Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager nach dem Oberbegriff des An spruchs 1.

Sowohl in Verbrennungsmotor- als auch in Brennstoffzellen-Anwendungen wer den Katalysatoren verwendet. So kann beispielsweise in einer Brennstoffzellen- Anwendung aus Biokraftstoff in einem Katalysator - einem sogenannten Refor mer- mittels Katalyse der Brennstoff - beispielweise Wasserstoff und/oder Me than - gewonnen werden, der dann in der nachgeschalteten Brennstoffzelle zur Energiegewinnung genutzt wird. Üblicherweise kann der Brennstoff in der Brenn stoffzelle nicht vollständig umgesetzt werden, so dass eine ungenutzte Restmen ge des Brennstoffs verbleibt. Die Reststoffmenge des Brennstoffs kann dann in einem der Brennstoffzelle nachgeschalteten Katalysator in weitere Stoffe che misch umgewandelt werden. Auch in einer Verbrennungsmotor-Anwendung kann beispielweise das Abgas in einem Katalysator chemisch in weitere Stoffe umge wandelt werden. Da die Katalyse in dem Katalysator bei einer hohen Temperatur erfolgt, wird das Arbeitsmedium üblicherweise mittels eines vorgeschalteten Wärmeübertragers auf die geforderte Temperatur vorgeheizt. Alternativ kann die Restwärme von beispielsweise Abgas in einem nachgeschalteten Wärmeüber trager nutzbar gemacht werden. Eine derartige Verbindung des Wärmeübertra gers und des Katalysators führt zu Nachteilen in Bezug auf Bauraum, Kosten, Gewicht und Effizienz.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, für eine Verbindung eines Wärmeüber tragers und eines Katalysators der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest alternative Ausführungsform anzugeben, bei der die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der ab hängigen Ansprüche.

Ein Wärmeübertrager umfasst einen Übertragerblock aus mehreren ersten Strö mungsräumen und aus mehreren zweiten Strömungsräumen, die in einer Stapel richtung übereinander und abwechselnd angeordnet sind. Die ersten Strömungs räume sind von einem ersten Medium und die zweiten Strömungsräume sind von einem zweiten Medium durchströmbar, so dass die Medien in dem Übertragerb lock Wärme miteinander austauschen können. Die jeweiligen Strömungsräume sind durch Wandungen aus einer Edelstahllegierung nach außen abgegrenzt und fluidisch voneinander getrennt. In den zweiten Strömungsräumen sind Wellstruk turplatten jeweils aus mehreren Einzelrippen angeordnet, die sich in Strömungs richtung des zweiten Mediums erstrecken und quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums benachbart sind. Die Wellstrukturplatten sind dabei mit den Wandungen der zugeordneten zweiten Strömungsräume stoffschlüssig verbun den. Erfindungsgemäß sind die Wellstrukturplatten aus einem Trägermaterial mit einer katalytischen Beschichtung geformt und bilden einen Katalysator, in dem das zweite Medium mittels Katalyse chemisch umwandelbar ist. In dem erfin dungsgemäßen Wärmeübertrager ist somit der Katalysator integriert, so dass im Vergleich zur herkömmlichen Verbindung eines separaten Wärmeübertragers und eines separaten Katalysators Kosten, der Bauraum und das Gewicht redu ziert sind und die Effizienz verbessert ist.

Der Übertragerblock des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers ist durch das erste Medium und das zweite Medium durchströmbar. Das erste Medium bzw. das zweite Medium kann dabei eine Flüssigkeit oder ein Gas oder ein Gas- Flüssigkeit-Gemisch sein. Die Strömungsrichtung des ersten Mediums und die Strömungsrichtung des zweiten Mediums sind dabei quer zur Stapelrichtung ausgerichtet. Die Strömung des zweiten Mediums in den zweiten Strömungsräu men wird durch die Ausführungsform der Einzelrippen der Wellstrukturplatten vorgegeben. Um die Beschreibung zu vereinfachen, wird im Folgenden die Strö mungsrichtung des zweiten Mediums stets als senkrecht zur Stapelrichtung und entlang der Haupterstreckung der Einzelrippen der Wellstrukturplatten ange nommen. Zudem wird angenommen, dass eine quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierte Richtung stets senkrecht zur Stapelrichtung und zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums ist. Es versteht sich, dass die tatsäch liche Strömung des zweiten Mediums von der definierten Strömungsrichtung ge ringfügig abweichen kann.

