DE102013003905B4

DE102013003905B4 - Modulwärmeübertrager in lüftungstechnischen Geräten

Info

Publication number: DE102013003905B4
Application number: DE102013003905.3A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Taut; Simon Benzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2020-01-23
Anticipated expiration: 2033-03-09
Also published as: DE102013003905A1

Abstract

Wärmeübertrager-Modul (20) zum Aufbau eines Wärmeübertragerverbunds (33) - vorzugsweise zur Realisierung von Kreislaufverbundsystemen in lüftungstechnischen Anlagen -, wobei flüssigkeitsdurchströmte Rohre (1) quer zu einem Lamellenpaket (2) angeordnet und wärmeleitend mit diesem verbunden sind, und in Kreuz-Gegenstrombauweise Wärme zwischen der Flüssigkeit in den Rohren (1) und in Lufteintritts-Richtung durch das Lamellenpaket (2) strömender Luft übertragen wird, wobei jedes Modul (20) als Serienbauteil identisch ausgebildet ist, und durch mehrfache Anordnung der Module (20) in Breite und Höhe quer zur Lufteintritts-Richtung Gesamtabmessungen des Wärmeübetragerverbunds (33) in bestimmten Rastern realisiert werden können, wobei die Einzel-Module (20) nicht mehr individuell angepasst werden müssen, sondern nur noch durch eine flüssigkeitsseitige Parallelschaltung zu dem Gesamt-Verbund (33) zusammengesetzt werden müssen, wobei das Einzel-Modul (20) in einem Raster gefertigt ist, dessen Breite (32) und Höhe (31) quer zur Lufteintritts-Richtung ca. 610 mm x 305 mm oder 610 mm x 610 mm beträgt, wobei die Toleranz des Rastermaßes +/-20 mm beträgt, wobei das Modul (20) eine Baulänge (30) in Lufteintritts-Richtung aufweist, die so groß wie möglich ist, aber noch eine Reinigbarkeit gemäß bekannter Vorschriften gewährleistet und nach der Formel berechnet wird:um mit einer Baustufe maximale Rückwärmzahlen zu erzielen.

Description

Stand der Technik
In lüftungstechnischen Geräten sind Lamellenwärmeübertrager zur Wärme- und Kälterückgewinnung in sogenannten Kreislaufverbundsystemen bekannt und werden in großer Zahl eingesetzt. Dabei wird Wärme in der Zuluft und Abluft zwischen einem Luftstrom und einem Flüssigkeitsstrom übertragen, wobei die Luft durch ein Paket mit parallel angeordneten Lamellen strömt und die Flüssigkeit durch Rohre geführt wird, die quer zu den Lamellen angeordnet werden.
Als Maß für die Qualität dieser Kreislaufverbundsysteme ist die Rückwärmzahl oder auch der Temperaturwirkungsgrad bekannt. Je besser der gewünschte Wirkungsgrad, desto größer muss die Wärmeübertragerfläche (Lamellenfläche) dimensioniert werden. Ziel beim Bau von Wärmeübertragern ist ein wirtschaftliches Optimum zwischen Materialeinsatz und den damit verbundenen Investitionskosten und dem Energieertrag zu finden. Hochwertige Systeme haben derzeit Rückwärmzahlen von ca. 75%. Eine Definition ergibt sich in der VDI Richtlinie 3803 Blatt 5. Höhere Wirkungsgrade sind nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich.
Figurenliste
Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen

1: Prinzip eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmeübertrager-Moduls
1a: Ein waagerechter Schnitt durch das Wärmeübertrager-Modul gemäß 1
2: Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungs-Moduls
3: Ein Ausführungsbeispiel eines Wärmeübertragungsverbunds aus Modulen gemäß 2

