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Die Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranordnung in einem raumlufttechnischen Gerät für die Wärmeübertragung zwischen einem gasförmigen und wenigstens einem flüssigen Fluid mit zwei in Luftrichtung gesehen parallel durchströmten räumlich versetzt hintereinander angeordneten Wärmetauscherkammern mit parallel dazu angeordneten Bypässen und einer zwischen den Wärmetauscherkammern angeordneten Verbindungskammer mit Luftleitblech.
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Der primäre Einsatzbereich der Wärmetauscheranordnung in einem raumlufttechnischen Gerät ist die Luft- und Klimatechnik sowie artverwandte Anwendungen.
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Es ist bekannt, die luftseitigen Druckverluste von Wärmetauschern und anderen Bauteilen in raumlufttechnischen Geräten durch verschiedene Maßnahmen zu reduzieren. Schräg eingebaute Wärmetauscher sind eine häufig praktizierte Lösung zur Vergrößerung der Wärmetauscherfläche bei Wärmetauschern mit in Luftrichtung gesehen geringer Bautiefe. In der
DE 10 2009 037 388 A1 wird eine drehbare Anordnung der Wärmetauscher vorgeschlagen. In der
DE 10 2006 048 667 A1 wird eine Wärmetauscheranordnung mit zwei in Luftrichtung hintereinander angeordneten Wärmetauschern mit Bypass beschrieben, wobei die Wärmetauscher luftseitig parallel angeströmt werden.
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Weiterhin ist es bekannt, in kreislaufverbundenen Wärmerückgewinnungssystemen Wärmetauscher mit großer Bautiefe in Luftrichtung gesehen einzusetzen um einen möglichst hohen Gegenstromanteil zu erzielen. Bekannte Lösungen sind zum Beispiel Wärmetauscher mit bis zu 30 Rohrreihen in Luftrichtung oder mehrere in Reihe geschaltete Wärmetauscher.
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Aus dem Bereich der unterbrechungsfreien Kühlung mit Kühleroberflächentemperaturen kleiner 0°C ist aus der
DE 103 53 046 A1 bekannt, zwei Kühler in einem Luftkanal hintereinander anzuordnen, wobei immer ein Kühler in Betrieb ist während der andere Kühler abgetaut wird. Nachteilig ist hierbei, dass sich der inaktive Kühler im Luftstrom befindet und damit vermeidbare Druckverluste erzeugt. Ein weiterer Nachteil ist die erneute Abgabe von während der Abtauung freiwerdender Feuchtigkeit an die weiterhin den inaktiven Kühler durchströmende Luft. Weiterhin ist es bekannt, zwei Kühlerkammern parallel anzuordnen, wobei immer nur ein Kühler in Betrieb ist während der zweite Kühler abgetaut wird. Zur Abtauung werden häufig elektrisch betriebene Blockheizelemente eingesetzt. Diese reduzieren die zur Verfügung stehende Kühleroberfläche und müssen durch zusätzliche Rohrreihen kompensiert werden.
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Der Erfindung liegt einerseits die Aufgabe zugrunde bei hohen luftseitigen Anströmgeschwindigkeiten bezogen auf den Gerätequerschnitt die Anströmgeschwindigkeiten und damit die Druckverluste der parallel geschalteten Wärmetauscherkammern zu reduzieren.
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Weiterhin soll die Erfindung eine unterbrechungsfreie Be- und Entlüftung von Räumen ermöglichen, wenn innerhalb der Wärmetauscherkammern Kühler mit Oberflächentemperaturen kleiner 0°C zum Einsatz kommen.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Außenluft im Sommerbetrieb durch eine Kombination von Kälterückgewinnung und mechanischer Kühlung zu kühlen und zu entfeuchten.
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Andererseits ist es Aufgabe der Erfindung, bei Betriebszuständen mit reduziertem Luftvolumenstrom den Gegenstromanteil der Luftbehandlungseinheiten zu erhöhen und damit eine deutliche Erhöhung der Rückwärmezahl eines kreislaufverbundenen Wärmerückgewinnungssystems zu erreichen.
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen genannten Merkmale gelöst.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung in einem raumlufttechnischen Gerät werden nachfolgend anhand von beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die nachfolgenden Beschreibungen und die beiliegenden Zeichnungen haben nur einen beispielhaften Charakter und beschreiben bzw. zeigen jeweils eine von vielen möglichen Lösungen.
