DE10022005C2 - Rotorwärmetauscher - Google Patents

Rotorwärmetauscher

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DE10022005C2 DE2000122005 DE10022005A DE10022005C2 DE 10022005 C2 DE10022005 C2 DE 10022005C2 DE 2000122005 DE2000122005 DE 2000122005 DE 10022005 A DE10022005 A DE 10022005A DE 10022005 C2 DE10022005 C2 DE 10022005C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotorwärmetauscher mit einem Drehkörper, der drehbar gelagert ist, dessen Stirnfläche einen Anström- und einen Abströmsektor aufweist, die der Drehkörper bei einer Drehung durchläuft, und der aus einer Werkstoffmatrix ausgebildet ist, die aus Folien besteht, zwischen denen den Drehkörper axial durchsetzende Strömungs­ kanäle gebildet sind.
Derartige Rotorwärmetauscher, wie sie z. B. aus der DE 43 17 882 A1 bekannt sind, werden innerhalb eines Heizungs- bzw. Belüftungssystems so angeordnet, daß ihr Abströmsektor vom Abluft- und ihr Anströmsektor vom Zuluftstrom bestrichen wird. Hierbei wird dem Abluftstrom Wärmeenergie und Luft­ feuchtigkeit entzogen, wobei die Wärmeenergie in der Werk­ stoffmatrix gespeichert wird und die dem Abluftstrom ent­ zogene Luftfeuchtigkeit sich auf den Oberflächen der die Strömungskanäle ausbildenden Folien der Werkstoffmatrix anlagert. Wenn die vom Abluftstrom durchströmten Teile der Werkstoffmatrix aus dem Abströmsektor in den Anströmsektor geraten, nimmt der die Werkstoffmatrix im Anströmsektor durchströmende Zuluftstrom Wärme aus der Werkstoffmatrix und Feuchtigkeit von den Oberflächen der Folien der Werkstoff­ matrix auf. Hierdurch ergeben sich bei der Klimatisierung von Räumen od. dgl. erhebliche Einsparungen.
Bei dem aus der DE 43 17 882 A1 bekannten Rotorwärmetauscher besteht der Drehkörper aus ebenen und gewellten Aluminium­ folien, wobei jeweils eine gewellte Aluminiumfolie mit zwei ebenen Aluminiumfolien Strömungskanäle ausbildet; diese Strömungskanäle sind an den Eckbereichen abgerundet ausge­ bildet.
Aus der Schaal, G., "Regeneratoren", Eta 46 (1988) A4-Juli, S. A96 bis A103 ist ein dreieckiger Kanalquerschnitt bekannt. Jedoch ist in demselben Satz, in dem eine "dreieckige Kanalform" erwähnt ist, angegeben, daß diese "dreieckige Kanalform" unter Verwendung "gewellter Bänder" realisiert wird. Hieraus ergibt sich, daß bei der als "dreieckigen Kanalform" bezeichneten Strömungskanalquerschnittform offensichtlich keine scharf konturierten Ecken des Strömungs­ kanalquerschnitts vorhanden sein sollen.
Aus der DE 492 449 C sind Wärmeaustauscher mit einem Dreh­ körper bekannt, bei denen unterschiedlichste Drehkörpergestal­ tungen zum Einsatz kommen können. Unter anderem ist dort - unter vielen anderen - eine Drehkörperkonfiguration gezeigt, bei der eine Vielzahl dreieckiger Strömungskanäle gebildet ist.
Die US 2 313 081 zeigt Rotorwärmetauscher mit Drehkörpern, wobei u. a. dreieckige Strömungsquerschnitte vorgesehen sind. Hierbei wird jedoch z. B. in der linken Spalte auf Seite 3 der genannten Druckschrift angegeben, daß diese Strömungsquer­ schnitte durch flache und gewellte Platten ausgebildet sind; hieraus ergibt sich, daß eine Kontur der Strömungskanalquer­ schnitte mit ausgeprägten Ecken nicht vorgesehen ist. Bei den Rotorwärmetauschern gemäß der US 2 313 081 werden teil­ weise turbulente Strömungsverhältnisse dadurch erzeugt, daß die Strömungskanäle in ihrer Längsrichtung stark gekrümmt bzw. abgeknickt verlaufen.