Der Wärmeübertrager kann in einer möglichen Ausführungsform ein Flachrohr- Wärmeübertrager sein. Der Übertragerblock ist dann aus mehreren Flachrohren geformt, zwischen denen Zwischenräume geformt sind. Dabei wechseln sich die Flachrohre und die Zwischenräume in Stapelrichtung ab. Die ersten Strömungs räume können dann durch die Zwischenräume und die zweiten Strömungsräume können dann durch die Flachrohre mit den Wellstrukturplatten gebildet sein. Die Wandungen der Strömungsräume sind dann durch die Flachrohre gebildet. Die Flachrohre sind durch das zweite Medium und die Zwischenräume sind durch das erste Medium durchströmbar, so dass die beiden Medien in dem Übertrag erblock fluidisch voneinander getrennt sind. Die in dem jeweiligen Flachrohr an geordnete Wellstrukturplatte ist dabei von dem zweiten Medium beidseitig von außen umströmbar, so dass das zweite Medium mit der katalytischen Beschich tung in direkten Kontakt kommen und die Katalyse in dem zweiten Medium statt finden kann. Die Wellstrukturplatte stellt also eine Reaktionsoberfläche für die Katalyse bereit. Die jeweilige Wellstrukturplatte stützt sich in Stapelrichtung beid seitig auf das zugeordnete Flachrohr ab. Zweckgemäß ist die jeweilige Wellstruk turplatte an Kontaktstellen mit dem Flachrohr stoffschlüssig verbunden. An die sen Kontaktstellen ist dabei keine fluiddichte stoffschlüssige Verbindung erforder- lieh. Durch die stoffschlüssige Verbindung können jedoch die Wärmeübertragung und die Betriebsfestigkeit des Wärmeübertragers verbessert werden. Die Flach rohre sind dann aus der Edelstahllegierung und die Wellstrukturplatten sind aus dem Trägermaterial mit der katalytischen Beschichtung geformt.

Der Wärmeübertrager kann in einer alternativen Ausführungsform ein Stapel- scheiben-Wärmeübertrager sein. Der Übertragerblock des Wärmeübertragers ist dann aus mehreren übereinander gestapelten Scheiben geformt. Zwischen den benachbarten Scheiben sind abwechselnd die ersten Strömungsräume und die zweiten Strömungsräume gebildet. Die Strömungsräume sind dann durch die Scheiben voneinander getrennt und die Wandungen der Strömungsräume sind dann durch die Scheiben gebildet. Über die Scheiben bleiben die beiden Medien fluidisch voneinander getrennt und können Wärme miteinander austauschen. In den zweiten Strömungsräumen sind die Wellstrukturplatten angeordnet, die sich in Stapelrichtung beidseitig auf benachbarte Scheiben abstützen. Die Wellstruk turplatte stellt dann eine Reaktionsoberfläche für die Katalyse des zweiten Medi ums bereit. Zweckgemäß ist die jeweilige Wellstrukturplatte an Kontaktstellen mit den zugeordneten Scheiben stoffschlüssig verbunden. An diesen Kontaktstellen ist dabei keine fluiddichte stoffschlüssige Verbindung erforderlich. Durch die stoffschlüssige Verbindung kann jedoch die Wärmeübertragung und die Betriebs festigkeit des Wärmeübertragers verbessert werden. Die Scheiben sind dann aus der Edelstahllegierung und die Wellstrukturplatten sind aus dem Trägermaterial mit der katalytischen Beschichtung geformt.

Grundsätzlich sind auch andere alternativen Ausführungsformen des Wärme übertrages denkbar.

