DE102007021424A1

DE102007021424A1 - Wärmeübertragungseinheit für eine lufttechnische Anlage zur Raumklimatisierung

Info

Publication number: DE102007021424A1
Application number: DE102007021424A
Authority: DE
Inventors: Jochen Schanze
Original assignee: Individual
Current assignee: SLT Schanze Lufttechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2007-05-03
Filing date: 2007-05-03
Publication date: 2008-11-06

Abstract

Bei einer Wärme-Übertragungseinheit (10) für eine lufttechnische Anlage zur Raumklimatisierung mittels auf definierte Temperaturmittelwerte einstellbarer Luftströme, mit einem Wärmetauscher (11), der ein Register wärmeleitender Tauscherlamellen (22) umfasst, die mit einem Rohrsystem für die Zu- und Abführung von Wärmetransportmedium in gutem Wärmekontakt stehen, und mit einem System (12) von Lüftern (24), mittels derer der temperierte Luftstrom durch den Wärmetauscher (11) hindurchleitbar ist, wobei der Wärmetauscher der äußeren Form nach eine flach quaderförmige Konfiguration hat, deren horizontale Längsmittelebene (19) parallel zu einer Ebene verläuft, in der die Ränder der abströmseitigen Austrittsöffnungen der Lüfter verlaufen, die mindestens einen Teil des Zuluftstromes durch den Wärmetauscher treiben, sind mindestens zwei Reihen (31/l und 31/r) von Lüftern (24) vorgesehen, die unmittelbar nebeneinander verlaufend innerhalb eines streifenförmigen Bereichs (38) angeordnet sind, dessen Breite, abgesehen von schmalen Randbereichen, die zur Montage der Lüfter erforderlich sind, höchstens gleich dem doppelten Wert des Durchmessers D der Austrittsöffnungen (29/a) ist. In bevorzugter Gestaltung der Wärme-Übertragungseinheit (10) sind die beiden Lüfterreihen (31/l und 31/r), gesehen in Längsrichtung des Wärmetauschers (11), um den halben Durchmesser einer Lüfteröffnung (29a) gegeneinander versetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertragungseinheit für eine lufttechnische Anlage zur Raumklimatisierung mittels auf definierte Temperatur-Mittelwerte einstellbarer Luftströme, und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten gattungsbestimmenden Merkmalen.
Bei einer solchen Einheit ist mindestens ein Wärmetauscher vorgesehen, der ein Register gut wärmeleitender, dünnwandig plattenförmiger Tauscherlamellen umfasst, die z. B. aus Aluminium bestehen. Diese Lamellen stehen mit einem zur Zu- und Abführung temperierten Wärmetransportmediums vorgesehenen Rohrsystem in gutem Wärmekontakt, so dass die Temperatur des Lamellenregisters rasch der Temperatur des eingespeisten Wärmetransportmediums folgen kann und, z. B. in einem Heizbetrieb, gegenüber dieser, über den Wärmetauscher hinweg gesehen ein im wesentlichen konstantes Gefälle hat.
Der Wärmetauscher hat, seiner äußeren Gestaltung nach, die Form eines langgestreckten, flachen Quaders, der bezüglich einer Anordnung von Lüftern, mittels derer der zu temperierende, in den zu klimatisierenden Raum einzuleitende Luftstrom durch den Wärmetauscher hindurch geleitet wird. Er ist so angeordnet, dass seine Längsmittelebene, die parallel zu den schmalen "fiktiven" Längsbegrenzungsflächen des Plattenregisters verläuft und senkrecht zu den beiden, als Hüllflächen ebenfalls nur fiktiven Längsbegrenzungsflächen und damit auch senkrecht zu der Ebene verläuft, die durch die koplanaren Öffnungsränder der Lüfter markiert ist, die als flach bauende Axiallüfter ausgebildet sind.
