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Die Erfindung betrifft einen Regenerator
insbesondere zur Wärmerückgewinnung.
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Die
DE 36 13 942 C2 zeigt einen Wärmespeicher
für eine
Entlüftungs-
und Belüftungsanlage, bei
der ein Paket von plattenförmigen
Blechen vorgesehen ist, die in geringem Abstand von einander angeordnet
sind. Bei diesem Wärmespeicher
ist von Nachteil, daß bei
einer Wärmerückgewinnung
nur ein geringer Wirkungsgrad erzielt werden kann.
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Ein hierzu ähnlicher Wärmespeicher ist in der
DE 41 04 423 C2 offenbart.
Dieser Wärmespeicher
weist ebenfalls nur einen geringen Wirkungsgrad auf.
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Die
DE 201 18 672 U1 zeigt eine Be- und Entlüftungsanlage
mit regenerativer Wärmerückgewinnung,
bei der ein Wärmespeicher
vorgesehen ist, der paketartig angeordnete Speicherelemente in Form
von Platten aufweist. Bei diesem Wärmespeicher kann ebenfalls
nur ein relativ geringer Wirkungsgrad bei der Wärmerückgewinnung erreicht werden.
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Die
DE
195 12 351 C1 zeigt einen Wabenblock aus wärmebeständigem Speichermateril
für Wärmetauscher.
Mit einem solchen Wabenblock kann ebenfalls nur ein geringer Wirkungsgrad
bei der Wärmerückgewinnung
erreicht werden.
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In der
DE 198 58 200 C1 ist ein
Profildrahtregenerator gezeigt, der dadurch hergestellt wird, daß lagenweise
ein profi- lierter
Draht schraubenförmig auf
einen Kern aufgewickelt wird. In jeder Lage des gewickelten Profildrahtes
wird mittels spezieller in den Profildraht integrierten Abstandshaltern
ein gewünschter
Füllfaktor
eingestellt. Auf diese Weise wird ein hydraulischer Durchmesser
der damit hergestellten Regeneratormatrix festgelegt. Ein so hergestellter
Regenerator ist sehr teuer, weil mit der Herstellung ein hoher Aufwand
verbunden ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen
Regenerator bereitzustellen, der sich einfach herstellen läßt und mit
dem ein hoher Wirkungsgrad in einem Wärmerückgewinnungsprozeß erzielt
werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Die Erfindung
stellt auch vorteilhafte Apparate und andere erfindungsgemäße Gegenstände bereit,
die von den dem erfindungsgemäßen Regenerator
zugrunde liegenden Gedanken Gebrauch machen.
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Der erfindungsgemäße Regenerator weist eine Eingangsöffnung für den Eintritt
eines Fluids sowie eine Ausgangsöffnung
für den
Austritt des Fluids auf. Im Bereich zwischen Eingangsöffnung und
Ausgangsöffnung
sind Drahtabschnitte als Wärmespeicher
vorgesehen, die als Bereiche eines Drahtgitters aus sich kreuzenden
Drähten
ausgebildet sind.
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Die Verwendung von Drähten ist
für einen Regenerator
besonders vorteilhaft, weil diese eine kurze Überströmlänge aufweisen. Dadurch ergibt sich
bei der Umströmung
eine dünne
Grenzschicht zwischen dem strömenden
Fluid und dem Draht, woraus ein hoher Wärmeübergang resultiert. Dadurch lassen
sich Regeneratoren bereitstellen, die einen hohen Wirkungsgrad bei
der Wärmerückgewinnung aufweisen.
Durch die Ausbildung des Regenerators mit Drahtabschnitten, die
als Bereich eines Drahtgitters aus sich kreuzenden Drähten ausgebildet
sind, ergibt sich eine hohe Stabilität des Regenerators, woraus
eine gute Handhabbarkeit in der Praxis resultiert. Trotzdem weist
ein solcher Regenerator eine große freie Strömungsfläche auf.
Dadurch ergibt sich bei der Durchströmung mit Fluid ein sehr geringer Druckabfall,
der einen Fremdenergiebedarf für
die Wärmerückgewinnung
weiter verbessert.
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Der erfindungsgemäße Regenerator kann dabei in
Vorrichtungen zur regenerativen Rückgewinnung von Wärmeenergie
verwendet werden, und zwar aus einem Fluid, das den Regenerator
durchströmt.