In dem erfindungsgemäßen Wärmeübertrager sind die Wandungen der Strö mungsräume und die Wellstrukturplatten aus unterschiedlichen Materialien ge- formt. Das Trägermaterial der Wellstrukturplatten kann dabei in Bezug auf die Adhäsion der katalytischen Beschichtung optimiert sein. Die Edelstahllegierung der Wandungen der Strömungsräume kann dagegen in Bezug auf das fluiddichte Verbinden - beispielweise Verlöten oder Verschweißen - der Wandungen mitei nander und/oder mit weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers optimiert sein. Werden die Wandungen der Strömungsräume miteinander und/oder mit den weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers verlötet, so kann die Edelstahlle gierung in Bezug auf die Adhäsion des Lots optimiert sein. Dabei ist keine fluid dichte stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Trägermaterial der Wellstruktur platten und der Edelstahllegierung der Wandungen der Strömungsräume erfor derlich.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die Edelstahllegierung ein ferriti- scher Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% ist. Der ferritische Chrom-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4521 -Stahl oder ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4528-Stahl sein. Alternativ kann die Edelstahllegierung ein ferritischer Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17- 20% und einer Niob-Beschichtung oder ein ferritischer Chrom-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% und einem Niob-Zusatz sein. Durch die Niob- Beschichtung oder den Niob-Zusatz kann der Chrom-Stahl insbesondere in Be zug auf Adhäsion des Lots optimiert sein. Vorteilhafterweise kann die Edelstahl legierung ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17,5-19,5% und mit einem Nickel-Anteil von 8-10,5% sein. Der austenitische Chrom-Nickel-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4301 -Stahl sein. Alternativ kann die Edelstahllegierung ein austenitischer Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 16,5-18,5% und mit einem Nickel-Anteil von 10-13% und mit einem Molybdän-Anteil von 2-2,5% sein. Der austenitische Chrom-Nickel-Molybdän-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4404-Stahl sein. Alternativ kann die Edelstahllegie- rung ein austenitischer Chrom-Nickel-Silicium-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 19-21% und mit einem Nickel-Anteil von 11-13% und mit einem Silicium-Anteil von 1,5-2, 5% sein. Der austenitische Chrom-Nickel-Silicium-Stahl kann beispiel weise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4828-Stahl sein. Vorteilhafterweise kann der austenitischer Chrom-Nickel-Silicium-Stahl temperaturstabilisiert sein.

Das Trägermaterial der Wellstrukturplatten kann ein Chrom-Aluminium-Stahl mit einem Chrom-Anteil von 17-20% und mit einem Aluminium-Anteil von 2-10%, bevorzugt von 3-7%, sein. Der Chrom-Aluminium-Stahl kann beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4737-Stahl sein. Alternativ kann der Chrom- Aluminium-Stahl beispielweise ein nach DIN-EN-10088 genormter 1.4767-Stahl sein. Das Trägermaterial kann insbesondere in Bezug auf gute Adhäsion der ka talytischen Beschichtung optimiert sein.

Die katalytische Beschichtung kann aus einem dem Fachmann bekannten kataly tischen Material sein.

Es versteht sich, dass die oben genannten Stähle auch weitere Bestandteile - wie beispielweise Eisen und/oder Molybdän und/oder Titan und/oder Silicium und/oder Kohlenstoff - umfassen können.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wärmeübertragers können die Wan dungen der zweiten Strömungsräume und die Wellstrukturplatten miteinander über ein Nickelbasislot verlötet sein. Vorzugsweise liegt das Nickelbasislot in Form einer Nickelbasislot-Folie vor. Bei dem Nickelbasislot kann es sich bei spielweise um ein BNi-5(9%Cr-10%Si-Ni)-Lot handeln. Vorteilhafterweise können die Wandungen der zweiten Strömungsräume und die Wellstrukturplatten mitei nander über ein Lot mit einem Phosphoranteil, vorzugsweise eine NiCrPhSi- Lotlegierung, verlötet sein. Vorteilhafterweise kann das Lot mit dem Phosphoran teil die Festigkeit der Lötverbindung zwischen der Edelstahllegierung und dem Trägermaterials deutlich verbessern. Alternativ können die Wandungen der zwei- ten Strömungsräume und die Wellstrukturplatten miteinander auch verschweißt sein. Vorteilhafterweise können die Wandungen der Strömungsräume miteinan der und/oder mit den weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers über ein Lot mit Phosphoranteil verlötet sein. Durch den Phosphoranteil können die Benet zung auf der Edelstahllegierung der Wandungen und die Lötstabilität verbessert werden. Insbesondere können Spalte zwischen den Wandungen der Strömungs räume und/oder zwischen den Wandungen der Strömungsräume und den weite ren Bestandteilen des Wärmeübertragers besser ausgefüllt und dadurch die Dichtheit der Lötverbindung verbessert werden. Denkbar ist dabei, dass bei der Fertigung des Wärmeübertragers zuerst die Wellstrukturplatten mit den Wandun gen der zweiten Strömungsräume und danach gegebenenfalls die Wandungen der Strömungsräume miteinander zu dem Übertragerblock und anschließend der Übertragerblock mit den weiteren Bestandteilen des Wärmeübertragers stoff schlüssig verbunden werden. Alternativ ist auch denkbar, dass die Wandungen der Strömungsräume, die Wellstrukturplatten und die weiteren Bestandteile des Wärmeübertragers in einem Schritt miteinander stoffschlüssig verbunden werden. Die stoffschlüssige Verbindung kann dabei durch das Verlöten oder das Ver schweißen erfolgen.

