DE10048016C1

DE10048016C1 - Gegenstrom-Wärmetauscher

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Publication number: DE10048016C1
Application number: DE10048016A
Authority: DE
Original assignee: Siegenia Frank KG
Current assignee: Siegenia Aubi KG
Priority date: 2000-09-26
Filing date: 2000-09-26
Publication date: 2002-05-16
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: AU2001272524A1; WO2002027255A1; EP1320713A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher (1) für den Einsatz in einer Lüftungsvorrichtung zum Wärmetausch zwischen zwei gasförmigen Fluiden, die nach dem Gegenstromprinzip geführt sind, wobei der Wärmetauscher (1) länglich, hohle Tauscherrohre (10) aufweist, die an ihren jeweiligen Enden offen sind und von einem Gehäuse (2) umschlossen sind, welches an den rohrseitigen Enden eine Eintrittsöffnung (11, 12) und an einer Seitenfläche des Gehäuses (2) in der Nähe der jeweiligen Enden jeweils eine Austrittsöffnung (5, 6) aufweist, DOLLAR A wobei die Tauscherrohre (10) in Teilabschnitte (8, 9) aufgeteilt sind und im Wechsel von den beiden gasförmigen Fluiden sowohl umströmt als auch durchströmt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Derartige Wärmetauscher sind bereits bekannt, beispielsweise durch die DE 33 36 049 C3, wobei der Wärmetausch zwischen zwei im Gegenstrom strömenden Strömungsmitteln stattfindet und nicht nur ein Austausch der fühlbaren Wärme erfolgt, sondern auch ein Austausch der latenten Wärme unter Absorption und Verdampfung von Feuchtigkeit. Dabei weist der Gegenstrom-Wärmetauscher eine Anzahl von Wärmetauscherelementen auf, welche unter Einhaltung vorbestimmter Abstände zueinander übereinander gestapelt sind. Jedes Wärmetauscherelement hat eine Anzahl von langgestreckten, parallelen Wärmetauscherrohren, das heißt, ein Rohrbündel, an dessen beiden Ende jeweils ein Sammler angeordnet ist. Die Sammler haben jeweils eine schräg verlaufende offene Endfläche und eine symmetrisch dazu angeordnete, schräg verlaufende geschlossene Endfläche. Bei einer derartigen Ausbildung wird das erste Strömungsmittel derart verteilt, dass es das innere der Wärmetauscherrohre gleichmäßig durchströmt, während das zweite Strömungsmittel gleichmäßig durch die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherelementen und um die Wärmetauscherrohre herumströmt. Das erste und das zweite Strömungsmittel fließen im Gegenstrom durch das Wärmetauscherelement hindurch und treten an den offenen Endflächen der Sammler nach rechts bzw. nach links aus. Wird nun eine Anzahl derartiger Elemente übereinander gestapelt, bilden die Zwischenräume zwischen den geschlossenen Seiten Öffnungen für den Eintritt eines zweiten Strömungsmittels, welches anschließend die Rohre des Rohrbündels umströmt und durch entsprechende Zwischenräume zwischen den geschlossenen Seiten austritt.

Aus der DE 29 06 837 A1 sowie der EP 0 040 890 A1 ist ein kontinuierlicher Wärmetauscher für gasförmige Fluide bekannt, die im Gegenstrom an Austauschflächen geführt werden, insbesondere für Raumlüftungsanlagen mit einem Abluft- und einem Zuluftkanal. Der das Fluid niedriger Temperatur und der das Fluid höherer Temperatur führende Kanal mündet in gegensätzlichen Richtungen in ein Register von Zellen, die als gemeinsame Trennwände dienende Austauschflächen aufweisen, wobei die Eingänge und Ausgänge der Kanäle in die Zellen je an einer Seite einen quer zu den Austauschflächen verlaufende Mittelebene des Registers liegen und wobei jede zweite Zelle durch eine Stirnwand gegen den Zufluss des Fluids aus dem einen Kanal gesperrt und für den Zufluss aus dem anderen Kanal offen ist. Die Eingänge und Ausgänge der Kanäle verlaufen jeweils schräg zur genannten Mittelebene, um die Durchlaßquerschnitte zu vergrößern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Gegenstromverfahren arbeitenden Wärmetauscher der genannten Art zu schaffen, der mit einem geringen Strömungswiderstand auskommt und einen hohen Wärmerückgewinnungsgrad erwirkt.

