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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscherplatine gemäß dem Oberbegriff des Patenanspruchs.
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Aus
DE10329153 ist eine Wärmetauscherplatine bekannt, deren paralleles Kanalprofil aus Rechteckformen gebildet ist.
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Außerdem sind ein Gebrauchsmuster
DE29620248 und ein Patent
DE19635552 mit einer Zickzackprofilform bekannt.
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Die erreichbare Wärmetauschfläche der jeweils o. g. beiden Profile erreicht nicht die Fläche des neuartigen Profils, da bei dem neuartigen Profil zwei Profile (1, 2 bzw. 5, 6) ineinandergesteckt (1, 4 und 18d) werden (Addition beider Profilflächen!).
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Bekanntlich kann die Wärmetauschfläche durch eine kleine Profilbreite (s) erhöht werden. Dies stößt allerdings an Grenzen beim Tiefziehprozess. Dieses Problem kann durch das Ineinanderstecken zweier unterschiedlicher Profile gelöst werden (1 bis 6, 18c). Zur Erreichung einer hohen Wärmetauschfläche muss dabei die Profilbreite (s) nicht so stark reduziert werden, da die Fläche bereits durch das Ineinanderstecken zweier Profile deutlich steigt.
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Bei großen Profilhöhen (h) und gleichzeitig kleiner Profilbreite (s) wird beim Sägezahn-Profil (1, 2) der Winkel α allerdings recht klein. Dies führt im Bereich des spitzen Winkels zu einem sehr engen Strömungsquerschnitt (F) (2). Durch die höhere Gleitreibung an der Wandung bezogen auf den engen Strömungsquerschnitt sinkt in diesem engen Querschnittsbereich die Strömungsgeschwindigkeit und somit die Wärmeübertragungszahl; der Druckverlust steigt.
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Zur Lösung dieses Problems wird in weiteren vier Beispielen zu neuartigen Profilvarianten das (spitze) Dreieck (3) durch eine „Hausform mit Pultdach“ (3a bis 6) ersetzt. Hier wird durch die parallelen Flanken (rechte und linke „Hauswand“) der Rechteck-Bereich in drei parallele, schmale Zonen aufgeteilt, die beidseitig jeweils einen guten Wärmefluss ermöglichen (kurzer Wärmestrom-Weg) (3a -Bereich G). Außerdem entfällt der spitze Winkel - er wird durch eine „Pultdach-Form“ ersetzt. Hierdurch sind deutlich bessere Strömungsverhältnisse möglich. Außerdem kann durch diese „Pultdach-Form“ die Wärmetauschfläche gegenüber der Dreieck-Form (1 und 2) gesteigert werden. Für alle beispielhaften vier neuartigen Profilvarianten (1, 4, 5, 6) gilt, dass die Summe beider Strömungs-Querschnittsflächen (A = B) identisch ist.
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Für die Entwicklung der Profilvarianten ist es hilfreich, die Profilstruktur in seine geometrischen Formen zu zerlegen.
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Innerhalb einer Platine wechseln sich (immer wiederkehrend) folgende zwei Formen ab: Pultdach und Rechteck, beide Formen teils mit abgeschrägten Ecken (Profilbereich G: siehe 3, 4). Beim Ineinanderstecken zweier profilierter Platinen (ober Platine (5) und untere Platine (6) - siehe 4) ragt jeweils eine Pultdach-Form (mit 0 bis 2 abgeschrägten Ecken) in ein Rechteckprofil (mit 0 bis 2 abgeschrägten Ecken) hinein (3). Die abgeschrägte Ecke kann sich dabei jeweils links oder rechts befinden.
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Die Schräge des Pultdachs kann nach links oder rechts geneigt sein.
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Im Prinzip lassen sich somit viele verschiedene Geometrien für eine Profilform realisieren. Für eine sinnvolle Gestaltung sollten allerdings zwei Randbedingungen eingehalten werden:
- 1. Wärmetauschflächen sollten nicht glatt übereinander liegen (Wärmetransport gehemmt, beidseitig gleiches Medium, Materialvergeudung)
- 2. Mehr als zwei unterschiedliche Profilformen sind nicht sehr wirtschaftlich (Produktionsablauf, Kosten für Tiefziehwerkzeuge).
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Diese zwei Randbedingungen lassen sich mit folgenden zwei Gestaltungsprinzipien umsetzen:
- a) Innerhalb eines Profilbereiches G ist die Summe der abgeschrägten Ecken bei Rechteck und Pultdach = 2 (3).
- b) Auf einer Seite (links bzw. rechts) sollte in der Summe immer nur eine abgeschrägte Ecke platziert sein (3).
