DE202012012919U1 - Pipe heat exchanger according to the countercurrent principle with parallel flow channels with increased heat-transferring surface - Google Patents
Pipe heat exchanger according to the countercurrent principle with parallel flow channels with increased heat-transferring surface Download PDFInfo
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Abstract
Wärmetauscher nach dem Gegenstromprinzip mit parallelen Strömungskanälen, der im Wesentlichen durch übereinander vorgesehene Schichten aus profilierten Platten gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (1) aus jeweils zwei der profilierten Platten (2) bestehen, die zueinander spiegelbildlich angeordnet sind.Heat exchanger according to the countercurrent principle with parallel flow channels, which is essentially formed by layers of profiled plates provided one above the other, characterized in that the layers (1) each consist of two of the profiled plates (2), which are arranged in mirror image to one another.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit mehreren parallelen Strömungskanälen, der im Wesentlichen durch übereinander angeordnete Schichten aus profilierten Platten gebildet ist.The invention relates to a heat exchanger with a plurality of parallel flow channels, which is formed essentially by superimposed layers of profiled plates.
Die Verteuerung von Energie zwingt zunehmend auch Bauplaner, die Gebäudehüllen von Alt- und Neubauten energieeffizienter zu gestalten, sodass dadurch der natürliche Luftaustausch darunter leidet, was auch bei so genannten Niedrigenergie- u. Passivhäusern der Fall sein kann. Um nun ein angenehmes Raumklima zu erhalten, werden daher Lüftungsanlagen eingebaut, wodurch eine kontrollierte Wohnraumbelüftung erhalten werden kann. Um wiederum bei derartigen Anlagen möglichst geringe Lüftungswärmeverluste zu haben, werden vielfach so genannte Luft/Luft-Wärmetauscher, hier physikalisch richtig bezeichnet als rekuperative Wärmeübertrager vorgesehen, die dafür sorgen, dass in kalten Jahreszeiten zuströmende kalte Außenluft durch ausströmende warme Raumluft erwärmt wird, wodurch möglichst wenig Wärmeenergie dem jeweiligen Gebäudeinneren entzogen werden soll. Hierbei ist es erforderlich und zweckmäßig das beide Medien über Tauscherplatten voneinander getrennt werden, um eine hydraulische, thermische und hygienische Trennung der Medien mit höherer Temperatur zu den Medien mit einer niedrigeren Temperatur zu gewährleisten. Die energetische Effizienz beziehungsweise Qualität von Wärmeübertragern wird in der Rückwärmezahl, dem Wärmerückgewinnungsgrad oder dem Wärmebereistellungsgrad ausgedrückt. Um eine möglichst hohe Wärmeübertragung zu erreichen, sind folgende physikalische Parameter zur Konzeption eines Wärmeübertragers beziehungsweise eines Wärmetauschers ausschlaggebend:
- – Wärmeübertragende Oberfläche
- – Strömungsform (Gleich-, Kreuz,- Gegenstrom)
- – Strömungsart (laminare, turbulente Strömung)
- – Möglichst geringe Vereisungsneigung bei tiefen Temperaturen
- – Querschnittgröße und die Aufenthaltsdauer im thermisch Relevanten Strömungsbereich
- – Wärmeleitwert des Tauscherplattenmaterials
- – Art des Mediums (gas- oder fluidförmig)
- – Strömungsgeschwindigkeit
- – Massenstrom der Medien
- - Heat transferring surface
- - flow form (equal, cross, - countercurrent)
- - Type of flow (laminar, turbulent flow)
- - As low as possible the tendency to freeze at low temperatures
- - Cross-sectional size and length of stay in the thermally relevant flow area
- - Thermal conductivity of the exchanger plate material
- - type of medium (gas or fluid)
- - flow velocity
- - Mass flow of the media
Von den aufgezählten physikalischen Parametern beeinflussen die ersten vier Kriterien die energetische Effizienz eines Wärmetauschers am stärksten.Of the listed physical parameters, the first four criteria most affect the energy efficiency of a heat exchanger.
Stand der TechnikState of the art
In diesem Zusammenhang sind bereits verschiedene Bauarten von Wärmeübertragern bekannt. In this context, various types of heat exchangers are already known.
