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Rotierender Regenerativwärmeaustauscher Die vorliegende Erfindung bezieht. sieh auf einen rotierenden Regenerativwärmeaustau- seher für gasförmige Mittel mit einem mittels Schieliten in Spalten unterteilten umlaufenden Austauschkörper, der von den Gasen an voneinander getrennten Stellen durchströmt wird, wobei die Schichten so angeordnet sind; dass in der Strömungsrichtung der Gase verlaufende Kanäle entstehen.
L m den besten Wirkungsgrad zu erhalten, werden zweckmässig die beiden Mittel im Gegenstrom durch den Rotor geführt.
Es war bisher nicht möglich, bei solchen Regenerativwärmeaustauschern, bei einer verhältnismässig hohen Drehzahl des Rotors nur kleine Überströmverluste zu haben. Es ist ferner wünschenswert, bei kleinen Abmessungen eine grosse Leistungsfähigkeit, das heisst möglichst kleinen Rauminhalt des Wärmeaustau- sehers pro in der Zeiteinheit zwischen den. wärtneaustausehenden, gasförmigen Mitteln ausgetauschte Wärmemenge und einen hohen Wirkungsgrad, das heisst einen hohen Wert des Verhältnisses zwischen tatsächlicher und theoretisch möglicher höchster Temperaturveränderung bei den beiden Mitteln, erreichen zu können.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten aus einem nichtmetallischen, eine Wärmeleitzahl von höchstens 1. kcallm.h 11 C aufweisenden Stoff bestehen und mit einer mittleren Spaltweite von höchstens 1,5 mm angeordnet sind.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger auf der anliegenden Zeichnung beispielsweise dargestellter Ausführungsformen näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen Wärmeaustauscher zur Übertragung von Wärme zwischen zwei Gasströmen, in erster Linie Luftströmen; die Figur ist ein Schnitt nach der Linie I-I der Fig. 2, die ihrerseits ein Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 ist.
Fig. 3 ist eine Ansicht des Wärmeaustau- schers, teilweise im Schnitt nach der Linie III-III der Fig. 2 und teilweise unmittelbar vor dem im Wärmeaustauscher enthaltenen Rotor.
Fig. 4 und 5 zeigen zwei alternative Ausführungsformen für die Schichten, aus denen der Rotor aufgebaut ist.
Fig. 6 ist eine teilweise, im Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig.7 dargestellte Stirnansicht einer andern Ausführungsform des Wärmeaustauschers.
Fig. 7 ist ein waagrechter Schnitt nach der Linie VII-VII der Fig. 6.
Gleichwertige Teile in den verschiedenen Figuren haben dieselben Bezugszeichen erhalten.
In den Fig.1 bis 3 bezeichnet 10 das Gehäuse des Wärmeaustauschers, das mittels
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eines Flansches 12 unmittelbar auf z. B. einer waagrechten Unterlage befestigt zu werden bestimmt ist. Ein Motor 14, der unmittelbar am Gehäuse 10 befestigt ist, hat eine Welle 16, die an ihrem innern Ende in einer vom Gehäuse 10 ausgehenden Hülse 18 gelagert ist und einen generell mit 20 bezeichneten Rotor trägt. Der Rotor 20 hat eine Nabe 22 und einen äussern Mantel 24, und zwischen diesen Teilen ist dann ein spiralförmig gewickeltes Band 26 untergebracht.
Dieses Band 26 ist aus einem nichtmetallischen, die Wärme schlecht leitenden, je nach Arbeitstemperatur gewählten Werkstoff, wie Kunststoff, Asbest, bei Temperaturen unter 80 bis 85 C sogar Papier, Textilgewebe oder der- g@leicheri gefertigt und hat eine geringe Dicke, die höchstens ein oder einige Zehntelmilli- ineter beträgt. Unter schlecht wärmeleitend versteht man Materialien mit einer Wärmeleitzahl von höchstens 1 kcallm. h C (bei 18 C gemessen).
Zwischen den Wicklungen sind schmale Spalte offen gehalten, und zwar gemäss der Fig.4 mittels kleiner Ausbuchtungen 28 und in der Fig. 5 dadurch, dass das Band aus einer glatten Schicht 30 und einer gewellten Schicht 32, die zweckmässig vor der Wicklung miteinander z. B. durch Verleimung verbunden wurden, zusammengesetzt ist. Die durch den Abstand zwischen den benachbarten Schichten des Bandes 26 bestimmte Spaltweite liegt in der Grössenordnung zwischen 0,2 und 1,0 mm und vorzugsweise zwischen 0,2 Lind 0,6 mm.