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Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Wärmetauscheranordnung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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1 zeigt einen Strömungskanal 1 mit zwei in Luftrichtung gesehen hintereinander angeordneten Wärmetauscherkammern WT1 und WT2, wobei die beiden Wärmetauscherkammern WT1 und WT2 von der Luft parallel durchströmt werden. Den Wärmetauscherkammern WT1 und WT2 kann bei Bedarf eine Vorbehandlungskammer VK1 und VK2 für zusätzliche Luftbehandlungsfunktionen vorgeschaltet werden. Jede Wärmetauscherkammer WT1, WT2 verfügt über einen parallel angeordneten Bypasskanal B2, B1. Der Bypasskanal B1 verfügt über eine Verschlussklappe K1 und der Bypasskanal B2 verfügt über eine Verschlussklappe K2. Zwischen den Wärmetauscherkammern befindet sich eine Verbindungskammer VBK mit einem schräg eingebauten Leitblech LB. Das Leitblech LB verbandet Wärmetauscherkammer WT1 mit Bypasskanal B1 und es verbindet Bypasskanal B2 mit Wärmetauscherkammer WT2.
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2 zeigt einen Strömungskanal wie 1, jedoch zusätzlich mit Luftfilterbestückung in den Vorbehandlungskammern VK1 und VK2.
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Die Vor- und Rücklaufleitungen der Wärmetauscher erhalten an den Verbindungspunkten V213, V113, V224 und V124 Abzweige, wobei die Verbindungspunkte V213 und V113 am Vorlaufverbindungspunkt V3 zusammen geführt werden. Die Verbindungspunkte V224 und V124 werden am Rücklaufverbindungspunkt V4 zusammen geführt. Die Verbindungspunkte V3 und V4 werden durch eine Rohrleitung verbunden. In die Verbindungsleitung zwischen Vorlaufverbindungspunkt V3 und Rücklaufverbindungspunkt V4 kann ein Wärmetauscher E eingebaut werden. Die Verbindungsleitung zwischen Vorlaufverbindungspunkt V3 und Rücklaufverbindungspunkt V4 bildet den gemeinsamen Nachbehandlungskreis, der alternierend zur Abtauung der Wärmetauscherkammern WT1 und WT2 genutzt werden kann.
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3.1 zeigt einen Strömungskanal wie 2, jedoch zusätzlich mit einer Pumpe P2 im gemeinsamen Nachbehandlungskreis zwischen Vorlaufverbindungspunkt V3 und Rücklaufverbindungspunkt V4.
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3.2 zeigt einen Strömungskanal wie 3.1, jedoch mit einer Pumpe P3 im gemeinsamen Nachbehandlungskreis zwischen Vorlaufverbindungspunkt V3 und Rücklaufverbindungspunkt V4. Die Durchgangsventile wurden durch 3-Wege-Umschaltventile an den Verbindungspunkten V213, V113, V224 und V124 ersetzt.
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4 zeigt einen Strömungskanal wie 2, jedoch mit einer Verschlussklappe K3 im Leitblech LB. Weiterhin zeigt 4 Vorbehandlungskammern VK1 und VK2, die mit Befeuchtern zur adiabaten Kühlung der Abluft ausgerüstet sind.
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Das Ausführungsbeispiel nach 1 ermöglicht bei geöffneten Klappen K1 und K2 einen Parallelbetrieb der Wärmetauscher WT1 und WT2. Die luftseitigen Druckverluste der Strömungswege VK1-WT1-K1-B1 und B2-K2-VK2-WT2 sind identisch. Daher werden beide Strömungswege mit je 50% Luftvolumenstrom versorgt. Bei einem Flächenanteil von 85% Wärmetauscheranströmquerschnitt und 15% Bypassanströmquerschnitt kann die Strömungsgeschwindigkeit im Bereich der Wärmetauscher im Vergleich zu einem vollflächig eingebauten Wärmetauscher ohne Bypass um ca. 40% reduziert werden. In der praktischen Anwendung ergeben sich dadurch große Vorteile bei der Sanierung oder dem Austausch bestehender Lüftungsanlagen. Wenn der Einbau einer Lüftungsanlage mit größerer Kammerbreite und/oder Kammerhöhe aus baulichen Gründen nicht möglich ist, kann durch den Einbau einer Kammerzentrale nach 1 bei einer Anströmgeschwindigkeit von z. B. 3 m/s im Gerätequerschnitt die Anströmgeschwindigkeit der Wärmetauscher auf unter 2 m/s reduziert werden.
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Dadurch wird der Einbau von hocheffizienten Kreislaufverbundsystemen auch bei ungünstigen baulichen Gegebenheiten möglich.