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Üblich ist, dass die Strömungsquerschnittsflächen der beiden Medien A und B gleich groß sind, da in Wärmetauschern oft die beiden Volumenströme annähernd gleich groß bemessen sind (z. B. in der Wohnungslüftung: Abluft = Zuluft).
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Mit diesen o. g. Gestaltungsprinzipien lassen sich verschiedene Profile formen, von denen in 3a bis 6 vier abgebildet sind.
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Im Detail X (4a) ist eine parallel ausgerichtete Schräge
- - an der nach unten zeigenden Spitze des Pultdaches (7) und
- - an der Schräge der Rechteckform (8)
zu erkennen, was zu gleichlangen Wärmestromlinien (zwischen den Parallelen) führt; dies ist vorteilhaft für den Wärmeübertragungsprozess.
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Zur besseren Entformung beim Tiefziehen können die parallelen Flanken des Pultdach-Profils leicht konisch (5b, 6b) gestaltet werden (3b).
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Durch die Abrundung oder Abflachung der Ecken kann ein besserer Tiefzieh-Erfolg erreicht werden, d. h. Ausdünnen und Löcher im Tiefziehmaterial können weitgehend vermieden werden.Durch einen (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen (17) oder sinuskurvenähnlichen (18) Verlauf der Profilstruktur (11, 12) lässt sich die Länge des Strömungsfadens und damit die Verweildauer und Wärmetauschdauer erhöhen, was zur Verbesserung der Wärmetauschleistung führt. Die Wärmetauschfläche vergrößert sich durch die Zickzackstruktur (11) um ca. 6 %, wobei bereits die Flächenverluste im Randbereich(R) (11b) einkalkuliert sind.Bei einem (in Strömungsrichtung gesehenen) zickzackförmigen Profilverlauf (17) wird die Wärmeübergangszahla durch Turbulenzen erhöht. Dabei verlaufen die übereinanderliegenden Profile synchron (5, 5a) (13). Um ein sicheres Übereinanderliegen der Platinen zu gewährleisten, wird entweder an der Abschrägung (12) des Rechteckes der Winkel vergrößert (z. B. von 45° auf 60° bis 90° - 13a) oder es wird ein Aufsitz (19) vorgesehen, der an Stelle der Schräge am Rechteck den 90°-Winkel auf einer begrenzten Strecke (I) ausformt (13a).Damit wird gleichzeitig die Wärmeübertragung durch Flächenvergrößerung und Turbulenz verbessert.
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Zur Verbesserung des Wärmerückgewinnungsgrades und des Druckverlustes sowie zur Minderung der Einfriergefahr ist ein gutes Abfließen des Kondensats im Wärmetauscher-Profil vorteilhaft. Zu diesem Zweck kann das erfindungsgemäße Profil derart abgewandelt werden, dass die mit der Spitze nach unten gerichteten Profilelemente (y) nicht bis in die „Kondensatwanne“ (x) hineinragen, sondern durch eine Verkürzung der Profilhöhe um Δ h (7, 19d und e) die Profilspitze (y) über der „Kondensatwanne“ (x) schwebt. Somit bildet sich über vier Profilbreiten (4s) eine Wanne aus, die rechts und links von zwei unproblematischen Winkeln (2 x 90° oder 90° und 135°) begrenzt wird (19 d und e). Beim Stand der Technik bilden sich innerhalb von vier Profilbreiten (4s) zwei „Kondensatwannen“ mit insgesamt zwei sehr spitzen Winkeln β (19a) oder mit 4 Winkeln aus: 4 x spitze Winkel γ (19b) oder 4 x rechte Winkel (19c), woraus ersichtlich wird, dass beim Stand der Technik erheblich mehr Adhäsionskräfte den Kondensatablauf hemmen.
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Bei Wärmetauschern mit senkrecht angeordnetem Profil ist es sinnvoll, beidseitig (also „unten“ und „oben“) eine „Kondensatwanne“ vorzusehen (9 und 10).
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Daher wird die Δ h-Verkürzung auch bei der nach „oben“ zeigenden Profilspitze (z) vorgenommen (9).
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Die damit verbundene Verringerung der Wärmetauschfläche ist geringer als der Gewinn an effektiver Wärmetauschfläche durch besser abfließendes Kondensat und damit freiwerdender Wärmetauschfläche. Dies gilt für eine solche Konstruktion, bei der die Δ h-Verkürzung der Profilspitzen nur auf diesen Streckenabschnitt am Ende des Wärmetauschers (in Strömungsrichtung des auskondensierenden Luftstromes) begrenzt ist, bei dem Kondensation (It. Berechnung oder Test) zu erwarten ist.
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Eine weitere Erhöhung der Wärmetauschfläche kann dadurch erreicht werden, wenn die verkürzte Spitze in ein Rechteck (7a, 9a) gewandelt wird (8 bis 10).