So ist beispielsweise aus der [
Derartige Wärmetauscher sind aufgrund mittlerweile korrosionsfester Kunststoffrohre neben in der chemischen Industrie auch bei sogenannten Raumheizern einsetzbar. Da bei Wärmetauschern nach dem Gegenstromprinzip der Wärmeübergang von einem zum anderen Medium im Wesentlichen von der Größe der zur Verfügung stehenden Wärme übertragenden Oberfläche der verwendeten Rohre abhängig ist, ist es anzustreben, diese Oberfläche möglichst groß zu wählen. Bei dieser bekannten Ausführung eines Röhrenwärmetauschers sind jedoch Kunststoffrohre mit einem relativ geringen Außendurchmesser von 2 mm vorgesehen. Grund hierfür ist es, dass sich diese aufwickeln lassen, wodurch dann die Steifigkeit der einzelnen Rohre abnimmt. Deswegen sind hier die Kunststoffrohre in einer zu einem Rohrbündel aufwickelbaren Röhrenmatte eingebunden und die einzelnen Rohre werden dabei parallel zueinander und durch mehrere Querbänder im Abstand voneinander gehalten, sowie in den Einström- und Ausströmbereichen zusammengeführt, wodurch bei einer gasförmigen Medienführung ungünstige, hohe Druckverluste entstehen. Nicht zuletzt werden bei diesem bekannten Wärmetauscher ausschließlich glatte Kunststoffrohre verwendet, wodurch deren zur Verfügung stehende Wärmetauschfläche klein beziehungsweise begrenzt ist.Such heat exchangers are due to now corrosion-resistant plastic pipes in addition to the chemical industry in so-called room heaters used. Since in heat exchangers according to the countercurrent principle, the heat transfer from one to the other medium substantially dependent on the size of the available heat transfer surface of the tubes used, it is desirable to choose this surface as large as possible. In this known embodiment of a tubular heat exchanger, however, plastic pipes are provided with a relatively small outer diameter of 2 mm. The reason for this is that they can be wound up, which then reduces the rigidity of the individual tubes. Therefore, here the plastic pipes are involved in a wind-up to a tube bundle tube mat and the individual tubes are parallel to each other and held by a plurality of transverse bands at a distance from each other, and merged in the inflow and outflow, resulting in a gaseous media guide unfavorable, high pressure losses. Not least, only smooth plastic pipes are used in this known heat exchanger, whereby the available heat exchange surface is small or limited.
Ferner ist aus der
Schließlich ist in der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen nach dem Gegenstromprinzip arbeitenden Wärmetauscher für fluid- und gasförmige wämeaustauschende Prozesse zu schaffen, der sich gegenüber dem Stand der Technik vor allem durch eine wirtschaftliche Fertigung bei gleichzeitig sachgerechter Stabilität und einem verbesserten Wärmerückgewinnungsgrad auszeichnen soll. Vorzugsweise soll ein verbessertes Strömungsverhalten bei großen Medienströmen mit hohen Druckdifferenzen gewährleistet sein.The invention is therefore an object of the invention to provide a working countercurrent heat exchanger for fluid and gaseous heat exchanging processes, which should be distinguished over the prior art mainly by an economical production with simultaneous proper stability and improved heat recovery. Preferably, an improved flow behavior should be ensured for large media streams with high pressure differences.
Lösung der AufgabeSolution of the task
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by the features of claim 1.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Durch diese Lösung können vorteilhaft aus nur einer Art eines Halbzeugs kostengünstig stabile Wärmetauscher hergestellt werden, indem zwei formgleiche Profilplatten als Halbzeuge beispielsweise aus einem Thermoplast wie PP, PE, PA oder PS oder aus einem Metallblech wie Aluminium, Edelstahl oder Kupfer in einem Tiefziehverfahren bzw. im sogenannten Twin Sheet Verfahren (doppeltem Tiefziehverfahren zur Hohlkörperherstellung) hergestellt und dann in dem selben Herstellungsprozess des Tiefziehens spiegelbildlich zueinander, kraftschlüssig verschweißt beziehungsweise verklebt werden. Dadurch wird ein vollständiges Wärmeüberträgerelement mit mehreren gas- und fluiddichten Strömungskanälen erhalten, das in mehreren Schichten übereinander angeordnet den erfindungsgemäßen Wärmetauscher bildet. This solution can be advantageously made of only one type of semi-finished cost-stable heat exchanger by two identical profile plates as semi-finished products, for example, from a thermoplastic such as PP, PE, PA or PS or from a metal sheet such as aluminum, stainless steel or copper in a thermoforming process or produced in the so-called twin sheet process (double deep drawing process for hollow body production) and then in the same manufacturing process of deep drawing mirror images of each other, non-positively welded or glued. This results in a complete heat transfer element having a plurality of gas- and fluid-tight flow channels is obtained, which forms the heat exchanger according to the invention arranged in several layers one above the other.
Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Profil, das heißt der jeweilige Querschnitt der einzelnen Strömungskanäle, sternförmig ausgebildet wird. Ferner ist es zweckmäßig, die sternförmige Ausbildung der Rohrkanäle derart vorzusehen, dass deren sternförmige Profil eckige oder gerundeten Spitzen besitzt, sodass gegenüber dem Stand der Technik eine bis zu 50% größere wärmeübertragende Oberfläche geschaffen wird. It is advantageous if the profile, that is, the respective cross section of the individual flow channels, is formed star-shaped. Furthermore, it is expedient to provide the star-shaped design of the pipe channels such that their star-shaped profile has angular or rounded tips, so that over the prior art, up to 50% larger heat-transferring surface is created.
Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Querschnittsform beschränkt. Vielmehr sind alle Querschnittsformen umfasst, die zu einer Vergrösserung der wärmeübertragenden Oberfläche führen. However, the invention is not limited to this cross-sectional shape. Rather, all cross-sectional shapes are included, which lead to an enlargement of the heat-transferring surface.
Ferner wird durch die spezielle sternförmige Ausbildung der Rohrkanäle eine leicht turbulente Stimulation des durchströmenden Mediums erzeugt, wodurch die thermodynamisch ungünstige Grenzschicht zur Profilwand ohne zusätzliche turbulenzerzeugende Einprägungen auskommt und eine deutlichere Steigerung der Wärmeübertragungsleistung stattfindet. Da schließlich die Rohrkanäle in Strömungsrichtung angeordnet sind, wird der geringfügig höherer Druckverlust hervorgerufen durch die leicht turbulente Strömung durch die Profilgeometrie kompensiert beziehungsweise überkompensiert. Somit ist eine industrielle einfache und wirtschaftliche Fertigung der Profile möglich.Furthermore, a slight turbulent stimulation of the medium flowing through is generated by the special star-shaped design of the tube channels, whereby the thermodynamically unfavorable boundary layer to the profile wall requires no additional turbulence-generating indentations and a more significant increase in heat transfer performance takes place. Finally, since the pipe channels are arranged in the flow direction, the slightly higher pressure loss caused by the slightly turbulent flow is compensated or overcompensated by the profile geometry. Thus, an industrial simple and economical production of the profiles is possible.
Gemäß der Erfindung bilden zwei Profilplatten eine Art Tauscherplatte mit Rohrkanälen, die vorteilhaft aus Thermoplasten nach dem so genannten Twin-Sheet Verfahren in einem Arbeitsgang luft- und sauerstoffdicht hergestellt werden kann. Hierdurch kann bei derartigen Materialien beispielsweise die Anwendung eines Ultraschallschweißens mit seinen aufwändigen und fehlerbehafteten Arbeitsschritten entfallen.According to the invention, two profile plates form a kind of exchanger plate with tube channels, which can advantageously be made air-tight and oxygen-tight from thermoplastics by the so-called twin-sheet method in a single operation. As a result, in such materials, for example, the application of ultrasonic welding with its complex and faulty steps can be omitted.
Ferner eignen sich die erfindungsgemäßen Profilplatten auch für thermodynamische Wärmeübertragungsprozesse mit großen Druckdifferenzen, wenn die Profilplatten beispielsweise aus einem Aluminium-, Edelstahl- oder Kupferblech mit Tiefziehpressen auf die spezielle Profilgeometrie verformt und dann nach einem spiegelbildlichen Zusammenlegen an ihren Plattenrändern und Plattenstegen kraftschlüssig miteinander verbunden werden.Furthermore, the profile plates according to the invention are also suitable for thermodynamic heat transfer processes with large pressure differences, when the profile plates are deformed for example from an aluminum, stainless steel or copper sheet with deep drawing presses on the special profile geometry and then connected to a mirror-image folding at their plate edges and plate webs non-positively.
Hierdurch entsteht eine extrem steife Wärmeüberträgerstruktur mit einer großen spezifischen Oberfläche, die für große Druckdifferenzen und hohe Wärmeübertragungsleistungen prädestiniert ist.This results in an extremely rigid heat transfer structure with a large specific surface, which is predestined for large pressure differences and high heat transfer performance.