Ebenso kann mit dem erfindungsgemäßen Regenerator Wärmeenergie
zu einem Fluid zugeführt
werden, das den Regenerator durchströmt. Alternativ dazu kann der
erfindungsgemäße Regenerator
auch zur Entfeuchtung oder Befeuchtung eines Gases oder Gasgemisches
verwendet werden, das den Regenerator durchströmt.
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Erfindungsgemäß sind in einer Weiterbildung
mehrere Lagen von Bereichen eines Drahtgitters aus sich kreuzenden
Drähten
vorgesehen, und zwar insbesondere 100 bis 200 Lagen. Auch bei dieser
Ausbildung ergibt sich eine besonders große freie Strömungsfläche, wobei über die
Durchströmung
des Regenerators in Richtung von einer Lage zur nächsten Lage
zwischen den jeweiligen Lagen fast keine Veränderungen der freien Strömungsflächen auftreten.
Der freie Strömungsquerschnitt
bleibt vielmehr von einer Lage zur nächsten Lage nahezu konstant, so
daß im
Inneren des Regenerators nur geringe lokale Gasbeschleunigun gen
auftreten. Daraus resultiert ein besonders geringer Druckabfall
des gesamten Regenerators beim Durchströmen mit einem Fluid. Dies begünstigt den
Einsatz des erfindungsgemäßen Regenerators
für geringe
Temperaturdifferenzen, bei denen der Anteil der Leistung einer Pumpe bzw.
eines Ventilators zum Befördern
des Fluids durch den Regenerator relativ hoch in Bezug auf die zurückgewonnene
Wärme ist.
Der Wirkungsgrad eines solchen Regenerators läßt sich dabei signifikant gegenüber den
dem Stand der Technik bekannten Regeneratoren erhöhen.
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Die Stabilität eines erfindungsgemäßen Regenerators
läßt sich
dadurch erhöhen,
daß sich
Drähte
benachbarter Lagen von Bereichen eines Drahtgitters berühren. Dabei
ergibt sich auch eine gute Längsstabilität. Außerdem wird
dabei eine Wärmeleitung
in Richtung der Strömung
durch den Regenerator vermindert. Beim Durchströmen des Regenerators in Richtung
der Drähte
muß nämlich die
Wärme einen
"tick-Zack-Kurs" von einer Lage eines Drahtgitters zur nächsten durchführen. Dabei
ergibt sich eine besonders lange Wärmeleitungsstrecke, wodurch eine
geringe Wärmeleitung
des Regenerators in seiner Durchströmrichtung resultiert. Dies
läßt sich
noch dadurch verbessern, daß die
Lagen von Bereichen eines Drahtgitters an ihren äußeren Rändern mit einer Haltevorrichtung
aus einem schlecht wärmeleitenden
Stoff verbunden sind.
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Ein besonders hoher Wärmeübergang
zwischen dem den Regenerator durchströmenden Fluid und den Bereichen
eines Drahtgitters ergibt sich dann, wenn Drähte vorgesehen sind, deren
Drahtstärke
geringer als 2 mm und vorzugsweise geringer als 0,7 mm ist. Idealerweise
werden für
einen möglichst
geringen Druckabfall beim Durchströmen des Regenerators sehr dünne Drähte verwendet.
Jedoch sollte für
einen guten Wärmeübergang
die Oberflä che
des Regenerators eigentlich sehr groß sein. Im Falle von Drähten erreicht
man einen guten Wärmeübergang
dadurch, daß senkrecht
angeströmte Drähte verwendet
werden, deren Überströmlänge gering
ist.
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Dabei kann eine besonders hohe Ausbeute dann
erreicht werden, wenn der Regenerator mit einer hohen effektiven
Regeneratormasse ausgebildet wird. Hierfür können Metalldrähte beispielsweise
aus Stahl oder Kupfer oder auch Kunststoffdrähte verwendet werden.
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Eine besonders hohe Stabilität ergibt
sich dann, wenn Bereiche eines Drahtgitters aus wenigstens teilweise
miteinander verflochtenen Drähten vorgesehen
sind. In der Praxis hat es sich bewährt, ein sogenanntes "Stalldrahtgitter"
oder einen "Hasendraht" zu verwenden, wie er beim Bau von Tierkäfigen zum
Einsat z kommt .