Bei einer bekannten Wärmeübertragungseinheit dieser Art ( EP-1411303 B1 ) sind die zur Erzeugung des Temperier-Luftstromes vorgesehenen Lüfter entlang des Wärmetauschers verteilt angeordnet, wobei die – kreisrunden – Luftaustrittsöffnungen dieser Lüfter Öffnungsweiten haben, die, abgesehen von kleinen Mindermaßen, der Breite des Wärmetauschers entsprechen, der von den Ausgangsluftströmen dieser Lüfter im Temperierungsbetrieb angeströmt ist.
In einem für eine gute Ausnutzung der Temperierwirkung geeigneten Grenzfall der Auslegung der bekannten Wärmeübertragungseinheit sind die Lüfter unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet, so dass insoweit ein maximaler Betrag der Anströmfläche, deren Breite dem Durchmesser der Luftaustrittsöffnungen der Lüfter entspricht, zur Anströmung mit Luft ausgenutzt ist. Angeströmt wird hierbei von jedem einzelnen der Lüfter ein ringflächenförmiger Bereich, dessen äußerer Durchmesser gleich oder annähernd gleich der Breite des Wärmetauschers ist und dessen innerer Rand den „abgeschatteten" Bereich markiert, der durch die Lüfternabe bzw. den Lüftermotor gegen eine Anströmung abdeckt bzw. konstruktiv von einer Anströmung ausgeschlossen ist.
Die bekannte Wärmeübertragungseinheit ist aufgrund ihres insoweit geschilderten Aufbaus und ihrer hierdurch bedingten funktionellen Eigenschaften mit zumindest den folgenden Nachteilen behaftet:
Die Lüfterflügel der eingesetzten Axiallüfter sind verhältnismäßig lang, so dass an ihren radial äußeren Enden entsprechend hohe Umfangs- bzw. Luftgeschwindigkeiten auftreten, die zu einer erheblichen Geräuschentwicklung führen können, was bei einem Einsatz der Wärmeübertragungseinheit in Büro- oder Wohnräumen unerwünscht ist.
Ein erheblicher Anteil der den Wärmetauscher durchströmenden Luft tritt durch diesen in Randbereichen hindurch, die relativ weit vom zentralen Wärmetauscherbereich liegen, in dem in der Regel aus konstruktiven Gründen die Wärmetransportrohre des Wärmetauschers verlaufen und demzufolge, z. B. im Heizbetrieb, die auf relativ hohem Temperaturniveau befindlichen Bereiche des Wärmetauschers angeordnet sind, d. h. vergleichsweise weit entfernt von dem zentralen Bereich, in dem ein besonders effizienter Wärmeaustausch möglich wäre.
Die in radialer Richtung relativ groß bauenden Ventilatoren sind natürlich auch in axialer Richtung mit einem vergleichsweise großen Raumbedarf behaftet, die durch die Größe der Antriebsmotoren bedingt ist.
Daher müssen bei einer Montage solcher bekannter Wärmeübertragungseinheiten in Schächten diese auf eine vergleichsweise große Tiefe ausgelegt sein, was gebäudeseitig mit einem entsprechend erhöhten Bau bzw. Kostenaufwand verknüpft ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Wärmeübertragungseinheit der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, das bei gleichwohl geringer Geräuschentwicklung eine hohe Effizienz der Wärmeübertragung erzielbar ist und eine eine kostengünstige Realisierung der Klimatisierungseinrichtung insgesamt ermöglichende Gestaltung der Wärmeübertragungseinrichtung erzielt wird.
Ausgehend von einer Wärmeübertragungseinheit der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1, dem Grundgedanken nach und in näher spezifizierten Einzelheiten durch die Merkmale der Unteransprüche gelöst.
Hiernach sind zur Erzeugung des den Wärmetauscher durchsetzenden Luftstroms mindestens zwei Reihen von Lüftern vorgesehen, die, unmittelbar nebeneinander verlaufend, innerhalb eines – zentralen – streifenförmigen Bereiches angeordnet sind, dessen Breite signifikant kleiner ist als die Breite B des Wärmetauschers und, abgesehen von schmalen Randbereichen, die zur Montage der Lüfter erforderlich sind, höchstens etwa gleich dem halben Wert dieser Breite ist.