Ausgehend von dem eingangs geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Rotorwärmetauscher derart weiterzubilden, daß sein Wirkungs­ grad beträchtlich erhöht ist.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Strömungskanäle einen drei- oder mehreckigen Strömungs­ querschnitt aufweisen und daß die Radialabmessung der Strö­ mungskanäle zwischen 1 mm und 3 mm liegt. Dadurch, daß die Strömungskanäle im Falle des erfindungsgemäßen Rotorwärme­ tauschers einen scharf konturierten eckigen Strömungsquer­ schnitt aufweisen, werden im Bereich dieser Ecken quasi tur­ bulente Strömungsverhältnisse geschaffen, wodurch verhindert wird, daß sich an den Wandungen der Strömungskanäle isolieren­ de Grenzschichten ausbilden. Dieser Effekt wird dadurch ver­ stärkt, daß durch die vergleichsweise geringen Abmessungen der Strömungskanalquerschnitte in Radialrichtung des Dreh­ körpers der Anteil desjenigen Strömungsquerschnitts der Strömungskanäle, der durch das Vorhandensein der Ecken ge­ prägt wird, vergleichsweise groß ist. Aufgrund der erfindungs­ gemäß gestalteten Strömungskanalquerschnitte entwickeln sich somit in den Strömungskanälen Turbulenzen, wodurch mehr Luft­ partikel als bei Rotorwärmetauschern gemäß dem Stand der Technik in unmittelbaren Kontakt mit den Innenwandungen der Strömungskanäle geraten, so daß der Wirkungsgrad des erfin­ dungsgemäßen Rotorwärmetauschers erheblich, d. h. um bis zu 20%, erhöht werden kann.
Als für die Werkstoffmatrix derartiger Rotorwärmetauscher besonders günstiger Werkstoff hat sich Aluminium erwiesen.
Wenn die Folien auf ihren die Strömungskanäle ausbildenden und begrenzenden Oberflächen zu einer kapillarischen Struk­ tur aufgerauht und diese Oberflächen mit inhibiertem Lithiumchlorid beschichtet sind, wird durch die Aufrauhung der Oberflächen der die Werkstoffmatrix ausbildenden Folien und die dadurch geschaffene kapillarische Struktur die Übertragung von Luftfeuchtigkeit des Rotorwärme­ tauschers erheblich verbessert. Eine weitere Steigerung der Übertragungsfähigkeit des Rotorwärmetauschers ergibt sich durch die Beschichtung der Oberflächen der die Werkstoffmatrix ausbildenden Folien mit inhibiertem Lithiumchlorid. Das als Absorbent wirkende Lithiumchlorid hat eine hohe Wasseraffinität, wodurch sich auf den derart behandel­ ten Oberflächen sehr schnell ein Wasserfilm ausbildet, der zur Anlagerung weiterer Feuchtigkeit führt, welche dann der Werkstoffmatrix im Anströmsektor durch den Zuluftstrom ent­ nehmbar ist. Die Verwendung von inhibiertem Lithiumchlorid hat zur Folge, daß normalerweise gegen derartige Salze sehr empfindlichen Aluminiumfolien dauerhaft und ohne Auftreten starker Korrosionserscheinungen beschichtet werden können. Derartig ausgebildete und beschichtete Aluminiummatrizen bzw. Aluminiumräder haben hinsichtlich der Übertragung der Luft­ feuchtigkeit höchste Rückfeuchtzahlen und können auch als Trockner verwendet werden.
Als besonders geeignete, dem Lithiumchlorid beizugebende Inhibierungsmittel haben sich auf der Basis chromatierter Stoffe oder wirkungsgleicher Stoffe hergestellte Materialien herausgestellt.
