DE10159891A1 - Verfahren zur Herstellung eines Gegenstromwärmetauschers und Wärmetauscher - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Gegenstromwärmetauschers und Wärmetauscher

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstromwärmetauschers und einen Wärmetauscher zur leckagefreien Trennung zweier Luftströme für den Wärmetausch im Gegenstrom. Der Wärmetauscher soll insbesondere für den Einsatz in einer Vorrichtung zum Belüften von Innenräumen (Wohnräumen) mit Wärmerückgewinnung, mit von außen in den Innenraum und aus dem Innenraum nach außen führenden Frisch- und Abluftkanälen geeignet sein und ist dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnplatten (2, 3) strömungskanalbildende Rohre (4n) angeordnet sind, die mit den gegenüberliegenden Stirnplatten (2, 3) Öffnungen bilden, wobei die Rohrenden der Rohre (4n) an den Stirnplatten (2, 3) angeformt bzw. in Öffnungen (5n) der Stirnplatten eingefügt sind, wobei die Gesamtfläche der inneren Querschnittsfläche der Rohr (4n) so groß ist wie die Summe der die Rohre (4n) umgebenden vom Gehäuse (1) eingefassten freien Fläche.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Gegenstromwärmetauschers und einen Wärmetauscher zur leckagefreien Trennung zweier Luftstöme für den Wärmetausch im Gegenstrom. Der Wärmetauscher soll insbesondere für den Einsatz in einer Vorrichtung zum Belüften von Innenräumen (Wohnräumen) mit Wärmerückgewinnung, mit von außen in den Innenraum und aus dem Innenraum nach außen führenden Frisch- und Abluftkanälen geeignet sein.
  • Ausgangspunkt dabei ist zum einen die Forderung der Normung für Wärmetauscher zum Zweck der Wärmerückgewinnung bei einer Wohungslüftung nach einer festgelegten minimalen, bestenfalls nicht vorhanden Leckagerate. Zum anderen ist die energetisch günstigste Anordnung der Lüfter und Ventilatoren in einem solchen Gerät diejenige, dass man die Abluft in den Wärmetauscher drückt (die vom Lüfter zusätzlich erzeugte Wärme kann noch mit der Zuluft getauscht werden) und die Zuluft aus dem Wärmetauscher saugt (der schon erwärmten Zuluft wird durch die Lüfterenergie noch weitere Wärme zugeführt). Dies erfordert jedoch zwingend eine sehr gute Abdichtung aller Elemente des Wärmetauschers sowie eine saubere Trennung der Luftströme im Anbindungsbereich, um eine durch die im Wärmetauscher entstehende Druckdifferenz zwischen den Luftströmungen hervorgerufene Verunreinigung der Zuluft durch die übergeströmte Abluft und den damit schlechteren Wirkungsgrad auszuschließen. Das heisst, dass für eine effiziente Wärmerückgewinnung ein optimal abgedichteter Wärmetauscher vorliegen muss. Des weiteren bietet nur ein Wärmetauscher im Gegenstromprinzip mit zweidimensionalem Wärmetausch die höchsten Wärmetauschzahlen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Wärmetauscher erfüllen diese kombinierten Anforderungen nicht oder nur teilweise und wenn, dann nur bedingt oder mit beträchtlichem fertigungstechnischen und kostenintensiven Aufwand, zumeist bedingt durch eine Vielzahl von Abdichtungsstellen bei entsprechend großer Länge abzudichtender Fugen.
  • Derartige Vorrrichtungen sind beispielsweise aus den Druckschriften EP 0055000, EP 00 29573, DE 42 10 530 C2, EP 1001 228 und EP 0127 213 B1 bekannt. Die darin beschriebenen Wärmetauscher bestehen aus übereinandergestapelten Platinen mit speziellen Überströmvorrichtungen und im Ein- und Ausströmbereich wechselseitig verschlossenen Strömungskanälen oder aus Wärmetauscherpaketen mit übereinandergestapelten Platinen mit sich wechselseitig verengenden und erweiternden Ein- und Ausströmkanälen zur Medientrennung.
  • Alle diese Varianten haben den Nachteil, dass aufwendige Abdichtungen zwischen den Platinen durch Kleben, Schweißen, Weichdichten o. ä. erfolgen müssen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und einen Wärmetauscher zu entwickeln, in welchem zwei Medien im Gegenstrom einen möglichst leckagefreien Wärmeaustausch vornehmen können und auf aufwendige Abdichtungen verzichtet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweils zugehörigen Ansprüchen enthalten.
