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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Rotationswärmetauscher mit einem in einem Gehäuse um eine Hauptdrehachse drehbar gelagerten Wärmeübertragungskörper, mit einem durchströmbaren Abluftkanal und mit einem durchströmbaren Frischluftkanal, wobei der Wärmeübertragungskörper entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite durchströmbar ist.
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Stand der Technik
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Zum Zwecke der Wärmerückgewinnung in Belüftungsanlagen für Gebäude werden Wärmetauscher eingesetzt, die Wärme aus der Abluft auf die Frischluft übertragen. Dies geschieht mit dem Ziel eine möglichst große Wärmemenge zu nutzen. Hierbei werden ein Abluftstrom und ein Frischluftstrom derart aneinander vorbeigeführt, dass ein Wärmeübertrag vom Abluftstrom auf den Frischluftstrom erreicht werden kann. Hierzu sind im Stand der Technik etwa Rotationswärmetauscher bekannt, welche einen drehbar gelagerten Rotor aufweisen, welcher über einen Teil seines Querschnitts mit dem Abluftstrom beaufschlagt wird und über einen zweiten Teil seines Querschnitts mit dem Frischluftstrom beaufschlagt wird. Der Rotor weist dabei durchströmbare Kanäle auf, die von dem jeweiligen Luftstrom durchströmt werden können. Durch das Rotieren des Rotors werden so durch den Abluftstrom aufgewärmte Flächen in einen mit dem Frischluftstrom beaufschlagten Bereich gedreht. Dort geht die Wärme auf den Frischluftstrom über und erwärmt diesen.
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Nachteilig an den Rotationswärmetauschern im Stand der Technik ist insbesondere, dass der Rotor beziehungsweis die durchströmbaren Kanäle des Rotors nicht optimal für den Wärmeübertrag ausgestaltet sind. Daher ist die Effizienz des Gesamtsystems nicht optimal, wodurch ein zu großer Anteil der in der Abluft gebundenen Wärmemenge ungenutzt verloren geht.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rotationswärmetauscher zu schaffen, welcher eine optimale Wärmeübertragung zwischen zwei Gasströmen erlaubt, wobei insbesondere die Auslegung und der Aufbau des rotierbaren Wärmeübertragungskörpers optimiert ist.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Rotationswärmetauschers wird durch einen Rotationswärmetauscher mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Rotationswärmetauscher mit einem in einem Gehäuse um eine Hauptdrehachse drehbar gelagerten Wärmeübertragungskörper, mit einem durchströmbaren Abluftkanal und mit einem durchströmbaren Frischluftkanal, wobei der Wärmeübertragungskörper entlang einer Hauptdurchströmungsrichtung von einer ersten Stirnseite zu einer zweiten Stirnseite durchströmbar ist, wobei der Wärmeübertragungskörper eine Mehrzahl von Strömungskanälen aufweist, welche entlang der Hauptdurchströmungsrichtung durchströmbar sind und parallel zur Hauptdrehachse ausgerichtet sind, wobei die erste Stirnseite einen erstem Abschnitt aufweist, welcher eine Gaseinlasseite für den Abluftkanal bildet, und einen zweiten Abschnitt aufweist, welcher eine Gasauslassseite für den Frischluftkanal bildet, und wobei die zweite Stirnseite einen dritten Abschnitt aufweist, welcher eine Gasauslassseite für den Abluftkanal bildet, und einen vierten Abschnitt aufweist, welcher eine Gaseinlassseite für den Frischluftkanal bildet.
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Ein Rotationswärmetauscher dient dem Austausch von Wärme zwischen einem Abluftstrom, beispielsweise Abluft aus einem Wohnraum, und einem Frischluststrom, welcher besagtem Raum von außen frisch zugeführt wird. Sofern die Frischluft ein niedrigeres Temperaturniveau aufweist als die Abluft, kann so eine Erwärmung der Frischluft erreicht werden und so das Temperaturniveau in dem zu belüftenden Raum mit geringerem Heizaufwand gehalten werden. In der Abluft gebundene Wärme würde ohne einen solchen Wärmetausche ungenutzt an die Umgebung abgegeben werden.
