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Die Erfindung bezieht sich auf Anlagen, bei denen die thermische Energie zwischen zwei strömenden Medien ausgetauscht wird, vorzugsweise auf Geräte zur dezentralen Be- und Entlüftung von Arbeitsräumen und Wohnungen sowie einzelner Räume unter gleichzeitigem Austausch der thermischen Energie der Medienströme.
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Energieeinsparziele für den Gebäudebereich und die gestiegenen Anforderungen an die Dichtheit der äußeren Gebäudehülle führen zu dem vermehrten Einbau von Modulen, die der kontrollierten maschinellen Wohnungslüftung dienen. Hierbei wird ein Teil der Raumluft als sogenannte Abluft aus den Wohn- und Arbeitsräumen abgezogen und als Fortluft nach außen geblasen. Gleichzeitig strömt Außenluft als sogenannte Frischluft, ebenfalls von einem Gebläse getrieben, nach der Passage durch eine Kammer, in der Abluft und Frischluft durch eine Folie oder ein Blech voneinander getrennt sind und idealerweise im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt werden, in den oder die Wohn- oder Arbeitsräume. Die Folie stellt die Hauptwärmetauscherfläche dar über die die thermische Energie von dem einem auf den anderen Medienstrom übertragen wird. Diese Fläche, die zu- und abführenden Kanäle zum Heran- und Fortführen der Medien von den Modulein- und ausgängen bis unmittelbar an die Hauptwärmetauscherfläche und die Ventilatoren stellen das Wärmerückgewinnungslüftungsmodul, im folgenden verkürzt als Lüftungsmodul oder Lüftungseinheit bezeichnet, der hier besprochenen Art dar. Bestandteil des Wärmerückgewinnungslüftungsmoduls kann eine eigene Einhausung sein, im einfachsten Fall aus Blech, Folie oder geschäumten Kunststoff. Die Einhausung kann aber auch von einem Teil des Gebäudes dargestellt werden, in den das Modul eingebaut wird. Der Vorteil einer dezentralen Lüftungseinheit ist primär der Wegfall langer Lüftungskanäle, wie sie bei einer zentralen Lüftungsanlage unvermeidlich sind, Wegfall des erhöhten Raumbedarfs zur Unterbringung der Luftverteilungsnetze und der geringere Leistungsbedarf der Ventilatoren.
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Stand der Technik sind zwei Wärmetauscherarten. Der Plattenwärmetauscher besteht, wie u. a. in
DE 197 37 158 A1 beschrieben, aus geschichteten Folien zwischen denen abwechselnd die Ab- und Zuluft geführt wird. Der Faltwärmetauscher dagegen besteht aus einem vielfach gefalteten Band, dem Faltflächenprofil, welches dazu dient zwischen zwei Kammern eine große Wärmeübertragungsfläche unterzubringen. Der Faltwärmetauscher wird häufig für die Kühlung von Schaltschränken, z. B.
DE 33 11 212 A1 sowie
DE 35 042 207 A1 , eingesetzt. Der Vorteil des Faltwärmetauschers liegt in seiner einfachen Herstellung und seiner flachen Bauart.
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Das Kernstück eines Faltwärmetauschers ist das Faltflächenprofil wie beispielhaft in 1 dargestellt. Das Faltflächenprofil besteht aus einem beliebig langen Band, mit (1) ist der Bandanfang bezeichnet, aus einem relativ frei wählbaren Werkstoff von in der Regel 0,1 mm Wandstärke, welches in Falten gelegt wurde und bei dem die Falten in der Hauptrichtung des Faltflächenprofils mehr oder weniger stark auseinander gezogen wurden. Die Hauptrichtung des Faltflächenprofils ist die Richtung in der sich Falte an Falte aneinanderreiht. In 1 ist die Hauptrichtung über das rechts eingezeichnete Koordinatenkreuz als x-Richtung definiert. Die Ausdehnung des Faltflächenprofils in dieser Richtung wird als Länge des Faltflächenprofils bezeichnet. Bei der Bezeichnung der Komponenten des Faltflächenprofils stellt man sich das Faltflächenprofil flach auf einem Arbeitstisch liegend vor. Entsprechend wurden die Achsen im eingezeichneten Koordinatenkreuz benannt.
