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1. Einleitung
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Bei
meiner Erfindung, einem diskontinuierlich arbeitenden Wärmetauscher – im folgenden "PACO-Tauscher" genannt – handelt
es sich um eine Apparatur, die geeignet ist, Wärme in steuer- und regelbaren
diskreten Mengen bzw. Leistungen zu übertragen. Entgegen anderer,
bekannter Wärmetauscher erfolgt
die Wärmeübertragung
durch eine hohe Wärmestromdichte
unter axialem Druck und einer großen Konvektion durch konstruktive
Variation der Wärmeübertragungsflächen.
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2. Stand
der Technik
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2.1 Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher
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Am
häufigsten
werden Wärmetauscher
eingesetzt, die zwei Medien – die
sich auf unterschiedlichen Temperaturniveaus befinden – über eine
feste Wandung miteinander in "Kontakt" bringen. Der Wärmeaustausch
erfolgt dabei ausschließlich
durch Wärmeleitung
und da keine beweglichen Teile erforderlich sind, sind diese Wärmetauscher
sehr kostengünstig.
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2.2 Wärmetauscher mit einem beweglichen
Wärmetauscher
(Regenerator)
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Wie
in der Patentschrift
DE
195 81 654 T1 dargelegt, werden Wärmetauscher eingesetzt, die über einen
beweglich angeordneten Regenerator (Wärmetauscher) verfügen, der
durch vorbeiströmende
warme bzw. heiße
Gase aufgeheizt und abgekühlt
werden. Diese Bauform arbeitet ausschließlich durch Wärmeübertragung
durch Konvektion und findet zum Beispiel in Heißgas- bzw. Stirlingmotoren Verwendung.
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2.3 Wärmetauscher mit rotierendem
bzw. oszillierendem Wärmeträger (Festkörper)
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Gemäß der Patentschrift
US 4,880,049 A sind Wärmetauscher
bekannt, die einen Festkörper auf
der einen (warmen) Seite aufheizen und diesen erwärmten Wärmeträger dann
durch eine Rotationsbewegung (oder oszillierende Bewegung) in Richtung
der kalten Seite bewegen. Solche Wärmetauscher arbeiten allein
durch Wärmeübertragung
durch Wärmeleitung.
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3. Aufbau
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3.1 Prinzipieller Aufbau
eines PACO-Tauschers
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Ein
räumlicher
Abstand zwischen einer heißen
und einer kalten Wand ist mit einem beweglich angeordnetem Speichermaterial
ausgestattet.
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3.2 Der PACO-Tauscher
anhand eines Beispiels
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3.2.1 Beschreibung einer
einfachen Bauweise
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Als
Gehäuse
kann ein Stahlzylinder Verwendung finden. Das Speichermedium kann
eine Metallplatte z.B. aus Aluminium sein. Im Inneren des Gehäuses kann
ein Vakuum oder ein beliebiges Gas/Gasgemisch als Arbeitsmedium
vorhanden sein. Für
den Antrieb sei ein Elektromagnet mit Arbeitsrichtung nach links
sowie eine Druckfeder eingesetzt. Die Magnet bzw. Druckfederkräfte wirken
hier über
einen Eisenkern und die Kolbenstange auf das Speichermedium. Der
Speicher kann Zwecks Be- bzw. Entlüftung eine kleinere Größe als das
Gehäuse aufweisen
oder mit Durchgangsbohrungen, Nuten etc. versehen sein.
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3.2.2 Die Funktion des
oben beschriebenen einfachen Modells
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Die
Funktion sei am Beispiel eines Stoffes höherer Temperatur an der linken
Wandung und eines zu erwärmenden
Stoffes auf der rechten Seite erläutert:
Im Ruhezustand,
also bei ausgeschaltetem Magneten, wird die Kolbenstange von der
Druckfeder nach rechts gedrückt.
Die Speicherscheibe im Inneren des Zylinders liegt an der rechten
(kalten) Wandung an. Die Wärmeübertragung
von der linken (heißen)
zur kalten rechten Seite ist fast minimal. Die Wärmeübertragung erfolgt in dieser
Position nur durch Strahlung, in geringem Umfang über Wärmeleitung
im Gehäuse und
geringe Konvektion des Arbeitsmediums. (Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
im Gehäuse ließe sich
durch ein thermisch isolierendes Gehäuse reduzieren und die Wärmeübertragung
durch Konvektion könnte
durch die Herstellung eines Vakuums im Gehäuse vermindert werden.)
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Wird
am Elektromagneten Spannung angelegt, zieht dieser die Kolbenstange
nach links, wodurch die Speicherplatte an die linke Wandung gedrückt wird.
Dort nimmt sie Wärme
durch Wärmeleitung
auf und kühlt
so die heiße
Wandung. Die Aufnahmemenge der Wärme
hängt von
den Faktoren Zeit, Temperaturunterschied, Anpressdruck und Aufnahmevermögen des
Speichers ab. Der Speicher nimmt eine Temperatur an, die im Extremfall
der der heißen
Seite entspricht. Die Wärmeübertragung
zur kalten Seite ist in dieser Stellung ebenfalls fast minimal.
Schaltet man den Elektromagneten wieder ab, wird die von der Speicherplatte
aufgenommene Wärme
durch die Druckfeder zur rechten (kalten) Seite transportiert. Während dieser
Bewegung erreicht die Wärmeübertragung
auf das im Zylinder enthaltene Medium durch verstärkte Konvektion,
die durch die Bewegung hervorgerufen wird, ihr Maximum. Ist der Speicher
an der rechten Wandung angekommen, kann er exakt die von der heißen Seite
aufgenommene Wärmemenge
an den kälteren
Stoff abgeben, sofern ausreichend Zeit und/oder Anpressdruck zur Verfügung steht.