Die Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der Erfindung weist ein Gegenstrom-Wärmetauscher längliche, hohle Tauscherrohre auf, die an ihren jeweiligen Enden offen sind und von einem Gehäuse umschlossen sind, wobei das Gehäuse an den jeweiligen Enden des Gehäuses eine Eintrittsöffnung und an einer Seitenfläche des Gehäuses in der Nähe der jeweiligen Enden eine Austrittsöffnung aufweist. Das eine Fluid tritt an der Stirnseite des Wärmetauschers ein, durchströmt in dieser Kammer die Tauscherrohre und umströmt anschließend in der nächsten Kammer liegende Tauscherrohre. Je nach Anzahl der Kammern entsteht so ein Wechselspiel des Fluids durch Durchströmen und Umströmen. Im Anschluss daran verlässt das Fluid den Wärmetauscher wie schon beschrieben durch eine Austrittsöffnung. Das andere Fluid verfolgt den gleichen Weg, nur in entgegengesetzter Richtung. Aufgrund des Wechselspiels, wird ein direktes Aufeinandertreffen der Fluids vermieden, so dass kein Rückstau der Strömung entsteht und so die Wärmetauschkapazität vollständig genutzt werden kann. Folglich verfügt dieser Wärmetauscher über einen geringen Druckverlust und einen hohen Wärmerückgewinnungsgrad.

Vorteilhaft ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, dass das warme, feuchte Fluids das kalte durchströmende Fluids umströmt. Die Feuchtigkeit schlägt sich außen an den Rohren nieder und behindert die vorbeiströmende Luft nicht in dem Maße, wie sie es in den Tauscherrohren tun würde - Verschluss der Rohre durch Wassertropfen - da herunterfallende Tropfen sich auf den Boden der Kammer sammeln und von dort gezielt abgeleitet werden können. So kann das Kondensat systematisch in einer Kammer zum Ausfallen gebracht werden.

Konstruktiv einfach und besonders wirtschaftlich herstellbar ist nach der Erfindung, dass die Tauscherrohre eine geringe Wandstärke aufweisen. Durch die Aneinanderreihung von Tauscherrohren entsteht zum einen eine gute Formstabilität, zum anderen erreicht man je dünner die Tauscherrohre konzipiert sind, einen größeren Volumenstrom der durchströmenden bzw. umströmenden Fluide. Vorzugsweise bestehen die Tauscherrohre aus einem dünnwandigen Kunststoff. Es sind aber auch andere Materialien einsetzbar.

Ebenfalls von Vorteil ist es, dass die Austrittsöffnung in der Nähe der Stirnwände angeordnet ist. Da die Austrittsöffnung an den Seiten des Gehäuses angeordnet ist, können je nach Bedarf die Seitenflächen bzw. die Seitenabmaße unterschiedlich groß voneinander sein, so dass für alle Varianten einer Lüftungsvorrichtung der Wärmetauscher seinen Einsatz findet. Nicht nur die Seitenflächen, sondern auch die Länge des Wärmetauschers ist in verschiedenen Abmaßen herstellbar. Je nach Einbaubedingung können die Austrittsöffnungen der beiden Fluide an unterschiedlichen Seitenflächen mit gegebenenfalls unterschiedlicher Größe angeordnet sein.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass der Wärmetauscher aus mindestens zwei Teilabschnitten besteht, wobei jeder Teilabschnitt mindestens ein Tauscherrohr aufweist, die versetzt zueinander angeordnet sind. Der immer wieder kehrende Wechsel der versetzten Anordnung der Tauscherrohre in den aneinander gereihten Teilabschnitten ermöglicht das Wechselspiel zwischen umströmen und durchströmen der nach dem Gegenstromprinzip geführten Fluide.

Eine zweckmäßige, weil einfache und kostengünstige Herstellung des Wärmetauschers ist gewährleistet, wenn die Tauscherrohre teilabschnittsweise einteilig ausgebildet sind. Damit wird auch sichergestellt, dass das Fluid nicht von seiner Strömungsrichtung abweicht und so beispielsweise einen Strömungswiderstand erzeugt. Außerdem ist ein Entweichen des Fluids nahezu ausgeschlossen.