Auch ist eine weitere Ausführungsform der Profilplatten möglich, bei der jeweils ein Abstand zwischen den Rohrkanälen als Entwässerungsschlitz vorgesehen wird, sodass beim Durchströmen eines Gases, wie es beispielsweise bei der Abluftfortführung von raumlufttechnischen Anlagen der Fall ist, das bei Abkühlung entstehende Kondensat über die Entwässerungsschlitze bis zum Wärmetauscherboden abgeführt werden kann. Hierdurch kann eine Vereisungsneigung des Wärmetauschers deutlich reduziert werden, wodurch ein höherer Wirkungsgrad, eine längere Betriebsdauer mit größerer Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Abluft ohne die Zuhilfenahme von Fremdenergie zur Aufheizung der Außenluft erreicht wird.Also, a further embodiment of the profile plates is possible, in each case a distance between the pipe ducts is provided as a drainage slot, so that when flowing through a gas, as is the case for example in the Abluftfortführung of air conditioning systems, the condensate formed during cooling through the drainage slots to can be removed to the heat exchanger bottom. As a result, a tendency to icing of the heat exchanger can be significantly reduced, whereby a higher efficiency, a longer service life with a larger temperature difference between the supply and exhaust air without the aid of external energy for heating the outside air is achieved.
Des Weiteren kann mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher nicht nur in den Wintermonaten die Vereisungsneigung reduziert werden, sondern auch in den Sommermonaten die Kälteenergie aus der Raumluft auf die warme Außenluft übertragen werden, wo hingegen bei den bekannten rekuperativen Enthalpiewärmeübertragern und regenerativen Rotationswämeübertragern eine unerwünschte Feuchteübertragung in den Sommermonaten stattfinden würde, die einer Abkühlung und Entfeuchtung der warmen Außenluft entgegenwirken würde. Dadurch wird der Gebrauchswert der rekuperativen Enthalpiewärmeüberträger und der regenerativen Rotationswämeüberträger in den Sommermonaten sehr stark beeinträchtigt. Durch den erfindungsgemäßen Wärmetauscher entsteht dagegen eine Wärmeüberträgerstruktur die in horizontale und vertikale Richtung eine kraftschlüssige, biegesteife Verbindung darstellt, die bei Wärmeüberträgerkonstruktionen nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich war. Furthermore, not only in the winter months, the tendency to freeze can be reduced with the heat exchanger according to the invention, but also in the summer months, the cold energy from the room air to the warm outside air are transferred, whereas, in the known recuperative Entthalpiewärmeübertragern and regenerative Rotationswämeübertragern an undesirable moisture transfer in the summer months would take place, which would counteract a cooling and dehumidification of the warm outside air. As a result, the utility value of the recuperative Entthalpiewärmeüberträger and the regenerative rotary heat transfer in the summer months is severely impaired. By contrast, the heat exchanger according to the invention produces a heat transfer structure which, in the horizontal and vertical directions, constitutes a non-positive, rigid connection which was previously not possible with prior art heat transfer constructions.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert. Further details and advantages of the invention are described below with reference to embodiments illustrated in the drawings and explained.
Zeichnungen drawings
Es zeigen:Show it:
Beschreibung eines AusführungsbeispielsDescription of an embodiment
In
Eine gas- und fluiddichte Verbindung der paarweise spiegelbildlich angeordneten profilierten Platten
Alternativ dazu sind in
Ferner ist es möglich, wie in
In den
Die
In
Eine weitere Alternative ist in
In
Ferner zeigt
Bezüglich der
Schließlich ist in der
Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial Applicability
Ausgehend von dem Umstand, dass Gebäude national und international nach den aktuellen Energiegesetzen ausschliesslich luftdicht gebaut werden müssen, um die eklatanten, unkontrollierten Lüftungsverluste über undichte Gebäudehüllen zu vermeiden, die bei Niedrigenergiegebäuden bis zu 50% am Heizenergiebedarf betragen kann, wird der künftige Einsatz von kontrollierten Lüftungsgeräten sich ausweiten. Hocheffiziente Lüftungseräte mit Wärmerückgewinnung können Leistungszahlen von bis 25 erreichen, dass heißt das 1 Kilowattstunde Antriebsstrom für die Ventilatoren bis zu 25 Kilowattstunde Wärmenergie zurück gewinnen. Diese Leistungszahlen bilden im Bereich der mechanischen Energieanlagen die Spitze, womit ökologisch und ökonomisch sehr kurze Amortisationszeiten erreicht werden können.Based on the fact that national and international buildings have to be built exclusively airtight in order to avoid the blatant, uncontrolled ventilation losses through leaking building envelopes, which can amount to up to 50% of heating energy requirements for low energy buildings, the future use will be controlled Ventilation devices expand. Highly efficient ventilation units with heat recovery can achieve performance figures of up to 25, which means that the 1 kilowatt-hour drive current for the fans can recover up to 25 kilowatt hours of heat energy. These performance figures are at the forefront in the field of mechanical energy systems, with which ecologically and economically very short payback times can be achieved.