Um die Wärmeübertrager zu optimieren gilt, dass zwischen der Flüssigkeit (z.B. Wasser oder Wasser/Frostschutzgemisch) und der Luft ein sogenannter Gegenstrom realisiert wird. In den betrachteten Lamellenwärmeübertragern wird der bestmögliche Gegenstrom dann erreicht, wenn entsprechend Bild 1a die flüssigkeitsführenden Rohre 1 mäanderförmig im Lamellenpaket 2 geführt werden. Die Mäander werden in horizontalen Lagen 5 übereinander angeordnet. Die Rohrenden für den Flüssigkeits-Ein- und -Austritt werden jeweils mit einem Sammler 3 verbunden, der die Flüssigkeit auf die einzelnen Lagen 5 verteilt und wieder zusammenführt. In der Senkrechten bilden die übereinanderliegenden Rohre 1 sogenannte Rohrreihen 6. Die Anzahl der Flüssigkeitsdurchgänge (Pässe) pro Lage 5 entspricht also der Anzahl der Rohrreihen 6. Zwischen den Rohren 1 muss dabei wechselseitig eine Umlenkung 4 realisiert werden. Obwohl die Strömungsführung eigentlich einen Kreuz/Gegenstrom darstellt, wird rechnerisch ab einer Anzahl von ca. 20 Pässen ein nahezu idealer Gegenstrom erreicht. Rohrdurchmesser 16 und Rohrabstände 18 sind dabei wesentliche Konstruktionsparameter. Um eine Reinigung der Wärmeübertrager im Betrieb zu gewährleisten, ist in DIN Normen und VDI Richtlinien ein minimaler Lamellenabstand 12 gefordert und die maximale Baulänge 30 in Luftrichtung (also die Anzahl der Rohrreihen 6) beschränkt. Diese wird nach folgender Formel berechnet: $m a x . L a m e l l e n a b s t a n d [m m] = \frac{450 m m}{2 m m} * L a m e l l e n a b s t a n d [m m]$
(z.B. 562,5 mm bei 2,5 mm Lamellenabstand). Bei größerer Baulänge 30 müssen die Wärmeübertrager in Luftrichtung geteilt werden und zwei- oder mehrstufig ausgeführt werden. Dies ist mit Kosten und mit zusätzlicher Länge der lüftungstechnischen Geräte verbunden, da zwischen jeder Stufe eine Wartungskammer vorzusehen ist.
Idealerweise würden also in Luftrichtung einstufige Wärmeübertrager realisiert werden, wo die maximal zulässige Baulänge 30 ausgenutzt und dabei trotzdem ein ausreichend hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Unter Berücksichtigung weiterer Anforderungen, z.B. nach niedrigem luftseitigem Druckverlust und einem bestimmten Verhältnis zwischen Luftmenge und flüssigem Medium, ergeben sich eine Vielzahl von Optimierungsparametern.
Stand der Technik ist bisher, dass für jedes kundenspezifische lüftungstechnische Gerät diese Optimierungsberechnungen durchgeführt werden und ein bestmöglicher Wärmeübertrager individuell berechnet und angefertigt wird. Eine Modul-Bauweise von Lamellenwärmeübertragern für Kreislaufverbundsysteme ist bisher nicht bekannt. In der DE 34 33 598 A1 wird ein Schichtwärmetauscher beschrieben, bei dem aber jede Schicht individuell ausgelegt und an die Geräteabmessungen angepasst werden muss.
Mit der WO 2004/ 068 052 A1 ist ein Gegenstrom-Schicht-Wärmetauscher bekannt geworden, bei dem einzelne Module immer zwischen zwei Luftströmungsbereichen angeordnet sind und jede Schicht immer einen Wasserströmungskanal aufweist. Diese Wasserströmungskanäle werden beim Aufbau eines Modulblocks strömungstechnisch miteinander verschaltet.
Die DE 202 08 337 U1 zeigt eine Anordnung zum Klimatisieren eines Fahrzeugs, bei der einzelne Module mit verrippten Flachrohren mittels einer Sammelvorrichtung zu einem Kreislauf verschaltet sind.
In der DE 18 47 822 U wird ein Wärmetauscher beschrieben, bei dem mehrere Zweige von Rohrschlangen innerhalb des Wärmetauschers liegen und in inniger Berührung mit gewellten Wärmeaustauschteilen liegen.
