CN115335604A - 热交换器组件 - Google Patents

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CN115335604A CN202180023803.7A CN202180023803A CN115335604A CN 115335604 A CN115335604 A CN 115335604A CN 202180023803 A CN202180023803 A CN 202180023803A CN 115335604 A CN115335604 A CN 115335604A
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亚历山大·舍希纳
格哈德·伊勒
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Abstract

给出了一种热交换器组件，其包括：壳体(GE)，在壳体中在周侧上布置有进气开口(ZO)；盖(DE)，盖在上侧覆盖壳体(GE)并且在盖中布置有排气开口(AO)，其中，在壳体(GE)之内布置有反向运行的径流式风扇(RL)，使得径流式风扇能够在进气开口(ZO)与排气开口(AO)之间产生关于其旋转轴线(RA)径向向内指向的空气流，空气流穿流过至少一个布置在壳体(GE)中的空气热交换器(LT)。

Description

热交换器组件
技术领域
本发明涉及一种热交换器组件。
背景技术
对化石的能量载体的使用不仅越来越不经济，而且由于对气候的相关负面影响也越来越受到质疑。因此，除了提升再生能源的使用外，还需要用于储能的高效的系统，例如在建筑物或设施的供暖或制冷时所述系统与智能控制部相结合可以确保减少能源消耗。由于采取了此类措施，使得不依赖于所使用的能量载体地提供高的节约潜力，这也增加了与之相关的安装成本。
由DE 29 26 610 A1已知一种用于为热泵设施提供低温水平的输入热能的存储器，该热泵设施吸收该能量并在更高的温度水平将其再次释放。在此，水池如下这样地设计，即，使其含水可以冻结而不会损坏池体，并且位于池底处或进入池底中的热交换器系统允许将该池体的冷却热和冻结热输送给热泵的冷侧。
除了使用人工水池之外，还已知的是，使用天然水域作为储存介质。
因此，由DE 10 2015 104 909 A1已知一种储能器，其具有热交换器，该热交换器浮动地布置在优选能经由第一供应线路以水填充的被构造为湖的下游水库上，其中，在分开的回路中，经由第二供应线路能将来自下游水库的水以及经由第三供应线路能将穿过热交换器的冷却剂输送给热泵，从而能通过热交换器在下游水库中的水结冰的情况下或以来自下游水库的水的显热的形式提取能量并能传导给消耗器以用于热输出和/或冷输出。
此外，由DE 10 2015 121 177 A1已知一种用于将热能引入到水域中以及用于从水域汲取热能的浮动的设备，该设备具有水热交换器，该水热交换器在设备置入到水域中之后沉入到该水域中，并且具有用于载热液体的入流口和出流口，使得载热液体可以向水域释放热能或可以从水域汲取热能。该设备还具有空气热交换器，该空气热交换器可以被环境空气穿过并且还具有用于来自水域的水的入口和相应的出口，从而可以使来自水域的水流动穿过空气热交换器，其中，热能可以在穿流过空气热交换器的环境空气与穿流过空气热交换器的水之间传递。
上述的设备通常与安装在建筑物中的热泵协同作用。该热泵例如可以经由电网或自身的蓄电器被供应电能。
由WO 2005/096715 A2已知一种热交换器组件，其中，径流式风扇布置在热交换器上方用于正向运行，从而使得供应空气穿过热交换器被运输向位于径流式风扇中的抽吸侧，并随后经由压力侧被运输至排气开口。
在DE 10 2007 003 568 B4中说明了一种具有径流式风扇的风扇组件，其中，径流式风扇在正向运行中沿其中心轴线抽吸空气并经由位于外部的再导引组件将空气输出。
在DE 10 2017 102 303 A1中说明了一种用于热量获取的设备，该设备包括热交换器，该热交换器布置在沉在土层中的壳体中，该壳体具有空气入口和空气出口，借助风扇产生的空气流在它们之间流动。热交换器布置在地下壳体中，以便避免干扰性的噪音排放。地下壳体布置在填充有排水材料(例如砾石)的挖坑之内。
