DE10157528A1 - Wärmetauscherelement - Google Patents

Wärmetauscherelement

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmetauscherelement für flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger zu entwickeln, welches einen optimalen Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung aufweist, verschleißumempfindlich, 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. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Wärmetauscherelement für flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger zeichnet sich dadurch aus, daß in einem als Faserverbundkompaktelement ausgeführten Versteifungskasten (1), welcher in die Baugruppen Rahmen (2) und Deckschicht (3) unterteilt werden kann, und in dessen Deckschicht (3) sich eine oder mehrere Abstandsgewebeplatte(n) (4) mit an dieser/diesen angeschlossenen Wärmeträgerleiteinrichtungen (5) befinden, wobei in dem vom Versteifungskasten (2) gebildeten Hohlraum eine Wärmedämmschicht (6) angeordnet ist. DOLLAR A Bei der Erfindung handelt es sich um ein Wärmetauscherelement für flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger zum ...

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In den Schadensberichten zu derartigen Wärmetauscher ist als Hauptschadensursache die Korrosion und Undichtheit für den Ausfall verantwortlich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Darüber hinaus ist ein sehr hoher Instandhaltungsaufwand erforderlich um beispielsweise im Verlauf des Betriebszeitraumes auftretende mechanische Beschädigungen zu reparieren.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Erfindungsgemäß sind an den Wärmeträgerleiteinrichtungen im Versteifungskasten integrierte Anschlüsse angeordnet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die erfindungsgemäßen modular verkettbaren Wärmetauscherelemente gewährleisten neben ihrer vielseitigen Einsetzbarkeit und Wiederverwendbarkeit eine hohe Funktions- und Betriebssicherheit über eine lange Lebensdauer.
  • Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung werden in den Unteransprüchen vorgestellt.
  • 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.
  • Dabei zeigen:
  • Fig. 1 eine mögliche Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes;
  • Fig. 2 eine weitere Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes im Schnitt;
  • Fig. 3 die Schnittdarstellung einer speziellen Anordnung mehrerer Wärmetauscherelemente;
  • Fig. 4 eine modifizierte Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes für den Einsatz als Solarkollektor im Schnitt.
  • In der Fig. 1 ist eine mögliche Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes in der Draufsicht dargestellt.
  • 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.
  • In dem vom Versteifungskasten 1 gebildete Hohlraum ist eine Wärmedämmschicht 6 angeordnet.
  • Die Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 sind mit den am Versteifungskasten 1 angeordneten Anschlussstutzen 7 verbunden.
  • 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.
  • Die Fig. 2 zeigt nun eine weitere Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes im Schnitt.
  • Der als Faserverbundkompaktelement ausgeführten Versteifungskasten 1, kann auch hier wiederum in die Baugruppen Rahmen 2 und Deckschicht 3 unterteilt werden.
  • 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.
  • An den Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 befinden sich die im Versteifungskasten 1 integrierten Anschlußstutzen 7.
  • 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.
  • 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.
  • Die erfindungsgemäße Anwendung von faserverstärkten Kunststoffen bewirkt dabei neben der Vermeidung von durch unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten bedingten Wärmespannungen gleichzeitig einen optimalen Dehnungsausgleich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Fig. 3 ist nun in der Schnittdarstellung eine spezielle Anordnung mehrerer Wärmetauscherelemente zu einem speziellen Wärmetauscher dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • Die Fig. 4 zeigt im Schnitt eine weitere modifizierte Bauform des erfindungsgemäßen Wärmetauscherelementes.
  • 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.
  • 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.
  • Der Versteifungskasten 1 ist wiederum von unten durch eine Grundplatte 8 abgedeckt, um beispielsweise Verschmutzungen der Wärmedämmschicht 6 zu vermeiden.
  • In dieser Bauform sind beispielsweise die rohrförmigen Wärmeträgerleiteinrichtungen 5 als Zulauf geschaltet.
  • 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.
  • Darüber hinaus ist es auch möglich sowohl den Zulauf wie auch den Ablauf ausschließlich über Anschlusselemente 13 zu realisieren.
  • 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

Claims (6)

1. Wärmetauscherelement für flüssige und/oder gasförmige Wärme- bzw. Kälteträger, dadurch gekennzeichnet, daß in einem als Faserverbundkompaktelement ausgeführten Versteifungskasten (1), welcher in die Baugruppen Rahmen (2) und Deckschicht (3) unterteilt werden kann, und in dessen Deckschicht (3) sich eine oder mehrere Abstandsgewebeplatte (4) mit an dieser/diesen angeschlossenen Wärmeträgerleiteinrichtungen (5) befinden, wobei in dem vom Versteifungskasten (2) gebildete Hohlraum eine Wärmedämmschicht (6) angeordnet ist.
2. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Wärmeträgerleiteinrichtungen (5) im Versteifungskasten (1) integrierte Anschlußstutzen (7) und/oder Anschlußelemente (13) angeordnet sind.
3. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche des Versteifungskastens (1) als beliebiges Vieleck, beispielsweise dreieckig, quadratisch, rechteckig, trapezförmig, fünfeckig, sechseckig usw. ausgebildet sein kann.
4. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Versteifungskasten (1) von unten durch eine Grundplatte (8) abgedeckt wird.
5. Wärmetauscherelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Randbereich am Rahmen (3) ein oder mehrere Distanzelement/e (9) und Randbegrenzungselement/e (10) angeordnet sind, in die eine Abdeckplatte (11) eingesetzt werden kann.
6. Wärmetauscherelement (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte (11) als transparente Platte ausgebildet ist.
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