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Ein weiterer Anwendungsfall für das Ausführungsbeispiel nach 1 ist die unterbrechungsfreie Kühlung bei vereisenden Kühleroberflächen. Bei nur zeitweise vereisenden Kühlern können die Wärmetauscher WT1 und WT2 im Parallbetrieb betrieben werden. Bei Vereisungsgefahr ist ein alternierender Betrieb der Wärmetauscher WT1 und WT2 möglich.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 ermöglicht eine Abtauung des vereisten WT1 bei geschlossener Klappe K1 durch Umlenkung des im WT2 erwärmten Kühlmediums am Verbindungspunkt V224 und Weiterleitung über Verbindungspunkt V4 und V3 zum Verbindungspunkt V113 und weiter zu WT1. Das erwärmte Kühlmedium aus WT2 wird durch WT1 geführt und kann WT1 abtauen. Wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmediums für eine Abtauung nicht hoch genug sein sollte, kann die Temperatur im Wärmetauscher E erhöht werden.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 ermöglicht ebenfalls eine Abtauung des vereisten WT2 bei geschlossener Klappe K2 durch Umlenkung des im WT1 erwärmten Kühlmediums am Verbindungspunkt V114 und Weiterleitung über Verbindungspunkt V4 und V3 zum Verbindungspunkt V213 und weiter zu WT2. Das erwärmte Kühlmedium aus Wärmetauscherkammer WT1 wird durch Wärmetauscherkammer WT2 geführt und kann WT2 abtauen. Wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmediums für eine Abtauung nicht hoch genug sein sollte, kann die Temperatur im Wärmetauscher E erhöht werden.
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Vorteilhaft ist die Abtauung des vereisten Kühlers ohne Zufuhr von Wärmeenergie aus einem anderen System. Bei einer Eintrittstemperatur des Kühlmediums von z. B. –3°C und einer Austrittstemperatur von z. B. + 3°C im aktiven Kühler kann der vereiste Kühler ohne Zufuhr weiterer Energie mit einer Eintrittstemperatur von z. B. +3°C abgetaut werden. Des Kühlmittel wird während der Abtauung durch Wärmeabgabe an die vereiste Wärmetauscheroberfläche abgekühlt. Dadurch wird ein sehr wirtschaftlicher Abtaubetrieb ermöglicht.
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Nur bei ungünstigen Temperaturen und/oder kurzen Abtauzeiten wird eine Zufuhr von Wärmeenergie im Wärmetauscher E erforderlich.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 werden die Vorbehandlungskammern VK1 und VK2 mit Filtern ausgerüstet. Durch die alternierende Betriebsweise der Wärmetauscherkammern WT1 und WT2 ist ein Filteraustausch ohne Betriebsunterbrechung möglich.
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Das Ausführungsbeispiel nach 3.1 unterscheidet sich von 2 durch die Pumpe P2 zwischen den Verbindungspunkten V3 und V4.
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Dieses Ausführungsbeispiel 3.1 ermöglicht im ersten Betriebsfall eine schnelle Abtauung des vereisten Kühlers WT2 bei geschlossener Klappe K2. Die Abtauung erfolgt in einem gemeinsamen Nachbehandlungskreislauf von WT2 über den Verbindungspunkt V213 über V3, Pumpe P2, Wärmetauscher E und Verbindungspunkt 224 zurück zum Wärmetauscher WT2. Der Wärmetauscher WT1 befindet sich bei geöffneter Klappe K1 während der Abtauung von WT2 weiterhin im Kühlbetrieb.
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Dieses Ausführungsbeispiel 3.1 ermöglicht im zweiten Betriebsfall eine schnelle Abtauung des vereisten Kühlers WT1 bei geschlossener Klappe K1. Die Abtauung erfolgt in einem gemeinsamen Nachbehandlungskreislauf von WT1 über den Verbindungspunkt V113 über V3, Pumpe P2, Wärmetauscher E und Verbindungspunkt 124 zurück zum Wärmetauscher WT1. Der Wärmetauscher WT2 befindet sich bei geöffneter Klappe K2 während der Abtauung von WT1 weiterhin im Kühlbetrieb.
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Die Abtauung erfolgt im Ausführungsbeispiel 3.1 im Gegenstrom zur Strömungsrichtung im Kühlfall. Das Gegenstromprinzip ermöglicht eine effiziente Abtauung.