  • Demnach beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines leckagefreien Gegenstromwärmetauschers bestehend aus einem Gehäuse mit innenliegenden rohrförmigen Strömungskanälen, die in sich gegenüberliegende Stirnplatten münden und mit den gegenüberliegenden Stirnplatten Öffnungen bilden, wobei eine Stirnplatte mit mehreren angeformten und/oder gefügten Rohren mit einer mit mehreren Öffnungen versehenen zweiten Stirnplatte durch Fügen verbunden wird. Die Rohre kommunizieren dabei mit den Öffnungen. Anschließend werden die Rohre durch Erwärmung und Auseinanderbewegung der sich gegenüberliegenden Stirnplatten zu dünnwandigen Röhren oder Schläuchen ausgezogen. Dabei können die Schläuche unter einem durch eine Stützluft hervorgerufenen Überdruck stehen. Dabei kann die Stützluft selbst auch zur Erwärmung der Rohre dienen. Durch das Verfahren ist ein Wärmetauscher mit einer geringen Zahl von abzudichtenden Stellen herstellbar. Die Leckagerate kann erheblich reduziert werden.
  • Das Wärmetauscherpaket besteht dabei bevorzugt aus thermoplastischem Kunststoff. Wenn die Rohre an der ersten Stirnplatte nicht bereits angeformt sind, werden diese mit den Öffnungen derselben durch Schweißen oder Kleben verbunden. Das gleiche Fügeverfahren kommt bei der Verbindung der anderen Rohrenden mit den Öffnungen der zweiten Stirnplatte zur Anwendung.
  • Nach einem besonderen Merkmal werden die Rohre durch Infrarotheizung oder Beflammung oder durch in die Rohre einzufahrende Heizdrähte lokal bis in den thermoplastischen Bereich erwärmt. Nach einem weiteren Merkmal werden in den Kunststoff Metallpartikel als Füllstoffe eingebettet und die Rohre induktiv erwärmt. In den Kunststoff können auch Füllstoffe eingebettet werden, die eine Erwärmung der Rohre durch Mikrowellen ermöglichen. Durch die lokale Erwärmung der Rohre bis in den thermoplastischen Bereich und der anschließenden Auseinanderbewegung der Stirnplatten, entstehen aus den Rohren Schläuche, die sich während der thermoplastischen Verstreckung in der Länge ausdehnen und in der Wandstärke abnehmen. Die Verstreckung wirkt sich positiv auf die Festigkeitseigenschaften der dabei entstehenden Schläuche aus.
  • Die Erfindung beinhaltet auch einen Gegenstromwärmetauscher. Im Gehäuse des Wärmetauschers sind zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnplatten strömungskanalbildende Rohre angeordnet, die mit den zwei sich gegenüberliegenden Stirnplatten Öffnungen bilden, wobei die Rohrenden der Rohre an den Stirnplatten angeformt bzw. in die Öffnungen der Stirnplatten eingefügt sind, wobei die Gesamtfläche der inneren Querschnittsfläche der Rohre so groß ist wie die Summe der die Rohre umgebenden, vom Gehäuse eingefaßten, freien Fläche.
  • Nach einem besonderen Merkmal sind die Rohre, die mit den gegenüberliegenden Stirnplatten Öffnungen bilden, von einem Medium durchströmbar, das durch die Stirnplatten ein- bzw. austritt und von einem zweiten Medium umströmbar, welches durch in diagonal entgegengesetzt im Gehäuse eingebrachte Ein- und Austrittsöffnungen ein- bzw. austritt. Die Stirnseiten und die Ein- und Austrittsöffnungen sind nach einem weiteren Merkmal mit den Versorgungsleitungen der entsprechenden Medien verbunden. Die einzigen Abdichtungen sind danach zwischen den Versorgungsleitungen und den Ein- und Austrittsöffnungen der Medien vorzusehen, wodurch eine nahezu leckagefreie Trennung der Lüftströme für den Wärmetausch im Gegenstrom erreicht wird.
  • In den Kunststoff sind nach einem weiteren Merkmal Metallpartikel als Füllstoffe bzw. besondere Füllstoffe eingebettet. Dadurch ist eine Erwärmung von innen durch eine induktive Aufheizung oder durch Mikrowellen möglich.