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Unter einer einzelnen Faltung versteht man zwei nebeneinander liegende, auf in y-Richtung laufende und miteinander verbundene Folienstreifen, die mehr oder weniger parallel zueinander senkrecht zur Hauptrichtung und damit mehr oder weniger parallel zur z- und y-Richtung ausgerichtet sind. 1a zeigt vergrößert einen Abschnitt der sichtbaren Längsseite des in 1 dargestellten Faltflächenpofils. Die Punkte (2), (3), (4) gehören zu einer hervorgehobenen einzelnen Faltung. (3) bezeichnet den Beginn der geschlossenen Seite, die sich in der angedeuteten Pfeilrichtung weiter erstreckt. Die offene Seite liegt zwischen den Punkten (2) und (4) und erstreckt sich ebenfalls in Richtung des eingezeichneten Pfeils.
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Die Faltenbreite wird in y-Richtung gemessen und ist im wesentlichen durch die Breite des Bandes, welches zum Faltflächenprofil gefaltet wurde, bestimmt. Die Falten laufen in dieser Richtung nach beiden Seiten in die Stirnflächen aus. Eine Stirnfläche der hervorgehobenen Falte ist die Linie (2), (3), (4) und die von dieser Linie umschriebene Fläche. Das in 1 skizzierte Faltflächenprofil steht auf den Stirnflächen der Faltungen der einen Längsseite des Faltflächenprofils.
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Die Faltenhöhe ist gleich der Höhe der zwei Folienstreifen aus dem eine Faltung aufgebaut ist und gleich, in z-Richtung gemessen, dem Abstand vom geschlossenen Grund einer Faltung, hier ändert sich die Ausrichtung der Folie um annähernd 180°, bis zur Öffnung auf der gegenüberliegenden Seite oder anders ausgedrückt bis zu einer Fläche, die auf der gegenüberliegenden Seite auf den dort geschlossenen Seiten aufliegt und umgekehrt. Der Raum, der von einer Faltung umfasst wird, ist immer nur von der offenen Seite und von den Stirnseiten, sofern diese nicht abgedeckt oder verschlossen sind, aus zugänglich. Die miteinander verbundenen Folienstreifen einer Faltung können in die geschlossene Längsseite spitz einlaufen, aber auch in Form eines Radiusses oder die geschlossenen Seiten können eine Erstreckung in x-Richtung aufweisen. Im letzteren Fall kann man erreichen, dass der Abstand der Flächen einer Faltung immer gleich bleibt und ein im Querschnitt quaderförmiger Raum umschlossen wird.
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Aufgrund der geringen Dicke des Bandes können, wie z. B. auch in
DE102012003544.6 erwähnt, auch schlecht wärmeleitende Werkstoffe, z. B. gebräuchliche Kunststoffe in Form von Bändern, Folien oder als vakuumgeformte bzw. spritzgegossene Formteile, versteifte Gewebe und Papier zum Einsatz kommen. Je geringer der Abstand der Folienabschnitte in den Faltungen ist, umso effektiver ist der Wärmeaustausch, allerdings nimmt dabei der Strömungswiderstand zu. Wird für den Abstand der Folien einer Faltung ein in x-Richtung konstanter Wert von 4 mm gewählt und liegt die Höhe des so gebildeten quaderförmigen Raumes, also die Faltenhöhe zwischen 40 und 50 mm, und die Faltenbreite, d. h. der Abstand der Stirnflächen einer Faltung zueinander bei rund 500 mm so ergibt sich ein Strömungswiderstand von noch unter 10 Pascal. Bei 2 mm Faltenabstand ist der Widerstand schon so hoch, dass Axialventilatoren nicht mehr ausreichend Druck liefern und Radialventilatoren eingesetzt werden müssen.
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Die Belüftung eines Faltwärmetauschers erfolgt, in 1b schematisch mit den dunklen und hellen Pfeilen angedeutet, in der Regel durch Einblasen des Mediums zwischen die Falten nah an den Enden der Falten von der offene Längsseite her und Austritt in der Nähe der gegenüberliegenden Stirnflächen zur gleichen Seite hin. Das zweite Medium tritt in gleicher Weise auf der Gegenseite ein, in 1b ist das von unten und fließt in entgegengesetzten Richtung, im Gegenstrom, verglichen mit dem Medium der anderen Seite. Der Bereich zwischen dem Ein- und Austrittsstreifen, die Fläche ist mit (5) bezeichnet, wird abgedeckt, um das Medium in den Falten zu halten. Ebenfalls abgedeckt (6) sind die Stirnflächen der Faltungen selbst.