Besonders hervorzuheben ist die räumliche Trennung der Teilabschnitte, die von den Tauscherrohren selbst realisiert wird, in dem die Tauscherrohre beispielsweise wabenförmig konzipiert sind oder durch Trennwände die aus Kunststoff oder aus einem Füllmaterial bestehen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Wärmetauscher aus mindestens zwei Teilabschnitten besteht, wobei eine räumliche Trennung der Teilabschnitte durch versetzt angeordnete Tauscherrohre gekennzeichnet ist. Eine strikte Trennung der Teilabschnitte stellt einerseits sicher, dass die Strömungsrichtung eingehalten wird, andererseits ist die Herstellung einfacher und damit die Kosten des gesamten Wärmetauschers stark reduziert. Die Trennung der Teilabschnitte erfolgt durch einzelne Trennwände, deren Material den Einbaubedingungen frei wählbar anpassbar ist.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung dieser Ausführungsform sieht vor, dass ein Teilabschnitt eine Baueinheit bildet, bestehend aus mindestens einem Tauscherrohr welches von einem Gehäuse umfaßt wird, wobei das Gehäuse Befestigungsmittel trägt, die das Verketten von mehreren Baueinheiten zu einer Baueinheit ermöglicht. Bei dieser Ausführungsvariante kann man auch von einem Baukastenprinzip sprechen, wobei die Teilabschnitte gleich groß angeordnet sind und damit für jede Einbaubedingung ebenfalls leicht anpassbar ist. Des weiteren reduzieren sich die Herstellkosten aufgrund dessen, dass das Material für jeden Teilabschnitt gleich groß bemessen ist.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Vorderansicht des Wärmetauschers in einer Ausführungsform mit zwei Teilabschnitten der Erfindung,

Fig. 2 eine Vorderansicht des Wärmetauschers mit einer weiteren Ausführungsform und

Fig. 3 eine schematisierte Vorderansicht des Wärmetauschers in weiterer Ausführungsvariante.

Fig. 1 zeigt einen Wärmetauscher 1 beispielsweise einer Lüftungsvorrichtung eines Gebäudes, bestehend aus einem Gehäuse 2, welches an den Stirnwänden 3 und 4 eine Aneinanderreihung von Bohrungen aufweist, die als Eintrittsöffnung für das warme, feuchte Fluid W, z. B. aus dem Innenraum und das kalte Fluid K, z. B. von der Gebäudeaußenseite vorgesehen sind. Das Gehäuse 2 kann dabei Bestandteil der Lüftungsvorrichtung sein, aber auch als Teil des Wärmetauschers 1 vorgesehen werden. An einer der Seitenflächen des Gehäuses 2 ist in der Nähe der jeweiligen Enden jeweils eine Austrittsöffnung 5 und 6 vorhanden, die im wesentlichen senkrecht zu den Eintrittsöffnungen 11 und 12 verlaufen. In der Fig. 1 ist ebenfalls in der Nähe der Mittelachse des Wärmetauschers 1 eine Trennwand 7 sichtbar, die eine Anzahl von Bohrungen aufweist, die der Summe der Bohrungen in der Stirnwand 3 und der Stirnwand 4 entspricht. Dabei ist ersichtlich, dass die Bohrungen der Stirnwand 3 und der Stirnwand 4 jeweils versetzt zueinander angeordnet sind. Die Trennwand 7 teilt das Gehäuse 2 bzw. den Wärmetauscher 1 in zwei Teilabschnitte 8 und 9 auf, in denen Tauscherrohre 10 systematisch angeordnet sind, deren Anzahl mit der Anzahl der Bohrungen der Trennwand 7 und mit der Anzahl der Stirnwände 3 und 4 übereinstimmt. Die Tauscherrohre 10 sind in den Stirnwänden 3 und 4 befestigt, sowie von der Trennwand 7 beabstandet voneinander gehalten.

