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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere für die Gebäude- oder Wohnraumbelüftung, mit
geschichteten Trennwänden
zum Wärmetausch
zwischen Gasströmen,
insbesondere im Gegenstrom, sowie eine Anordnung eines derartigen
Wärmetauschers.
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Bekannte
Wärmetauscher
für die
Gebäude- oder
Wohnraumbelüftung
sind üblicherweise
für einen
Durchsatz bzw. Gasstrom von mindestens 150 m3/h
(Ventilationsstrom) ausgelegt. Üblicherweise werden
als Trennwände
für den
Wärmetausch
Bleche mit einer Dicke von mindestens 0,5 mm eingesetzt. Sehr häufig werden
Kreuzstromwärmetauscher
verwendet. Neben verhältnismäßig großen Abmessungen
liegt ein weiterer Nachteil der bekannten Wärmetauscher darin, daß ihr Wirkungsgrad
(Temperatur der erwärmten
Außenluft
zu Temperatur der warmen Raumluft beim Eintritt in den Wärmetauscher)
verhältnismäßig niedrig
ist und 70% bis 80% nicht überschreitet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher
anzugeben, der einen besonders hohen Wirkungsgrad ermöglicht,
sehr kompakt ausgebildet ist und/oder universell eingesetzt werden
kann.
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Die
obige Aufgabe wird durch einen Wärmetauscher
gemäß einem
der unabhängigen
Ansprüche
oder durch eine Anordnung gemäß Anspruch
24 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein
erster Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Trennwände aus
Metallfolie herzustellen und/oder nur in einer Materialdicke von
höchstens 0,1
mm auszuführen.
Dies ist einem effizienten Wärmetausch
sehr zuträglich.
Dies läßt sich
dadurch erklären,
daß die
Wärmekapazität und damit
die Trägheit
der Trennwände
gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich geringer ist.
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Besonders
bevorzugt wird Aluminiumfolie mit einer Materialdicke von höchstens
0,05 mm oder weniger eingesetzt.
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Ein
weiterer auch unabhängig
realisierbarer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, jede Trennwand
mit durchgehenden Kanälen
in Strömungsrichtung
durch vorzugsweise gleichförmige Längsprofilierung
zu versehen. Dies gestattet einen verhältnismäßig stabilen Aufbau insbesondere
bei Verwendung von Metallfolie und ist ebenfalls einem effizienten
Wärmetausch
zuträglich.
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Besonders
bevorzugt werden längsprofilierte Trennwände aus
Metallfolie von Rahmen gehalten, um einen robusten und stabilen
Aufbau des Wärmetauschers
zu ermöglichen.
Insbesondere sind aus den Rahmen und Trennwänden Plattenelemente gebildet,
aus denen der Wärmetauscher
modular aufgebaut ist.
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Vorzugsweise
sind die Plattenelemente austauschbar. Dies ist einem universellen
Einsatz zuträglich,
beispielsweise können
einzelne Trennwände
bzw. Plattenelemente bei Beschädigung
ausgetauscht oder bei Verschmutzung gereinigt werden.
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Der
vorschlagsgemäße Wärmetauscher
ist insbesondere derart kompakt ausgebildet, das er zumindest im
wesentlichen vollständig
in eine Haus- oder Gebäudewand,
insbesondere mit einer Dicke von nur 30 cm oder 36 cm, einbaubar
ist.
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Der
vorschlagsgemäße Wärmetauscher zeichnet
sich des weiteren vorzugsweise dadurch aus, daß er bei einem Volumenstrom
von vorzugsweise etwa 20 bis 40 m3/h mit
einem Wirkungsgrad von mindestens 90%, insbesondere von 95% und mehr
betrieben werden kann. Dementsprechend gestattet der vorschlagsgemäße Wärmetauscher
einen sehr effizienten Wärmetausch,
der insbesondere für die
Gebäude-
oder Wohnraumbelüftung
von sogenannten Niedrigenergiehäusern
geeignet ist.
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Weitere
Aspekte, Eigenschaften, Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung
ergeben sich aus den Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen.