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Das Ausführungsbeispiel nach 3.2 unterscheidet sich von 3.1 durch die geänderte Strömungsrichtung im Nachbehandlungskreis. Da Pumpe P3 im Vergleich zu Pumpe P2 eine entgegengesetzte Wirkrichtung hat, erfolgt die Abtauung in gleicher Strömungsrichtung wie der Kühlbetrieb. Weiterhin wurden in 3.2 die Motorklappen V21, V22, V23, V24, V11, V12, V13 und V14 durch die 3-Wege-Umschaltventile V213, V224, V113 und V124 ersetzt.
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Eine weitere Anwendung des Ausführungsbeispiels nach 3.2 ist die Kühlung und Entfeuchtung von Außenluft im Sommerbetrieb. Dazu wird Wärmetauscher WT2 bei geöffneter Bypassklappe K2 mit flüssigem Medium aus der adiabaten Abluftkühlung versorgt. Bei einer Eintrittstemperatur des flüssigen Mediums von z. B. 21°C kann die Außenluft von 32°C/12 g/kg auf ca. 22°C/12 g/kg gekühlt werden. Die Kühlung und Entfeuchtung der Außenluft erfolgt in einem Kühlkreislauf von WT1 über den Verbindungspunkt V124 über V4, Wärmetauscher E, Pumpe P3 und Verbindungspunkt 113 zurück zum Wärmetauscher WT1. Bei einer Eintrittstemperatur des flüssigen Mediums von z. B. 6°C kann die Außenluft von 32°C/12 g/kg auf ca. 11°C/8 g/kg gekühlt werden.
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Nach Durchmischung der Luft aus WT1 und WT2 ergibt sich ein Mischpunkt von 16,5°C und 10 g/kg.
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Vorteilhaft bei diesem Beispiel ist die im Vergleich zur üblichen Bauweise mit WRG-Wärmetauscher, Entfeuchtungskühler und Nacherhitzer, kurze Baulänge, die geringen Druckverluste, der Entfall des Nacherhitzers und der Entfall der Energiekosten für den Betrieb des Nacherhitzers. Besonders vorteilhaft ist die Reduzierung der Ventilatorantriebskosten durch den Entfall der Druckverluste des Entfeuchtungskühlers und des Nacherhitzers.
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Wenn keine Entfeuchtung der Außenluft erforderlich ist, können die Wärmetauscherkammern WT1 und WT2 parallel mit dem gleichen flüssigen Medium, z. B. Sole aus dem Wärmerückgewinnungskreislauf, betrieben werden.
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Das Ausführungsbeispiel nach 4 unterscheidet sich von 2 durch eine zusätzliche Verschlussklappe K3 im Leitblech LB und eine Verbindungsleitung von V3 nach V4 ohne Wärmetauscher E.
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Das Ausführungsbeispiel nach 4 ermöglicht bei geöffneten Klappen K1 und K2 einen Parallelbetrieb der Wärmetauscher WT1 und WT2 wie unter den Ausführungsbeispielen der 1 beschrieben. Lüftungsanlagen werden häufig mit variablen Luftvolumenströmen betrieben. Bei geringer Personenbelegung, sehr hohen oder sehr niedrigen Außenlufttemperaturen kann der Luftvolumenstrom erheblich reduziert werden. Bei reduziertem Außenluftvolumenstrom kann man die Wärmetauscher weiterhin im Parallelbetrieb betreiben. Allerdings kann man die Wärmetauscher WT1 und WT2 luftseitig durch Schließen der Klappen K1 und K2 und Öffnen der Klappe K3 in Reihe schalten. Das flüssige Medium kann durch Umlenkung am Verbindungspunkt 224 und Weiterleitung über V4 und V3 zum Umlenkpunkt V113 ebenfalls in Reihe geschaltet und im Gegenstrom zur Luft geführt werden. Im Vergleich zur Parallelschaltung der Wärmetauscher bleibt die Wärmetauscherfläche unverändert. Der Gegenstromanteil wird jedoch verdoppelt und die Rückwärmezahl deutlich erhöht. Dadurch kann die Effizienz der Wärmerückgewinnung bei Betriebszuständen mit reduziertem Luftvolumenstrom deutlich erhöht werden.
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Die 4 zeigt Vorbehandlungskammern VK1 und VK2 mit Befeuchtern zur adiabaten Kühlung der Abluft. Diese werden im Sommerbetrieb zur Kühlung der Abluft und zur indirekten Kühlung der Zuluft bei kreislaufverbundenen Wärmerückgewinnungssystemen eingesetzt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009037388 A1 [0003]
- DE 102006048667 A1 [0003]
- DE 10353046 A1 [0005]
