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Die Erfindung betrifft ein Wärmetauscherelement für flüssige und/oder
gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger zum Einsatz als Solarkollektor,
Kühlfläche, Fußbodenheizkörper, Wand- und/oder Deckenheizkörper oder
beispielsweise auch als Wärmetauscher in der Gerätetechnik bzw. als
Wärmetauscher für Blockheizkraftwerke.
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Im Stand der. Technik wurden mehrfach plattenförmige Wärmetauscher
vorbeschrieben. Charakteristisch für die Mehrzahl dieser Wärmetauscher ist,
daß sie stets ein Zusatzelement zu einer vorhandenen Tragwerksstruktur
bilden, und selbst keine baustatischen Aufgaben übernehmen.
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So sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Fußbodenheizungen
bekannt, bei denen rohr- oder plattenförmige Wärmetauscher unter einer etwa
5 bis 6 cm dicken, die Tragfähigkeit des Fußbodens übernehmenden, Trag-
und Deckschicht verlegt werden.
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Derartige Bauformen zeichnen sich durch ein unzureichendes
Wärmewechselverhalten, einen unzureichenden Wirkungsgrad der
Wärmeübertragung wie auch durch eine sehr materialintensive Bauweise mit
hohem Fertigungs- und Montageaufwand aus.
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In den Schadensberichten zu derartigen Wärmetauscher ist als
Hauptschadensursache die Korrosion und Undichtheit für den Ausfall
verantwortlich.
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Die DE 41 20 125 C2 beschreibt ein Bauelement zur Gewinnung von
Solarenergie welches gegenüber den vorgenannten Wärmetauschern
wärmeabsorbierende, wärmedämmende und baustatische Eigenschaften in
sich vereint.
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Dabei sind in einer beispielsweise aus Polycarbonat bestehenden Platte
parallel zueinander verlaufende Strömungskanäle für den Wärmeträger
eingearbeitet. Hinter dieser von einem gasförmigen oder flüssigen
Wärmeträger durchströmten Platte ist eine aus einem Polymer-
Schaumwerkstoff bestehende, baustatisch und bauphysikalisch wirksame
Schicht angeordnet.
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Um die im Betriebszustand zwischen diesen beiden großflächigen, aus
unterschiedlichen Werkstoffen bestehenden Platten auftretenden, thermisch
bedingte Dehnungsunterschiede zu beherrschen, wird vorgeschlagen,
zwischen den beiden Platten mittels eines geeigneten, zur Wärmeadsorption
vorzugsweise schwarz eingefärbten Klebstoff eine hochelastische
Schaumwerkstoffschicht anzuordnen.
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Dabei bedingt das sehr großflächige aus unterschiedlichen Materialien
aufgebaute, verklebte Sandwichelement mit seinem hohen Fertigungsaufwand
und seinem sehr hohen Gewicht zwangsläufig einen sehr hohe
Herstellungsaber auch hohen Montageaufwand, wobei die hohen Montagekosten noch
durch einen für die Gewährleistung einer funktionsgerechten Abdichtung des
Strömungskreislaufes zusätzlich erforderlichen Installationsaufwand erhöht
werden.
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Darüber hinaus ist ein sehr hoher Instandhaltungsaufwand erforderlich um
beispielsweise im Verlauf des Betriebszeitraumes auftretende mechanische
Beschädigungen zu reparieren.