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Der erfindungsgemäße Regenerator läßt sich
auch besonders vorteilhaft als Sorptionsregenerator einsetzen, wenn
die Oberfläche
der Drähte
mit einem Sorptionsmittel wie beispielsweise Silica Gel oder mit
Zeolith beschichtet wird. Die Beschichtung kann dabei in einem Tauchbad
erfolgen. Die für
den Betrieb als Sorptionsregenerator maßgebliche Wasserübertragungszahl
ist bei feuchter Luft proportional zur Wärmeübergangszahl. Insofern gilt
für Sorptionsregeneratoren
die gleiche Optimierung der Regeneratorgeometrie wie für Regeneratoren,
die zur Wärmerückgewinnung
verwendet werden. Im Falle der Sorption, wo keine große Regeneratormasse
erforderlich ist, kann der Regenerator auch aus leichten Kunststoffdrähten hergestellt
sein.
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Die Erfindung umfaßt auch
einen strömungstechnischen
Apparat und insbesondere einen Wärmerückgewinnungsapparat
oder einen Entfeuchtungs- oder Befeuchtungsapparat, der einen erfindungsgemäßen Regenerator
aufweist. Dabei kann der Regenerator als drehender oder als ortsfester Regenerator
ausgebildet sein, was je nach Einsatz besondere Vorteile mit sich
bringt.
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In einer ganz besonders konkreten
Ausführungsform
ist der erfindungsgemäße strömungstechnische
Apparat in einem Heizsystem bzw. in einem Kühlsystem eines Kraftfahrzeugs
oder Schienenfahrzeugs angeordnet. Dadurch lassen sich vielfältige Vorteile
wie beispielsweise Energieeinsparung beim Betrieb einer Standheizung
zur Erwärmung
des Innenraums eines Campingfahrzeuges oder schnelles Aufwärmen eines
Motors beim Kaltstart erreichen, indem beispielsweise die bei der
Verbrennung entstehenden Abgase oder Kühlwasser ausgenutzt wird. Es
sind auch Einsätze
denkbar, bei denen der erfindungsgemäße Regenerator in einer Trocknungsanlage
für Trockengut
wie beispielsweise für
Klärschlamm,
Getreide oder Früchte
eingesetzt wird, das mit einem Strom erwärmter Luft beaufschlagt wird.
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Die Erfindung umfaßt auch
einen Sorptionsgenerator zur Kühlung
und/oder zur Entfeuchtung eines Luftstroms, der mit einem erfindungsgemäßen Apparat
versehen ist.
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Gemäß der Erfindung ist es auch
denkbar, eine Wärmekraftmaschine
einzusetzen, bei der aus einem Fluidstrom Wärme zurückgewonnen wird, und zwar mit
Hilfe eines erfindungsgemäßen Apparates bzw.
Regenerators.
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Die Erfindung umfaßt auch
ein Gebäude
mit einem Gebäudelüfter zum
Erzeugen eines Luftstroms zwischen der Außenseite und der Innenseite des
Gebäudes,
wobei in dem Gebäudelüfter ein
erfindungsgemäßer Apparat
bzw. Regenerator vorgesehen ist.
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Schließlich umfaßt die Erfindung auch die Verwendung
eines erfindungsgemäßen Regenerators
bzw. strömungstechnischen
Apparates zur regenerativen Rückgewinnung
von Wärmeenergie
aus einem Fluid und/oder zur Zufuhr von rückgewonnener Wärmeenergie
zu einem Fluid und/oder zur Entfeuchtung oder Befeuchtung eines
Gasstromes oder Gasgemischstroms.
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Bei der Erfindung ist es besonders
vorteilhaft, einen Maschendraht wie beispielsweise zur Zaun- oder
Tierkäfigherstellung
zu verwenden, weil diese handelsüblich
erhältlich
sind. Diese weisen dabei den Vorteil auf, daß sehr dünne Drähte im Bereich um 0,7 mm verwendet
werden, wodurch sich eine hohe freie Strömungsfläche von ca. 80% bis 98% ergibt.
Dadurch läßt sich
ein Regenerator mit einer hohen Wärmeübergangszahl bei geringem Druckabfall bereitstellen.