Bei der vorteilhaften Ausführungsform des Wärmeübertragers ist vorgesehen, dass das Produkt zwischen der quadrierten Rippendichte der jeweiligen Well strukturplatte und der Wandstärke der jeweiligen Wellstrukturplatte zwischen 0,05/mm und 0,15/mm, bevorzugt zwischen 0,06/mm und 0,11/mm, liegt. Bei dem Produkt kleiner 0,08/mm kann eine höhere Temperatur an den Wellstruktur platten als bei dem Produkt größer 0,08/mm erreicht werden. Ist beispielweise ein hoher Konvertierungsgrad bei der Katalyse des zweiten Mediums erforderlich und kann dieser durch die Temperatur eines der Medien oder der beiden Medien in dem Wärmeübertrager nicht erreicht werden, so können die Rippendichte und die Wandstärke entsprechend angepasst und das Produkt kleiner 0,08/mm sein. Das kann beispielweise in einer Verbrennungsmotor-Anwendung verwendet werden, um die Effizienz der Katalyse beim Kaltstart des Verbrennungsmotors zu verbes sern. Das Produkt größer 0,08/mm ist dagegen zu bevorzugen, wenn bei hohen Temperaturen der beiden Medien und oberhalb der Arbeitstemperatur der kataly tischen Beschichtung besonders hohe Anforderungen an die Wärmeübertragung in dem Wärmeübertrager bestehen.

Steigt die Rippendichte der Wellstrukturplatte, so vergrößert sich auch die für die Katalyse zur Verfügung stehende Reaktionsoberfläche der Wellstrukturplatte. Beim Erhöhen der Rippendichte können demnach der katalytische Konvertie rungsgrad und die Wärmeübertragung in dem Wärmeübertrager erhöht werden. Bei der steigenden Rippendichte steigt jedoch auch die Anzahl der Einzelrippen. Je höher die Anzahl der Einzelrippen, desto kleiner sind deren durchström bare Querschnitte, so dass das Risiko einer Verblockung steigt. So können die durch- strömbare Querschnitte der einzelnen Einzelrippen bereits beim Verlöten der Wellstrukturplatte mit den Wandungen der zweiten Strömungsräume oder beim Aufträgen der katalytischen Beschichtung verblockt werden. Die Wandstärke der Wellstrukturplatte ist dabei aufgrund der technischen Ausführbarkeit von der Rip pendichte abhängig. So kann bei der hohen Rippendichte aus Prozess- und Kos tengründen die Wandstärke reduziert werden und bei der niedrigen Rippendichte und der hohen Wandstärke komplexe Geometrien zur Verbesserung der Wärme übertragung realisiert werden.

Die Wandstärke der jeweiligen Wellstrukturplatte ist in Stapelrichtung definiert und kann vorteilhafterweise zwischen 0,05 mm und 0,2 mm liegen. Bevorzugt kann die Wandstärke der jeweiligen Wellstrukturplatte zwischen 0,08 mm und 0,16 mm liegen. Die Rippendichte der jeweiligen Wellstrukturplatte ist durch das Verhältnis zwischen der Anzahl der Einzelrippen in der Wellstrukturplatte und der quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierten Breite der Well strukturplatte bestimmt.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, dass die jeweilige Einzelrippe der Well strukturplatte zwei quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums ausgerich tete Seitenwände aufweist. Die Seitenwände sind dabei jeweils unter einem Wandwinkel zur Stapelrichtung ausgerichtet. Der Wandwinkel kann vorteilhafter weise zwischen 1° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°, liegen. Zweckgemäß sind die benachbarten Seitenwände jeweils zueinander geneigt ausgebildet und weisen einen Neigwinkel zueinander auf, der dem verdoppelten Wandwinkel ent spricht. Demnach liegt der Neigwinkel zwischen 2° und 12°, bevorzugt zwischen 4° und 8°.