Hierdurch werden im Vergleich zu der bekannten Wärmeübertragungseinheit zumindest die folgenden Vorteile erzielt: Durch die Konzentration der Lüfteranordnung in dem streifenförmigen "inneren" Bereich des Wärmetauschers, in dem konstruktiv die Wärmetransportmedium-Führungsrohre angeordnet sind, wird eine erhöhte Effizienz der Wärmeübertragung erzielt. Hierdurch bedingt können vergleichsweise kleine Lüfter verwendet werden, deren Betrieb nur mit einer entsprechend geringen Geräuschentwicklung behaftet ist. Wegen des geringen Raumbedarfes der Lüfter ist auch der Raumbedarf der Klimatisierungseinrichtung insgesamt reduziert.
Dies gilt insbesondere für den Dimensionierungsbereich gemäß Anspruch 2.
Die gemäß Anspruch 3 versetzte Anordnung der beiden Lüfterreihen führt zu einer erhöhten Effizienz der Wärmeübertragung, die gemäß den Merkmalen des Anspruchs 4 noch einer Optimierung zugänglich ist, die zwar mit einem konstruktiven Mehraufwand verknüpft ist, der jedoch mit nur begrenzten Mehrkosten verbunden ist, die in kurzer Zeit amortisierbar sind.
Weitere Einzelheiten der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen
1 eine schematisch vereinfachte Ansicht einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit, gesehen im Schnitt längs einer Ebene, die rechtwinklig zur Verlaufsrichtung von den Wärmetauscher durchsetzenden Wärmetransportmedium-Führungsrrohren und parallel zu den Ebenen von Wärmetauscherlamellen des Wärmetauschers verläuft und
2a spezielle Anordnungen zweier Reihen von Axiallüftern, die den
2c den Wärmetauscher durchströmenden, zur Klimatisierung genutzten Luftstrom erzeugen.
Die in der 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Wärme-Übertragungseinheit ist – mit dieser Funktion – als Element einer Klimatisierungseinrichtung gedacht, mittels dessen in einem Teilbereich eines zu klimatisierenden Raumes temperierte – gekühlte oder erwärmte – Luft in den Raum einleitbar sein soll.
Diese Wärme-Übertragungseinheit 10 umfasst einen insgesamt mit 11 bezeichneten Wärmetauscher, mittels dessen ein zur Raumklimatisierung genutzter Zuluftstrom, der mittels einer insgesamt mit 12 bezeichneten Lüfteranordnung erzeugbar ist, erwärmbar oder kühlbar ist.
Die Wärme-Übertragungseinheit 10 ist bei dem zur Erläuterung gewählten Anwendungsbeispiel in die Bodenkonstruktion des zu klimatisierenden Raumes integriert, derart, dass der Wärmetauscher 11 und die Lüfteranordnung 12 in einem schacht- oder rinnen-förmigen – nach oben offenen Raumbereich 13 der Bodenkonstruktion angeordnet sind, der durch ein begehbares Gitter 14 abgedeckt ist, dessen freie, den Luftdurchtritt ermöglichende Querschnittsflächen hinreichend groß sind, dass der Zuluftstrom praktisch ungehindert – von unten nach oben – in den zu klimatisierenden Raum einströmen kann. Das Gitter 14 ist so angeordnet, dass die obere Einhüllende 15 seiner Gitterstäbe 14/g koplanar mit der angrenzenden Bodenfläche 16 verläuft.