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Zur Arretierung der profilierten Platinen ist im erforderlichen Abstand C ein Aufsitz (w) zur benachbarten Platine hin erforderlich (9 und 10). Die beiden zum Aufsitz (w) benachbarten Profilelemente (u1, u2) sind vorteilhafterweise verkürzt (z. B. um Δ h), um nicht (wegen des Aufsitzes (w)) die Tiefziehhöhe vergrößern zu müssen. Der Aufsitz (w) kann auch auf einen kurzen Streckenabschnitt begrenzt sein. Die Profil-Varianten mit der Profilhöhen-Verkürzung (Δ h) sind neben des verbesserten Kondensatabflusses auch sinnvoll hinsichtlich der Vergrößerung des Abstandes h (Abstand der profilierten Platinen), wodurch die Anzahl an Platinen für einen Wärmetauscher reduziert werden kann (wirtschaftlicher Vorteil).
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Durch den in Strömungsrichtung gesehenen zickzackförmigen Profilverlauf wird insbesondere bei großen Profilhöhen auch der in größerer Profiltiefe befindliche Strömungsbereich E (4, 11a) verwirbelt, bewirkt durch die häufige Umlenkung an den Ecken (17) (11b).
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Der Vorteil der Verwirbelung kann auch durch V-förmige Ausbuchtungen (20) erreicht werden (14).
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Die V-förmigen Ausbuchtungen (20) verlaufen bei allen übereinanderliegenden Platinen synchron. Die V-förmige Ausbuchtung (20) kann auch bei einem zickzackförmigen Profilverlauf eingebaut sein (16).
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Die V-förmigen Ausbuchtungen können auch bogenförmig (21) ausgeführt sein (U-Form) (15).
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Die Verteilung der Medien in die Profile (Kanalverteiler) wird in 17a und b dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 2
- Wärmetauscher-Platine mit Sägezahnprofil
- 3, 4
- spitzes Dreieck
- 5, 6
- Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil in Ebene 1
- 5a, 6a
- Wärmetauscher-Platine mit Pultdach-Profil in Ebene 2
- 5b, 6b
- Pultdach-Profil mit leicht konischen Flanken
- 7
- Spitze am Pultdach - nach unten zeigend
- 7a
- Rechteck an Stelle der Pultdach-Spitze, nach unten zeigend
- 8
- Schräge an der Rechteckform - nach unten zeigend
- 9
- Spitze am Pultdach - nach oben zeigend
- 9a
- Rechteck an Stelle der Pultdach-Spitze - nach oben zeigend
- 10, 11, 12
- Schräge an der Rechteckform - nach oben zeigend
- 13, 14
- 90°-Winkel am Rechteck (ohne Abschrägung)
- 15, 15a
- Schräge am Pultdach - beide Neigungen zueinander gegenläufig
- 16, 16a
- Schräge am Pultdach - beide Neigungen zueinander gleichgerichtet
- 17
- zickzackförmiger Verlauf der Profilstruktur
- 18
- sinuskurvenähnlicher Verlauf der Profilstruktur
- 19
- Aufsitz, rechteckförmig
- 20
- V-förmige Ausbuchtung
- 21
- U-förmige Ausbuchtung
- A
- erstes Medium
- B
- zweites Medium
- C
- seitlicher Abstand innerhalb einer Platinen-Breite, nach der sich der Aufsitz wiederholt
- D1
- Profilbereich in Platine 5
- D2
- Profilbereich in Platine 5a
- E
- Teil des Strömungsquerschnitts, der bei größerer Profiltiefe im hinteren Bereich liegt
- F
- Strömungsquerschnitt im spitzen Winkel-Bereich
- G
- Profilbereich
- P
- eine Periode
- R
- Randbereich der profilierten Platine
- h
- Profilhöhe
- I
- Länge des Aufsitzes
- s
- Profilbreite
- u1, u2
- neben dem Aufsitz (w) beidseitig benachbarte Profilelemente (verkürzt wegenTiefziehhöhe)
- w
- Aufsitz-Arretierung zur benachbarten Platine
- x
- Kondensatwanne
- y
- Spitze am Spitzdach, nach unten zeigend, um Δ h verkürzt, über der „Kondensatwanne“ (x) schwebend
- z
- Spitze am Pultdach, nach oben zeigend, um Δ h verkürzt
- α
- eingeschlossener Winkel des Dreiecks
- β
- eingeschlossener Winkel beim Zickzackprofil
- γ
- spitzer Winkel zwischen Zickzackprofil und Zwischenebene
- Δ h
- Maß für die Profilhöhen-Verkürzung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10329153 [0002]
- DE 29620248 [0003]
- DE 19635552 [0003]
