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Wärme-Stoffaustauscher für Luft und Wasser, insbesondere zum Kühlen
und Befeuchten von Luft ================================================== Die Erfindung
bezieht sich auf einen Wärme-Stoffaustauscher für Luft und Wasser, insbesondere
für Einrichtungen zum Kühlen und Befeuchten von Luft mit einem oder mehreren in
einem Gehäuse angeordneten Zellen, jeweils beste.-hend aus einer Mehrzahl von in
gegenseitigem Abstand und zueinander parallel angeordneten Lamellen aus vorzugsweise
benetzbarem Material.
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Es ist bekannt,zum Wärme-Stoffausta h SprühdUsenkammern oder Rieselfilm-Wärmeaustauscher
zu verwenden, bei denen der Stoffaustau#h während des unmittelbaren Kontaktes der
Luft mit der Flussigkeit erfolgt. Die Flüssigkeit kann dabei als Film an einer festen
Wand abfließen oder in Tropfenform in die Luft gesprüht werden. Solche Auatauseher
werden
im allgemeinen zum Kühlen und Befeuchten von Luft in Klimaanlagen benutzt, da sie
einen hohen Befeuchtungswirkungsgrad aufweisen. Der Befeuchtungswirkungsgrad ist
jedoch von der Länge des Austauschers und von der sogenannten Wasser-Luft zahl abgängig.
So sind zum Beispiel Sprühdüsenkammern zur intensiven Befeuchtung von Luft (Befeuchtungswirkungsgrad
über 0,95) 2,2 - 5 Meter lang. Die Wasser-Luftzahl (Wassermenge kg/sec' L = Luftmenge
kg/seo.) kann dabei im Bereich von 1,2 bis 0,4 liegen. Neuzeitliche Rieselfilm-Wärme-Stoffaustauscher,
die einen Befeuchtungswirkungsgrad ueber 0,93 erzielen, kommen bei niedrigeren Wasser-Luftzahlen
mit kleineren Abmessungen aus.
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Den bekannten Austauscherarten ist ein großer Energieverbrauch der
Wasserumwälzpumpe gemeinsam; die Rieselfilmaustauscher haben den Nachteil eines
hohen Luftwiderstandes. Für nicht intensive adiabatische Luftbefeuchtung (Befeuchtungswirkungsgrad
0,6 bis 0,8) werden auch Sprühdusenkammern benutzt. Deren Länge beträgt zwar nur
0,9 bis 1,5 Meter bei einer Wasser-Luftzahl O,4 - 0,7; trotzdem erweisen sich solche
Sprühdüsenkammern als zu lang für moderne, liegende Klimageräte.
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Rieselfilm-Wärme-Stoffaustauscher sind fUr liegende Klimageräte hinsichtlich
des Raumaufwandes gUnstiger; der Gesamtenergieverbrauch dieser bekannten Austauscher
ist aber nach wie vor sehr boch. Dieser Nachteil ist durch die unganstige geometrische
Form der Austauscheroberfläche, die als Tropfen- oder Fttllkörpe'roberfläche gestaltet
ist, bedingt. Neuere Konstruktionen von Aus
tauschern verwenden
als Austauschoberflächen von der Luft in der Längsrichtung umströmte berieselte
Glasfäden, oder gewellte berieselte Papierflächen. Die mit diesen Elementen ausgestatteten
Wärme-#toffaustauscher haben zwar den Vorteil eines kleinen Energieverbrauchs und
arbeiten mit einer niedrigen Wasser-Luftzahl bei einem genügend hohen Befeuchtungswirkungsgrad,
ohne jedoch eine in vielen Fällen wUnschenswerte Intensität des Wärme- und Stoffaustausches
zu erreichen.
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Die bekannten Wärme-Stoffaustauscher benötigen im allgemeinen einen
auf den Austauscheraustritt angebauten Tropfenabscheider, der die Gesamtlänge eines
Gerätes weiter vergrößert und den Druckabfall erhöht.
