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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstrom-Wärmetauscher gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Heizungsanlage, eine Belüftungsanlage und einen Kondensations-Wäschetrockner oder eine Wasch/Trockner-Kombination.
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Gattungsgemäße Gegenstrom-Wärmetauscher weisen üblicherweise einen im wesentlichen runden Querschnitt und eine dem Querschnitt gegenüber deutlich größere Länge auf. Im Inneren des Wärmetauschers werden zwei Medien so geführt und voneinander getrennt gehalten, dass das erste Medium seine Wärmeenergie in möglichst großem Umfang an das zweite Medium abgeben kann. Prinzipbedingt geschieht dies am wirkungsvollsten mit Hilfe des Gegenstromprinzips.
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Ein solcher Wärmetauscher ist beispielsweise aus der
DE 36 27 578 bekannt. Dieser weist gewickelte oder schraubenförmige Innenflächen zur Durchleitung der Prozessluft auf. Bekannt sind auch Wärmetauscher, bei denen sich die Kanäle für ein zweites Medium radial zum Querschnitt des Rohrwärmetauschers erstrecken. Gemeinsam ist diesen bekannten Wärmetauschern, dass sie zumeist aus Metall gefertigt sind und damit teuer und schwer sind. Aus Kunststoff hergestellte Wärmetauscher sind oftmals aus Preis- oder Beständigkeitsgründen vorteilhaft, stellen aber besondere Anforderungen an deren Konstruktion, da durch die Verwendung des Kunststoffs entsprechend große Kunststoffflächen bereit gestellt werden müssen, um den gegenüber metallischen Wärmetauschern schlechten Wärmeleitungskoeffizienten ausgleichen zu können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gegenstrom-Wärmetauscher bereit zu stellen, der effizient und dabei einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Gegenstrom-Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß weist der Gegenstrom-Wärmetauscher mindestens zwei von einem rohrförmigen Mantel umgebene, gegenläufig durchströmbare Kanäle auf, wobei ein erster Kanal von einem ersten Medium in einer Strömungsrichtung und ein den ersten Kanal benachbarter zweiter Kanal von einem zweiten Medium in eine der Strömungsrichtung entgegengesetzten Richtung durchströmbar ist, wobei an den offenen Stirnseiten der Kanäle Endkappen zur Einleitung des jeweiligen von einer der Stirnseiten her einströmenden Mediums in den entsprechenden Kanal angeordnet sind, wobei die von dem Kanälen abgewandten offenen Seiten der Endkappen eine Teilfläche des von dem Mantel umschlossenen Strömungsquerschnittes bilden. Ein solcher Gegenstrom-Wärmetauscher zeichnet sich insbesondere durch seine einfache Herstellbarkeit aus.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante sind die Endkappen konzentrisch in dem von dem Mantel umschlossenen Strömungsquerschnitt angeordnet. Der Gegenstrom-Wärmetauscher ist dadurch so gestaltet, dass die Medien in konzentrischen Rohren, bestehend aus einem Innenrohr und einem Außenrohr zu- bzw. abgeführt werden können. Durch die Anordnung eines Innenrohrs in einem Außenrohr lässt sich der Gegenstrom-Wärmetauscher bequem in Luftführungssysteme integrieren, die zur Zu- bzw. Abführung der Prozeßluft bereits solche konzentrischen Rohre nutzen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante ist der mindestens eine erste Kanal des Gegenstrom-Wärmetauschers zur Durchleitung des ersten Mediums durch mehrere Radialkörper gebildet, wobei der mindestens eine zweite Kanal zur Durchleitung des zweiten Mediums von der Außenfläche des oder der Radialkörper und der Innenfläche des Mantels gebildet wird. Diese Radialkörper sind gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante auf ihren parallel zur Strömungsrichtung ausgerichteten Flächen mit konkaven und/oder konvexen Noppen versehen und sorgen so für eine weitere Verbesserung des Wärmeübergangs durch Erhöhung der Turbulenz in der Medienströmung.
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Die Noppen dienen desweiteren zusätzlich vorteilhaft als Abstandshalter zwischen den einzelnen Radialkörpern bzw. als Abstandshalter zum äußeren Mantel, um insbesondere einem gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung aus Kunststoff hergestellten Gegenstrom-Wärmetauscher eine zusätzliche Stabilität zu verleihen.