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Der hierbei verwendete Wärmeübertragungskörper, welcher im Idealfall wie eine um eine Zentralachse drehbar gelagerte Scheibe aussieht, wird hierzu auf einem Teilabschnitt auf einer seiner Stirnseiten mit einem Abluftstrom beaufschlagt. Die Abluft strömt durch die diesem Abschnitt zugehörigen Strömungskanäle und gibt Wärme an die Struktur des Wärmeübertragungskörpers ab. Die abgekühlte Luft strömt auf der Gegenseite des Wärmeübertragungskörpers über einen Abschnitt der zweiten Stirnseite aus. Zeitgleich wird in einer entgegengesetzten Strömungsrichtung ein Abschnitt der zweiten Stirnseite mit Frischluft beaufschlagt und die diesem Abschnitt zugehörigen Strömungskanäle durchströmt. Aus einem letzten Abschnitt der ersten Stirnseite strömt diese Frischluft aus dem Wärmeübertragungskörper aus.
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Die jeweiligen Abschnitte der Stirnseiten sind durch die jeweiligen Querschnitte der Kanäle bestimmt, durch welche die Abluft zugeführt und abgeführt wird beziehungsweise durch die die Frischluft zugeführt oder abgeführt wird. Da der Wärmeübertragungskörper sich relativ zu diesen Kanälen dreht, sind auch die jeweils in diesen Abschnitten liegenden Strömungskanäle des Wärmeübertragungskörpers nur eine definierte Zeitspanne den jeweiligen Abschnitten zugeordnet. Durch das Drehen werden fortlaufend Strömungskanäle aus den jeweiligen Abschnitten herausrotiert und in andere Abschnitte hineinrotiert. Dies führt dazu, dass die von der Abluft erwärmten Strukturen des Wärmeübertragungskörpers in einen von der Frischluft beaufschlagten Bereich gedreht werden, und so ein Wärmeübertrag von der Struktur zurück auf den Luftstrom erfolgen kann.
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Bevorzugt wird ein Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeiten von Abluft und Frischluft zur Drehzahl des Rotationswärmeübertragungskörpers gefunden, welches einen günstigen Wärmeübertrag erlaubt und die entstehenden Druckverluste minimiert.
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Grundsätzlich ist eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit vorteilhaft, um einen möglichst hohe Wärmeübergangskoeffizienten zu erreichen. Dies ist insbesondere bei Strukturen, die eine turbulente Strömung erzeugen vorteilhaft. Da Wärmetauscher, wie insbesondere der erfindungsgemäße Rotationswärmetauscher, aber bevorzugt in Gebäuden eingesetzt werden, wird durch gesetzliche Regelungen eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von 2 m/s vorgeschrieben, um die Geräuschentwicklung zu begrenzen. Es ist daher besonders vorteilhaft, wenn die restlichen Parameter des Rotationswärmetauschers derart gewählt werden, dass trotz der durch den Gesetzgeber limitierten Strömungsgeschwindigkeiten eine möglichst optimale Wärmeübertragung erreicht werden kann.
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Darüber hinaus ist die maximaler Rotordrehzahl, also die Drehzahl des Wärmeübertragungskörpers, ebenfalls durch eine gesetzliche Vorgabe geregelt, wobei diese insbesondere 20 Umdrehungen pro Minute (rpm) nicht überschreiten darf.
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Auf die Effizienz eines Rotationswärmetauscher kann insbesondere durch die folgenden Parameter Einfluss genommen werden:
- - Folienwerkstoff,
- - Foliendicke,
- - Folienstruktur,
- - Zelldichte,
- - Wärmeübergangskoeffizient,
- - Wärmekapazität,
- - axiale Wärmeleitfähigkeit,
- - Strömungsgeschwindigkeit im Rotorträger, und
- - Rotordrehzahl.
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Die Folien bezeichnen hierbei die einzelnen bandartigen Elemente, aus welchen der Wärmeübertragungskörper aufgebaut ist. Hierbei bestimmen insbesondere die Foliendicke, der Werkstoff und die Zelldichte die Wärmekapazität des Wärmeübertragungskörpers. Die axiale Wärmeleitfähigkeit hingegen wird in besonders hohem Maße durch die Foliendicke und den Folienwerkstoff bestimmt. Der Wärmeübergangskoeffizient kann durch die Folienstruktur, die Zelldichte und die Strömungsgeschwindigkeit besonders wirkungsvoll beeinflusst werden.