Es zeigt:
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1 eine schematische Prinzipskizze
eines vorschlagsgemäßen Wärmetauschers
mit übereinander
geschichteten Trennwänden
gemäß einer ersten
Ausführungsform;
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2a eine Draufsicht einer
Trennwand des Wärmetauschers;
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2b eine ausschnittsweise
Darstellung eines Details der Trennwand;
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2c eine ausschnittsweise
Darstellung eines Details der Trennwand gemäß einer Ausführungsvariante;
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3 eine schematische Stirnansicht
der Trennwand;
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4 eine ausschnittsweise
Darstellung einer Kanalwand der Trennwand;
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5 eine schematische Stirnansicht
der Trennwand mit etwas modifizierter Kanalform;
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6 eine schematische Schnittdarstellung des
Wärmetauschers
in einer ersten Strömungsebene;
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7 eine schematische Schnittdarstellung des
Wärmetauschers
in einer zweiten Strömungsebene;
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8 eine perspektivische Ansicht
eines Plattenelements mit einer Trennwand gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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9 eine Prinzipskizze des
Wärmetauschers
mit übereinander
geschichteten Trennwänden gemäß der zweiten
Ausführungsform;
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10 eine schematische Schnittdarstellung
des Wärmetauschers
in einer ersten Strömungsebene;
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11 eine schematische Schnittdarstellung
des Wärmetauschers
in einer zweiten Strömungsebene;
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12 eine ausschnittsweise
Schnittdarstellung zweier versetzter Trennwände des Wärmetauschers gemäß der zweiten
Ausführungsform;
und
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13 eine schematische Darstellung
des eingebauten Wärmetauschers.
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Nachfolgend
werden für
gleiche oder ähnliche
Bauteile und Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei
sich gleiche oder zumindest ähnliche
Eigenschaften und Vorteile ergeben, auch wenn eine wiederholte Beschreibung
aus Vereinfachungsgründen
weggelassen ist.
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1 zeigt in einer nur schematischen
Darstellung einen vorschlagsgemäßen Wärmetauscher 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
mit geschichteten Trennwänden 2 zum
Wärmetausch
zwischen Gasströmen,
insbesondere im Gegenstrom.
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Die
Trennwände 2 bestehen
aus Metallfolie, insbesondere Aluminiumfolie mit einer Materialdicke von
höchstens
0,1 mm, vorzugsweise höchstens 0,05
mm, insbesondere 0,03 mm bis 0,01 mm. Trotz dieser geringen Materialdicke
ist eine ausreichende Stabilität
bzw. Festigkeit erreichbar.
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Jeder
Trennwand 2 ist ein Rahmen 3 zugeordnet, um eine
ausreichende Stabilität
und die Schichtung zu ermöglichen.
Vorzugsweise sind die Trennwände 2 jeweils
in den zugeordneten Rahmen 3 eingeklebt oder in sonstiger
geeigneter Weise damit verbunden. 2a zeigt
in einer schematischen Draufsicht eine Trennwand 2 mit
Rahmen 3.
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Zusätzlich können zur
Stabilisierung Querstege 4, die den Rahmen 3 überspannen
und die Trennwand 2 abstützen bzw. versteifen, vorgesehen sein,
wie in 2a angedeutet.
Beim Darstellungsbeispiel sind die Querstege 4 vorzugsweise
durch aufgeklebte Folienstreifen gebildet.
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Vorzugsweise
sind die Querstege 4 auf beiden Flachseiten des Rahmens 3 angeordnet.
Dies führt
zu einer deutlichen Verbesserung der Stabilität.
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Der
Rahmen 3 kann – insbesondere
bei entsprechender Querversteifung durch Querstege 4 – grundsätzlich nur
aus zwei Längsprofilen
bestehen, wie in 2a angedeutet.
Vorzugsweise sind jedoch endseitige Querverbindungen 4' vorgesehen,
wie in der ausschnittsweisen Darstellung gemäß 2b angedeutet. Diese Querverbindungen 4' dienen einer Versteifung,
um die gewünschte
mechanische Stabilität
zu erreichen. Die Querverbindungen 4' können wahlweise auf einer oder
auf beiden Flachseiten angeordnet sein.