Der rinnenförmige Aufnahmeraum 13, von dem die Wärme-Übertragungseinrichtung 10 aufgenommen ist, ist an seiner Unterseite durch eine betonierte Boden- bzw. Deckenplatte 17 des mit der Klimatisierungsanlage ausgestatteten Gebäudes gebildet, während die seitlichen Begrenzungen 18/l und 18/r im wesentlichen durch die senkrecht zur Bodenplatte 17 verlaufenden Randstirnflächen einer auf die Bodenplatte aufgebrachten Estrich-Schicht 18 gebildet sind, die sichtseitig den Bodenbelag trägt, dessen Oberseite koplanar mit der oberen Einhüllenden 15 der Gitterstege 14/g verläuft.
Für das zur Erläuterung gewählte Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass der rinnen-förmige Aufnahmeraum 13 der Bodenkonstruktion, gemessen zwischen der Bodenfläche 16 des Raumes und der Oberseite der Bodenplatte 17 eine Tiefe t von 150 mm und eine lichte Weite W von ca. 400 mm habe, und dass die vertikale Dimension des Gitters 14 einschließlich seiner Abstützung im oberen Bereich des Hohlraumes 13 einen Wert um 30 mm habe, wobei die vertikale Dimension der Gitterstäbe 14/g nur der Hälfte dieses Werts entspricht, und dass der Wärmetauscher 11 eine horizontale Breite B von 200 mm und eine Höhe von etwa 50 mm habe; weiter betrage die Gesamthöhe der den Wärmetauscher 11 und die Lüfteranordnung 12 umfassenden Wärme-Übertragungseinheit 10 um 100 mm, d. h. etwa 2/3 der Tiefe des Aufnahmeraums 13, und es sei die Wärme-Übertragungseinheit 10 so angeordnet, dass die horizontale Mittelebene 19 des Wärmetauschers 11 in einem vertikalen Abstand h von der Bodenfläche 21 des Aufnahmeraumes 13 verläuft, der etwa 3/5 der Tiefe t des Aufnahmeraums 13 der Bodenkonstruktion entspricht.
Bei einer Gesamthöhe der Wärme-Übertragungseinheit um 100 mm verbleibt zwischen dieser und der Bodenfläche 21 des Aufnahmeraums 13 ein Abstand von etwa 40 mm, und zwischen der Oberseite des Wärmetauschers 11 und der Oberfläche 16 der Bodenkonstruktion ist ein Abstand von etwa 50 mm vorhanden, innerhalb dessen das Gitter 14 einen Höhenanteil von etwa 15 mm einnimmt. Alles in allem gesehen, befindet sich die Wärme-Übertragungseinheit 10 gleichsam in der Mitte zwischen dem Raumboden 16 und der Bodenfläche 21 des Aufnahmehohlraums 13, so dass für Montageelemente zur Fixierung des Wärmetauschers 11 sowie für Einstellelemente zur Justierung der Wärmetauscher- und Lüfterelemente, die insgesamt bei Kenntnis des Zweckes mit gängigen Mitteln realisierbar sind, genügend Raum vorhanden ist. Eine mehr in die Einzelheiten gehende Erläuterung solcher Elemente wird nicht als erforderlich angesehen.
In Einklang mit den insoweit erläuterten Dimensionsrelationen der Wärme-Übertragungseinheit 10 und der Bodenkonstruktion haben die rechteckigplattenförmigen Lamellen 22 eine typische Breite B von 200 mm und eine typische Höhe h_l von ca. 45 mm. Die Lamellen 21 haben in einer typischen Gestaltung des Wärmetauschers 11 einen Abstand von ca. 10 mm voneinander und eine Dicke um 0,8–1 mm. Sie sind in einem lediglich schematisch angedeuteten, der Grundform nach U-profilförmig, nach oben offen gestalteten Montagerahmen 23 gehalten, der auch die Lüfteranordnung 12 trägt.
Die Lamellen 22 des Wärmetauschers 11 stehen mit einem in der 1 lediglich schematisch angedeuteten, insgesamt mit 25 bezeichneten, in für sich gesehen üblicher Gestaltung realisierten Rohrsystem in thermisch gutem Kontakt, über das die Zu- und Rückführung des temperierten Wärmetransportmediums – in der Regel Wasser – erfolgt.
