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Die
Erfindung geht von der Gattung aus, wie im unabhängigen
Anspruch 1 angegeben.
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Wärmeübertrager
Wasser-Luft (oder umgekehrt) sind bekannt, z. B. als Luftkühler
mit Kaltwasser, Wasserkühler mit Umgebungsluft.
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Bevorzugt
wird eine Luftströmung zwischen flachen Wasserkanälen,
keine Rohrstruktur, sondern ähnlich Plattenwärmetauscher-Prinzip
eine Struktur mit vielen parallel durchlaufenen, nebeneinander angeordneten
schmalen Flächenkanälen; jede Kanalwand wirkt
als Wärme übertragende Fläche. Eine möglichst
turbulente Flüssigkeitsströmung ist für
guten Wärmeübergang wasserseitig wichtig. Dabei
haben alle Oberflächen eine Wellenstruktur. Das sorgt für
eine turbulente (Flüssigkeits-)Strömung. Wichtiger
ist noch eine vergrößerte Oberflächen
bei gleich bleibendem Gesamtvolumen.
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Luftseitig
dagegen sind möglichst glatte, flache Oberflächen,
möglichst keine Engstellen oder Richtungsänderungen
wichtig für möglichst geringen Strömungsdruckverlust.
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Die
beiden Medien (Fluida) sollen möglichst senkrecht zueinander
strömen, d. h. im Kreuzstrom. Dadurch kann flüssigkeitsseitig
entlang der Wellenlinien eine turbulente Strömung erreicht
werden, luftseitig entlang der Berg- bzw. Tal-Linien ist die Strömung
ungestört (wählt man die Luftkanäle enger
bzw. einen höheren Luftdurchsatz so erreicht man auch hier
beliebig turbulente Strömung).
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Verschiedene
angeströmte Kanaldurchmesser für die beiden Medien
können unabhängig voneinander verwirklicht werden.
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Wasserseitig
kann zudem durch einfache Einteilungen eine mäanderförmige
Strömung innerhalb der einzelnen Flächenkanäle
erzwungen werden. Somit ist ein sog. Kreuz- Gleichstrom oder auch ein
Kreuz-Gegenstrom zu erreichen.
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Durch
das Kreuzstromprinzip ergibt sich die Zuführung der beiden
Medien auf verschiedenen Seiten. Strömt etwa die Luft von
unten nach oben so kann man Wasser auf den Seiten in die einzelnen
Kanäle leiten. Damit sind die Lufteinlässe in
ihrem freien Querschnitt nicht zusätzlich durch die Wassereinlässe
beschränkt.
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Dieses
Prinzip ist beispielsweise mit Edelstahl-Platten (z. B. 0.5 mm Materialstärke)
mit Wellblech-Profil zu verwirklichen. Diese würden jeweils paarweise
einen wellenförmigen Spalt bilden, als Wasserkanal. Durch
ein Gerippe im jeweils angrenzenden Luftkanal können die
Platten gegen den Wasserdruck gegenseitig stabilisiert werden.
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Vorteile
dieses Prinzips etwa gegenüber parallel umströmten
Rohrbündeln liegen vor allem in der Möglichkeit,
das gasförmige oder auch zu verdampfende Medium (zum Beispiel
als Rieselfilm) in senkrechten Kanälen ohne Engstellen
mit gleichmäßigen, technisch einfach zu verwirklichenden
Wandflächen mit der Flüssigkeit im Wasserkanal
in thermischen Kontakt zu bringen.
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Vor
allem bei Direktverdampfer-Anwendungen werden die Wärmeübergangs-Koeffizienten
auf der Seite des zu verdampfenden Rieselfilms höher, je weniger
die Richtung beispielsweise der Plattenstrukturierung eines gewöhnlichen
Plattenverdampfers von der Senkrechten abweicht. Gewöhnliche Plattenwärmetauscher
sind als Rieselfilmverdampfer daher meist ungeeignet, da bei einer
steilen Plattenprägung (etwa beim verbreiteten Fischgrät-Muster) gleichzeitig
der Wärmeübergang auf der Flüssigkeitsseite
durch die abnehmende Turbulenz geringer wird.
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Die
hier beschriebene Kreuzstromführung zwischen einfachen
Wellblech-Platten ergibt für beide Medium-Seiten die jeweils
optimalen Bedingungen.