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Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht unter anderem darin, daß dieses
System wiederum sehr träge reagiert, wobei aufgrund der großen
Strömungskanalquerschnitte keine optimale Wärmeübertragung zwischen der
mit den Strömungskanälen versehenen Platte und dem Wärmeträger möglich
ist, da während der Durchströmung relativ wenig Wärmeträgermedium direkt
mit der Übertragungswandung in Kontakt tritt, so daß die Gesamtbaugruppe
ein unzureichendes Wärmewechselverhalten aufweist, wobei deren
Wärmeübertragungswirkungsgrad zudem auch nicht optimal ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmetauscherelement
für flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger zu entwickeln,
welches die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist,
beispielsweise als Solarkollektor, Kühlfläche, Fußbodenheizkörper, Wand-
und/oder Deckenheizkörper oder auch zum Aufbau eines Wärmetauschers für
die unterschiedlichsten technischen Bedingungen eingesetzt werden kann,
dabei einen optimalen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung aufweist,
verschleißunempfindlich, korrosions- und verrottungsbeständig ist, gleichzeitig
über seine gesamte Betriebszeit leckagefrei arbeitet, zudem ein optimales
Wärmewechselverhalten gewährleistet, bei Einsatz als Heiz- bzw. Kühlelement
ein angenehmes Wohnklima bewirkt, gleichzeitig wärmedämmende und
baustatische Eigenschaften in sich vereint, sich zudem durch einen
minimierten Fertigungs-, Montage-, Instandhaltungs- und Wartungsaufwand
auszeichnet, wiederverwendbar, im Sinne von mehrfach neu verlegbar, ist und
dabei eine hohe Funktions- und Betriebssicherheit über eine lange
Lebensdauer gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wärmetauscherelement für
flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger gelöst, welches
wärmeabgebende, bzw. wärmeaufnehmende, wärmedämmende und
baustatische Eigenschaften in sich vereint und sich dadurch auszeichnet, daß
in einem als Faserverbundkompaktelement ausgeführten Versteifungskasten
welcher in die Baugruppen Rahmen und Deckschicht unterteilt werden kann,
wobei in dessen Deckschicht sich eine oder mehrere Abstandsgewebeplatte
mit an dieser/diesen angeschlossenen Wärmeträgerleiteinrichtungen befinden
und in dem vom Versteifungskasten gebildete Hohlraum eine
Wärmedämmschicht angeordnet ist.
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Der ohne Kleb- und Schweißaufwand herzustellende, einstückig,
beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebaute,
Versteifungskasten, dessen Grundfläche als beliebiges Vieleck, beispielsweise
dreieckig, quadratisch, rechteckig, trapezförmig, fünfeckig, sechseckig usw.
ausgebildet sein kann, nimmt einerseits die auf ihn einwirkenden
mechanischen Belastungen optimal auf, ist fertigungstechnisch einfach
herzustellen, einfach zu montieren, kann modular untereinander verkettet
werden, ist alterungsbeständig, chemikalienresistent und bettet optimal
gleichzeitig installationsseitig und auch thermisch alle Funktionsbaugruppen,
wie die Abstandsgewebeplatte/n, die an dieser/diesen angeschlossenen
Wärmeträgerleitungen aber auch die Wärmedämmschicht funktions- und
betriebssicher ein.
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So gewährleistet diese erfindungsgemäße Anordnung die Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe mittels einer fertigungstechnisch optimale
Verbindung und Abdichtung der wärmeträgerführenden Bauteilen gegenüber
den anderen Funktionsbaugruppen des Wärmetauscherelementes und
vermeidet gleichzeitig das Entstehen von schadensverursachenden
Wärmespannungsspitzen zwischen den einzelnen Funktionsbaugruppen des
erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes.
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Erfindungsgemäß sind an den Wärmeträgerleiteinrichtungen im
Versteifungskasten integrierte Anschlüsse angeordnet.
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Über diese an den Wärmeträgerleiteinrichtungen angeordneten, im
Versteifungskasten integrierten Anschlüsse können die einzelnen
Wärmetauscherelemente so miteinander verbunden werden, daß auch der für
die Installation, die Instandhaltung oder den Umbau erforderliche
Montageaufwand auf ein Minimum reduziert wird.
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Die speziellen, aus dreidimensionalem Abstandsgewebe gebildeten,
beispielsweise nach EP 0299 308 B1 oder auch nach DE 198 21 840 C1
hergestellten Abstandsgewebeplatten, werden erfindungsgemäß aufgrund ihrer
erfindungsgemäßen Anordnung vollständig vom Wärmeträger durchströmt.