Durch die Eintrittsöffnung 11 strömt das warme Fluid W zunächst durch die Tauscherrohre 10 des Teilabschnittes 9, umströmt anschließend die Tauscherrohre 10 des Teilabschnittes 8 und tritt aus der Austrittsöffnung 5 wieder aus. Im Gegensatz dazu strömt das kalte Strömungsmittel bzw. Fluid K durch die Eintrittsöffnung 12 der Stirnwand 3 in die Tauscherrohre 10 des Teilabschnitts 8 und umströmt in dem zweiten Teilabschnitt 9 die Tauscherrohre 10, tritt dann anschließend aus der Austrittsöffnung 6 aus dem Wärmetauscher 1 aus.

Der gezielte Wechsel zwischen Durch- und Umströmen verursacht erwünschte Wirbel und Turbulenzen, die positiv zur Wärmerückgewinnung beitragen. Eine Veränderung der Abmaße oder der Form des Wärmetauschers 1 hat bei dieser Konzeption keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad, solange die Anzahl der Tauscherrohre 10 insgesamt, deren wirksame Länge und Abstand zwischen einander bestehen bleibt. Von besonderem Vorteil ist dabei die Ausgestaltung, bei der das warme, z. B. aus einem Rauminneren stammende Fluid W in einen Teilabschnitt des Wärmetauschers 1 zuerst das kalte von außen kommende Fluid K umströmt. Ggf. im warmen, aus dem Rauminneren kommenden Fluid W enthaltene Feuchtigkeit, wird dadurch gezielt an der Außenseite der Tauscherrohre 10 zum Ausfall gebracht. Die damit verbundene höhere Reibung führt zu einem Druckverlust, der jedoch geringer ausfällt, als bei einem Ausfall der Feuchtigkeit innerhalb des Tauscherrohres 10. Anfallendes Kondensat lässt sich außerhalb der Tasucherrohre 10 auch leichter abführen.

Die Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des beschriebenen Wärmetauschers 1 in Vorderansicht, wobei die vordere Seitenfläche aufgebrochen ist, um die Anordnung der Tauscherrohre 10 sichtbar zu machen. Der Strömungsverlauf der Fluide ist wie in Fig. 1 beschrieben unverändert nach dem Gegenstromprinzip geführt. Auch hier wechselt das Fluid W und K teilabschnittsweise von 8 nach 9 bzw. von 9 nach 8 vom Durchströmen zum Umströmen. Eine Veränderung zur Fig. 1 ist in sofern im Bereich der Trennwand 8 zu erkennen, wobei die Trennwand 13 dünner konzipiert ist und die Tauscherrohre 10 in die Teilabschnitte 8 und 9 hineinragen. Vorteilhaft ist dabei, das der Übergang vom Durchströmen zum Umströmen nicht abhängig von der Lage der Trennwand 13 ist, sondern auch von dieser beabstandet erfolgen kann, um ein direktes aufeinandertreffen der Fluide auszuschließen. Des weiteren verteilt sich die Belastung, die auf die Trennwand 13 einwirkt, durch das Aufnehmen der Tauscherrohre 13 und durch die einwirkenden Strömungskräfte der Fluide aufgrund des Verlagerns der Tauscherrohre 10 aus dem Bereich der Trennwand 13. Die Tauscherrohre 10 sind dazu nur in den Stirnwänden 3, 4 befestigt und in der Trennwand 13 längsverschiebbar aufgenommen. Der Wärmetauscher 1 ist dadurch teleskopartig zusammenschiebbar, wobei natürlich das Gehäuse 2 angepasst werden muss.

Fig. 3 zeigt eine schematisierte Vorderansicht des Wärmetauschers 1 in einer weiteren Ausführungsvariante, der aus mehreren Baueinheiten 14, 15, 16 gebildet ist, wobei jede Baueinheit 14, 15, 16 ein eigenes Gehäuse 17, 18, 19 aufweist, die in vorteilhafter Weise mit der gleichen Anzahl von Tauscherrohren 10 bestückt sind und Befestigungsmittel 20 aufweisen, die die Verbindung der Baueinheit 14, 15, 16 bilden und je nach Einbaubedingungen eine Verknüpfung bzw. eine Verkettung solcher Baueinheiten je nach Größe und Bedarf des Wärmetauschers ohne großen Aufwand ermöglichen.