Der Regenerator gemäß der Erfindung läßt sich
im Gegensatz zu aufgewickelten Kupferdrähten ganz besonders einfach
herstellen, indem aus einem großen
Stück Maschendraht
mehrere beispielsweise kreisrunde Bereiche ausgestanzt werden. Die
so ausgestanzten Bereiche mit jeweils gleichem Außendurchmesser
werden zufallsmäßig übereinander
gelegt, so daß sie
mehrere Lagen eines Regenerators bilden. Es ist auch möglich, rechteckig längliche
Bereiche so zusammenzufalten, daß mehrere aufeinander liegende
Lagen gebildet werden, die an den Faltkanten zusammenhängen. Eine
maschinelle Fertigung wird dadurch begünstigt. Die zufällige Drahtverteilung
gewährleistet
dabei eine homogene Durchströmung
und eine geringe Wärmelängsleitung
in Strömungsrichtung
des Fluids durch den Regenerator. Der Weg durch die Drähte und
die Verbindungspunkte der Drähte
von der Warmluftseite zur Kaltseite des Regenerators gewährleistet
einen hohen Wärmewiderstand,
wobei eine große
Gesamtlänge
und kleine Berührflächen der
Drähte
zueinander eine maßgebliche
Rolle spielen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung
anhand eines Ausführungsbeispiels
näher veranschaulicht. 1 zeigt eine Draufsicht
auf einen erfindungsgemäßen Regenerator 1,
der in einen hier nicht näher dargestellten
strömungstechnischen
Apparat eingesetzt ist.
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Zur besseren Veranschaulichung ist
zur Beschreibung des Regenerators 1 ein Koordinatensystem 2 angegeben,
das eine x-Achse und eine y-Achse aufweist. Der Regenerator 1 wird
dabei in y-Richtung
von einem hier nicht näher
dargestellten Fluid durchströmt.
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Der Regenerator 1 besteht
aus insgesamt 100 bis 200 quadratischen Lagen, die als Bereiche eines
Maschendrahts hergestellt sind. Hierzu wird für jede Lage ein Bereich aus
dem Maschendraht ausgeschnitten, der einen quadratischen Umriß aufweist, wobei
die Kantenlängen
des Quadrats dem in 1 dargestellten
Querschnitt entsprechen. Die jeweils ausgeschnittenen Lagen von
Maschendraht stimmen mit ihrer Lage auf dem Muster des Maschendrahts möglichst
nicht überein,
sondern sind vielmehr zufällig
ausgewählt.
Jede Lage bildet dabei in der Draufsicht wabenförmige Drahtabschnitte aus,
wobei einzelne Drahtabschnitte einer Lage miteinander verdrillt
sind. Beispielhaft ist hierzu eine Verdrillungsstelle 3 angegeben.
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An ihrer Außenseite werden die verschiedenen
Lagen von Maschendrahtbereichen durch eine Umrahmung 4 aus
schlecht wärme leitendem
Material wie beispielsweise aus Kunststoff zusammengehalten.
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Eine Lage von Maschendraht liegt
dabei zufällig übereinandergelegt
auf der nächsten
Lage von Maschendraht auf, wobei sich Drähte der einen Lage an Berührungspunkten
berühren,
von denen im vorliegenden Fall ein Berührungspunkt 5 beispielhaft eingezeichnet
ist. An je einem Berührungspunkt
findet ein Wärmeübergang
aufgrund von Wärmeleitung von
einer Lage des Maschendrahts zur nächsten Lage des Maschendrahts
statt. Auf diese Weise entsteht in Durchströmungsrichtung des Regenerators 1 ein
verlängerter
Wärmeleitungsweg,
der in 2 veranschaulicht
ist.
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2 veranschaulicht
dabei den Weg, den Wärme
aufgrund von Wärmeleitung
durch den Regenerator 1 von einem Startpunkt 6 zu
einem Zielpunkt 7 zurücklegen
muß. Wie
man in dieser Ansicht besonders gut sieht, wird dabei nur jeweils
an Berührungspunkten
wie dem Berührungspunkt 5 eine
Wärmeleitung
in Durchströmungsrichtung
y des Regenerators 1 stattfinden. Ansonsten muß die Wärme vom Startpunkt 6 zum
Zielpunkt 7 jeweils senkrecht zur Durchströmungsrichtung
y fließen.
Dabei muß sie auch
gegebenenfalls längere
Abschnitte b überwinden.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Maschen
des Maschendrahts sechseckig ausgebildet. Es sind jedoch auch andere
Ausgestaltungen denkbar, beispielsweise mit quadratischen Maschen oder
mit Maschen die dreieckig oder mehreckig ausgebildet sind.
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- 1)
- Regenerator
- 2)
- Koordinatensystem
- 3)
- Verdrillungsstelle
- 4)
- Umrahmung
- 5)
- Berührungspunkt
- 6)
- Startpunkt
- 7)
- Zielpunkt