Eine besonders dauerhafte und gegen Korrosionserscheinungen beständige Ausgestaltung der mit Lithiumchlorid beschichte­ ten Aluminiummatrix ergibt sich, wenn zur Beschichtung der Oberflächen eine 6-15 Vol.-%ige, vorzugsweise 10 Vol.-%ige Lithiumchloridlösung in Wasser verwendet wird.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungs­ form unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotor­ wärmetauschers;
Fig. 2 einen Sektorausschnitt eines Drehkörpers des in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Rotor­ wärmetauschers; und
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung von in in Fig. 2 teilweise gezeigten Drehkörper ausgebildeten Strömungskanälen.
Ein in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht dargestellter Rotorwärmetauscher 1 hat einen in der dargestellten Ausfüh­ rungsform etwa quadratischen Rahmen 2.
Innerhalb des etwa quadratischen Rahmens 2 ist ein Drehkör­ per 3, der als Aluminiumrad ausgebildet ist, um eine Nabe 4 drehbar angeordnet. Als Antrieb für die Drehbewegung des Drehkörpers 3 dient ein Motor 5.
Eine Stirn- bzw. Strömungsquerschnittfläche des Drehkörpers 3 gliedert sich in einen Anströmsektor 6 und einen Abström­ sektor 7. In der dargestellten Ausführungsform ist der An­ strömsektor 6 unterhalb eines Horizontalträgers 8 ausgebil­ det, der zwei einander gegenüberliegende Seiten des Rahmens 2 miteinander verbindet. Der Abströmsektor 7 ist oberhalb dieses Horizontalträgers 8 ausgebildet.
Der Anströmsektor 6 des Rotorwärmetauschers wird von einem Zuluftstrom 9 durchströmt, während der Abströmsektor 7 des Rotorwärmetauschers 1 durch einen Abluftstrom 10 durchströmt wird.
Während der beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Aluminiumrad ausgebildete Drehkörper 3 - getrieben durch den Motor 5 in der durch den Pfeil 11 dargestellten Drehrichtung - den Abströmsektor 7 durchläuft, ent­ nimmt er dem Abluftstrom 10 Wärmeenergie und Luftfeuchtig­ keit. Die Wärmeenergie wird durch Erhöhung der Temperatur des Drehkörpers 3 gespeichert, während die Entnahme von Luft­ feuchtigkeit in der Anlagerung von Wasser auf den Oberflä­ chen des Aluminiumrads stattfindet. Wenn der Drehkörper 3 den Anströmsektor 6 durchläuft, gibt er sowohl in ihm ge­ speicherte Wärmeenergie als auch an seinen Oberflächen an­ gelagerte Luftfeuchtigkeit in Form von Wasser an den Zuluft­ strom 9 ab.
Der als Aluminiumrad ausgebildete Drehkörper 3 besteht aus einer Aluminiummatrix 12, deren grundsätzlicher Aufbau in Fig. 2 dargestellt ist, die einen Sektor des in Fig. 1 dargestellten Drehkörpers 3 zeigt, aus dem - im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 1 - der detailgenaue Aufbau des Drehkör­ pers 3 hervorgeht. Die Aluminiummatrix 12 besteht aus glatt­ zylindrischen und geknickten bzw. gefalteten Aluminiumfolien 13 bzw. 14, wobei jeweils eine geknickte bzw. gefal­ tete Aluminiumfolie 13 mit zwei ebenen Aluminiumfolien 14 Strömungskanäle 15 ausbildet, die den Drehkörper 3 bzw. das Aluminiumrad in Strömungsrichtung durchsetzen.
Die Oberflächen der Aluminiumfolien 13, 14 sind zu einer kapillarischen Struktur aufgerauht, wodurch die Luftfeuch­ tigkeit besser übertragbar ist. Des weiteren sind diese, die Strömungskanäle 15 ausbildenden Oberflächen der Alumi­ niumfolien 13, 14 mit einer Lithiumchloridlösung behandelt worden, die 10 Vol.-% Lithiumchlorid in Wasser enthält. Als Lithiumchlorid wird inhibiertes Lithiumchlorid verwendet, dessen Inhibierungsmittel auf der Basis chromatierter Stoffe hergestellt sind.