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Solche
Lösungen gibt es im großen Maßstab mit
prinzipiell analogem Prinzip etwa als Verdampfer für die
Fruchtsaft-Konzentrierung. Für klimatechnische, kleine
Anwendungen ist die direkte Anwendung solcher Speziallösungen
allerdings zu aufwendig. Hierfür wäre eine Konstruktion
etwa von den oben beschriebenen Platten in Kunststoffrahmen gestapelt
sehr einfach denkbar.
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Folienwärmetauscher:
Die Verwendung von Kunststoffen als Wandmaterial in Wärmetauschern ist
naturgemäß durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit
nur eingeschränkt möglich. Kann man die Wanddicke
jedoch stark verringern, hin zur Verwendung von Kunststoff-Folien,
so bietet sich unter Umständen eine sehr günstige
Alternative, wie einige Luft-Luft-Wärmetauscher aus gerade
noch selbst stabilisierenden Kunststoff-Matrizen auf dem Markt gezeigt
haben.
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Relevanter
Stand der Technik ist in folgenden Druckschriften wiedergegeben:
- – In der DE 698 01 982 T2 (entspricht EP 0 952 913 B1 ), 2 bis 4,
ist ein Wärmetauscherelement beschrieben, bei dem die Außenwände einer
Wärmetauscherplatte durch zwei Folienwände gebildet
sind. Jeweils zwischen zwei linienförmig miteinander verbundenen
Folien werden durch Dampfdruck Kanäle aufgebläht,
zwischen denen einander parallele Furchen verlaufen.
- – Bei dem Plattenwärmetauscher entsprechend der US 3,157,229 , 3,
wird ein Wärmetauschmedium zwischen zwei gewellten Metallwänden
im Zickzack durch Löcher einer metallischen Mittelwand
geführt.
- – DE 23
32 944 C2 , 2, zeigt einen Wärme- oder
Massentauscher, bei dem ein Wellblech beidseitig mit einer Membran überzogen
ist, die durch den Druck von Blut, das außen über
die Membranen fließt, etwas in die Wellentäler
des Wellbleches gedrückt wird. Durch den verbleibenden
Querschnitt der Wellblechtäler strömt in Längsrichtung
Sauerstoff.
- – Die EP 0 013 075 , 3 und 4 sowie
Spalte 7, Zeilen 7 bis 10, und Spalte 6, Zeilen 16 bis 41, offenbart
einen Massen- oder Wärmetauscher, bei dem in drei Etagen
angeordnete Kanäle für zwei hindurch strömende
Flüssigkeiten zueinander parallel verlaufen. Die Strömungen
sind verwirbelt, so dass sie Querkomponenten aufweisen, die aber
nur in den äußeren Etagen dadurch verstärkt
sind, dass die Kanäle Öffnungen zu ihren Nachbarkanälen
derselben Etage aufweisen. Die mittlere, beidseitig gebauchte Etage
weist sich Öffnungen nicht auf.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung mit relativ hoher Wärmetauschleistung
zu schaffen, die sich mit mäßigem Aufwand herstellen
lässt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmetauscher
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Von
besonderem Vorteil ist, dass der spezielle Aufbau aus Folien die
kontinuierliche Serienfertigung mit Hilfe von Folienbahnen erleichtern
kann.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen
Einrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Anhand
zweier Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nun näher
erläutert. Dabei deuten gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen
Figuren auf einander entsprechende Teile und/oder Funktionen hin.
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Es
zeigen schematisch:
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1:
einen Querschnitt durch zwei Grundbausteine eines ersten Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Folienwärmetauschers,
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2:
eine perspektivische Ansicht eines Abschnittes von einem Grundbaustein
eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen
Folienwärmetauschers,
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3:
einen Querschnitt durch einen Stapel mit mehreren Grundbausteinen
entsprechend 2.
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4:
einen Teil eines schematischen Schnittbildes durch einen Grundbaustein
nach 2,
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5:
einen Teil einer schematischen Draufsicht eines Grundbausteins nach 2.
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Gemäß dem
Schnittbild nach 1 enthält ein Grundbaustein
des ersten Ausführungsbeispiels eine Wärmetauscherplatte,
die an das Fluid (z. B. Luft L) grenzt, von dem oder zu dem Wärme
zu transportieren ist. Dabei besteht die Wärmetauscherplatte aus
zwei Außenwand-Folien AF1, AF2, die entlang von zueinander
parallelen Streifen S miteinander derart alternierend lückenhaft verschweißt
oder verklebt sind, dass ein Wärmetauschmedium W (z. B. Kühlwasser)
quer zu den Streifen S von einem Zuflusskanal Wz zu einem Abflusskanal
Wa durch Lücken der Schweiß- bzw. Klebenaht und
quer durch Tunnel T fließen kann, wobei die Tunnel dadurch
entstanden sind, dass die Folien AF1, AF2 jeweils zwischen den Streifen
S durch den Betriebsdruck des Wärmetauschmediums aufgebläht
sind.