Bei der Ausgestaltung der Wellstrukturplatte wird insbesondere eine hohe Tem peratur an der Wellstrukturplatte angestrebt, um eine möglichst effiziente Kataly se in dem zweiten Medium zu erreichen. Dabei spielt neben der Rippendichte und der Wandstärke auch die Geometrie der Wellstrukturplatte eine große Rolle. Im Folgenden werden einige vorteilhafte Ausgestaltungen der Wellstrukturplatten beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diese Ausgestaltungen nur beispiel haft sind uns auch weitere Ausgestaltungen der Wellstrukturplatten denkbar sind.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wellstrukturplatte kann die Wellstruk turplatte eine Stegrippenplatte mit mehreren Wellabschnitten sein. Die Wellab schnitte folgen einander in Strömungsrichtung des zweiten Mediums und sind jeweils aus mehreren quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums benach barten Einzelrippen gebildet. Die Einzelrippen der jeweiligen benachbarten Well abschnitte sind quer zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums relativ zuei nander versetzt. Beispielweise kann der Versatz der Einzelrippen der benachbar- ten Wellabschnitte 1/2 oder 1/3 der quer zur Strömungsrichtung definierten Breite der Einzelrippe betragen.

Vorteilhafterweise kann die in Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierte Länge der Wellabschnitte zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm, mehr bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm, liegen. Die Rippendichte der jeweiligen Wellabschnitte kann dabei identisch sein. Die Rippendichte kann zudem so angepasst sein, dass das Verblockungsrisiko in der Stegrippenplatte reduziert ist und eine hohe Temperatur an der Stegrippenplatte erreichbar ist. Vorteilhafterweise kann die Rippendichte des jeweiligen Wellabschnitts zwischen 35/dm und 75/dm, bevorzugt zwischen 45/dm und 65/dm, liegen.

Weisen die Seitenwände der Einzelrippen des jeweiligen Wellabschnitts den oben definierten Wandwinkel zur Stapelrichtung auf, so kann das Produkt zwi schen der doppelten quer Strömungsrichtung des zweiten Mediums definierten Breite der jeweiligen Einzelrippe und dem Wandwinkel kleiner 120 mm°, vor zugsweise kleiner 60 mm°, sein. Die mit dem Produkt kleiner 120 mm° korres pondieren Geometrien der Stegrippenplatte können bei Herstellung der Stegrip penplatte mit Warmumformung realisiert werden. Die mit dem bevorzugten Pro dukt kleiner 60 mm° korrespondieren Geometrien können bei Herstellung der Stegrippenplatte auch mit Kaltumformung realisiert werden. Vorteilhafterweise kann das Produkt zwischen der quer zur Strömungsrichtung des zweiten Medi ums definierten Breite der jeweiligen Einzelrippe und dem Sinus des Wandwin kels kleiner als das halbierte Verhältnis zwischen eins und der quer zur Strö mungsrichtung des zweiten Mediums definierten Rippendichte des jeweiligen Wellabschnitts sein.

Bei einer Weiterbildung der Stegrippenplatte kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Einzelrippen der benachbarten Wellenabschnitte unter einem An- stellwinkel zueinander ausgerichtet sind. Vorteilhafterweise kann der Anstellwin kel zwischen 136° und 176°, bevorzugt zwischen 146° und 166°, liegen. Vorteil hafterweise können dabei die Einzelrippen der benachbarten Wellabschnitte je weils einen identischen Winkel zur Strömungsrichtung des zweiten Mediums aufweisen. Dieser Winkel entspricht dann einer halbierten Differenz zwischen 180° und dem Anstellwinkel.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Wellstrukturplatte kann die Wellstruk turplatte eine Wellrippenplatte mit mehreren Einzelrippen sein. Dabei erstrecken sich die Einzelrippen in Strömungsrichtung des zweiten Mediums über die ge samte Länge der Wellrippenplatte. Die Rippendichte der Wellrippenplatte kann vorteilhafterweise zwischen 50/dm und 150/dm, bevorzugt zwischen 60/dm und 150/dm, mehr bevorzugt zwischen 60/dm und 80/dm, liegen.

Vorteilhafterweise können die jeweiligen Einzelrippen in Strömungsrichtung des zweiten Mediums eine Welle mit einer in Strömungsrichtung des zweiten Medi ums definierten Wellenlänge und mit einer quer zur Strömungsrichtung des zwei ten Mediums definierten Wellenbreite bilden. Vorteilhafterweise kann die Wellen länge zwischen 7 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 9 mm und 10 mm, liegen. Die Wellenbreite kann zwischen 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 1 ,5 mm liegen.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei bung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dem auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, oh ne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch

Fig. 1 eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeüber- tragers;

Fig. 2 eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertra gers, der an einem zweiten Strömungsraum geschnitten ist;

Fig. 3 eine Explosionsansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertra gers, der an einem ersten Strömungsraum geschnitten;

Fig. 4 eine Ansicht einer Wellstrukturplatte des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers in Form einer Wellrippenplatte;