Im Extremfall wird der Speicher restlos "entladen" und nimmt die Temperatur der kalten Seite
an. Dieser Vorgang lässt
sich beliebig oft wiederholen.
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4. Vor- u. Nachteile gegenüber herkömmlichen
Wärmetauschern
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Herkömmliche
Wärmetauscher
arbeiten mit Wärmeleitung,
Konvektion oder Strahlung. Als Bauformen werden z.B. Rohr-, Bündel- oder
Plattentauscher verwendet. Allen herkömmlichen Wärmetauschern ist gemein, dass
ihre Leistung ausschließlich durch
eine Veränderung
der Temperaturen und/oder durch eine Variation der Volumenströme gesteuert werden
kann. Im Allgemeinen ist gerade die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung
in diesen Tauschern durch unveränderliche Übertragungsflächen festgelegt.
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Diese
Tauscher können
die Übertragungsmenge
bzw. -leistung nicht selbst beeinflussen.
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Herkömmliche
Wärmetauscher
sind demzufolge passive Bauteile, deren Konstruktion als starr anzusehen
ist.
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Der
PACO-Tauscher arbeitet hingegen aktiv. Durch Variation der Taktzahlen,
Anpressdrücke
und Druckberührzeiten
kann eine genau definierbare Wärmeübertragungsmenge
bzw. Wärmeübertragungsleistung
erreicht werden, die zwischen einem Minimum nahe Null und einem
von der Bauweise und Größe abhängigen Maximum
steuer- und regelbar ist.
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Aktive
PACO-Tauscher benötigen
einen Antrieb und geben Wärme
an das den Speicher umgebende Medium ab, wobei sich dieser Effekt
auch nutzen lässt.
Die Geräuschentwicklung
und Materialbeanspruchung beim Aufschlagen des Speichers auf die
Wandungen kann durch konstruktive Maßnahmen (z.B. Endlagendämpfung mit
Federn) reduziert werden.
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Im
Gegensatz zu konventionellen Wärmetauschern
bietet der PACO-Tauscher eine vollständige Systemtrennung. Selbst
bei Leckagen einer Wandung kommen die heißen bzw. kalten Stoffe nicht
unmittelbar miteinander in Berührung.
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5. Anwendung
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Der
PACO-Tauscher eignet sich überall
dort wo,
- a) eine sichere Systemtrennung – mit oder
ohne Kontrollmöglichkeit – notwendig
ist, wie z.B. in der chemischen Industrie und beim Umgang mit Gefahrstoffen
- b) eine Beeinflussung der Stoffströme bzw. deren Temperatur nicht
erfolgen kann bzw. erwünscht wird,
wie z.B. in der Verfahrenstechnik
- c) die Wärmeübertragung
genau definierbar sein muss, wie z.B. im Mess- und Analysewesen
- d) die Wärmeübertragung
auf nahezu Null reduziert werden können soll, wie es z.B. bei
Sicherheitsabschaltungen der Fall sein kann.
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6. Varianten
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Der
im obigen Beispiel dargestellte PACO-Tauscher kann in der Ausführung erheblich
variiert werden:
Als Speichermedien können verschiedenste Materialien
eingesetzt werden, die als Platten, Blöcke oder in beliebigen geometrischen
Formen ausgeführt
werden können.
Darüber
hinaus sind poröse
bzw. schwammartige Materialien ebenso möglich.
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Für den Antrieb
können
neben Elektromagneten auch Kurbeltriebe, Pneumatikzylinder, hydraulische
Anlagen etc. verwendet werden.
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Die
Verwendung eines zylindrischen Gehäuses bietet sich an, um definierte
Anschlagflächen
und eine gute Führung
des Speichermediums zu gewährleisten.
Andere Geometrische Grundformen sind möglich.
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Das
Gehäuse
kann zum Zwecke der Übertragungsminimierung
geteilt und mit einer thermischen Isolierung versehen ausgeführt werden.
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Bei
Verwendung eines Arbeitsmediums anstelle eines Vakuums können die
in dem den Speicher umgebenden Medium ablaufenden Prozesse ausgenutzt
werden. Auf eine Kolbenstange kann bei Verwendung eines magnetischen
Speicher- bzw. Trägermaterials
verzichtet werden. (Dann fungiert der Speicher als Eisenkern und
kann direkt vom Magneten angetrieben werden.)
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Anstelle
einer Druckfeder als Rückholfeder können bei
entsprechender Anordnung ebenso Zugfedern verwendet werden. Werden
andere Antriebe (Kurbeltriebe etc.) eingesetzt, kann eine Rückholfeder
ganz entfallen (vgl. 1).
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Für die Anschlagsgeräuschreduzierung
können
Endlagendämpfer
in Form von Luftpolstern, Federn etc. verwendet werden. Ferner können steuer- bzw.
regelbare Magneten eingesetzt werden, die den Speicher langsam auf
die Wandung setzen. Eine Steuerung bzw. Regelung der übertragenen
Wärmemenge
kann durch voneinander unabhängige,
einstellbare Parameter erreicht werden:
- a)
den Druck des Speichers auf die Wandung
- b) die Dauer des Kontaktes zwischen Speicher und Wandung
- c) die Häufigkeit
des Kontaktes (Frequenz)