Damit die Vorteile der Laminar- strömting zu ihrem Recht kommen, darf die mittlere Spaltweite 1,,5 mm nicht übersteigen.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 4 ist die Spaltweite konstant, bei der Ausfüh- rungsform gemäss Fig. 5 ändert die Spaltweite zwischen zwei benachbarten Schichten 30, 32 von 0 bis zu einem Maximum, wobei die durch Planimetrierung der zwischen den genannten Schichten 30, 32 vorhandenen Fläche F (Fig.5) und anschliessende Auswertung ermittelte mittlere Spaltweite nicht 1,5 mm überschreiten darf.
Auf diese Weise kann im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 der Abstand d zwischen zwei glatten Schichten 30 das Dop- gelte, das heisst bis 3 mm, vom Abstand dl zweier glatten Schichten 26 nach Fig.4 betragen.
Bei der Ausführungsform gemäss den Fig. 1 bis 3 wird der eine Gasstrom, z. B. die in einem nicht dargestellten Raum verbrauchte Luft, durch eine Leitung 34 mit Hilfe eines Gebläses 36 in eine Kammer 35 hineingedrückt. Diese Luft strömt danach durch die feinen Spalten des Rotors 20, wenn diese Spalten während des Umlaufes des Rotors 20 die linke Hälfte des Gehäuses 10 gemäss den Fig.1 bis 3 passieren. Die Luft verlässt den Wärme- austauscher durch eine. Kammer 37 und eine Leitung 38. Der andere Gasstrom, im vorliegenden Fall frische Aussenluft, kommt durch eine Leitung 40 in eine Kammer 39 hinein und passiert die rechte Hälfte des Rotors 20 in einem Gegenstrom zur verbrauchten Luft, woraufhin dieser Gasstrom durch eine Kammer 41, eine Leitung 42 und mit.
Hilfe eines Gebläses 44 in den vorerwähnten Raum hineingeblasen wird. Die Kammern 35 und 41 sind durch eine Zwischenwand 46 und die Kammern 37 und 39 durch eine Zwischenwand 48 voneinander getrennt. Letztere Zwischenwand kann an einem Deckel 50 befestigt sein, und nach dessen Abnehmen lässt sich der Rotor 20 aus dem Gehäuse 10 herausnehmen, nachdem ein Befestigungsglied, z. B. eine Mutter 52, von der Welle 16 entfernt worden ist. Hierdurch lässt sich ein Austausch des Rotors 20 bequem durchführen. Der Rotor 20 ist billig in der Herstellung, so dass er finit geringem Kostenaufwand durch einen neuen ersetzt werden'kann. Um einem Lecken von Gas an den Trennwänden 46, 48 vorzubeugen, können beidseitig neben dem Rotor 20 umlauffeste Pakete 54, 56 aus z.
B. demselben Stoff wie das Band 26 angebracht sein, welche im Vergleich zu dem Rotorpaket grosse Durchström- durchlässe aufweisen. Diese setzen den Luftströmen sehr kleinen Widerstand entgegen und dienen gleichzeitig als eine Art Labyrinthdichtungen.
Bei Spaltweiten von 0,2-0,4 mm wird eine. Wärmeübergangszahl von der Grö- ssenordnung von 100 kcal/m2 h C erhalten.
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Diese ist also um ein Vielfaches grösser als bei bisher in der Praxis vorkommenden Wärme- austauschern. Infolge der dichten Unterteilung durch die Bandschichten erhält der Rotor 20 eine sehr grosse Gesamtoberfläche je Rauminhaltseinheit.
Dank der hohen Wärmeüber- gangszahl wird der Wirkungsgrad, das heisst das in Prozent ausgedrückte Verhältnis zwischen der tatsächlich erzielten Temperatur- änderung in den beiden Luftströmen und der theoretisch möglichen grössten Temperatur- änderung derselben bereits bei einer so kleinen Erstreckung der in der Strömungsrichtung der Gase durch die Bandschichten gebildeten Kanäle wie 15-50 mm sehr hoch. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Volumen der Spalten und damit die Menge des einen Mittels, die bei jeder Umdrehung in den Strö- inungsdurchgang des andern Mittels hineingeführt wird, klein wird.
Man könnte vermuten, dass bei der geringen Spaltweite der Strömungswiderstand allzu gross werden würde, weil ja gleichzeitig die Gasgeschwindigkeit ausreichend sein muss, um beim Wärme- austauscher die gewünschte Leistungsfähigkeit, das heisst einen möglichst kleinen Rauminhalt pro in der Zeiteinheit zwischen den beiden wärmeaustauschenden Luftströmen ausgetauschte Wärmemenge zu erreichen. Dies wird dadurch vermieden, dass durch die geringe Länge der Spalten der Strömungswiderstand begrenzt wird, so dass dieser z. B. unterhalb der Werte gehalten werden kann, bei denen störende Geräusche entstehen.