Es ist selbstverständlich auch möglich, dass bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Wärmetauscher 1 die Tauscherrohre 10 nicht in Bohrungen einer Trennwand 7, 13 aufgenommen werden, sondern sich gegenseitig abstützen. Dazu können die Tauscherrohre z. B. wabenartig angeordnet werden und einen sechseckigen Querschnitt aufweisen, der sich zumindest in dem mittleren Bereich maßlich auf Einbaubedingungen einstellt.

Vorteilhaft ist es auch, wenn die Austrittsöffnungen 5, 6 jeweils für das Fluid K, W, gewählt werden, welches in den Teilabschnitt 8 oder 9, in dem die Austrittsöffnungen 5, 6 vorgesehen sind, die Tauscherrohre 10 umspült. Dies setzt eine geradzahlige Anzahl von Teilabschnitten 8, 9 voraus, ermöglicht aber die Anordnung der Austrittsöffnung 5, 6 an beliebiger Stelle innerhalb des Teilabschnittes 8, 9. Das in den Tauscherrohren 10 enthaltene Fluid kann hingegen nur an den Stirnflächen 3 oder 4 abgenommen bzw. eingeleitet werden. Vorteilhaft für den Wirkungsgrad des Wärmetausches 1 ist es dabei aber, wenn die Austrittsöffnungen 5, 6 möglichst nahe an den Stirnwänden 3, 4 liegen, um die nutzbare Länge der Tauscherrohre 10 zu maximieren. Dabei ist es jedoch gleichgültig, ob die Austrittsöffnungen 5, 6 in einer Seitenwand des Gehäuses 2, in einander gegenüberliegenden Seitenwänden oder sogar in nebeneinanderliegenden, rechtwinklig zueinander verlaufenden Seitenwänden angebracht sind.

Bezugszeichenliste

1

Wärmetauscher

2

Gehäuse

3

Stirnwand

4

Stirnwand
W warmes Fluid
K kaltes Fluid

5

Austrittsöffnung

6

Austrittsöffnung

7

Trennwand

8

Teilabschnitt

9

Teilabschnitt

10

Tauscherrohr

11

Eintrittsöffnung

12

Eintrittsöffnung

13

Trennwand

14

,

15

,

16

Baueinheit

17

,

18

,

19

Gehäuse

20

Befestigungsmittel

Claims

1. Wärmetauscher (1) für den Einsatz in eine Lüftungsvorrichtung, zum Wärmetausch zwischen zwei gasförmigen Fluiden die nach dem Gegenstromprinzip geführt sind, wobei der Wärmetauscher (1) länglich, hohle Tauscherrohre (10) aufweist, die an ihren jeweiligen Enden offen sind und von einem Gehäuse (2) umschlossen sind, welches an den rohrseitigen Enden eine Eintrittsöffnung (11, 12) und an einer Seitenfläche des Gehäuses (2) in der Nähe der jeweiligen Enden, jeweils eine Austrittsöffnung (5, 6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (10) in Teilabschnitte (8, 9) aufgeteilt sind und im Wechsel von den beiden gasförmigen Fluiden sowohl umströmt als auch durchströmt werden.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das warme, feuchte Fluid W in einen Teilabschnitt (8, 9) zuerst das kalte durchströmende Fluid K umströmt.

3. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (10) eine geringe Wandstärke aufweisen.

4. Wärmetauscher nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (5, 6) in der Nähe der Stirnwände (3, 4) liegt.

5. Wärmetauscher nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (1) aus mindestens zwei Teilabschnitten (8, 9) besteht, wobei jeder Teilabschnitt (8, 9) mindestens ein Tauscherrohr (10) aufweist, die versetzt zueinander angeordnet sind.

6. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (10) in den Teilabschnitten (8, 9) einteilig ausgebildet sind.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte (8, 9) räumlich voneinander getrennt sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung der Teilabschnitte (8, 9) durch einzelne Trennwände (7, 13) erfolgt.

9. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Tauscherrohre (10) teleskopartig verschiebbar sind.

10. Wärmetauscher nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilabschnitt eine Baueinheit (14, 15, 16) bildet, bestehend aus mindestens einem Tauscherrohr (10) welches von einem Gehäuse (17, 18, 19) umfaßt wird, wobei das Gehäuse (17, 18, 19) Befestigungsmittel (20) trägt, die das Verketten von mehreren Baueinheiten (14, 15, 16) zu einem Wärmetauscher (1) ermöglicht.