sich über deren ganze Länge in Strömungsrichtung erstreckender schmaler Flächenstreifen 3 vorgesehen, Die mit den benachbarten Platten 1 verbundenen Scheitel der Flächenabschnitte sind als zu den Platten 1 parallel verlaufende, an diesen wärmeleitend befestigte Flächenabschnitte 4, 4 α ausgebildet. Die Befestigung der Flächenabschnitte an den Platten kann statt durch Schweißen auch durch Hartlöten oder Kleben erfolgen.The one-piece, made of thin-walled slotted sheet metal, has in the flow direction at approximately equal intervals parallel one behind the other, arranged transversely to the flow direction, alternately on opposite sides V-shaped surface sections. Between the channels formed by the curved surface sections in the direction of flow, a narrow surface strip 3 extending over their entire length in the direction of flow is provided approximately in the middle between the plates 1. The apices of the surface sections connected to the adjacent plates 1 are parallel to the plates 1 extending surface sections 4, 4 α attached to these in a thermally conductive manner. The surface sections can also be fastened to the plates by brazing or gluing instead of welding.
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