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Auf Basis der gesetzlichen Grenzwerte für die Rotationsgeschwindigkeit und die maximal zulässigen Strömungsgeschwindigkeiten der Luftströme ergibt sich, dass die Effizienz eine Rotationswärmetauschers insbesondere durch eine hohe Wärmekapazität (hohe Zelldichte und hohe Werksstoffdichte, dickere Folie, wenn Stahl der Grundwerkstoff der Folien ist), eine niedrige axiale Wärmeleitfähigkeit (hohe Werkstoffdichte und dünne Folien) und einen hohen Wärmeübergangskoeffizienten (strukturierte Folien und hohe Zelldichte) erhöht werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeübertragungskörper eine Wärmekapazität von 300 J/(IK) und 500 J/(lK) aufweist. Die Wärmekapazität gibt hierbei die Wärmemenge an, welche durch den Wärmeübertragungskörper gespeichert werden kann. Der angegebene Bereich hierfür ist besonders vorteilhaft, um einen optimalen Wärmeübergang zu erzeugen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragungskörpers zwischen 8 W/(mK) und 250 W/(mK) beträgt. Unter den gegebenen Rahmenbedingungen ist die angegebene Wärmeleitfähigkeit optimal, um einen möglichst effizienten Wärmeübertrag zu ermöglichen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertragungskörper eine Zelldichte von 200 cpsi (cells per square inch) und 600 cpsi aufweist.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn der Wärmeübertragungskörper eine spezifische Oberfläche von 1,5 m2/I bis 5 m2/I aufweist. Durch die spezifische Oberfläche ist, abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit innerhalb der Strömungskanäle, die maximale Größe des Wärmeübertragungskörpers definiert. Unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeiten und der Drehzahl ist die vorgegebene spezifische Oberfläche besonders vorteilhaft.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertragungskörper einen Wärmeübertragungskoeffizienten von 30 W/(m2K) bis 100 W/(m2K) aufweist.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Wärmeübertragungskörper aus einer Mehrzahl von nicht strukturierten Glattlagen und/oder einer Mehrzahl von zumindest teilweise strukturierten Welllagen gebildet ist, wobei diese zu einem Lagenstapel aufeinandergestapelt und aufgewickelt sind. Im einfachsten Fall könnte ein solcher Lagenstapel, der im einfachsten Fall aus nur einer Welllage und einer Glattlage besteht, um einen einzelnen zentralen Dorn aufgewickelt werden. Auch können aufwändigeren Wickelverfahren vorgesehen werden. Durch die Verwendung von zwei Wickeldornen, kann etwa eine s-förmige Anordnung der Strömungskanäle über den Querschnitt des Wärmeübertragungskörpers hinweg erreicht werden. Durch die Beeinflussung der Wellung der zumindest teilweise strukturierten Folien kann direkt Einfluss auf die Größe der einzelnen zwischen den Glattlagen ausgebildeten Strömungskanäle eingewirkt werden. Durch eine gezielte Veränderung der Wellung entlang der Haupterstreckung der Folien, kann eine unterschiedliche Kanalgeometrie über den Wärmeübertragungskörper hinweg erzeugt werden. So könnte beispielsweise im radial äußeren Bereich des Wärmeübertragungskörpers eine andere Zelldichte erreicht werden als im Zentrum des Wärmeübertragungskörpers.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die Glattlagen und/oder die Welllagen eine Foliendicke von 30 µm und 60 µm aufweisen. Diese Stärke der Folien ist vorteilhaft, um eine einfache automatisierte Bearbeitung der Folien zu ermöglichen. Außerdem stellt diese Foliendicke sicher, dass die Wärmekapazität in dem besonders vorteilhaften Bereich gehalten werden kann.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Strömungskanäle zumindest teilweise turbulenzerzeugende Elemente aufweisen und/oder Öffnungen in ihren sie begrenzenden Wandungen, wodurch ein Überströmen zwischen zueinander benachbart angeordneten Strömungskanälen ermöglicht ist.
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Durch turbulenzerzeugende Elemente innerhalb der Strömungskanäle kann insbesondere eine turbulente Strömung erzeugt werden, was den Wärmeübergang von dem die Strömungskanäle begrenzenden und die Struktur des Wärmeübertragungskörper bildenden Material hin zu dem jeweiligen Luftstrom begünstigt. Somit kann sowohl die Abgabe von Wärme aus dem Luftstrom, genauer dem Abluftstrom, auf den Wärmeübertragungskörper verbessert werden, als auch der Wärmeübergang von dem Wärmeübertragungskörper auf den Luftstrom, genauer den Frischluftstrom.