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Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung wird eine Heizungsanlage, eine Lüftungsanlage und ein Wäschetrockner bzw. ein Wasch/Trockner-Kombinationsgerät beschrieben, welche mit einem erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauscher ausgestattet sind.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a u. 1b eine perspektivische bzw. eine Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
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2 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers mit teilweise weggeschnittenen Kanälen,
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3 eine perspektivische Darstellung eines Details des in 2 gezeigten Wärmetauschers,
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4a u. 4b perspektivische Darstellungen einer weiteren Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers bzw. eines Details des Wärmetauschers aus 4a,
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5 eine perspektivische Darstellung einer Heizungsanlage mit Heiztherme und an die Heiztherme angeschlossene Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers,
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6 eine perspektivische Darstellung eines Lüftungsgerätes mit erfindungsgemäßen Wärmetauscher,
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7a u. 7b unterschiedliche Schnittansichten des Lüftungsgerätes aus 6,
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8 ein Wasch/Trockner-Kombinationsgerät mit darin integrierter Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wärmetauschers und
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9 eine weitere perspektivische Darstellung eines Ausschnitts der Anordnung aus 8.
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In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in den jeweiligen Figuren gewählte beispielhafte Darstellung und Position des Gegenstrom-Wärmetauschers und anderer Teile. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt, durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
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In der 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 insgesamt eine erste Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers bezeichnet. Der Gegenstrom-Wärmetauscher 1 weist einen rohrförmigen Mantel 16 auf, in dem eine ein- oder mehrgängige Wendel 2 angeordnet ist. Die Wendel 2 ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt, vorzugsweise durch Extrusion hergestellt. Jeweils benachbarte Kanäle 3, 4 führen Medien 5, 6, beispielsweise Luft, im Gegenstrom aneinander vorbei, wobei die Wärme durch die Wendelflächen von einer zur anderen Seite der Wendel 2 übertragen wird. Zur Vergrößerung der Wendelflächen können die einzelnen Gänge der Wendel 2 beispielsweise gewellt ausgebildet sein, wie es in 1b anhand eines Schnittes durch den Gegenstrom-Wärmetauscher 1 der 1a gezeigt ist. Zu erkennen sind hier die als gewellte Linien 7 dargestellten Wendelflächen.
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An den offenen Stirnseiten der Kanäle 3, 4 bzw. der Wendel 2 sind Endkappen 8 angeordnet. Diese Endkappen 8 dienen der Einleitung des jeweiligen von einer der Stirnseiten her einströmenden Medien 5, 6 in den entsprechenden Kanal 3, 4. Die Endkappen 8 sind in dieser Ausführungsvariante mit einem von dem Wendel 2 abgewandten Ende mit einem Anschlussring 43 ausgebildet, von dem sich in Richtung der Wendel 2 aufweitende Kanäle erstrecken, die an die Kanäle 3 der Wendel 2 angeschlossen sind, so dass ein Medium 5 durch den Anschlussring 43 der Endkappe 8 in Richtung der Wendel 2 strömt und über die Kanäle der Endkappe 8 in die Kanäle 3 der Wendel strömt und entsprechend in die Kanäle der Endkappe 8 am gegenüberliegenden Ende des Gegenstrom-Wärmetauschers 1 geführt wird und von dort durch den Anschlussring 43 aus dem Wärmetauscher 1 austritt.
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Das zweite Medium 6 strömt dementsprechend von der in 1a rechten Seite her in den Wärmetauscher ein und zwar im Bereich eines Querschnitts des Gegenstrom-Wärmetauschers 1 zwischen dem Anschlussring 43 der Endkappe 8 und dem Außenmantel 16. Dieser Bereich mündet in die Kanäle 4 der Wendel 2.
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Die Endkappen 8 dienen so als Führungskörper für die gegenläufig durch den Wärmetauscher 1 strömenden Medien 5, 6. Die Endkappen 8 sind vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff hergestellt und durch Schweißen oder Kleben mit der Wendel 2 verbunden.
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Eine zweite Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers 9 ist in 2 gezeigt. Hier findet der Wärmeaustausch zwischen den Medien 5, 6 durch die Wandungen einer Vielzahl von Radialkörpern 10 statt, wobei das erste Medium 5 durch die Radialkörper 10 strömt und das zweite Medium 6 die Radialkörper 10 umströmt. Die Radialkörper 10 sind bevorzugt dünnwandig ausgebildet. Die Radialkörper 10 werden vorzugsweise als Kunststoffhohlkörper mittels Blasformen oder aus je zwei tiefgezogenen Schalen und deren Verbindung mittels Schweißen oder Kleben hergestellt. Die Anzahl der Radialkörper 10 sowie deren Querschnitt im wärmetauschenden Bereich 12 des Gegenstrom-Wärmetauschers 9 kann dabei entsprechend der Parameter der durch den Wärmetauscher 9 durchzuführenden Medien angepasst werden. Das Ziel dieser Anpassung besteht stets darin, eine möglichst große wärmetauschende Fläche parallel zur Strömungsrichtung SR zu erzeugen.