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2c zeigt eine Ausführungsalternative, bei
der die Querverbindungen 4' stirnseitig
angeordnet und vorzugsweise gitterartig ausgebildet sind, um die
Kanäle 6 abwechselnd
stirnseitig zu verschließen und
dadurch separate Verschlußelemente 8,
wie bei der Variante gemäß 2a und 2b zu erübrigen. Auf den Zweck des wechselseitigen
Verschließens
wird später
noch näher
eingegangen. Zur Abdichtung können
die Querverbindungen 4' beispielsweise stirnseitig
mit der zugeordneten Trennwand 2 verklebt sein.
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Jeder
Rahmen 3 bildet zusammen mit seiner zugeordneten Trennwand 2 ein
Plattenelement 5. Durch entsprechende Schichtung der Plattenelemente 5 wird
der vorschlagsgemäße Wärmetauscher 1 aufgebaut.
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Jede
Trennwand 2 ist mit durchgehenden Kanälen 6 in Strömungsrichtung
durch vorzugsweise gleichförmige
Längsprofilierung
versehen.
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Die
schematische Stirnansicht gemäß 3 zeigt die regelmäßige Ausbildung
der Kanäle 6.
Die Kanäle 6 sind
im Querschnitt vorzugsweise zumindest im wesentlichen rechteckig – wie dargestellt – oder beispielsweise
sinusförmig
oder wellenförmig ausgebildet.
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Die
Kanäle 6 sind
gleichmäßig über die
Breite der Trennwand 2 verteilt und/oder gleichförmig ausgebildet.
Insbesondere entspricht der Kanalabstand etwa dem Doppelten der
Kanalbreite. Vorzugsweise beträgt
die Kanalbreite 2 mm bis 5 mm. Die Kanaltiefe ist vorzugsweise größer als
die Kanalbreite, insbesondere um den Faktor 2 bis 5.
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Die
vorgenannte, bevorzugte Kanalgeometrie führt zu günstigen Strömungsverhältnissen und einer weitgehenden
Unempfindlichkeit gegen Kondenswasser.
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In 3 ist bereits angedeutet,
daß die
Kanalwände
vorzugsweise mit Rillen oder Sicken 7 versehen sind. Die
Rillen bzw. Sicken 7 verlaufen vorzugsweise schräg zur Strömungsrichtung
und insbesondere schräg über die
Kanalwände,
wie der ausschnittsweisen Darstellung einer Kanalwand gemäß 4 zu entnehmen ist.
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Die
Rillen bzw. Sicken 7 führen
sowohl zu einer zusätzlichen
Stabilisierung bzw. Versteifung der Kanäle 6 und damit auch
der Trennwände 2 als
auch zu einer Verbesserung der Luftrotation bei niedrigem Widerstand,
wodurch der Wärmetausch
unterstützt wird.
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5 zeigt eine Ausführungsvariante
der Kanalform mit gebogenen Seitenwänden. Bedarfsweise können auch
die in 5 horizontalen Wandabschnitte
gewölbt
ausgebildet sein.
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Die
Wölbung
der Wände
führt zu
einer erhöhten
Stabilität
der Trennwand 2 bei Differenzen im Gasdruck zwischen beiden
Flachseiten bzw. Strömungsseiten
der Trennwand 2.
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Der
schematischen Darstellung gemäß 1 ist zu entnehmen, daß die Trennwände 2 derart übereinander
geschichtet werden, daß bei
zueinander benachbarten Trennwänden 2 zueinander längsseitig
offene Kanäle 6 jeweils
paarweise übereinander
liegen, also mit ihren offenen Längsseiten
zueinander weisen. Dementsprechend kann in einer Längsrichtung
durchströmendes
Gas, insbesondere Luft, sich jeweils in beide zueinander offenen
Paare zueinander offener Kanäle 6 benachbarter
Trennwände 2 verteilen.
Dies führt
zu besonders günstigen Strömungsverhältnissen,
worauf später
noch näher eingegangen
wird.
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Zwischen
den Trennwänden 2 ist
keine besondere Abdichtung erforderlich. Die Trennwände 2 können also
etwas beabstandet zueinander angeordnet sein, bedarfsweise aber
auch mit den Kanalerhebungen aufeinander aufliegen, ggf. mit dazwischen liegenden
Querstegen 4.