尤其地，最后引用的文献提到了对关于所产生的风扇噪音的要求。
由于尽管采取了上述措施，热交换器组件的尤其是由于风扇的声学排放所造成的背景噪声仍高于大多数人的感知阈限，所以现在的任务是说明一种其声学排放仍进一步降低的热交换器组件。
发明内容
该任务通过专利权利要求1的特征来解决。本发明的另外的有利的设计方案分别是从属权利要求的主题。这些主题可以以技术上合理的方式相互组合。尤其是结合附图的描述附加地表征和具体说明了本发明。
根据本发明说明了一种热交换器组件，其包括：壳体，在壳体中在周侧上布置有至少一个进气开口；盖，该盖在上侧覆盖壳体并且在盖中布置有至少一个排气开口，其中，在壳体之内布置有反向运行的径流式风扇，使得该径流式风扇可以在进气开口与排气开口之间产生关于其旋转轴线径向向内指向的空气流，该空气流穿流过至少一个布置在壳体中的空气热交换器。
令人惊讶地被证实的是，反向运行的径流式风扇适合于以最小的声学排放来提供所期望的通风性能。径流式风扇通常以径向向外指向的空气流正向运行地来使用，其中，空气向着旋转轴线地被抽吸。轴流式风扇典型地被用于径向流出。与轴流式风扇相比，反向运行的径流式风扇的优点在于能够以低的转速运行，从而几乎不产生由于风扇运转而能被察觉的声学排放。反向运转被理解为，径流式风扇的抽吸侧关于其旋转轴线位于叶片之外，而压力侧关于旋转轴线位于径流式风扇之内。因此，通过反向运行中的径流式风扇来产生从位于外部的抽吸侧至位于内部的压力侧的空气流。
空气热交换器布置在壳体之内，其中，壳体具有关于中心轴线位于外部的进气开口和位于内部的排气开口，在它们之间借助径流式风扇来产生水平的空气流，该水平的空气流以本领域常见的方式穿流过空气热交换器或在空气热交换器的薄片旁流过。术语“内部”和“外部”在此是指从径流式风扇的旋转轴线出发的方向，其中，更靠近旋转轴线的构件被称为位于内部。中心轴线不一定是壳体的几何上的中心，而是将中心轴线理解为壳体之内的参考点，围绕该参考点从内向外延伸地首先布置有径流式风扇，然后布置有空气热交换器，并随后进一步向外布置有进气开口。通常但不强制地，旋转轴线和中心轴线彼此重合。排气开口被布置在径流式风扇的压力侧的上方，从而使得在抽吸侧上水平产生的空气流可以在压力侧上沿竖直的方向离开壳体。热交换器组件通常被布置成使得径流式风扇的旋转轴线垂直于地面取向。与常用的轴流式风扇相比，反向运行中的径流式风扇的优点在于，该径流式风扇可以设计成具有更大的直径，从而在低转速和空气的低流速的情况下可以使高的空气体积运动。径流式风扇有利地在其旋转轴线的方向上向上和向下封闭在壳体中。封闭部也可以是壳体的一部分或热交换器组件的其它部件。可以通过选择径流式风扇的尺寸来相应地预定能最大运输的空气流。在热交换器组件运行期间，由外部的热泵将载体介质泵送穿过热交换器组件并且径流式风扇以反向运转方式运行。因此，环境空气通过进气开口被吸入到壳体中，随后径向穿过空气热交换器的薄片的空气通道地被引导至径流式风扇，然后通过径流式风扇被运送至压力侧，并且最后轴向地通过排气开口从壳体导出。空气热交换器可以要么围绕径流式风扇环绕地布置，要么可以包括围绕径流式风扇布置的各个块体。进气开口被如下这样地布置和定尺寸，即，使得空气热交换器可以被环境空气穿流。
根据一个实施方式，径流式风扇具有多个叶片，这些叶片被具有多个薄片的再导引组件围绕。
因此，在径流式风扇之内布置有再导引组件，该再导引组件具有薄片，这些薄片将径流式风扇的压力侧上的空气流朝着径流式风扇的旋转轴线和/或朝着排气开口的方向导引。出人意料地表明，热交换器组件的声学排放可以借助再导引组件再次减少。总之，通过将反向运转的径流式风扇和位于内部的再导引组件一起使用而使得在风扇性能相当的情况下可以进一步减少声学排放。
根据另外的实施方式，径流式风扇的叶片和再导引组件的薄片彼此相反地拱曲。
通过薄片和叶片不同地拱曲，实现了在径流式风扇的叶片处将空气导离。来自径流式风扇的空气流被再导引组件带走并朝排气开口的方向导引或朝再导引组件的中心点导引，该中心点在理想情况下与径流式风扇的旋转轴线重合，从而在那里产生过压，过压通过排气开口逸出。特别有利的是，径流式风扇的叶片关于反向运行前向拱曲，而再导引组件的薄片后向拱曲。