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Alle bisher bekannten Wärme-Stoffaustauscher, die mit einer Wasser-Luftzahl
Uber 0,1 kg/kg arbeiten, wälzen das Wasser um, oder aber ihr Wasserverbrauch ist
unwirtschaftlich hoch. Um dabei ein Verstopfen der Sprühdüsen oder des Wasserverteilersystems
zu vermeiden, muß man einen Wasserfilter in den Wärmeumwälzkreis einbauen wP einer
zusätzlicher Energieverbrauch erfordert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärme-Stoffaustauscher
für Wasser und Luft mit besonders intensivem Wärme- und Stoffaustausch zu schaffen,
der sich bezogen auf den Luftdurchsatz durch einen geringen Wasser- und Energieverbrauch
bei geringer Baugröße auszeichnet und der ein Entfallen des Wasserfilters
und
in bestimmten Fällen auch des Tropfenabscheiders ermöglicht.
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Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, daß zum Vermeiden der Nachteile
der bekannte Wärme-Stoffaustauscher vor allem die Eigenschaften der laminaren Strömung
der zu behandelnden Luft ausgenützt werden müssen und löst diese Aufgabe an einem
Wärme-Stoffaustauscher der eingangs erwähnten Art dadurch, daß das Verhältnis der
Lamellenabmessung (C) in Strömungsrichtung der Luft zum Quadrat des gegenseitigen
Abstandes (A) der Lamellen (1), also C/A2, zwischen 1,5 w 104 und 9,0 ~ 104 m/m2
beträgt, wobei der Abstand- (1) der Lamellen 0,8 bis 3 mm beträgt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärme-Stoffaustauscher wird ein höherer
Befeuchtungswirkungsgrad (0,81 - 0,99) bei -kleinerem Druckabfall und n#iedrigerer
Wasser-Luftzahl erreicht. Weitere Vorteile bestehen darin, daß der Wasserfilter
grundsätzlich, der Tropfenabscheider in den meisten Fällen weggelassen werden können.
Durch Versuche wurden in einem erfindungsgemäßen Wärme-Stoffaustauscher folgende
Werte ermittelt: Befeuchtungswirkungsgrad 0,97, Wasser-Luftzahl 0,05 kg/kg, Luftgeschwindigkeit
im Eintrittsquerschnitt des Austauschers 3m/sec., Druckabfall 12,5 kp/m2. Die Länge
des Gerätes ist je nach der Lage der Zellen 300-600 mm. Messungen haben ergeben,
daß. durch die Anwendung
der Lehre der Erfindung zahlreiche gUnstige
Lösungen mit unterschiedlichen Datenkombinationen verwirklicht werden können.
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Die besonders niedrige Wasser-Luftzal bringt die Möglichkeit mit sich,
die ganze Wassermenge als Abwasser abzuSEhren, so daß kein Wasserfilter vor den
Sprühdüsen oder den Wasserverteilern notwendig ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile-der Erfindung sind der folgenden Beschreibung,
den Ansprüchen und #der Zeichnung zu entnehmen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung in Ausführungsbeispielen schematisch
dargestellt.
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Es zeigen Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Wärme-Stoffaustauscherzelle
in perspektivischer Darstellung, Fig. 2 bis 4 weitere Wärme-Stoffaustauscher mit
jeweils verschieden eingebauten Austauscherzellen, Fig. 5 einen Ausschnitt der Vorderansicht
der Austrittskanten einer Zelle in vergrösserter Darstellung.
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Wie in Fig. 1 dargestellt ist, b-esteht die Wärme-Stoffaustauschzelle
a aus parallelen Lamellen i, vorzugsweise aus benetzbarem Material, z.B. impräg
niertem Papier, welches besonders wegen seines geringen Gewichts gut verwendbar
ist. Zwischen den Lamellen sind Abstandhalter 2 mit angeordnet, die aus gewellten,
z.B. in Abständen zickzackförmig (bei 3) ausgebildeten Streifen bestehen, wobei
die Wellen bzw. Zacken 3 mit ihren Scheitelpunkten und gegebenenfalls mit einem
Teil ihrer Längserstreckung an benachbarten Lamellen anliegen und dadurch die Lamellen
in der Entfernung A voneinander halten. Die Abstandhalter 2 bestehen aus schmalen,
in Abständen unter Bildung von Zacken3gebogenen Aluminiumstreifen, gegebenenfalls
Papierstreifen, die nur einen kleinen Teil des Raumes zwischen den Lamellen einnehmen
und einen kleinen Teil der Lamellenoberfläche bedecken. Vor der Austauscherzelle
a sind DUsen 2 angeordnet, die Wasser zerstäuben.