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Die Radialkörper 10 sind gemäß der hier gezeigten Ausführungsvariante mit einen im wesentlichen kreissegmentförmigen Querschnitt ausgebildet und weisen im wärmetauschenden Bereich 12 des Wärmetauschers 9 einen prismatisch geformten Abschnitt auf, welcher über einen Übergangsbereich 13 in einen aufgeweiteten Endabschnitt 14 übergeht. Diese Endabschnitte 14 sind dabei so ausgeführt, dass sie im Zusammenbau aneinanderliegend angeordnet sind und sich radial nur so weit erstrecken, dass sie sich bis an den Innenumfang einer Endkappe 11 erstrecken, die die Radialkörper 10 quer zur Durchströmungsrichtung SR abschließen. Die Verbindung und Abdichtung dieser Endabschnitte 14 mit den Endkappen 11 erfolgt vorzugsweise durch Kleben, wobei ein Kleb- oder Dichtstoff in Nuten 15 der Endkappe 11 dosiert und anschließend die Endabschnitte 14 in den Klebstoff in den Nuten 15 der Endkappe 11 eingesetzt werden und der Klebstoff anschließend ausgehärtet wird.
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Die 4a und 4b zeigen eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers, die im wesentlichen der in 2 gezeigten Ausführungsvariante des Gegenstrom-Wärmetauschers 9 entspricht. Die Radialkörper 10 sind in dieser Ausführungsvariante mit speziellen Oberflächenstrukturen in Form von konkaven oder konvexen Noppen 17 versehen. Durch die Noppen 17 wird eine Verbesserung des Wärmeübergangs durch Erhöhung der Turbulenz in der Medienströmung erzielt. Die Noppen können zum anderen aber auch als Abstandshalter 18 zwischen den einzelnen Radialkörpern 10 und/oder als Abstandshalter 19 zum äußeren Mantel 16 des Gegenstrom-Wärmetauschers 9 dienen.
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In einer der oben beschriebenen Ausführungsvarianten des Rohrwärmetauschers 1, 9 besteht der als äußeres Rohr dienende Mantel 16 ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff. Für den Mantel 16 können dabei handelsübliche Rohre aus der Gebäude- oder Verfahrenstechnik mit üblichen Dichtungen und Stecksystemen eingesetzt werden. Zusätzlich können die Endkappen 8 bzw. 11 ebenfalls Dichtungen bzw. zum Rohrsystem passende Kupplungsfunktionen beinhalten. Neben der hier gezeigten im Querschnitt kreisförmigen Ausgestaltung des als äußeres Rohr dienenden Mantels 16 und der sich in Strömungsrichtung erstreckenden Kragen der Endkappen 8 bzw. 11 sind auch ovale oder drei- bzw. mehreckige Rohrquerschnitte mit entsprechend angepassten Wendel oder Radialkörpern denkbar, je nach vorhandenem Bauraum und jeweiliger Anwendung.
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5 zeigt eine erste Anwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers 1, 9, nämlich zur Vorerwärmung der Brennerzuluft von Heizungen durch Abgaswärme. Dabei wird die Nutzung der im Brennerabgas einer Heizungsanlage vorhandenen Wärmeenergie unterhalb des Taupunktes allgemein als Brennwertnutzung verstanden. Die Nutzung dieser Wärmeenergie funktioniert jedoch bis maximal zur Rücklauftemperatur des Heizkreises. Dabei besteht insbesondere bei raumluftunabhängiger Zuluft für den Brenner gerade bei niedrigen Außenlufttemperaturen eine große ungenutzte Temperaturdifferenz zwischen Brennerabgas und Brennerzuluft. Diese Temperaturdifferenz kann durch Ersetzen eines auf einer Heiztherme 20 montierten Abgasrohres durch eine Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers genutzt werden, um die Brennerzuluft vorzuwärmen und dadurch den Wirkungsgrad der Heizung weiter zu verbessern. Vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist hier insbesondere die Ausbildung mit einem Doppelrohranschluss, da solche Heiztherme 20 regelmäßig konzentrische Rohranschlüsse 21 für Zuluft und Abgas besitzen. Selbstverständlich sind auch andere Platzierungen des Gegenstrom-Wärmetauschers 1, 9 im Abgasrohr oder auch innerhalb des Gehäuses der Heiztherme 20 möglich.