根据本发明的另外的实施方式，径流式风扇的叶片和/或再导引组件的薄片构造成沿着且平行于它们的高度轴线具有恒定的曲率。
叶片或薄片因此分别具有相对于其高度轴线平行错开的圆心点，叶片绕该圆心点具有恒定的半径并因此以恒定的曲率构造。替选地，叶片或薄片也可能具有非恒定的曲率，尤其是使得曲率朝着旋转轴线减小。径流式风扇因此有利地成柱状构造，从而使得叶片的高度轴线彼此平行并且平行于旋转轴线地布置，其中，旋转轴线同时基本上平行于壳体的中心轴线地取向。壳体的中心轴线垂直于壳体的盖。再导引组件有利地同样具有柱状的形状，其中，薄片的高度轴线彼此平行并且平行于径流式风扇的旋转轴线地取向。
根据本发明的另外的实施方式，在薄片(LA)之间形成向内渐细的区域，从而使得空气流向内经历压力提高。
基于该配置实现了空气流在内部中的压力提高，从而使得即使在低转速的情况下在径流式风扇的反向运行中也可以有足够的空气流穿流过空气热交换器。在此，多个叶片将空气径向向内推动。由于在渐细的区域中出现压力提高，使得空气在不发生转动运动的情况下轴向逸出。
根据本发明的另外的实施方式，进气开口布置在盖与壳体之间。
因此，进气开口水平地朝壳体的中心轴线延伸地取向。这具有的优点是，可以避免或减少排出气体与进入气体之间的热短路。此外，这种布置适合与用于储能的系统一起使用，如下文将进一步描述。
然而，进气开口也可以布置在壳体的侧壁中。这种布置在使用独立的空气热交换器时尤其是有利的，该独立的空气热交换器在组装之后被作为封壳的壳体包围。在此，壳体的侧壁可以在空气热交换器的区域中被打孔出孔眼，从而使得空气可以以特别有利地穿流过空气热交换器。
根据本发明的另外的实施方式，反向运行的径流式风扇和再导引组件沿着径流式风扇的旋转轴线至少区段式重叠。
因此，径流式风扇的空气热交换器的进气开口和再导引组件至少沿着围绕中心轴线的共同的径向射束相叠。因此，从进气开口水平地流向径流式风扇的压力侧的空气在空气热交换器、径流式风扇和再导引组件旁经过。
根据本发明的另外的实施方式，反向运行的径流式风扇借助电动马达来驱动。
通过使用电动马达能够以简单的方式改变所需的空气流。电动马达可以布置在绝缘层中，以便尽可能吸收壳体之内的来自马达的噪音。
将热交换器组件与储水器一起使用是有利的。这种用于储能并用于热交换的系统包括前述的热交换器组件、用于存储热量的储水器、探伸到储水器中的水热交换器和可以在热交换器组件的空气热交换器和/或水热交换器之间运送用于热交换的介质从而进行热交换的热泵，其中，储水器可以下沉到地洞中，并且热交换器组件在壳体的中心轴线的方向上布置在储水器上，使得至少是进气开口伸出超过土层。
因此，其中一个上述的热交换器组件与储能器相组合。储能器在此将热储存在蓄水器中，或者可以将来自热泵的热释放到蓄水器中。水热交换器、热交换器组件和热泵的运行在此由控制装置调节。储水器和热交换器组件可以包括共同的壳体。
附图说明
下面结合附图更详细地阐释一些实施例。其中：
图1以剖开的侧视图示出热交换器组件的第一实施方式；
图2以穿过中心轴线剖开的俯视图示出图1的热交换器组件；
图3以穿过中心轴线剖开的俯视图示出热交换器组件的另外的实施方式；
图4以部分剖开的透视图示出根据第一实施方式的具有再导引组件的径流式风扇；
图5以横截面视图示出图4的具有再导引组件的径流式风扇；
图6以剖开的侧视图示出用于储能的系统；
图7以透视图示出根据第二实施方式的径流式风扇；
图8以横截面视图示出图7的径流式风扇；以及
图9以另外的透视图示出图7的径流式风扇。
在附图中，相同或功能上作用相同的构件设有相同的附图标记。
具体实施方式
下面参考图1描述根据本发明的热交换器组件WA的第一实施方式。热交换器组件包括壳体GE，壳体具有进气开口ZO和相对于进气开口ZO位于内部的排气开口AO，其中，关于垂直于壳体的盖DE且穿过壳体的中心轴线MA地来使用术语“位于内部”和“位于外部”。
从进气开口ZO出发，位于内部地布置有空气热交换器LT。径流式风扇RL位于更内部地布置，再导引组件NL在内部与该径流式风扇联接。径流式风扇RL借助电动马达MO以反向运行方式被驱动，从而使得空气流LS从进气开口ZO穿过空气热交换器LT、径流式风扇RL和再导引组件NL流向排气开口AO。因此，空气热交换器LT位于径流式风扇RL的抽吸侧SS上，而再导引组件NL和排气开口AO位于径流式风扇RL的压力侧DS上。电动马达MO布置在用于隔音和/或隔热的绝缘层IS内部。