Durch die individuelle Anfertigung sind auch nur bestimmte Fertigungsverfahren möglich und üblich. In der Regel werden die Lamellen 2 auf die Rohre 1 „aufgefädelt“ und die Rohre 1 anschließend aufgeweitet, um eine mechanische und wärmetechnische Verbindung zwischen Rohr 1 und Lamelle 2 zu erreichen. Die Rohrumlenkungen 4 werden in der Regel als separate Bögen 14 hergestellt und mit den Rohren 1 verlötet.
Eine modulare Bauweise ist erfindungsgemäß möglich, wenn der Gesamtwärmeübertrager in optimierte standardisierte Einzelmodule 20 zerlegt werden kann, die nicht mehr individuell angepasst werden müssen, sondern nur noch durch Parallelschaltung in der Breite und in der Höhe quer zur Lufteintritts-Richtung zu einem Gesamt-Verbund 33 zusammengesetzt werden müssen (siehe Bild 3). Mehrere Module 20 werden flüssigkeitsseitig parallel geschaltet. Es muss dabei beachtet werden, dass sich die Flüssigkeit gleichmäßig auf die Module verteilt. Die Merkmale und die Ausführung der Einzelmodule 20 werden einmalig optimiert und bleiben im Weiteren für alle Anwendungen unverändert. Die Wärmeübertrager werden also nicht mehr durch geometrische Variation an die technischen Vorgaben angepasst, sondern die technischen Eigenschaften ergeben sich aus der geometrisch optimierten Ausführung.
Neben den Wärmeübertragern enthalten lüftungstechnische Geräte u.a. auch Ventilatoren, Schalldämpfer und Luftfilter. Diese Luftfilter werden als sogenannte Taschenfilter in vorgefertigten Einheiten hergestellt. Das Rastermaß für die Luftfilter beträgt näherungsweise 610 mm x 610 mm bzw. 305 mm x 610 mm für eine halbe Filtertasche. In lüftungstechnischen Geräten werden oft Vielfache dieses verbreiteten Rastermaßes in der Höhe und Breite verwendet. Daraus werden dann wiederum Gerätebaureihen abgeleitet. Für die erfindungsgemäßen Modulwärmeübertrager wird dieses Rastermaß aufgegriffen und es ergeben sich Module mit einer Breite 32 von 610 mm und einer Höhe 31 von 305 mm oder alternativ 610 mm, die beliebig kombiniert werden können.
Unter Berücksichtigung der bekannten Randbedingungen, Forderungen und thermodynamischen Optimierungsmöglichkeiten ergibt sich erfindungsgemäß ein Wärmeübertrager mit Rohrdurchmessern 16 von ca. 3-6 mm, Rohrabständen 18 in Lufteintritts-Richtung von ca. 14-16 mm und bis zu vierzig Rohrreihen 6. Damit lässt sich ein optimaler Gegenstrom realisieren und Rückwärmzahlen im einstufigen System von bis zu 75% und mehr erreichen.
Durch die einfache Modulbauform können die Wärmeübertrager baulich stark vereinfacht werden und z.B. auch in bisher unüblichen Materialkombinationen und neuen Fertigungsverfahren einfach und in Serie hergestellt werden. Z.B. können Lamellen 2 und Rohre 1 aus Aluminium (AI) bestehen und durch die kompakte Bauform in automatisierbaren Fertigungsverfahren (Ofenlöten oder Kleben...) hergestellt werden. Die Materialkombination AI/AI führt zu sehr leichten Wärmeübertragern, die später auch leicht recycelt werden können.
Vorteilhaft werden bei kleinen Rohrdurchmessern 16 keine Umlenkbögen 14 eingesetzt, sondern Umlenkkästen 8, die eine wechselseitig versetzte Umlenkung 4 ermöglichen und mit einer sehr geringen Aufbauhöhe eine maximale Nutzung der Gerätequerschnittsfläche ermöglichen, wie dies in 2 dargestellt ist. Der Umlenkkasten 8 übernimmt damit gleichzeitig die Funktion des Flüssigkeitsammlers 3 am Flüssigkeits-Ein- und -Austritt. Die Flüssigkeitsanschlüsse können dabei vorzugsweise in Luftrichtung angeordnet werden, wie in 2 dargestellt ist. Die Lagen 5 sind in senkrechter Richtung bezüglich der Bauhöhe 31 durch den Umlenkkasten 8 miteinander verbunden. Dies ermöglicht bei der Befüllung der Module 20 eine einfache Entlüftung und bei Bedarf eine vollständige Entleerung.