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Die zu befeuchtende Luft strömt zwischen die Lamellen 1 in der Richtung
4. Die Lamellenabmessung in Luftströmungsrichtung ist C. Der gegenseit#ge Abstand
A der Lamellenoberflächen voneinander liegt zwischen 0,8 bis 3mm und das Verhältnis
der Lamellenabmessung C in Metern zum Quadrat der Entfernung A in Quadratmetern
liegt zwischen 1,5 ., i04 bis 3,5 t 10 m/m2. Die Zellen können auch als eckiger
oder runder Wickel ausgebildet sein, wobei die Querwände des Wickels als Luftführung
dienen könnens
In Fig,2 sind die Zellen (a) schräg zum Lufteintritt
eingebaut und in Fig. 3 sind die Zellen a mit ihren Stirnebenen senkrecht zum Lufteintrittl6
angeordnet, so daß das Wasser an den Oberflächen der Lamellen 1 abfließt und mittels
einer Rinne 13 oder einer ähnlichen Konstruktion abgeführt wird.
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Gemäß Fig. 4 sind die Austauscherzellen a in einem Gehäuse#jeweils
in Rahmen 10 gefaßt angeordnet und zwar solcher Weise, daß die Lamellen 1 in einer
vertiaklen Ebene und mehr oder weniger parallel zur Richtung 16 des Lufteintritts
in das Gehäuse stehen. An den Austrittskanten 11 der Lamellen 1 sind Ableitungsleisten
12 oder Ableitungsrinnen 13 zur Ableitung des abfließenden Wassers in das Gefäß
14 angeordnet.
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Das Wasser kann auch aus dem Gehäuse abgeleitet werden z.B. durch
eine Abwasserrinne 15.
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Im Falle von (senkrecht zur Zeichnungsebene) breiten Austauschern
ist es vorteilhaft, Sammelrinnen vorzusehen, wie sie Fig. 5 zeigt. In diesen wird
das Wasser aus den Ableitungsrinnen 13 benachbarter Gruppen von Austauscherzellen
in Sammelrinnen 17 gebracht und durch einen vertikalen Schacht 18 abgeführt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Wärme-Stoffaustauscher in
dessen Innenraum, parallel zu den Zellen, eine Umleitung mit Mischklappe angeordnet
ist, wodurch eine einfache Regelung der Befeuchtung erzielt wird. Wenn die Befeuchtungszellen
schräg zur Lufteintrittsrichtung
im Gehäuse angeordnet sind und
die Lufteintrittsgeschwindigkeit im Bereich von 1,5 - 4m/sec liegt, hat die Luftgeschwindigkeit
vor der Lamelleneintrittskante etwa den Wert von 0,9 bis 2,4 m/sec, und in diesem
Bereich ist der Befeuchtungswirkungsgrad fast konstant und erreicht den hohen Wert
von 0,97.
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Der hohe konstante Wert des Befeuchtungwirkungsgrades ist deshalb
vorteilhaft, weil es somit.genUgt, die Mischklappe im Austauscher einmalig einzustellen,
wobei die durch die Zellen strömende Luft mit. der Umluft in einem konstanten Verhältnis
vermischt wird, unabhängig von Geschwindigkeitsänderungen, die während des Betriebes
des Klimagerätes stattfinden.
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Im Rahmen der Erfindung ist auch eine Anordnung denkbar, in der Ableitungsrinnen
13 am Rahmen 10 der Zelle a in einer solchen Anzahl befestigt sind, daß ein Tropfenabscheider
entfällt.
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Infolge der niedrigen Wasser-Luftzahlen, mit denen der erfindungsgemäße
Wärme-Stoffaustauscher arbeitet, genügt zum Versprühen von Wasser ein ziemlich kleiner
Wasserdruck (von 0,5 - 1,3 At), so daß die Sprühdüsen unmittelbar an das Wasserleitungssystem
angeschlossen werden können, so daß eine Pumpe nicht notwendig ist.
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- Patentansprüohe -