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2a bis 2c zeigen, daß die Kanäle 6 bei der ersten
Ausführungsform
jeweils an einer Seite abwechselnd verschlossen sind, insbesondere
durch eingeklebte oder aufgeklebte Verschlußelemente 8 oder dgl.
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6 zeigt in einem schematischen
Schnitt in einer ersten Ebene Strömungswege im vorschlagsgemäßen Wärmetauscher 1,
der beim Darstellungsbeispiel aus vier Plattenelementen 5 aufgebaut
ist. Zusätzlich
sind Luftkanäle 9, 10, 11 und 12 sowie
Abdeckungen 13 vorgesehen.
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Die
Schnittdarstellung gemäß 6 veranschaulicht eine Strömung S längs in einer
Ebene übereinander
liegender Kanäle 6 von übereinanderliegenden
Trennwänden 2 beispielsweise
der warmen Luft, insbesondere Raumluft, die insbesondere zur Umgebungsatmosphäre hin abgeleitet
wird. Die Luftströmung
S ist durch die Pfeile angedeutet.
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Aus 6 ist ersichtlich, daß die Strömung S in
allen übereinanderliegenden
Kanälen 6,
also in den in einer Ebene liegenden Kanälen 6 in die gleiche
Richtung verläuft.
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Weiter
ist zu erkennen, daß aufgrund
der wechselseitig offenen bzw. einseitig offenen Kanäle 6 die
jeweils durch eine stirnseitige Öffnung
in einen Kanal 6 eintretende Strömung S sich längs der Trennwände 2 bzw.
Kanäle 6 dann
auf die beiden benachbarten, zueinander offenen Kanäle 6 verteilt
und erst am Ende beim Austritt wieder zu dem Querschnitt der Strirnfläche eines
Kanals 6 verengt wird. Dementsprechend ist die Geschwindigkeit
der Luftströmung
S innerhalb der Kanäle 6 gegenüber der Eintrittsgeschwindigkeit
etwa auf die Hälft
reduziert. Dies ist einem effektivem Wärmetausch sehr zuträglich.
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Kanäle 9 bis 12 dienen
der Luft- bzw. Gasführung,
also Ableitung bzw. Zuleitung, beispielsweise warmer Raumluft und
noch zu erwärmender
Außenluft
oder dgl. Nachfolgend wird immer der Begriff Raumluft einerseits
und der Begriff Außenluft
andererseits zur besseren Unterscheidbarkeit verwendet. Dies hängt jedoch
vom Einsatz des vorschlagsgemäßen Wärmetauschers 1 ab.
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Es
ist selbstverständlich,
daß statt
dessen auch sonstige Luft- oder Gasmengen bzw. -strömungen in
Frage kommen. Wesentlich ist nämlich
nur, daß ein
Wärmetausch
zwischen warmer Luft bzw. warmen Gas einerseits und zu erwärmender
Luft bzw. zu erwärmenden
Gas andererseits durchgeführt wird.
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7 veranschaulicht in einem
um eine Kanalbreite gegenüber 6 versetzten zweiten Schnitt
die im Gegenstrom T geführte
Außenluft.
Die Führung
der Gegenströmung
T entspricht grundsätzlich
der bereits anhand von 6 erläuterten
Luftströmung
S. Insofern erübrigt
sich eine Wiederholung. Vielmehr kann auf die Darstellung gemäß 7 verwiesen werden.
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Bei
dem Strömungen
S und T wird eine weitgehend symmetrische, in den Darstellungen
gemäß 6 und 7 im wesentlichen punktsymmetrische Durchströmung zweier
benachbarter, zueinander offener Kanäle 6 erreicht. Dies
führt zu
einem sehr gleichmäßigen und
effektiven Wärmetausch.
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Eine
oberseitige und eine unterseitige Abdeckung 13 dienen dazu,
die zur äußeren Flachseite der
außenliegenden
Trennwände 2 hin
offenen Kanäle 6 abzudecken.
Die Abdeckungen 13 können
bedarfsweise einstückig
mit den äußeren Kanälen 11 bzw. 12 ausgebildet
sein und/oder ein ansonsten nicht dargestelltes Gehäuse des
Wärmetauschers 1 bilden.