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Turbulenzerzeugende Elemente können beispielsweise Rippen und Finnen sein, die von der Kanalwand in den Strömungskanal hineinragen. Auch eine gezielte Deformation der Kanalwand in den Querschnitt des Strömungskanal, beispielsweise durch eingeprägte Absätze, Sicken oder Dellen kann zu den turbulenzerzeugenden Elementen gehören. Die Folien, gleich ob Glattlage oder Welllage, können darüber hinaus auch eine eingeprägte oder anderweitig aufgebrachte Mikrostruktur aufweisen, welche als turbulenzerzeugendes Element wirkt. Eine solche Mikrostruktur ist insbesondere gegenüber der Wellung der Welllage deutlich feiner und weist geringere Strukturmaxima und Strukturminima auf.
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Auch Öffnungen, welche ein Überströmen zwischen zueinander benachbarten Strömungskanälen ermöglichen, sind vorteilhaft, um den Wärmeübertrag zu begünstigen. Die Öffnungen können zusätzlich bevorzugt Leitflächen aufweisen, die eine zielgerichtete Luftströmung zwischen den Strömungskanälen begünstigen.
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Es ist dabei besonders zu beachten, dass die gleichen Strömungskanäle zeitlich aufeinanderfolgend sowohl von der Abluft als auch von der Frischluft in entgegengesetzten Richtungen durchströmt werden. Bevorzugt sind die turbulenzerzeugenden Elemente und auch die Öffnungen, sofern diese vorgesehen sind, derart ausgestaltet, dass ihre Funktion bei der Durchströmung in beide Richtungen gewährleistet ist. Hierbei sollte insbesondere die Stauung von Luft vermieden werden, um nicht unnötig den entstehenden Gegendruck zu erhöhen.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Glattlagen und/oder die Welllagen aus einem Material gefertigt sind, welches eine Werkstoffdichte zwischen 2700 kg/m3 und 7800 kg/m3 aufweist. Dies ist besonders vorteilhaft, um die gewünschte Wärmekapazität zu erreichen.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der durch das Durchströmen des Wärmeübertragungskörpers entstehende Druckverlust zwischen 10 Pa und 300 Pa beträgt. Dies ist vorteilhaft, um den Rotationswärmetauscher insgesamt möglichst effizient betreiben zu können.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1 zwei Ansichten einer möglichen Kanalgeometrie für die Strömungskanäle des Wärmeübertragungskörpers,
- 2 zwei Ansichten einer weiteren möglichen Kanalgeometrie für die Strömungskanäle des Wärmeübertragungskörpers,
- 3 eine Teilansicht eines Wärmeübertragungskörpers mit einer weiteren alternativen Kanalgeometrie,
- 4 eine Schnittansicht durch einen Strömungskanal mit einer Kanalgeometrie gemäß 3, und
- 5 eine weitere Ansicht einer möglichen Kanalgeometrie.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt im linken Teil eine perspektivische Ansicht einer Kanalgeometrie eines Strömungskanals des Wärmeübertragungskörpers. Der Kanal 1 ist durch eine Welllage 2 und eine Glattlage 3 gebildet. Die Welllage 2 weist an ihren Strukturmaxima 4 mehrere Ausstülpungen 5 (dargestellt ist in 1 lediglich eine) in den Kanal 1 hinein auf. Eine solche Ausstülpung 5 kann etwa durch Schneiden oder Stanzen der Welllage 2 und das anschließende mechanische Ausdrücken erzeugt werden.
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Im linken Teil der 1 ist mit den kleinen Pfeilen 6 ein möglicher Strömungsverlauf innerhalb des Kanals 1 dargestellt. Die im wesentlichen laminare Strömung im Bereich vor der Ausstülpung 5 wird im Bereich der Ausstülpung 5 turbulent. Weiterhin ist ein Überströmen in einen benachbarten Strömungskanal (in 1 nicht dargestellt) möglich.