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Die hierbei eingesetzten, ca. 3 mm bis ca. 22 mm dicken
Abstandsgewebeplatten zeichnen sich insbesondere durch ihre Vielzahl relativ
kurzer, tragender Distanzfasern, sogenannter Stege aus.
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Diese Stege gewährleisten einerseits die mechanische Stabilität der
Abstandsgewebeplatte und bewirken, infolge der erfindungsgemäßen
Umströmung der Stege mit dem Wärmeträgermedium in Verbindung mit der
erfindungsgemäß relativ geringen Steghöhe und der direkten Anbindung der
Vielzahl von Stegen an die Wärmetauscheroberfläche des
Wärmetauscherelementes, ein optimales Wärmewechselverhalten und eine
homogene Wärmeübertragung bei optimalem Wirkungsgrad.
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Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes als Heiz- bzw.
Kühlelement werden gleichzeitig unangenehme Luftströmungen und eine damit
in Verbindung stehende Staubentwicklung vermieden, so daß stets ein
behagliches Wohnklima gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement vereint dabei
wärmedämmende und baustatische Eigenschaften in sich, gewährleistet ein
optimales Wärmewechselverhalten, ist verschleißunempfindlich, korrosions-
und verrottungsbeständig und arbeitet über seine gesamte Betriebszeit
leckagefrei.
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Zudem ermöglicht das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement einen
modularen Aufbau der Gesamtwärmetauscherfläche, wodurch nicht nur der
Fertigungs-, und Montageaufwand, sondern auch der Instandhaltungs- und
Wartungsaufwand deutlich reduziert wird, wobei im Bedarfsfall nicht nur der
Austausch einzelner Wärmetauscherelemente möglich ist, sondern auch
jederzeit das einmal verlegte System beliebig erweitert und sogar neu
zusammengestellt werden kann.
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Die erfindungsgemäßen modular verkettbaren Wärmetauscherelemente
gewährleisten neben ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit und
Wiederverwendbarkeit eine hohe Funktions- und Betriebssicherheit über eine
lange Lebensdauer.
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Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung
werden in den Unteransprüchen vorgestellt.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich
neben dem Wortlaut der Ansprüche, auch in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen, aus den nachfolgenden Erläuterungen zu den
Ausführungsbeispielen.
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Dabei zeigen:
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Fig. 1 eine mögliche Bauform des erfindungsgemäßen
Wärmetauscherelementes;
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Fig. 2 eine weitere Bauform des erfindungsgemäßen
Wärmetauscherelementes im Schnitt;
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Fig. 3 die Schnittdarstellung einer speziellen Anordnung mehrerer
Wärmetauscherelemente;
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Fig. 4 eine modifizierte Bauform des erfindungsgemäßen
Wärmetauscherelementes für den Einsatz als
Solarkollektor im Schnitt.
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In der Fig. 1 ist eine mögliche Bauform des erfindungsgemäßen
Wärmetauscherelementes in der Draufsicht dargestellt.
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Der als Faserverbundkompaktelement ausgeführten Versteifungskasten 1,
kann in die Baugruppen Rahmen 2 und Deckschicht 3 unterteilt werden. In der
Deckschicht 3 ist eine Abstandsgewebeplatte 4 mit zwei an dieser
angeschlossenen Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 angeordnet.
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In dem vom Versteifungskasten 1 gebildete Hohlraum ist eine
Wärmedämmschicht 6 angeordnet.
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Die Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 sind mit den am Versteifungskasten 1
angeordneten Anschlussstutzen 7 verbunden.
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Einzelnen Wärmetauscherelemente können miteinander verbunden und in eine
Heizungsanlage, eine Kollektoranlage oder aber in eine Klimaanlage integriert
werden, so daß in Verbindung mit der einfach ermöglichten modularen
Verkettung auch beispielsweise der gesamte Montageaufwand minimiert
werden kann.