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Die
Kanäle 9 und 10 sowie
eventuelle sonstige Kanäle
und/oder Luftleiteinrichtungen können bedarfsweise
unmittelbar von den einzelnen Plattenelementen 5 bzw. den
Rahmen 3 gebildet oder daran angebracht sein. Alternativ
oder zusätzlich
können die
genannten Kanäle 9, 10 und/oder
sonstige Luftleiteinrichtungen auch vom Gehäuse des Wärmetauschers 1 gebildet
oder darin angeordnet sein. Zur Luftzuführung und -abführung gibt
es eine Vielzahl von Alternativen, auf die hier nicht im einzelnen
eingegangen werden soll.
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Vorzugsweise
weist der Wärmetauscher 1 sowohl
für die
Raumluft als auch für
die Außenluft
jeweils mindestens einen zugeordneten, insbesondere elektrisch betriebenen
Ventilator auf, der vorzugsweise stufenlos elektrisch bzw. elektronisch
regelbar ist.
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Die
entsprechende Steuerung bzw. Regelung kann in den Wärmetauscher 1 integriert
sein. Vorzugsweise erfolgt zumindest die manuelle Bedienung, ggf.
aber auch die Steuerung bzw. Regelung über eine drahtlose Verbindung,
besonders bevorzugt mittels einer Funkfernsteuerung oder dgl.
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Nachfolgend
wird eine zweite Ausführungsform
des vorschlagsgemäßen Wärmetauschers 1 anhand
der 8 bis 12 näher beschrieben, wobei lediglich
wesentliche Unterschiede gegenüber
der ersten Ausführungsform
herausgestellt werden. Die obigen Ausführungen gelten ansonsten entsprechend.
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Bei
der zweiten Ausführungsform
ist der Rahmen 3 vorzugsweise ebenfalls umlaufend ausgebildet,
wobei die Querseiten vorzugsweise die stirnseitigen Öffnungen
der Kanäle 6 unmittelbar
verschließen,
und zwar im Gegensatz zu der Ausführungsvariante gemäß 2c alle stirnseitigen Öffnungen
der Kanäle 6.
Die Kanäle 6 sind
bei der zweiten Ausführungsform
also vorzugsweise stirnseitig durchgehend verschlossen. Hierzu bilden
die Querseiten des Rahmen 3 insbesondere durchgehende, stirnseitig
vorzugsweise aufgeklebte Verschlußelemente 8 oder dgl.,
wie in 8 angedeutet.
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9 veranschaulicht das Prinzip
der Schichtung der Trennwände 2 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Wesentlich ist hierbei, daß die Trennwände 2 in
Längsrichtung – also in
Richtung der Kanäle 6 – abwechselnd
zueinander versetzt sind. Aufgrund dieses Versatzes ist eine Zuführung und
Ableitung von Luft trotz durchgehend endseitig verschlossener Kanäle 6 möglich.
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10 veranschaulicht in einer
zu 6 korrespondierenden
Schnittdarstellung die Strömung S
beispielsweise der Raumluft durch den vorschlagsgemäßen Wärmetauscher 1 gemäß der zweiten
Ausführungsform
in einer ersten Ebene in Schichtungsrichtung und in Längsrichtung
der Kanäle 6.
Beim Darstellungsbeispiel ist der Wärmetauscher 1 wiederum
aus vier Trennwänden 2 bzw.
Plattenelementen 5 aufgebaut, wobei die Rahmen 3 aus
Veranschaulichungsgründen
weggelassen sind.
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Aufgrund
des bereits erwähnten
Versatzes kann die Luft trotz der endseitig verschlossenen Kanäle 6 im
Bereich des Versatzes seitlich in die zu der jeweiligen Seite hin
offenen Kanäle 6 einströmen und sich
dann anschließend auf
die paarweise gegenüberliegenden
Kanäle 6 verteilen,
so daß wiederum die
bereits bei der ersten Ausführungsform
erläuterte Verlangsamung
der Geschwindigkeit innerhalb der Kanäle 6 gegenüber der
Strömungsgeschwindigkeit beim
Eintritt erreicht wird.