In einer typischen Gestaltung der Axialventilatoren 24, die bei der insoweit erläuterten Wärme-Übertragungseinrichtung 10 eingesetzt werden, haben diese eine axiale, d. h. in Richtung der Drehachsen 26 ihrer Lüfterräder 27 gemessene, Bauhöhe h_v von ca. 25 mm, der Durchmesser D, der durch ein zylindrisches Mantelteil 28 in radialer Richtung begrenzten, kreisrunden Eintrittsöffnungen 29_e und Austrittsöffnung 29_a beträgt ca. 60 mm, wobei in der Darstellung der 1 und 2a bis c die Wanddicken der zylindrischen Mantelteile 28 vernachlässigt sind und die Axialventilatoren 24, der Einfachheit hal ber, lediglich durch die kreisrunden Ränder ihrer Austrittsöffnungen 29/a repräsentiert sind.
Bei sämtlichen dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Axialventilatoren 24 in zwei einander benachbarten Reihen 31/l und 31/r angeordnet, derart, dass die beiden Ebenen 32/l und 32/r (2a), die durch die Drehachsen 26 der einen, "linken" Ventilatorreihe 31/l und der anderen, "rechten" Ventilatorreihe 31/r aufgespannt sind, parallel zu der zentralen, "vertikalen" Längsmittelebene 33 der Wärmeübertragungseinheit 10 verlaufen, die senkrecht auf der Bodenfläche 21 des Aufnahmehohlraums 13 der Bodenkonstruktion steht.
Gesehen in der vereinfachten Darstellung der 2a sind die beiden Lüfterreihen 31/l und 31/r, innerhalb derer die Öffnungsränder 34/n und 34/n – 1 bzw. 34/n + 1 sich jeweils in einem Punkt 36/b berühren, der auf der jeweiligen Achsebene 32/l oder 32/r liegt, einander unmittelbar benachbart und symmetrisch bezüglich der Längsmittelebene 33 angeordnet, so dass sich die Öffnungsränder 34/n der quer zur Längsmittelebene 33 gesehen einander benachbarten Lufteröffnungen ebenfalls in Punkten 37/b berühren, die auf der Längsmittelebene 33 der Wärmeübertragungseinheit 10 liegen.
Die Breite des Streifens 38, der gemäß der Darstellung der 2a durch die beiden gestrichelt eingezeichneten Geraden 38/l und 38/r berandet ist und innerhalb dessen die Austrittsöffnungen sämtlicher Axialventiltoren 24 liegen, hat bei dem zur Erläuterung dargestellten Ausführungsbeispiel gemäß 2a den Wert 2D.
Dies gilt auch für die Anordnung der Axialventilatoren 24, die beim Ausführungsbeispiel gemäß 2b realisiert ist, das sich vom Ausführungsbeispiel gemäß 2a jedoch dadurch unterscheidet, dass die beiden Ventilatorreihen 32/l und 32/r, in Längsrichtung der Wärmeübertragungseinrichtung 10, d. h. in Richtung des Pfeils 39 der 2b gesehen, um den Betrag D/2 gegeneinander versetzt sind.
Bei dieser Anordnung der Ventilatoren 24 der beiden Reihen 32/l und 32/r ergibt sich, verglichen mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 2a, mindestens innerhalb des streifenförmigen zentralen Bereichs 38 eine gleichmäßigere Durchströmung des Wärmetauschers 11.
Dies gilt, a forteriori, auch für die Anordnung der Axiallüfter 24 gemäß der 2c, bei der die Öffnungsränder 34 der Lufteröffnungen jeweils insgesamt zwei Berührungspunkte mit denjenigen nächstbenachbarten Öffnungsrändern haben, deren Öffnungsachsen die eine Achsebene, z. B. die Achsebene 32/r aufspannen, die auch die "eigene" Achse des betrachteten Öffnungsrandes enthält, sowie insgesamt zwei weitere Berührungspunkte mit denjenigen nächstbenachbarten Öffnungsrändern haben, deren Öffnungsachsen auf der bezüglich der zentralen Längsmittelebene 33 gesehen gegenüberliegend angeordnete Achsebene 32/l liegen.