Dadurch, dass die Schichten des Rotors 20 in der Strömungsrichtung der Gase eine geringe Länge haben, wird die Wärmeleitung in ihnen zu einem wichtigen Faktor für den Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers. Diese Wärmeleitung verursacht selbstverständlich stets einen gewissen Temperaturausgleich im Schichtenmaterial, welcher, falls das Material unendlich wärmeleitend wäre, also für A = oo, den Wirkungsgrad nicht über 50%a ansteigen lassen würde. Daher ist das Band 26 in einem die Wärme schlecht leitenden Werkstoff ausgeführt.
Der Anmelder hat Wärmeaustau- seher aus Papierbändern mit einer Spaltweite von 0,4 mm und einer Bandbreite von 30 mm ausgeführt und dabei einen Wirkungsgrad von nahezu 90% durch Messen feststellen können. Anderseits betrug der Strömungswiderstand dank der geringen Bandbreite nur 6 mm Wassersäule bei einer Luftgeschwindigkeit von 1,5 m/sec.
Wenn man z. B. einen. Druckabfall von 1.0 mm Wassersäule zulässt und der Wärmeaus- tauscher einen so hohen Wirkungsgrad wie 95%haben soll, wird bei einer Spaltweite von 0,4 min die Spaltlänge 90 mm.
Die Ausführungsform gemäss den Fig.6 und 7 unterscheidet sich von der vorbeschrie- benen hauptsächlich dadurch, dass die beiden gasförmigen Mittel, wie beispielsweise die verbrauchte Zimmer- oder Raumluft und die frische Aussenluft, den Rotor 20- in radialer Richtung bestreichen. Dieser Rotor 20 ist daher aus radial gestellten Schichten 58 zusammengesetzt, die hierbei zu Paketen zusammengeführt sein können, welche zwischen radialen Stützwänden 60 eingesetzt sind.
Der Rotor 20 ist auf der einen Stirnseite von einem auf der Welle 16 befestigten Stirnblech 62 und auf den andern von einem mit einer Zentralöffnung für den Durchgang der Mittel' durch die Schichten 58 versehenen Stirnblech 64 begrenzt. Das Stirnblech 64 ist mittels einer Anzahl Speichen 65 mit einer Nabenscheibe 67 verbunden.
Die Stirnbleche 62, 64 können an ihrem Aussenumfang in Richtung zueinander umgebogen sein, wie bei 68 angedeutet ist, und bilden dann Ansc$lag- ränder, welche die Schichten 58 in ihrer Lage in der Richtung radial nach aussen festhalten: Im übrigen können die Schichten 58 nach den in den Fig. 4 und 5 gezeigten Arten ausgebildet sein, und die Spaltweite zwischen ihnen stimmt ebenfalls mit den weiter vorn angegebenen Massen überein. Ihre radiale Erstreckung, das heisst in Richtung der Gasströmungen, ist klein und beträgt z. B. zwischen 15 und 50 mm.
Mit IIinblick auf die radiale Strömung durch den Rotor 20 sind zwei Anschlusslei- tungen und -stutzen 34 und 42 an dem Aussenumfang des Wärmeaustaiischers angebracht,
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während zwei derartige Leitungen und Stutzen 38 und 40 an die eine Stirnfläche des @#\Tärmeaustauschers verlegt sind. Letztere können an einen Deckel 70 angeschlossen sein, nach dessen Abnahme das Innere des Wärme- austausehers zugänglich wird.
Die Kammern 35 und 41, die -beide je um den halben -Um- fang ausserhalb des Rotors 20 verlaufen, sind voneinander durch eine obere und eine untere Trennwand 72 geschieden.- Jede Wand 72 trägt eine Packung 74 aus beispielsweise Filz, die am Rotor 20 anliegt bzw. sich mit geringem Spielraum aussen vor ihm befindet. Ähnliche Trennwände 76 und Packungen 78 sind innerhalb des Rotors 20 vorgesehen.