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Zwischen
zwei Tunneln sind längs den Streifen S Furchen F entstanden,
die in Richtung senkrecht zur Zeichenebene gewellt sind, weil zum
einen verschweißte/verklebte Stellen und zum anderen aufgeblähte
Durchlässe für das Wärmetauschmedium
W einander abwechseln.
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Von
den drei Linien, die im Bereich der Streifen S in der Zeichnung
dargestellt sind, verdeutlicht die mittlere Linie eine geschnittene
Schweiß-/Klebestelle (im Folgenden Koppelelement Z genannt),
wo die Außenwand-Folien AF1, AF2 miteinander verbunden
sind; die beiden äußeren Linien zeigen in der Ansicht
die zwischen zwei (senkrecht zur Zeichenebene aufeinander folgenden)
Schweiß-/Klebestellen aufgeblähten Folien AF1
und AF2, wobei dort zwischen AF1 und AF2 ein Durchlass für
das Wärmetauschmedium W entstanden ist.
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Unterhalb
des oberen Grundbausteins (Wz, Z, T, F, S, AF1, AF2, Wa) ist in
der Zeichnung noch ein zweiter Grundbaustein derselben Art angeordnet. In
der Praxis kann man weitere solche Grundbausteine ergänzen
und in prinzipiell bekannter Weise in ein Gehäuse einbauen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel nach 2 dienen
wiederum Folien AF1, AF2 als flüssigkeitsdichte Außenwand-Folien
einer Wärmetauscherplatte. Diese besteht (wie sich aus
dem Folgenden noch ergeben wird) aus drei miteinander verbundenen
Folien AF1, G, AF2.
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Bei
Betriebsdruck eines Wärmetauschmediums W, das zwischen
den Außenwand-Folien AF1, AF2 durchleitbar ist (um dort
strömend Wärme zu transportieren), bilden beide
Außenwand-Folien AF1, Af2 mit ihren Außenflächen
Furchen F aus, die zueinander parallel und längs Streifen
S verlaufen und zwischen denen sich Ausbauchungen bilden.
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Die
beiden Außenwand-Folien AF1, AF2 sind durch Abstand haltende
Koppelelemente Z miteinander verbunden, die jeweils an zwei benachbarten
Furchen F unterschiedlicher Außenwand-Folien angreifen.
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Die
Koppelelemente Z sind so gestaltet, dass das Wärmetauschmedium
W vorwiegend quer zu den Furchen F zwischen den Außenwand-Folien AF1,
AF2 hindurch an den Koppelelementen vorbei strömen kann.
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Einer
relativ leichten Herstellbarkeit kommt zugute, dass die Koppelelemente
Z Bestandteile eines Foliengitters G sind, das an den Furchenbereichen,
das heißt längs den Streifen S an den Außenwand-Folien
AF1, AF2 befestigt ist. Weiterhin wirkt es sich erleichternd auf
den Herstellungsprozess aus, dass das Foliengitter G aus einer gelochten
Folie besteht.
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Bei
kontinuierlicher Herstellung eines erfindungsgemäßen
Folienwärmetauschers aus Folienbahnen, ist es von Vorteil,
dass das Foliengitter G – quer zu den Furchen F einer Folge
von Furchen entweder der einen (AF1) oder der anderen (AF2) Außenwand-Folie
gemessen – die gleiche Länge aufweist wie jener
Bereich der entsprechenden Außenwand-Folie, welcher die
entsprechende Folge von Furchen F aufweist. Mit anderen Worten:
Im nicht aufgeblähten Zustand (also bei der Herstellung
sowie noch vor Inbetriebnahme) sind die Folien AF1, G und AF2 untereinander
gleich lang in Richtung senkrecht zu den Streifen/Furchen.
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3 deutet
an, wie ein im Querschnitt gezeigter Stapel von mehreren Grundbausteinen
nach 2 angeordnet sein kann. Der Stapel ist in an sich bekannter
oder weiterentwickelter Weise in ein Gehäuse einzubauen,
und die Räume zwischen den Grundbausteinen werden im Betrieb
von dem Wärme abgebenden oder aufnehmenden Fluid (beispielsweise
Luft) durchspült.