空气流LS从进气开口ZO出发尽可能水平地横穿壳体GE，而通过排气开口AO竖直地离开壳体GE。在径流式风扇RL的正向运行(如一般被认为的那样)中，流动方向是颠倒的。因此，在正向运行中，来自径流式风扇RL的旋转轴线RA的空气将被水平向外输送至进气开口ZO。由未示出的热泵将载体介质泵送至空气热交换器LT。然后在空气热交换器LT的空气通道LK中进行环境空气与载体介质之间的热交换。
图2中示出了图1中的热交换器组件沿轴线AA剖开的俯视图。热交换器组件WA从外向内地包括具有侧壁SW的壳体GE、空气热交换器LT、径流式风扇RL、再导引组件NL、排气开口AO。壳体GE的中心轴线MA延伸穿过热交换器组件的中心点。中心轴线MA不强制延伸穿过壳体GE的几何上的中心点，而是通常与径流式风扇RL的旋转轴线重合并且形成用于布置所有另外的构件的参考点。再导引组件被构造为定子，径流式风扇RL围绕该定子转动。
图3中示出了热交换器组件WA的替选的实施方式，其中，壳体GE具有矩形的横截面。空气热交换器LT再次布置在进气开口ZO与排气开口AO之间。空气热交换器LT位于反向运行的径流式风扇的抽吸侧SS上，而再导引组件NL布置在径流式风扇RL的压力侧DS上。空气热交换器LT在其尺寸方面与进气开口ZO相对应。沿盖DE的撑托面在壳体GE的侧壁SW上可以可选地布置有密封件DI，该密封件防止空气被抽吸穿过盖DE与侧壁SW之间的缝隙。这种布置在使用独立的热交换器组件WA时是尤其有利的，该独立的热交换器组件在组装后被作为封壳的壳体GE包围，以便保护其免受损坏。
在图4中以透视视图示出了径流式风扇RL和再导引组件NL，其中，部分图示被剖开。径流式风扇RL具有前向拱曲且其叶片高度轴线HS平行于径流式风扇RL的旋转轴线RA延伸的叶片SC。再导引组件NL具有关于反向运行RB中的转动方向后向拱曲地布置且其薄片高度轴线HL也平行于径流式风扇RL的旋转轴线RA延伸的薄片LA。由于反向运行RB，使得压力侧DS位于内部，而抽吸侧SS位于外部。在反向运行RB期间，通过叶片SC在抽吸侧SS上抽吸空气并朝压力侧DS的方向挤压。再导引组件在压力侧DS上拾取由径流式风扇RL产生的空气流并将该空气流朝旋转轴线RA的方向导引。
图5以垂直于旋转轴线RA的剖视图示出了径流式风扇RL连同再导引组件NL的布置方案，该旋转轴线在所选的图示中垂直于纸平面。可以看出，再导引组件NL的薄片LA以及径流式风扇RL的叶片SC被如下这样地构造，使得分别在相邻的分区之间构成扩张通道EK，扩张通道确保了抽吸侧与压力侧之间的压力变化。由于这种配置，使得空气流的速度被转变以用于改变空气流的压力，从而使得即使在低转速的情况下也能实现在径流式风扇RL的反向运行中有足够的流量穿过空气热交换器。径流式风扇RL的反向运行特别好地适合于应用在此处提出的空气热交换器中，这是因为利用反向运行的径流式风扇使空气经由进气开口ZO的侧向的流入和空气流通过排气开口AO向上指向的流出完美地相互补充。将空气热交换器LT与另外的引入到液体中的热交换器组合起来是特别有利的。下面将更详细地介绍这种系统。
图6中示出了用于储能的系统，该系统包括热交换器组件WA和用于存储热量的储水器WS。在储水器WS中布置有水热交换器WT。借助未示出的热泵可以将用于热交换的运输介质泵送穿过水热交换器WT或热交换器组件WA的空气热交换器LT。运输介质从热泵出发被泵送到通向空气热交换器LT和水热交换器WT的线路LG中。热交换器组件WA关于壳体GE的中心轴线MA布置在储水器WS上方。储水器WS布置在土层ER中的土洞内，其中，热交换器组件WA的进气开口ZO伸出超过土层。
在图7中以透视图示出径流式风扇RL的另外的实施方式。在此，径流式风扇RL在其上侧具有格栅GT，该格栅相应于图1中所示的排出开口AO。径流式风扇RL再次具有可以在反向运行RB中如所示出那样转动运动的多个叶片SC。在内部中存在多个薄片LA。通过叶片SC的转动运动再次将空气从外部径向带入到组件的内部中，从而使空气可以经由格栅GT在轴向方向上逸出。然而，与根据图4的实施方式相比，在此设置有数量明显更少的叶片SC和薄片LA。