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Der Stömungsverlauf in einem Faltwärmetauscher ist weitestgehend laminar. da sich die Oberflächen der Falten nur mit deutliche Kostennachteilen strukturieren lassen. Dadurch ist der Wärmeübergangsbeiwert niedrig, Es werden sehr schnell Folienflächen von 4 bis 7 Quadratmetern und eine relativ große flächenmäßige Ausdehnung des Lüftungsmoduls von über einem Quadratmeter und mehr erforderlich. Diesen Nachteil soll mit der vorliegenden Erfindung abgeholfen werden. Dadurch soll es möglich werden, Lüftungsmodule auch in beengten Räumlichkeiten wie z. B. im freien Raum eines Rollladenkastens oder eines leergeräumten Rollladenkastens unterzubringen.
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Die Lösung wurde in einer Abwandlung des Strömungsverlaufs gefunden. Beim herkömmlichen Faltwärmetauscher fließt die Luft allein y-Richtung von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden, auf direktem Wege vom Ein- zum Auslass. Die gefundene Lösung sieht dagegen vor, dass sich die Luft zusätzlich zu dieser Fliessrichtung auch senkrecht oder zumindest unter einem von 0° abweichenden Winkel zu dieser herkömmlichen Richtung bewegt. Um dies zu erreichen wird die Faltenhöhe in einem ersten Schritt variabel gestaltet. In 2 ist eine Falte mit Blick in x-Richtung wiedergeben in der drei unterschiedliche Möglichkeiten der Höhenreduktion wiedergegeben sind. (7) bezeichnet die geschlossene Seite der in x-Richtung folgenden Falte und (8) die geschlossene Seite der Falte mit sichtbarer Höhenvariation. Die Herstellung der Variation der Faltenhöhen einer Falte ist einfach durch ein Zusammenschieben, Stauchen, Knüllen oder einen anderen Bearbeitungsschritt, der zu einer plastischen Verformung, eventuell thermisch unterstützt, des Faltenstücks mit geringer Höhe (in z-Richtung) führt, möglich. Werden jetzt in einem zweiten Schritt die Falten an den Stirnseiten verschlossen oder zumindest im Querschnitt reduziert bzw. stoßen sie wie in 1b gezeichnet mit den Stirnseiten gegen die äußere Begrenzungswand, wird die Luft von einer Falte in die benachbarte übertreten und zwar an den Stellen, an denen die Faltenhöhe niedrig ist. Um ein unmittelbares Durchströmen des Wärmetauschers senkrecht zu den Falten zu verhindern, liegen die Stellen an denen die Falten niedrig sind, bei zwei benachbarten Falten in x-Richtung gesehen nicht auf einer Linie sondern sind zueinander versetzt. So wird erreicht, dass die Strömung nachdem sie die Falte gewechselt hat, wieder eine Strecke in der jetzt erreichten Falte zurücklegen muss. Durch den aufeinander folgenden Richtungswechsel ergibt sich eine deutlich turbulentere Strömung mit einem besseren Wärmeübergang. in einem dritten Schritt werden die Zu- und Abläufe zur Be- und Entlüftung des Moduls so verlegt, dass nur eine oder wenige Falten am Anfang und am Ende des Faltflächenprofils, in x-Richtung gesehen, her befüllt bzw. entleert werden. Man erreicht das einfach dadurch, dass man den Lufteintritt auf die Enden des Faltflächenprofils, in x-Richtung gesehen, beschränkt. Die Medien befüllen dann erst die erste Falte oder die ersten Falten einer Seite des Faltfächenprofils in y-Richtung fließend um dann durch Querströmen in Falten zu gelangen, die nicht unmittelbar mit dem Eintritt in Verbindung stehen. Der Austritt erfolgt analog oder über einen Teil oder die gesamte Breite der Längsseite. In 3 und 4 sind entsprechende Lösungen wiedergegeben. Der Medieneintritt kann z. B. über die Fläche mit den Eckpunkten (9) (10) (11) und (12) oder eine Teilfläche davon erfolgen. Alternativ kann auch auf die Flächen (11) (12) (13) und (14) oder die Teilfläche davon (11) (13) (15) und (16) zurückgegriffen werden. Auch ein Eintritt von der Seite über die Fläche (10) (11) (21) und (22) ist bei entsprechender Ausführung und Positionierung des Faltflächenprofils denkbar. Der Austritt folgt analog z. B. über (17) (18) (19) und (20). Mit der gestrichelten Linie sind jeweils die Stirnseiten des Faltflächenprofils, die gegen die seitliche Abdeckungen stoßen, wiedergegeben.