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Eine weitere Anwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers ist der Einsatz in dezentralen Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. Hier ist aus dem Stand der Technik bekannt, Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher einzusetzen, die prinzipbedingt eine schlechtere Leistungsfähigkeit als Gegenstrom-Wärmetauscher aufweisen und zudem den Nachteil aufweisen, dass sie für die Luftführung sehr viel Platz beanspruchen. Herkömmliche Gegenstrom-Wärmetauscher in Rohrform sind oftmals gewickelt aufgebaut und bestehen in der Regel aus Metall, so dass diese herkömmlichen Gegenstrom-Wärmetauscher materialbedingt und herstellungstechnisch sehr teuer sind.
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Weitere bekannte Gegenstrom-Wärmetauscher aus Kunststoff oder Metall in der Lüftungstechnik bestehen aus wabenförmigen Strukturen mit drei- oder mehreckigen Kanalquerschnitten, wobei jeweils benachbarte Kanäle gegenläufig durchströmt werden. Hier ist die Zu- und Abführung der Medienströme in der Regel aufwändig gestaltet und erfordert lange Übergangsbereiche oder Umlenkungen der Medienströme und damit zusätzliche Widerstände.
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Die 6 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Lüftungsgerätes 22, in dem die in 2 gezeigte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers 9 integriert ist. Das Lüftungsgerät 22 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 40 mit Luftführungen, in dem der Gegenstrom-Wärmetauscher 9 untergebracht ist. Solche Lüftungsgeräte 22 werden vorzugsweise unter oder neben Fensteröffnungen in einer Außenwand 39 eingebaut, wie es in 7a gezeigt ist.
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Dabei wird die warme, verbrauchte Abluft 23 aus einem Raum 29 über Rohrbögen 30 durch den Gegenstrom-Wärmetauscher 9 geführt und als abgekühlter Luftstrom 24 aus dem Wärmetauscher 9 aus dem Gegenstrom-Wärmetauscher 9 wieder abgeleitet. Die kalte Außenluft tritt in einer Öffnung 25 in das Gehäuse 40 ein und wird, wie in der Schnittdarstellung in 7b durch ein in 6 mit B markierte Schnittebene gezeigt ist, ist in einem ersten Kanal 27 zwischen dem Gehäuse 40 und dem Gegenstrom-Wärmetauscher-Außenmantel 16 parallel zur Raumluft geführt, um dann um 180° umgelenkt im Gegenstrom durch den Gegenstrom-Wärmetauscher zu strömen. An dessen Austritt erfolgt eine erneute Umlenkung um 180°, wo bei die Luft durch einen zweiten Kanal 28 zur Eintrittsöffnung 26 zum Raum 29 hin geführt wird. Die Abtrennung der Umlenkbereiche erfolgt dabei durch gebogene Trennwände 31, die den Außenmantel 16 des Gegenstrom-Wärmetauschers 9 in Hauptströmungsrichtung verlängern.
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Die in den 6, 7a und 7b nicht dargestellten Lüfter können dabei Wahlweise an den Öffnungen oder auch im Gehäuse 40 installiert werden. Neben der platzsparenden Bauweise eines derartigen Lüftungsgerätes 22 ist insbesondere die räumliche Trennung der Aus- und Eintrittsöffnungen vorteilhaft, da dadurch Kurzschlüsse der Luftströmungen vermieden werden. Wird das Lüftungsgerät 22 im wesentlichen senkrecht (senkrecht orientierte Haupt- Durchströmungsrichtung) in der Wand 39 eingebaut, wird zusätzlich eine einfache Ableitung von auf der Abluftseite ggfs. anfallenden Kondensat nach außen ermöglicht. Der Aufbau dieses Lüftungsgerätes 22 ermöglicht zusätzlich, den Gegenstrom-Wärmetauscher zu Reinigungszwecken einfach aus dem Gehäuse zu entnehmen.
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Eine dritte Anwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Gegenstrom-Wärmetauschers 1, 9 ist in den 8 und 9 gezeigt. Hier ist der Gegenstrom-Wärmetauscher 1, 9 in einen Wäschetrockner bzw. einen Wasch/Trockner-Kombinationsgerät eingebaut.