  • Die Metallpartikel bzw. besonderen Füllstoffe dienen in der Funktion des Wärmetauschers zur besseren Wärmeleitung durch die Wandungen der Folienschläuche und verbessern dadurch den Wirkungsgrad.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Wärmetauschers besteht darin, dass durch eine wellenförmige Bewegung der Schläuche in ihrer Längsachse, hervorgerufen durch zeitweiliges alternierendes Ab- und Anschalten des Zulüfters, und durch die dadurch bedingten alternierenden Druckunterschiede der beiden Medienströme, Partikelanlagerungen gelöst werden können. Im Fall eines Luft-/Luft-Wärmetauschers kann dies einen Vereisungsschutz darstellen, indem bei hohen Wärmetauschgraden entstehende und anhaftende Reif- und/oder Eiskristalle "abgeschüttelt" werden und bei entsprechender Medienfühung senkrecht aus den Kanälen, die durch die Stirnplatten führen, fallen können.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher beschrieben.
  • In den Zeichnungen zeigen
  • Fig. 1 einen Wärmetauscher mit Gehäuseummantelung und teilweiser Schnittdarstellung,
  • Fig. 2 eine Stirnplatte 2 mit angeformten Rohren 4n,
  • Fig. 3 eine Stirnplatte 3 mit Öffnungen 5n,
  • Fig. 4 zwei gegenüberliegende Stirnplatten 2, 3 mit strömungskanalbildenden Rohre 4n.
  • In der Fig. 1 wird ein Gegenstromwärmetauscher mit Gehäuseummantelung und teilweiser Schnittdarstellung gezeigt. Dieser besteht aus einem Gehäuse 1 mit innenliegenden rohrförmigen Strömungskanälen 4n, welche in sich gegenüberliegende Stirnplatten 2 bzw. 3 münden und mit den sich gegenüberliegenden Stirnplatten Öffnungen 5n bilden, wobei die Rohrenden der Rohre 4n an den Stirnplatten 2, 3 angeformt bzw. in Öffnungen 5n der Stirnplatten eingefügt werden und die Rohre 4n durch Erwärmung und Auseinanderbewegung der sich gegenüberliegenden Stirnplatten 2, 3 zu dünnwandigen Rohren oder Schläuchen ausgezogen werden.
  • Die Stirnplatten 2 und 3 sind einzeln in den Fig. 2 und 3 dargestellt und im gefügten Zustand mit den ausgezogenen Rohren 4n in der Fig. 4. Dabei bezeichnet S0 die Wandstärke der Rohre 4n im nicht ausgezogenen Zustand und S1 die Wandstärke der Rohre im ausgezogenen Zustand, wobei S1 << S0 ist.
  • Bei der Anordnung ist die Gesamtfläche der inneren Querschnittsfläche der Rohre 4n so groß wie die Summe der die Rohre 4n umgebenden vom Gehäuse 1 eingefassten freien Fläche. Die Pfeile in horizontaler Richtung zeigen die Strömungsrichtung von Außenluft Aul und Zuluft Zul von links nach rechts an. Die Pfeile in vertikaler Richtung zeigen die Strömungsrichtung von Abluft Abl und Fortluft Fl von unten nach oben an. Das Wärmetauscherpaket besteht vorzugsweise aus thermoplastischem Kunststoff und die Rohre 4n werden mit den Öffnungen 5n der Stirnplatte 3 durch Schweißen oder Kleben verbunden.
  • Die Rohre 4n werden lokal bis in den thermoplastischen Bereich durch Infrarotheizung oder Beflammung oder Luft oder durch in die Rohre 4n einzufahrende Heizdrähte erwärmt. Die Rohre 4n können auch induktiv erwärmt werden, wobei dann in den Kunststoff Metallpartikel als Füllstoffe eingebettet werden.
  • Wenn in den Kunststoff bestimmte Füllstoffe eingebettet werden, kann die Erwärmung der Rohre auch durch Mikrowellen erfolgen.