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Alternativ zu einer Fertigung des Faltflächenprofils mit unterschiedlicher Faltenhöhe können in die Abdeckung des Faltflächenprofils Vertiefungen eingearbeitet werden über die das Medium von einer Falte in die nächste übertreten kann.
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In einer vereinfachten Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann auch zwischen einem Faltflächenprofil mit konstanter Faltenhöhe und deren beidseitiger Abdeckung jeweils ein Spalt eingestellt werden über den das Medium von einem ins andere Tal übertreten kann. Durch die fertigungstechnischen Unzulänglichkeiten einer Produktion wird dieser Spalt nicht konstant sein was dann wieder Anlass zu einer Ausgleichsströmung in y-Richtung geben wird. Eine weitere Verstärkung dieser Wirkung wird sich durch Stege, die von der Abdeckung her in die offenen Seiten der Falten greifen, erreicht. Auch ein zwischen dem Faltwärmetauscher und der Abdeckung liegendes weiteres Bauteil (oder weitere Bauteile) kann die Strömung lenken.
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Um den Wärmeübergang weiter zu steigern wird die Folie falls erforderlich und dazu eignet sich besonders Aluminiumfolie, vor dem Falten oder während des Faltens so verformt, z. B. durch Knittern, dass die Oberfläche der Falten uneben wird.
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Wird als Eintrittsöffnung für die Befüllung zumindest für einen Medienstrom die Fläche in einer Ecke des Moduls z. B. (10) (11) (21) und (22) oder die Fläche (11) (13) (15) und (16) gewählt und erfolgt die Entlüftung auf dem gegenüberliegenden Ende über z. B. (17) (18) (19) (20) oder die gegenüberliegende Stirnfläche, die Seite auf der die x-Achse senkrecht steht, oder die analogen Flächen, falls der andere Medienstrom gewählt wird, ergibt sich ein geräuscharmer Austritt des transportierten Mediums.
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Außerdem kann dann das Gerät zur Befüllung des Moduls im Inneren des Moduls in einem messbaren Abstand von der Eintrittsöffnung angebracht werden und ggf. zwischen Eintrittsöffnung und dem Gerät zum Transport des Mediums, z. B. einem Ventilator, ein Schalldämpfer, z. B. Telefonieschalldämpfer, zwischengeschaltet werden oder das Gerät zum Transport des Mediums kann dann im Schalldämpfer selbst angeordnet werden.
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Alle die zuvor beschriebenen Maßnahmen können einzeln und in beliebiger Kombination miteinander eingesetzt werden. Das Entscheidende ist das Durchströmen des Faltflächenprofils nicht allein in y-Richtung.
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5 verdeutlicht dazu nochmals einen hervorgehobenen Strömungspfad. Dargestellt ist ein Modul mit entfernter oberer Abdeckung. Der Blick geht auf die offenenen und geschlossenen Seiten des Faltflächenprofils und die Gehäusewand. (27) kennzeichnet das eintretende und (28) das austretende Medium. Mit (29) ist die Gehäusewand gekennzeichnet gegen deren kurze Seiten das Faltflächenprofil mit seinen (30) offenen und (31) geschlossenen Seiten stumpf stößt. Die dunklen Stellen auf den geschlossenen Seiten des schematisch wiedergegeben Faltflächenprofils sind die Stellen an denen das eingeströmte Medium von einer offenen Seite einer Falte in die benachbarte übertreten kann. Nach der ersten Übertrittsstelle gliedert sich der Teilstrom weiter in die idealisiert wiedergegeben Subteilströme (32) und (33) auf, die sich idealerweise immer wieder an der nächste Übertrittsstelle treffen. (34) kennzeichnet den Ventilator dem mit (35) ein Schalldämpfer vor und ein zweiter (36) nachgeschaltet ist.
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Derartige Module eignen sich hervorragend zur Unterbringung in einem z. B. leergeräumten Rollladenkasten. Da in diesem Anwendungsfall als Bautiefe im wesentlichen nur die Wandstärke zur Verfügung steht, hätte ein herkömmlicher Wärmetauscher in Durchströmungsrichtung eine sehr geringe Erstreckung. Die Breite des Moduls läge dagegen bei 1 bis 2 Metern. Bei dem hier beschriebenen Modul kann die Strömungslänge beliebig eingestellt. Zu der Strecke senkrecht zur Wand addiert sich die Länge, die die Strömung jeweils in y-Richtung fließt, hinzu.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19737158 A1 [0003]
- DE 3311212 A1 [0003]
- DE 35042207 A1 [0003]
- DE 102012003544 [0008]