按照图8可以更好地解释径流式风扇RL的工作方式。图8中示出了穿过如所示出那样的径流式风扇RL的剖平面A-A‘的横截面视图。可以看出，在反向运行中，多个叶片SC将空气径向向内推动。在薄片LA之间形成渐细的区域，如按照两个相邻的薄片LA之间的距离VB1和VB2所展示出的那样。由于渐细的区域中出现压力提高，使得空气在不发生转动运动的情况下轴向向上穿过格栅GT地逸出。以这种方式，可以产生低噪音的风扇运行，其中，对于根据图1的空气热交换器LT来说有利的是，空气流动径向向内且轴向向上地在抽吸侧与压力侧之间实现。
图9中以另外的透视图再次示出了径流式风扇RL。可以看出，径流式风扇RL的叶片SC的位于内部的分离边缘AK具有结构化设计，例如锯齿状地构造。这导致进一步的噪音降低。此外，分离边缘AK朝着格栅GT弯曲地实施，从而使得从其中排出空气的区域不附加地被叶片SC遮挡。以该方式经由格栅GT优化了的排出开口的尺寸。利用所示出的措施，不仅可以引导适当大的空气输送量穿过空气热交换器LT，而且可以实现非常低噪音的或几乎无噪音的运行。尤其地，在使用热交换器组件WA时，例如在私人家庭或办公室中时，最后一个方面是值得期待的。
上面和在权利要求中说明的以及能从附图中获知的特征能单独地而且以不同的组合来有利地实现。本发明不限于所描述的实施例，而是能在专业知识范围内以多种方式进行修改。

Claims (10)

1.热交换器组件(WA)，所述热交换器组件包括：壳体(GE)，在所述壳体中在周侧上布置有进气开口(ZO)；盖(DE)，所述盖在上侧覆盖所述壳体(GE)并且在所述盖中布置有至少一个排气开口(AO)，其中，在所述壳体(GE)之内布置有反向运行的径流式风扇(RL)，使得所述径流式风扇能够在所述进气开口(ZO)与所述排气开口(AO)之间产生关于所述径流式风扇的旋转轴线(RA)径向向内指向的空气流，所述空气流穿流过至少一个布置在壳体(GE)中的空气热交换器(LT)。
2.根据权利要求1所述的热交换器组件，其中，所述径流式风扇(RL)具有多个叶片(SC)，所述叶片被具有多个薄片(LA)的再导引组件(NL)围绕。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器组件，其中，所述径流式风扇(RL)的叶片(SC)和所述再导引组件(NL)的薄片(LA)彼此相反地拱曲。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的热交换器组件，其中，所述径流式风扇(RL)的叶片(SC)构造成沿着且平行于它们的高度轴线(HS)具有恒定的曲率。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的热交换器组件，其中，所述再导引组件(NL)的薄片(LA)构造成沿着且平行于它们的高度轴线(HL)具有恒定的曲率。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的热交换器组件，其中，在所述薄片(LA)之间形成向内渐细的区域，从而使得所述空气流向内经历压力提高。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器组件，其中，所述反向运行的径流式风扇(RL)和所述再导引组件(NL)沿着所述径流式风扇(RL)的旋转轴线(RA)至少区段式重叠。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的热交换器组件，其特征在于，所述进气开口(ZO)布置在盖(DE)与壳体(GE)之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的热交换器组件，其中，所述进气开口(ZO)布置在包围独立的空气热交换器(LT)的壳体(GE)的侧壁(SW)中。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器组件，其中，所述反向运行的径流式风扇(RL)借助电动马达(EM)来驱动。
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