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Wellrippenplatte aus Fig. 4 mit einer Schnittebene A-A;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Wellrippenplatte aus Fig. 4 mit einer Schnittebene B-B; Fig. 7 und 8 Schnittansichten der Wellrippenplatte aus Fig. 4 in den Schnitt ebenen A-A und B-B;

Fig. 9 eine Ansicht einer Wellstrukturplatte des erfindungsgemäßen

Wärmeübertragers in Form einer Stegrippenplatte;

Fig. 10 eine Draufsicht auf die Stegrippenplatte aus Fig. 9 mit einer

Schnittebene C-C;

Fig. 11 eine Schnittansicht der Stegrippenplatte aus Fig. 9 in der Schnitt ebene C-C;

Fig. 12 eine Ansicht einer Wellstrukturplatte des erfindungsgemäßen

Wärmeübertragers in Form einer abweichend ausgestalteten Stegrippenplatte;

Fig. 13 eine Draufsicht auf die Stegrippenplatte aus Fig. 12 mit Schnitt ebenen D-D und E-E;

Fig. 14 und 15 Schnittansichten der Stegrippenplatte aus Fig. 13 in den Schnitt ebenen D-D und E-E.

Fig. 1 zeigt eine Explosionsansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1. Der Wärmeübertrager 1 umfasst einen Übertragerblock 2 mit mehreren ersten Strömungsräumen 2a und mit mehreren zweiten Strömungsräumen 2b. Die Strömungsräume 2a und 2b sind dabei in einer Stapelrichtung SR übereinander und abwechselnd angeordnet. Die ersten Strömungsräume 2a sind durch ein ers tes Medium und die zweiten Strömungsräume 2b sind durch ein zweites Medium durchström bar. Die Strömungsräume 2a und 2b sind durch Wandungen nach außen abgegrenzt und fluidisch voneinander getrennt. In Fig. 2 ist eine Explosi onsansicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 gezeigt, der an einem der zweiten Strömungsräume 2b geschnitten ist. Fig. 3 zeigt eine Explosionsan sicht des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 1 , der an einem der ersten Strömungsräume 2a geschnitten ist.

In der hier gezeigten Ausführungsform ist der Wärmeübertrager 1 ein Flachrohr- Wärmeübertrager und der Übertragerblock 2 ist aus mehreren Flachrohren 4b gebildet. Die Flachrohre 4b sind in Stapelrichtung ST reihenweise zueinander beabstandet angeordnet, so dass zwischen den Flachrohren 4b Zwischenräume 4a gebildet sind. Die Zwischenräume 4a sind durch das erste Medium durch- strömbar und entsprechen dadurch den ersten Strömungsräumen 2a. Die Flach rohre 4b sind durch das zweite Medium durchströmbar und entsprechen den zweiten Strömungsräumen 2b. In den Flachrohren 4b sind Wellstrukturplatten 5 - hier Wellrippenplatten 5a - angeordnet. Die Wellstrukturplatten 5 weisen mehrere Einzelrippen 6 auf und sind außen von dem zweiten Medium umströmbar. Zum besseren Verständnis ist in Fig. 1 eins der Flachrohre 4b mit der Wellstrukturplat te 5 außerhalb des Übertragerblocks 2 gezeigt.

In der gezeigten Ausführungsform weist der Wärmeübertrager 1 zudem ein Ge häuse 11 auf, das den Übertragerblock 2 aufnimmt. An dem Gehäuse 11 sind ein Ersteinlass 12a und Erstauslass 12b für das erste Medium angeordnet. Das erste Medium strömt folglich in den Wärmeübertrager 1 über den Ersteinlass 12a ein und wird innerhalb des Gehäuses 11 in den Zwischenräumen 4a verteilt. Bezug nehmend auf Fig. 3 können dazu in den Zwischenräumen 4a Leitstrukturen 13 vorgesehen sein, die das erste Medium von dem Ersteinlass 12a zu dem Erstauslass 12b führen. Die Leitstrukturen 13 können beispielsweise durch sepa rate Rippen realisiert sein. Durch die Leitstrukturen 13 kann der Wirkungsgrad des Wärmeübertragers 1 erhöht werden. Aus den Zwischenräumen 4a strömt das erste Medium über den Erstauslass 12b aus dem Wärmeübertrager 1 raus.