Während bei den Ausführungsbeispielen gemäß den 2a und 2b der Abstand der "Achsebenen" 32/l und 32/r, die von den Drehachsen der beiden Ventilatorreihen aufgespannt sind, dem Durchmesser D der Ventilator-Austrittsöffnungen 34 entspricht, ist bei der Lüfteranordnung gemäß 2c, bei der eine gleichsam "dichteste" Anordnung der Öffnungsränder gegeben ist, der Wert D' des Abstandes der beiden Ventilatorreihen 32/l und 32/r durch die Beziehung
gegeben, der signifikant kleiner ist als der Wert D. Dementsprechend ergibt sich beim Ausführungsbeispiel gemäß 2c eine gedrängtere Anordnung der Ventilatoren 24 innerhalb des streifenförmigen Bereiches 38 der Wärmeübertragungseinrichtung 10 bzw. ihres Wärmetauschers 11 und demgemäß eine noch gleichmäßigere Durchströmung desselben als im Falle der Anordnung gemäß 2b.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 1411303 B1 [0004]

Claims

Wärme-Übertragungseinheit (10) für eine lufttechnische Anlage zur Raumklimatisierung mittels auf definierte Temperaturmittelwerte einstellbarer Luftströme, mit einem Wärmetauscher (11), der ein Register wärmeleitender Tauscherlamellen (22) umfasst, die mit einem Rohrsystem für die Zu- und Abführung von Wärmetransportmedium in gutem Wärmekontakt stehen, und mit einem System (12) von Lüftern (24), mittels derer der temperierte Luftstrom durch den Wärmetauscher (11) hindurch leitbar ist, wobei der Wärmetauscher der äußeren Form nach eine flach quaderförmige Konfiguration hat, deren horizontale Längsmittelebene (19) parallel zu einer Ebene verläuft, in der die Ränder der abströmseitigen Austrittsöffnungen der Lüfter verlaufen, die mindestens einen Teil des Zuluftstromes durch den Wärmetauscher treiben, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Reihen (31/l und 31/r) von Lüftern (24) vorgesehen sind, die unmittelbar nebeneinander verlaufend innerhalb eines streifenförmigen Bereichs (38) angeordnet sind, dessen Breite, abgesehen von schmalen Randbereichen, die zur Montage der Lüfter erforderlich sind, höchstens gleich dem doppelten Wert des Durchmessers D der Austrittsöffnungen (29/a) ist.
Wärme-Übertragungseinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleicher Dimensionierung der jeweiligen Lüfter (24) die Breite b des streifenförmigen Bereiches, innerhalb dessen die Öffnungen der Lüfter angeordnet sind, zwischen 1/5 und 1/2 der Breite B des Wärmetauscher-Lamellenregisters (11) beträgt.
Wärme-Übertragungseinheit (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lüfterreihen (31/l und 31/r), gesehen in Längsrichtung des Wärmetauschers (11) um den halben Durchmesser einer Lufteröffnung (29a) gegeneinander versetzt sind.
Wärme-Übertragungseinheit (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Lüfterreihen (31/l und 31/r) bezüglich der senkrecht zu den breiten Begrenzungsflächen des quaderförmigen Aufnahmeraumes des Wärmetauschers (11) verlaufenden Längsmittelebene (33) desselben soweit aufeinander zu versetzt sind, dass, abgesehen von schmalen, zur Montage erforderlichen Randbereichen, die – kreisrunden – Ränder der Querschnittsflächen der Austrittsöffnungen (29/a) der beiden Lüfterreihen (31/l und 31/r) sich in jeweils zwei Punkten berühren.