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Für
die Herstellung eines Grundbausteins kann die
EP 0 952 913 B1 (=
DE 698 01 982 T2 )
Anregungen geben.
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Wenn
in der Wärmetauscherplatte Wasser als Wärmetauschmedium
fließt, kann sie auch als Wasser-Flächenkanal
bezeichnet werden. Dieser besteht entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
aus drei ursprünglich ebenen Folienlagen, die in Richtung
senkrecht zu den Streifen S untereinander gleich lang sind, nämlich:
- – Foliengitter G: Dickere Trägerfolie
(z. B. 150–200 μm), mit regelmäßigem
Lochmuster (z. B. 4 mm Lochdurchmesser, 6 mm Lochmittenabstand in
beiden Dimensionen), welche die Koppelelemente Z enthält,
- – Zwei Außenwand-Folien AF1, AF2: evtl. dünner (z.
B. 50–100 μm), einfache Folien.
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Die
zwei ursprünglich ebenen Außenwand-Folien werden
entlang den Streifen S1, S2, S und den (sich erst im Betrieb bildenden)
Furchen F in einer Dimension zwischen den Löchern des Foliengitters
mit diesem fest, dauerhaft und bevorzugt durchgehend dicht verbunden
(z. B. Klebe- oder Schweißnaht, z. B. 1 mm breit). Dies
geschieht mit einer der Außenwand-Folien auf einer Seite
nach jeder zweiten Lochreihe (d. h. z. B. Linien-Nähte,
jeweils im Abstand von z. B. 12 mm), mit der anderen Außenwand-Folie
auf der anderen Seite des gelochten Foliengitters an jeder vorher
frei gebliebenen Linie.
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Dadurch
entstehen Tunnel T jeweils zwischen dem Foliengitter- und der Außenwand-Folie entlang
der Nähte. Diese Tunnel sind nun in Querrichtung durch
die Löcher im Foliengitter G miteinander verbunden; es
entsteht ein Flächenkanal für das Wärmetauschmedium
W (z. B. Wasser). Prinzipiell kann dieser Flächenkanal
in jeder Richtung durchströmt werden.
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Um
jedoch einen Kreuzstrom zu verwirklichen, wird Wasser in diesem
Flächenkanal durch die Löcher senkrecht zu den
Nahtlinien fließen, das zu kühlende Medium (z.
B. Luft) hingegen außerhalb, und zwar jeweils in Richtung
der Nahtlinien (Streifen S/Furchen F).
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Durch
den Wasserdruck stabilisiert sich ein Folienstapel gemäß 2 (und 2)
von selbst; es genügt daher, wenn man die Ränder
in einen geeigneten Rahmen mit geringer mechanischer Beanspruchung
spannt.
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4 und 5:
Alle
Nähte sollen nicht durchgehend bis zum Rand einer Folienfläche
gehen, sondern von den Außenwand-Folien soll bevorzugt
auf allen Seiten ein Rand stehen bleiben. Aus diesem kann man einerseits, evtl.
in Verbund mit einer stärkeren Folie oder einem stabilen
U-Profilrahmen die Zuflusskanäle/Verteilung der Flüssigkeit
herstellen und andererseits durch nachträgliches Verschweißen/Verkleben
auf den Seiten, auf denen keine Flüssigkeits-Zuleitung
nötig ist, den Flächenkanal auf sehr einfache
Weise dicht abschließen. Dies zeigt 4 (schematisches
Schnittbild durch einen Grundbaustein nach 2) bzw.
die entsprechende Seitenansicht in 5.
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Beim
Verschweißen der Folien können bevorzugt jeweils
zwei Schichten (Foliengitter, Außenwand-Folie) gleichzeitig
miteinander verbunden werden, und die Materialien müssen
den gleichen Schmelzpunkt haben (z. B. alles aus Polypropylen).
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Die
Beengung des Luftströmungsquerschnitts (also der Abstand
zwischen den Grundbausteinen in 3) kann
sehr gering gehalten werden, da die Breite des an dieser Stelle
bereits verschlossenen Wasserkanals für einen Kanal zur
Querverteilung der Lösung auf die einzelnen flachen Zwischenräume
ausreicht. Dazu wird die Endnaht der Wasserkanäle ausreichend
breit bzw. doppelt ausgeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 69801982
T2 [0015]
- - EP 0952913 B1 [0015, 0038]
- - US 3157229 [0015]
- - DE 2332944 C2 [0015]
- - EP 0013075 [0015]
- - EP 69801982 T2 [0038]