Ferner weist der Wärmeübertrager 1 in der gezeigten Ausführungsform zwei Rohrböden 3a und 3b auf, in die die jeweiligen Flachrohre 4b beidseitig münden. An dem Rohrboden 3a ist ein Verteilkasten 9a und an dem Rohrboden 3b ist ein Sammelkasten 9b für das zweite Medium angeordnet. In dem Verteilkasten 9a ist ein Zweiteinlass 10a und in dem Sammelkasten 9b ist ein Zweitauslass 10b ge formt. Das zweite Medium strömt folglich in den Wärmeübertrager 1 über den Zweiteinlass 10a ein und wird über den Verteilkasten 9a in die Flachrohre 4b ver teilt. In dem Sammelkasten 9b wird das zweite Medium aus den Flachrohren 4b gesammelt und über den Zweitauslass 10b aus dem Wärmeübertrager 1 rausge leitet. Wie in Fig. 2 mit Pfeilen angedeutet, wird das zweite Medium in den Flach rohren 4b nicht umgeleitet und strömt durch die jeweiligen Wellstrukturplatten 5 in eine Strömungsrichtung MR. Die Strömungsrichtung MR des zweiten Mediums ist dabei quer zur Stapelrichtung SR ausgerichtet und entspricht der Haupterstre- ckung der Einzelrippen 6 der jeweiligen Wellstrukturplatten 5 bzw. der Längsrich tung des Übertragerblocks 2 bzw. der Längsrichtung der Flachrohre 4b. Dadurch kann eine ausreichende Reaktionsfläche für die Katalyse des zweiten Mediums bereitgestellt werden.

Die Flachrohre 4b sind dabei aus einer Edelstahllegierung und die Wellstruktur platten 5 sind aus einem Trägermaterial mit einer katalytischen Beschichtung ge formt. Die Wellstrukturplatten 5 bilden in dem Wärmeübertrager 1 einen Katalysa tor, in dem das zweite Medium mittels Katalyse chemisch umwandelbar ist.

Die Edelstahllegierung kann beispielsweise ein ferritischer Chrom-Stahl 1.4521 gegebenenfalls mit einer Niob-Beschichtung oder mit einem Niob-Zusatz sein.

Das Trägermaterial der Wellstrukturplatten 5 kann beispielweise ein Chrom- Aluminium-Stahl 1.4737 oder 1.4767 sein. Die Edelstahllegierung kann alternativ ein austenitischer Chrom-Nickel-Stahl 1.4301 oder ein austenitischer Chrom- Nickel-Molybdän-Stahl 1.4404 oder ein austenitischer Chrom-Nickel-Silicium- Stahl 1.4828 sein. Die Flachrohre 4b und die Wellstrukturplatten 5 können mitei nander über ein Nickelbasislot - beispielweise ein BNi-5(9%Cr-10%Si-Ni)-Lot - verlötet sein. Alternativ können die Flachrohre 4b und die Wellstrukturplatten 5 miteinander verschweißt sein. Die Flachrohre 4b können mit den Rohrböden 3a und 3b über ein Lot mit Phosphoranteil verlötet sein.

Die jeweilige Wellstrukturplatte 5 ist dabei zumindest durch die Rippendichte RD - in Figuren nur angedeutet - und die Wandstärke D charakterisiert. Die Wand stärke D ist in Stapelrichtung SR bestimmt und liegt zwischen 0,05 mm und 0,2 mm, bevorzugt zwischen 0,08 mm und 0,16 mm. Die Rippendichte RD der jeweiligen Wellstrukturplatte 5 ist durch das Verhältnis der Anzahl der Einzelrip pen 6 quer zur Strömungsrichtung MR und der Breite B der Wellstrukturplatte 5 quer zur Strömungsrichtung MR bestimmt. Die Rippendichte RD der Wellstruk turplatte 5 - hier der Wellrippenplatte 5a - liegt zwischen 50/dm und 150/dm, be vorzugt zwischen 60/dm und 150/dm, mehr bevorzugt zwischen 60/dm und 80/dm. Ferner liegt das Produkt RD ² *D der quadrierten Rippendichte RD und der Wandstärke D zwischen 0,05/mm und 0,15/mm, bevorzugt zwischen 0,06/mm und 0,11/mm.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Wellstrukturplatte 5 des Wärmeübertragers 1 in Form der - auch in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten - Wellrippenplatte 5a. Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf die Wellrippenplatte 5a mit einer Schnittebene A-A. In Fig. 6 ist eine Seitenansicht der Wellrippenplatte 5a mit einer Schnittebene B-B gezeigt. Fig. 7 und Fig. 8 zeigen Schnittansichten der Wellrippenplatte 5a in den Schnitt ebenen A-A und B-B. Die Wellrippenplatte 5a zeichnet sich dadurch aus, dass die Einzelrippen 6 sich über die gesamte Länge L der Wellrippenplatte 5a erstre- cken und gewellt sind. Eine Wellenlänge WL der durch die jeweilige Einzelrippe 6 gebildeten Welle ist in Strömungsrichtung MR definiert und liegt zwischen 7 mm und 12 mm, bevorzugt zwischen 9 mm und 10 mm. Eine Wellenbreite WB dieser Welle ist quer zur Strömungsrichtung MR definiert und liegt zwischen 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 1,5 mm. Die Rippendichte RD der Wellrip penplatte 5a kann zwischen 50/dm und 150/dm, bevorzugt zwischen 60/dm und 150/dm, mehr bevorzugt zwischen 60/dm und 80/dm, liegen. Wie in Fig. 8 er kennbar, weist die jeweilige Einzelrippe 6 zwei quer zur Strömungsrichtung MR ausgerichtete Seitenwände 8a und 8b auf. Die Seitenwände 8a und 8b sind je weils unter einem Wandwinkel W zur Stapelrichtung SR ausgerichtet und zuei nander geneigt. Der Wandwinkel W liegt dabei zwischen 1 ° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°.