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Die Fig. 2 zeigt nun eine weitere Bauform des erfindungsgemäßen
Wärmetauscherelementes im Schnitt.
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Der als Faserverbundkompaktelement ausgeführten Versteifungskasten 1,
kann auch hier wiederum in die Baugruppen Rahmen 2 und Deckschicht 3
unterteilt werden.
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In der Deckschicht 3 ist wiederum eine Abstandsgewebeplatte 4 mit zwei als
Zu- und Ableitung nun in Form von Wärmeträgerleitungen an der
Abstandsgewebeplatte 4 angeschlossenen Wärmeträgerleiteinrichtungen 5
angeordnet.
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An den Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 befinden sich die im
Versteifungskasten 1 integrierten Anschlußstutzen 7.
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Die in dem vom Versteifungskasten 1 gebildete Hohlraum angeordnete,
beispielsweise aus organischem oder anorganischem Wärmedämmmaterial
bestehende, Wärmedämmschicht 6 dient einer optimalen Wärmeübertragung
und gewährleistet einen hohen Wirkungsgrad des Wärmetauscherelementes.
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Der ohne Kleb- und/oder Schweißarbeiten herzustellende, einstückige,
beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff aufgebaute
erfindungsgemäße Versteifungskasten 1, überträgt alle auf das
Wärmetauscherelement eingeleiteten Belastungen optimal auf die
benachbarten Baugruppen, ist alterungsbeständig, chemikalienresistent und
bettet mechanisch und thermisch alle Funktionsbaugruppen gleichzeitig
optimal ein.
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Die erfindungsgemäße Anwendung von faserverstärkten Kunststoffen bewirkt
dabei neben der Vermeidung von durch unterschiedliche
Temperaturausdehnungskoeffizienten bedingten Wärmespannungen
gleichzeitig einen optimalen Dehnungsausgleich.
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Die aus dreidimensionalem Abstandsgewebe, beispielsweise wie in der EP 0299 308 B1
oder auch in der DE 198 21 840 C1 beschrieben, gebildete, etwa
3 mm bis 22 mm dicke, infolge der erfindungsgemäßen Anwendung vom
Wärmeträger durchströmten Abstandsgewebeplatte 4 zeichnet sich durch eine
Vielzahl relativ kurzer tragender Distanzfasern, sogenannter Stege, aus.
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Diese Stege gewährleisten einerseits die mechanische Stabilität der
Abstandsgewebeplatte und bewirken gleichzeitig infolge der
erfindungsgemäßen Umströmung dieser Stege mit Wärmeträger in Verbindung
mit ihrer erfindungsgemäß relativ geringen Steghöhe und aufgrund der direkten
Anbindung dieser Vielzahl von Stegen an die Wärmetauscheroberfläche des
Wärmetauscherelement ein optimales Wärmewechselverhalten wie auch eine
homogene Wärmeübertragung bei optimalem Wirkungsgrad.
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Bei Einsatz des erfindungsgemäßen, wie in den Fig. 1 und 2 dargestellten,
Wärmetauscherelementes als Heiz- bzw. Kühlelement werden gegenüber
herkömmlichen Heiz- oder Klimaanlagen geringere Temperaturdifferenzen
erforderlich, wodurch unangenehme Luftströmungen und eine damit in
Verbindung stehende Staubentwicklung vermieden werden kann, so daß stets
ein behagliches Wohnklima gewährleistet ist.
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In der Fig. 3 ist nun in der Schnittdarstellung eine spezielle Anordnung
mehrerer Wärmetauscherelemente zu einem speziellen Wärmetauscher
dargestellt.