  • Die Rohre 4n, die mit den gegenüberliegenden Stirnplatten 2, 3 Öffnungen 5n bilden, sind von einem Medium durchströmbar, das durch die Stirnseiten 2, 3 ein- bzw. austritt, und sind weiter von einem zweiten Medium umströmbar, welches durch in diagonal entgegengesetzt im Gehäuse 1 eingebrachte Ein- und Austrittsöffnungen 6, 7 ein- bzw. austritt. Die Stirnseiten 2, 3 und die Ein- und Austrittsöffnungen 6, 7 sind dabei mit den Versorgungsleitungen (nicht dargestellt) der entsprechenden Medien verbunden.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines leckagefreien Gegenstromwärmetauschers, bestehend aus einem Gehäuse mit innenliegenden rohrförmigen Strömungskanälen, die in sich gegenüberliegende Stirnplatten münden und mit den gegenüberliegenden Stirnplatten Öffnungen bilden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnplatte (2) mit mehreren angeformten und/oder gefügten Rohren (4n) mit einer mit mehreren Öffnungen (5n) versehenen zweiten Stirnplatte (3) durch Fügen verbunden wird, wobei die Rohre (4n) mit den Öffnungen (5n) kommunizieren und die Rohre (4n) anschließend durch Erwärmung und Auseinanderbewegung der gegenüberliegenden Stirnplatten (2, 3) zu dünnwandigen Rohren oder Schläuchen ausgezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherpaket aus thermoplastischem Kunststoff besteht und die Rohre (4n) mit den Öffnungen (5n) der Stirnplatte (2) oder (3) durch Schweißen oder Kleben verbunden werden.
3. Verfahren nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (4n) lokal bis in den thermoplastischen Bereich durch Infrarotheizung erwärmt werden.
4. Verfahren nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (4n) lokal bis in den thermoplastischen Bereich durch Beflammung und/oder Luft erwärmt werden.
5. Verfahren nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (4n) lokal bis in den thermoplastischen Bereich durch in die Rohre (4n) einzufahrende Heizdrähte erwärmt werden.
6. Verfahren nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kunststoff Metallpartikel als Füllstoffe eingebettet werden und die Rohre (4n) induktiv erwärmt werden.
7. Verfahren nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kunststoff Füllstoffe eingebettet werden, die eine Erwärmung der Rohre (4n) durch Mikrowellen ermöglichen.
8. Gegenstromwärmetauscher bestehend aus einem Gehäuse mit innenliegenden rohrförmigen Strömungskanälen, die in gegenüberliegende Stirnplatten münden, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) zwischen zwei gegenüberliegenden Stirnplatten (2, 3) strömungskanalbildende Rohre (4n) angeordnet sind, die mit den gegenüberliegenden Stirnplatten (2, 3) Öffnungen bilden, wobei die Rohrenden der Rohre (4n) an den Stirnplatten (2, 3) angeformt oder in Öffnungen (5n) der Stirnplatten eingefügt sind, wobei die Gesamtfläche der inneren Querschnittsfläche der Rohre (4n) so groß ist wie die Summe der die Rohre (4n) umgebenden vom Gehäuse (1) eingefassten freien Fläche.
9. Gegenstromwärmetauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (4n), die mit den gegenüberliegenden Stirnplatten (2, 3) Öffnungen bilden, von einem Medium durchströmbar sind, das durch die Stirnseiten (2, 3) ein- bzw. austritt, und von einem zweiten Medium umströmbar sind, welches durch in diagonal entgegengesetzt im Gehäuse (1) eingebrachte Ein- und Austrittsöffnungen (6, 7) ein- bzw. austritt.
10. Gegenstromwärmetauscher nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten (2, 3) und die Ein- und Austrittsöffnungen (6, 7) mit den Versorgungsleitungen der entsprechenden Medien verbunden sind.
11. Gegenstromwärmetauscher nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherpaket aus thermoplastischem Kunststoff besteht.
12. Gegenstromwärmetauscher nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kunststoff Metallpartikel als Füllstoffe eingebettet sind.
13. Gegenstromwärmetauscher nach einem der o. g. Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kunststoff besondere Füllstoffe eingebettet sind, die eine Erwärmung der Rohre (4n) durch Mikrowellen ermöglichen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10349140A1 (de) * 2003-10-17 2005-05-12 Behr Gmbh & Co Kg Wärmeübertrager, insbesondere für Kraftfahrzeuge
NL2006986C2 (nl) * 2011-06-22 2013-01-02 Marinus Willem Glind Ventilatiesysteem voor een gebouw.
CN106895736A (zh) * 2016-12-30 2017-06-27 浙江赛迅环保科技有限公司 一种ptfe换热器的制造方法

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