Claims

Wärmeübertrager-Modul (20) zum Aufbau eines Wärmeübertragerverbunds (33) - vorzugsweise zur Realisierung von Kreislaufverbundsystemen in lüftungstechnischen Anlagen -, wobei flüssigkeitsdurchströmte Rohre (1) quer zu einem Lamellenpaket (2) angeordnet und wärmeleitend mit diesem verbunden sind, und in Kreuz-Gegenstrombauweise Wärme zwischen der Flüssigkeit in den Rohren (1) und in Lufteintritts-Richtung durch das Lamellenpaket (2) strömender Luft übertragen wird, wobei jedes Modul (20) als Serienbauteil identisch ausgebildet ist, und durch mehrfache Anordnung der Module (20) in Breite und Höhe quer zur Lufteintritts-Richtung Gesamtabmessungen des Wärmeübetragerverbunds (33) in bestimmten Rastern realisiert werden können, wobei die Einzel-Module (20) nicht mehr individuell angepasst werden müssen, sondern nur noch durch eine flüssigkeitsseitige Parallelschaltung zu dem Gesamt-Verbund (33) zusammengesetzt werden müssen, wobei das Einzel-Modul (20) in einem Raster gefertigt ist, dessen Breite (32) und Höhe (31) quer zur Lufteintritts-Richtung ca. 610 mm x 305 mm oder 610 mm x 610 mm beträgt, wobei die Toleranz des Rastermaßes +/-20 mm beträgt, wobei das Modul (20) eine Baulänge (30) in Lufteintritts-Richtung aufweist, die so groß wie möglich ist, aber noch eine Reinigbarkeit gemäß bekannter Vorschriften gewährleistet und nach der Formel berechnet wird: $m a x . B a u l ä n g e [m m] = \frac{450 m m}{2 m m} * L a m e l l e n a b s t a n d [m m],$
um mit einer Baustufe maximale Rückwärmzahlen zu erzielen.
Wärmeübertrager-Modul (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Baustufe maximale Rückwärmzahlen im Bereich von 70-76% erzielt werden, und insbesondere die Baulänge (30) 560 mm +/-20 mm beträgt.
Wärmeübertrager-Modul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrdurchmesser (16) der Rohre (1) ca. 2-8 mm, insbesondere 3-6 mm, und die Rohrabstände (18) in Lufteintritts-Richtung - und vorzugsweise bezüglich der Bauhöhe (31)- ca. 12-18 mm, insbesondere 14-16 mm, betragen.
Wärmeübertrager-Modul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden der Rohre (1) Umlenkkästen (8) angeordnet sind, die jeweils mindestens zwei Rohre (1) in Lufteintrittsrichtung miteinander verbinden und damit eine hydraulische Umlenkung im Gegenstrom zur Luftrichtung realisieren.
Wärmeübertrager-Modul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkkasten (8) mehrere übereinander angeordnete Lagen (5) von Rohren (1) miteinander verbindet, und damit durch einen einzigen Umlenkkasten (8) gleichzeitig an allen Rohrenden von zumindest zwei Rohrreihen (6) eine Umlenkung (4) für die Flüssigkeit realisiert ist.
Wärmeübertrager-Modul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellen (2) und Rohre (1) des Moduls (20) aus Aluminium und/oder einer Aluminiumverbindung gefertigt sind, und insbesondere mittels Kleben oder Ofenlöten miteinander verbunden sind.
Wärmeübertrager-Modul (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkästen (8) mit einer Endplatte (22) des Lamellenpakets (2) verbunden sind, und vorzugsweise durch eine flächige Verbindung abgedichtet werden, beispielsweise mittels Kleben oder Löten oder Schrauben mit eingelegter Dichtung, wobei insbesondere auf einer Seite des Moduls (20) mehrere Umlenkkästen (8) einstückig miteinander ausgebildet sind, und bezüglich der Lufteintrittsrichtung nach jedem zweiten Rohrende eine Trennwand (26) angeordnet ist, die sich über die gesamte Bauhöhe (31) erstreckt.
Wärmeübertragerverbund (33), zusammengesetzt aus mehreren Wärmeübertrager-Modulen (20) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Module (20) flüssigkeitsseitig parallel geschaltet sind, wobei die Flüssigkeitseintritte und Flüssigkeitsaustritte der einzelnen Module (20) mittels Versorgungsrohren (24) jeweils miteinander verbunden sind und insbesondere der gemeinsame Flüssigkeitseintritt und der gemeinsame Flüssigkeitsaustritt auf entgegengesetzten Seiten oder auf einer gemeinsamen Seite bezüglich Lufteintritts-Richtung angeordnet sind, wobei bei der gemeinsamen Seite der Flüssigkeits-Ein- oder -Austritt als Teil des Umlenkkastens (8) auf die gegenüberliegende Seite zurückgeführt wird, und vorzugsweise die vollständige Entlüftung und Entleerung des gesamten Wärmeübertragungsverbunds (33) über den gemeinsamen Flüssigkeitseintritt und den gemeinsamen Flüssigkeitsaustritt durchführbar ist.
Wärmeübertragerverbund (33) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkkästen (8) der einzelnen Module (20) als stapelbare Elemente (28) ausgebildet sind, die beim Zusammenfügen der Module (20) das Gewicht der Module (20) gegenseitig abstützen und insbesondere als Verbindungselemente (29) ausgebildet sind oder die Aufnahme von Verbindungselementen ermöglichen, wodurch bei einer Modulbauweise eine Verbindung und Fixierung der Module (20) untereinander ermöglicht wird und insbesondere die Umlenkkästen in der Höhe (31) soweit über das Lamellenpaket herausstehen, dass sich diese bei benachbarten Modulen nicht berühren.