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An
die zurückversetzten
Enden der Trennwände 2 schließt sich
außen
an das Verschlußelement 8 jeweils
vorzugsweise eine Leitwand 14, insbesondere in der Mittelebene
der jeweiligen Trennwand 2, an, um die Luftströmungen S
und T entsprechend voneinander zu trennen. Die Leitwände 14 können ggf.
unmittelbar von den Kanälen 9, 10, 11 oder 12 gebildet
sein.
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Trotz
der nur etwa halben Höhe
zwischen einer Leitwand 14 und einem vorspringenden Ende
eines benachbarten Plattenelements 5 bzw. einer benachbarten
Trennwand 2 wird die tatsächliche Querschnittsfläche bei
der Zu- bzw. Ableitung dadurch nicht verringert, da in diesem Bereich
keine verschlossenen Kanäle 6 vorhanden
sind, wie dies beim seitlichen Eintritt in oder Austritt aus den
Kanälen 6 der
Trennwand 2 der Fall ist.
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11 zeigt in einer um die
gegenüber
der Darstellung gemäß 10 um eine Kanalbreite versetzten
Schnittebene die Gegenströmung
T der Außenluft
durch den Wärmetauscher 1.
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12 veranschaulicht in einer
ausschnittsweisen Darstellung den Längsversatz der Trennwände 2 bei
dem Wärmetauscher 1 gemäß der zweiten Ausführungsform.
Der Versatz ist vorzugsweise derart groß gewählt, daß die seitlich offene Länge L der Kanäle 6 zumindest
im wesentlichen der Tiefe der Kanäle 6 entspricht oder
größer ist.
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13 illustriert beispielhaft
die vorschlagsgemäße Verwendung
des Wärmetauschers 1 für die Gebäude- oder
Wohnraumbelüftung.
Der Wärmetauscher 1 ist
vorzugsweise zumindest im wesentlichen vollständig in eine Gebäudewand 15,
insbesondere eine Außenwand,
eingebaut. Die Kanäle 6 verlaufen hierbei
zumindest im wesentlichen vertikal, wobei sie von der Luftströmung S der
Raumluft von oben nach unterströmt
werden. Nach dem Wärmetausch
wird die Strömung
S der Raumluft nach außen
geführt. Die
zu erwärmende
Außenluft
wird im Gegenstrom T geführt,
wie in 13 schematisch
angedeutet.
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Die
Trennwandebenen können
je nach Ausbildung des Wärmetauschers 1 entweder
parallel oder senkrecht zur Mittelebene der Wand 15 verlaufen.
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Der
Wärmetauscher 1 ist
vorzugsweise derart ausgebildet, daß er in eine Haus- oder Gebäudewand 15 von
höchstens
30 oder 36 cm Dicke vollständig
einbaubar ist. Hierzu weist der Wärmetauscher vorzugsweise eine
Größe von 20 × 35 × 15 cm, insbesondere
von etwa 15 × 30 × 8 cm oder
weniger auf.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist der Wärmetauscher 1 vorzugsweise
derart in die Gebäudewand 15 eingebaut,
daß die
Plattenebenen der Plattenelemente 5 zumindest im wesentlichen
vertikal und/oder quer zur Gebäudewand 15 verlaufen.
Der vertikale Verlauf führt
ebenso wie der vertikale Verlauf der Kanäle 6 dazu, daß Kondenswasser
gut ablaufen bzw. gut abgeführt
werden kann. Der Wärmetauscher 1 ist zusätzlich oder
alternativ vorzugsweise derart ausgebildet, daß die Plattenelemente 5 einzelweise
aus- und einbaubar, insbesondere auswechselbar oder reinigbar, sind.
Dies ist sogar im eingebauten Zustand des Wärmetauschers 1 möglich, insbesondere wenn
die Plattenebenen quer zur Gebäudewand 15 verlaufen.
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Einzelne
Aspekte der beschriebenen Ausführungsformen
können
auch bedarfsweise miteinander kombiniert werden.
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Der
vorschlagsgemäße Wärmetauscher 1 kann
im Vergleich zum Stand der Technik insbesondere kompakter, leichter
und/oder effektiver ausgebildet sowie kostengünstiger hergestellt werden.