Die verbrauchte -Ramuluft tritt über den Stutzen 34 in die Kammer 35 ein und strömt durch die dieser Kammer 35 zugewendeten Spalten der einen Rotorhälfte 20 in den von dieser Rotorhälfte und den Trennwänden 76 begrenzten Raum hinein und aus diesem durch den Stutzen 38 in die freie Aussenatmosphäre heraus. Die frische Aussenluft tritt durch den Stutzen 40 in den von der rechten Hälfte des Rotors 20 und den Trennwänden 72 begrenzten Raum ein, durchströmt die diesem Raum zugewendeten Spalten des Rotors 20, um in die Kammer 41 zu gelangen und tritt aus dieser Kammer 41 durch den Stutzen 42 in den Raum, dessen Luft erneuert wird.
Bei den beschriebenen Beispielen, wo verbrauchte warme Raumluft Wärme an die hin- einkommende kältere Frischluft abgibt, ist (roter der Annahme von Winterverhältnissen) der relative Feuchtigkeitsgehalt der Raumluft gewöhnlich niedrig. Anderseits hat die Aussenluft der Atmosphäre. einen absoluten Feuchtigkeitsgehalt, der niedriger ist als derjenige der Ralunluft, was eine unerwünschte fortschreitende Austrocknung der Luft im Raume oder Zimmer zur Folge haben kann.
Wenn die Verhältnisse dagegen umgekehrt liegen, indem die Aussenluft der Atmosphäre eine hohe Temperatur und einen hohen absoluten Feuchtigkeitsgehalt hat, während die Luft des Raumes konditioniert wird, um dort eine niedrigere Temperatur aufrechterhalten zu können, kommt es vor, dass während der Abkühlung der warmen Aussenluft im Rotor der Taupunkt in den Rotorspalten erreicht wird. Die. weitergehende Abkühlung der Aussenluft wird dann bei 100% relativer Feuchtigkeit vor sich gehen. Dies hat bei bekannten Wärmeaustauschern dieser Bauart. zur Folge, dass bestenfalls die ausströmende Raumluft die an den Schichten niedergeschlagene Feuchtigkeit aufnehmen kann.
Die in den Raum eintretende Aussenluft wird ständig mit Wasserdampf gesättigt, und dies führt zu einer unerwünschten Erhöhung des relativen Feueh- tigkeitsgehaltes im Raum.
Nun können die Schichten des Rotors so beschaffen sein, dass gleichzeitig damit, da.ss sie Wärme z. B. von der warmen Aussenluft gemäss den obigen Ausführungen aufnehmen und diese an die austretende Raumluft abgeben, eine Adsorption der Luftfeuehtigkeit stattfindet, so dass diese Luftfellehtigkeit von der Aussenluft an die austretende Raumluft abgegeben wird, ohne dass die Aussenluft beim Verlassen der Rotorspalten gesättigt ist, sondern statt dessen einen relativen Feuchtig- keitsgehalt hat, der sich dem der Raumluft nähert.
Ferner wird ein Kondensatnieder- schlag und die damit bei erheblich unter 0 C herrschenden Aussentemperaturen verknüpfte Eisbildung auf den Schichten vermieden.
Dieser Effekt tritt bei der Verwendung von Papier, (Voll-) Gewebe oder Kunststoffen mit hygroskopischen Eigenschaften in Erscheinung. Die geringen Spaltweiten sind hier für die hohe Intensität des Leberganges des Wasserdampfes vom gasförmigen Mittel zur Schicht massgebend.
Wünscht man dagegen Wärme von dem einen Luftstrom an den andern zu überführen, ohne dass Feuchtigkeit mitfolgt, so können die Schichten ohne Adsorptionsfähigkeit ausgeführt sein und z. B. aus Polytetrafluor- äthylen gefertigt oder mit Paraffin-Silikon- v erbindungen getränkt sein-.
Die Länge der Spalten des Rotors in der Strömungsrichtung der Gase ist, wie aus den vorstehenden Ausführungen hervorgeht, ein bestimmender Faktor für den Wirkungsgrad des Wärmeaustausehers wie auch für den
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Strömungswiderstand beim Durchgang der Gase durch die Spalten. Da der Wirkungsgrad bereits bei einer Spaltenlänge von 30 min über 90% betragen kann, lohnt. es sich in den meisten Fällen nicht, die Länge über das Doppelte bzw. Drei- bis Vierfache dieses Wertes zu vergrössern. Ein Wärmeaustauseher, z. B. für Belüftungszwecke, wird für eine Gasgeschwindigkeit in den Spalten des Rotors von vorzugsweise 1-2,5 misec ausgebildet. Unter 5 m/sec liegende Gasgeschwindigkeiten erzeugen keine Geräusche störender Art.
Die Drehzahl des Rotors kann z. B. 60 Umdrehungen l Minute betragen, ohne dass das unvermeidliche Überströmen des einen Mittels in das andere nennenswerte Verluste verursacht.