Fig. 9 zeigt eine Ansicht der Wellstrukturplatte 5 in Form einer Stegrippenplatte 5b. In Fig. 10 ist eine Draufsicht auf die Stegrippenplatte 5b mit einer Schnittebe ne C-C gezeigt. Fig. 11 zeigt eine Schnittansicht der Stegrippenplatte 5b in der Schnittebene C-C. Die Stegrippenplatte 5b zeichnet sich durch mehrere Wellab schnitte 7 aus, die in Strömungsrichtung MR einander folgen. Die jeweiligen Wellabschnitte 7 weisen die Einzelrippen 6 auf, die quer zur Strömungsrichtung MR benachbart sind. Die benachbarten Wellabschnitte 7 sind jedoch quer zur Strömungsrichtung MR um einen Versatz V versetzt. Dadurch weisen auch die Einzelrippen 6 der benachbarten Wellabschnitte 7 den Versatz V zueinander auf. Der Versatz V beträgt hier 1/2 der Breite BR der Einzelrippe 6, wie insbesondere in Fig. 11 erkennbar ist.

Die Länge LA der Wellabschnitte 7 ist in Strömungsrichtung MR definiert und kann zwischen 2 mm und 6 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 4 mm, liegen.

Die Breite BR der jeweiligen Einzelrippe 6 ist quer zur Strömungsrichtung MR definiert und liegt zwischen 1 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 3 mm, mehr bevorzugt zwischen 1 mm und 2 mm. Die Rippendichte RD der jewei ligen Wellabschnitte 7 ist identisch und liegt zwischen 35/dm und 75/dm, bevor zugt zwischen 45/dm und 65/dm. Wie insbesondere in Fig. 11 erkennbar ist, wei sen die Seitenwände 8a und 8b der jeweiligen Einzelrippen 6 jeweils den Wand winkel W zur Stapelrichtung SR auf. Der Wandwinkel W liegt dabei zwischen 1 ° und 6°, bevorzugt zwischen 2° und 4°. Dabei kann das Produkt 2*BR*W zwi schen der doppelten Breite BR und dem Wandwinkel W kleiner 120 mm°, vor zugsweise kleiner 60 mm°, sein. Das Produkt BR*sin(W) zwischen der Breite BR und dem Sinus des Wandwinkels W kann ferner kleiner als das halbierte Verhält nis 1/(2*RD) zwischen eins und der Rippendichte RD sein.

Fig. 12 zeigt eine Ansicht der Wellstrukturplatte 5 in Form einer abweichend aus gestalteten Stegrippenplatte 5c. Fig. 13 zeigt eine Draufsicht auf die Stegrippen platte 5c mit den Schnittebenen D-D und E-E. In Fig. 14 und Fig. 15 sind Schnittansichten der Stegrippenplatte 5c in den Schnittebenen D-D und E-E ge zeigt. Die Stegrippenplatte 5c zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Einzel rippen 6 der benachbarten Wellenabschnitte 7 bzw. die Längsmittelachsen der Einzelrippen 6 der benachbarten Wellenabschnitte 7 unter einem Anstellwinkel A zueinander ausgerichtet sind. Der Anstellwinkel A kann zwischen 136° und 176°, bevorzugt zwischen 146° und 166°, liegen. Im Übrigen entspricht die hier gezeig te Stegrippenplatte 5c der Stegrippenplatte 5b aus Fig. 9-11.

_*****