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Im rechten Teil der 1 ist eine Sicht entlang der Mittelachse des Kanals 1 des linken Abschnitts der 1 zu sehen. Die Ausstülpung 5 ist als nach unten gebogener u-förmiger Abschnitt zu erkennen. Ausgehend von dem Kanalquerschnitt im Bereich vor der Ausstülpung 5 ergibt sich eine spezifische Kanaldichte über die Querschnittsfläche eines Wabenkörpers hinweg, diese könnte beispielsweise 300 Kanäle pro Quadratinch (cpsi cells per square inch) betragen. In den Abschnitten der Ausstülpungen wird der ursprüngliche Kanalquerschnitt aufgeteilt auf einen von der Ausstülpung 5 begrenzten Bereich und einen von dem nicht ausgestülpten Bereich der Welllage 2 begrenzten Bereich. Die Kanaldichte wird hierdurch für diesen axialen Abschnitt des Strömungskanals 1 erhöht, beispielsweise auf 600 cpsi.
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Durch eine Kanalgeometrie, wie sie in 1 gezeigt ist, kann somit einerseits gezielt eine turbulente Strömung zur Verbesserung des Wärmeübergangs erzeugt werden und andererseits auch eine abschnittsweise veränderte Kanaldichte erzeugt werden.
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2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Strömungskanäle. Die Strömungskanäle des als Ausschnitt gezeigten Wabenkörpers 7 sind durch Welllagen 8 gebildet. Diese sind um einen Winkel α entlang ihrer axialen Erstreckung zueinander verdreht angeordnet. Durch den Anstellungswinkel α von zwei zueinander direkt benachbarten Welllagen 8 wird erreicht, dass die Welllagen 8 an mehreren Kontaktstellen aufeinander aufliegen und diese dort miteinander verbunden werden können, beispielsweise durch ein Lötverfahren. Dadurch wird ein Ineinandergleiten zweier Welllagen 8 verhindert.
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Die zwischen den Welllagen 8 ausgebildeten Strömungskanäle können abweichend von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel insbesondere auch zusätzlich turbulenzerzeugende Elemente aufweisen.
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Im oberen Abschnitt der 2 ist der Anstellwinkel α zwischen den beiden zueinander benachbarten Welllagen 8 dargestellt.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt aus einem Wabenkörper. Dieser ist aus Glattlagen 9 und Welllagen 10 gebildet. Die Welllagen 10 weisen entlang ihrer axialen Erstreckung, welche parallel zu der Hauptdurchströmungsrichtung der Strömungskanäle verläuft, eine weitere Wellung 11 auf. Diese Mikrowellung 11 führt dazu, dass die Strömungskanäle keine glatten Wände aufweisen, sondern entlang der Hauptdurchströmungsrichtung eine zusätzliche Wellung aufweisen. Diese Mikrowellung 11 wirkt als turbulenzerzeugendes Element innerhalb der einzelnen Strömungskanäle.
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Die 4 zeigt einen Querschnitt durch einen einzelnen der Strömungskanäle des Wabenkörpers der 3. Hier ist zu erkennen, wie die Mikrowellung 11 entlang der Hauptdurchströmungsrichtung 12 Turbulenzen 13 in der ansonsten laminaren Strömung 14 erzeugt.
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Die 5 zeigt eine weitere alternative Ausgestaltung der Strömungskanäle eines Wärmeübertragungskörpers, wie er in einem erfindungsgemäßen Rotationswärmetauscher verwendet werden kann.
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Die Glattlagen 15 weisen Öffnungen 16 auf, durch welche ein Überströmen in benachbarte Strömungskanäle ermöglicht wird. Zusätzlich weisen die Welllagen 17 ebenfalls Öffnungen 18 auf, welche das Überströmen noch zusätzlich begünstigen. Die Öffnungen 16, 18 können deckungsgleich angeordnet sein, oder zueinander in axialer und/oder radialer Richtung versetzt sein. Mit den Pfeilen 19 ist eine mögliche Durchströmung der durch die Lagen 15, 17 ausgebildeten Strömungskanäle dargestellt. Durch das Überströmen zwischen den einzelnen Strömungskanälen wird zusätzlich die Strömung turbulent, wodurch der Wärmeübertrag verbessert wird.
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In alternativen Ausgestaltungen können auch nur die Glattlagen oder nur die Welllagen Öffnungen aufweisen.
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Die unterschiedlichen Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele können auch untereinander kombiniert werden. Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 5 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