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Hierbei sind jeweils zwei einander benachbarte Wärmetauscherelemente mit
den Deckschichten 3 ihrer Versteifungskästen 1 form- und/oder kraftschlüssig
aneinander gefügt, wobei stets eine der beiden einander benachbarten
Deckschichten als "Heizelement" und die andere der beiden Deckschichten als
"Kühlelement" von jeweils einem separaten Kreislauf bedient wird.
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In dieser Bauform ist der obere und der untere Versteifungskasten des
Wärmetauschers jeweils durch eine Grundplatte 8 abgedeckt, um
beispielsweise Verschmutzungen oder mechanische Beschädigungen der
äußeren Wärmedämmschichten 6 zu vermeiden.
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Die Fig. 4 zeigt im Schnitt eine weitere modifizierte Bauform des
erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes.
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Diese Bauform ist insbesondere für den Einsatz als Solarkollektor geeignet.
Hierbei sind auf der Oberfläche im Randbereich der Deckschicht 3 am Rahmen
3 Distanzelemente 9 und Randbegrenzungselemente 10 angeordnet, in welche
eine, mit einer vorderseitigen Isolierschicht versehene, als transparente,
reflexionsarme Scheibe ausgebildete Abdeckplatte 11 eingefügt ist.
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Die zwischen der Abdeckplatte 11 und der Deckschicht 3 angeordnete
Luftisolationsschicht 12 verhindert Transmissionsverluste und erhöht
insbesondere bei Einsatz des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes
als Solarkollektor nochmals den Wirkungsgrad der erfindungsgemäß
eingesetzten Grundbaugruppe.
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Der Versteifungskasten 1 ist wiederum von unten durch eine Grundplatte 8
abgedeckt, um beispielsweise Verschmutzungen der Wärmedämmschicht 6 zu
vermeiden.
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In dieser Bauform sind beispielsweise die rohrförmigen
Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 als Zulauf geschaltet.
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Das hier in eine in der Abstandsgewebeplatte 4 angeordnete
Wärmeträgerleiteinrichtung hineinreichende Anschlußelement 13 dient als
Ablauf. Selbstverständlich kann auch der Zulauf über das Anschlußelement 13
und der Ablauf über die Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 erfolgen.
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Darüber hinaus ist es auch möglich sowohl den Zulauf wie auch den Ablauf
ausschließlich über Anschlusselemente 13 zu realisieren.
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Mittels der erfindungsgemäßen Lösung ist es somit gelungen ein
Wärmetauscherelement für flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw.
Kälteträger zu entwickeln, welches als Solarkollektor, Kühlfläche,
Fußbodenheizkörper, Wand- und/oder Deckenheizkörper oder auch zum
Aufbau eines Wärmetauschers für die unterschiedlichsten technischen
Bedingungen eingesetzt werden kann, dabei einen optimalen Wirkungsgrad
bei der Wärmeübertragung aufweist, verschleißunempfindlich, korrosions- und
verrottungsbeständig ist, dabei über seine gesamte Betriebszeit leckagefrei
arbeitet, zudem ein optimales Wärmewechselverhalten gewährleistet, beim
Einsatz als Heiz- bzw. Kühlelement ein angenehmes Wohnklima bewirkt,
gleichzeitig wärmedämmende und baustatische Eigenschaften in sich vereint,
sich zudem durch einen minimierten Fertigungs-, Montage-, Instandhaltungs-
und Wartungsaufwand auszeichnet, wiederverwendbar, im Sinne von mehrfach
neu verlegbar, ist und darüber hinaus eine hohe Funktions- und
Betriebssicherheit über eine lange Lebensdauer gewährleistet.
Bezugszeichenzusammenstellung
1 Versteifungskasten
2 Rahmen
3 Deckschicht
4 Abstandsgewebeplatte
5 Wärmeträgerleiteinrichtung
6 Wärmedämmschicht
7 Anschlußstutzen
8 Grundplatte
9 Distanzelement
10 Randbegrenzungselement
11 Abdeckplatte
12 Luftisolierschicht
13 Anschlußelement