Aus der in Fig. 3 gezeigten Prinzipdarstellung von Strömungskanälen 15, wie sie in dem in Fig. 2 in Einzel­ heiten gezeigten Drehkörper 3 vorgesehen sind, geht hervor, daß im dargestellten Ausführungsbeispiel die Knickung bzw. Faltung der geknickten bzw. gefalteten Aluminiumfolien 14 in der Weise erfolgt, daß die Strömungskanäle 15 einen dreieckigen Strömungsquerschnitt aufweisen, der radial einwärts und radial auswärts jeweils von einer glattzylindrischen Aluminiumfolie 13 begrenzt ist.
Da der Strömungsquerschnitt jedes Strömungskanals 15 im dargestellten Ausführungsbeispiel drei spitz zulaufende Ecken 16, 17, 18 aufweist, wird aufgrund der in diesen Ecken 16, 17, 18 der Strömungskanäle 15 entstehenden Turbulenzen verhindert, daß eine kapillare Verengung der Strömungskanäle 15 auftritt; an den Wandungen der Strömungskanäle 15 besteht somit keine die Wärmetauscheigenschaften be­ einträchtigende isolierende Grenzschicht, die bei laminaren Strömungsverhältnissen auftreten könnte. Aufgrund der in den Ecken 16, 17, 18 entstehenden Tur­ bulenzen geraten somit mehr Luftpartikel in unmittel­ baren Kontakt mit den durch die Aluminiumfolien 13, 14 gebildeten Wandungen der Strömungskanäle 15.
Durch diese im dargestellten Ausführungsbeispiel drei­ eckige Ausgestaltung des Strömungsquerschnitts der Strömungskanäle 15 wird eine erhebliche Erhöhung des Wir­ kungsgrads des Rotorwärmetauschers 1 bewirkt. Es sei darauf hingewiesen, daß anstelle der dreieckigen Aus­ gestaltung des Strömungsquerschnitts der Strömungs­ kanäle 15 auch eine andere mehreckige Ausgestaltung möglich ist, wobei dann die Knickung bzw. Faltung der geknickten bzw. gefalteten Aluminiumfolien 14 entsprechend gestaltet wird.

Claims (5)

1. Rotorwärmetauscher mit einem Drehkörper (3), der drehbar gelagert ist, dessen Stirnfläche (6, 7) einen Anström- (6) und einen Abströmsektor (7) aufweist, die der Drehkörper (3) bei einer Drehung durchläuft, und der aus einer Werkstoff­ matrix (12) ausgebildet ist, die aus Folien (13, 14) besteht, zwischen denen den Drehkörper (3) axial durchsetzende Strömungskanäle (15) gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (15) einen drei- oder mehreckigen Strömungsquerschnitt aufweisen und daß die Radialabmessung der Strömungskanäle (15) zwischen 1 mm und 3 mm liegt.
2. Rotorwärmetauscher nach Anspruch 1, bei dem die Folien als Aluminiumfolien (13, 14) und die Werkstoffmatrix als Alu­ miniummatrix (12) ausgebildet sind bzw. ist.
3. Rotorwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Folien (13, 14) auf ihren die Strömungskanäle (15) ausbildenden und begrenzenden Oberflächen zu einer kapillarischen Struktur aufgerauht sind und diese Ober­ flächen mit inhibiertem Lithiumchlorid beschichtet sind.
4. Rotorwärmetauscher nach Anspruch 3, bei dem die dem Lithiumchlorid beigegebenen Inhibierungsmittel auf der Basis chromatierter Stoffe hergestellt sind.
5. Rotorwärmetauscher nach Anspruch 3 oder 4, bei dem zur Beschichtung der Oberflächen eine 6-15 Vol.-%ige, vor­ zugsweise 10 Vol.-%ige Lithiumchloridlösung in Wasser verwendet wird.
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