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Die im Stand der Technik bekannten Kondensations-Wäschetrockner enthalten zumeist Wärmetauscher zur Kühlung der im Kreislauf geführten feuchten Prozessluft mittels Außenluft, wobei Wasser kondensiert und dem Prozess entzogen wird. In herkömmlichen Wasch/Trockner-Kombinationsgeräten erfolgt die Kondensation üblicherweise durch Kühlung der Prozessluft mittels kaltem Leitungswasser, was mit einem sehr großen Wasserverbrauch einhergeht. Aus der
WO 2008/128887 ist ein Waschtrockner mit luftgekühltem Kondensator bekannt, mit dem der Energie- und Wasseraufwand erheblich reduziert werden konnte. Dieser Wärmetauscher ist dabei hinter der Trommel des Waschtrockners angeordnet und muss dadurch bedingt sehr flach ausfallen um, wodurch die Leistung des Wärmetauschers herabgesetzt wird. Durch die Anordnung des Wärmetauschers hinter der Trommel ist dieser insbesondere zu Reinigungszwecken auch nur mit erheblichem Aufwand ausbaubar. Insbesondere beim Einbau eines Wärmetauschers in einen solchen Wäschetrockner oder einem Wasch/Trockner-Kombinationsgerät ist jedoch zu bedenken, dass Ablagerungen von Wäscheabrieb, Haaren, o. a. ein erhebliches Problem darstellen und einen erhöhten Energieverbrauch bzw. eine Verlängerung der Laufzeit oder auch den Ausfall des Gerätes verursachen können.
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Bei dem in den 8 und 9 gezeigten Waschtrockner 32 mit einer Trommel 33 ist der Gegenstrom-Wärmetauscher rechts oder links seitlich oberhalb der Trommel 33 angeordnet. Hier wird die Prozessluft 34 von der Trommel 33 über die mit dem Außenring 41 des Gegenstrom-Wärmetauschers 1, 9 verbundene Seite geführt, im Gegenstrom-Wärmetauscher 1, 9 gekühlt und über einen Lüfter 38 und eine Heizung wieder in die Trommel geleitet. Die Kühlluft 35 wird von einem Lüfter 37 durch die entsprechenden anderen Kanäle zur Durchleitung des zweiten Mediums durch den Gegenstrom-Wärmetauscher geführt und tritt auf der gegenüberliegenden Seite wieder aus. Es versteht sich von selbst, dass Prozess- und Kühlluft auch jeweils um 180° gedreht geführt werden können. Ein weiterer besonderer Vorteil eines derart aufgebauten Kondensations-Wäschetrockners oder eines Wasch/Trockner-Kombinationsgerätes ist, dass der Gegenstrom-Wärmetauscher 1, 9 im Waschbetrieb nicht mit Lauge beaufschlagt wird und zum anderen die Möglichkeit besteht, den inneren Teil 38 des Gegenstrom-Wärmetauschers zu Reinigungszwecken zu entnehmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gegenstrom-Wärmetauscher
- 2
- Wendel
- 3
- Kanal
- 4
- Kanal
- 5
- Medium
- 6
- Medium
- 7
- Linie
- 8
- Endkappe
- 9
- Gegenstrom-Wärmetauscher
- 10
- Radialkörper
- 11
- Endkappe
- 12
- wärmetauschender Bereich
- 13
- Übergangsbereich
- 14
- Endabschnitt
- 15
- Nut
- 16
- Mantel
- 17
- Noppen
- 18
- Abstandshalter
- 19
- Abstandshalter
- 20
- Heiztherme
- 21
- Rohranschlüsse
- 22
- Lüftungsgerät
- 23
- Abluft
- 24
- Luftstrom
- 25
- Öffnung
- 26
- Eintrittsöffnung
- 27
- Kanal
- 28
- Kanal
- 29
- Raum
- 30
- Rohrbögen
- 31
- Trennwände
- 32
- Waschtrockner
- 33
- Trommel
- 34
- Prozessluft
- 35
- Kühlluft
- 37
- Lüfter
- 38
- innerer Teil des Wärmetauschers
- 39
- Außenwand
- 40
- Gehäuse
- 41
- Außenring
- 43
- Anschlussring
- AA
- Schnittebene
- BB
- Schnittebene
- SR
- Strömungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3627578 [0003]
- WO 2008/128887 [0038]