Hier setzt die vorliegende Erfindung ein, die für den immer mehr erforderlichen Luftaustausch in Wohnräumen einen geeigneten Wärmetauscher vorschlägt, mit dem man beispielsweise die wärmere verbrauchte Luft eines Innenraums dazu benutzt, im Gegenstrom angesaugte kalte Außenluft damit vorzuwärmen, sodass die zur Verfügung stehende Frischluft nicht zu kalt in den Innenraum einströmt, wodurch Heizenergie gespart werden kann. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann diese Aufgabe bestens übernehmen, da er zum einen rationell und somit kostengünstig hergestellt werden kann, und zum anderen, stabil genug für große Volumenströme ausgeführt ist, sowie auch noch einen hohen Wirkungsgrad besitzt. Here is where the present invention proposes a suitable heat exchanger for the more and more required air exchange in living spaces, with which one uses, for example, the warmer used air of an interior to preheat countercurrently sucked cold outside air so that the available fresh air is not too cold flows into the interior, whereby heating energy can be saved. The heat exchanger according to the invention can perform this task well, since it can be produced rationally and therefore cost-effectively, and on the other hand, is designed stable enough for large volume flows, and also has a high efficiency.
Für die Herstellung des eigentlichen Wärmeaustauschtraktes des erfindungsgemäßen Wärmetauschers genügt eine Sorte eines geformten Halbzeugs, von dem lediglich zwei Formteile dann spiegelbildlich zueinander angeordnet müssen, um eine Schicht mit parallel verlaufenden Strömungskanälen zu erhalten. Mehrere dieser Paarungen übereinander angeordnet, ergibt dann bereits den Haupttrakt des Wärmetauschers. Wenn dann darüber hinaus, die Strömungskanäle noch im Querschnitt sternförmig ausgebildet werden, dann erhält man eine vergrößerte Wärme austauschende Oberfläche, die 50 bis 70% größer ist als herkömmliche beispielsweise runde oder rechteckige Querschnitte.For the production of the actual heat exchange tract of the heat exchanger according to the invention, a variety of a shaped semifinished product is sufficient, of which only two mold parts then have to be arranged in mirror image to each other in order to obtain a layer with parallel flow channels. Several of these pairings arranged one above the other, then already gives the main part of the heat exchanger. In addition, if then, the flow channels are still star-shaped in cross section, then you get an enlarged heat-exchanging surface that is 50 to 70% larger than conventional, for example, round or rectangular cross-sections.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Schicht layer
- 22
- profilierte Platte profiled plate
- 33
- erste Profilform first profile shape
- 44
- Strömungskanal flow channel
- 55
- Randstreifen edge strips
- 66
- warmes Medium warm medium
- 77
- kaltes Medium cold medium
- 88th
- Verbindungspunkt junction
- 99
- zweite Profilform second profile shape
- 1010
- Nut-Federverbindung Tongue and groove connection
- 1111
- Entwässerungsschlitz drainage slot
- 1212
- dritte Profilform third profile shape
- 1313
- vierte Profilform fourth profile shape
- 1414
- v-förmiges Einströmelement V-shaped inflow element
- 1515
- v-förmiges Ausströmelement V-shaped outflow element
- 1616
- Strömungsleitplatte baffle plate
- 1717
- Strömungsumlenkplatte Strömungsumlenkplatte
- 1818
- Einschiebenut insertion groove
- 1919
- Gehäuse casing
- 2020
- rechteckförmiges Einströmelement rectangular inflow element
- 2121
- rechteckförmiges Ausströmelement rectangular discharge element
- 22 22
- Strömungsleitblech flow baffle
- 2323
- rechteckförmiges Einströmelement rectangular inflow element
- 2424
- rechteckförmiges Ausströmelement rectangular discharge element
- 2525
- Strömungsleitplatte baffle plate
- 2626
- Ein- und Ausströmelement Inlet and outlet
- 2727
- Einströmsegment Einströmsegment
- 2828
- Einströmsegment Einströmsegment
- 2929
- Ausströmsegment Ausströmsegment
- 3030
- Rampenübergangsstück Ramp transition piece
- 3131
- Gas-Wärmetauscher Gas heat exchanger
- 3232
- Einströmbereich inflow
- 3333
- Ausströmbereich outflow
- 3434
- Fluid-Wärmetauscher Fluid heat exchanger
- 3535
- gerade Strömungsführung straight flow guide
- 3636
- abgewinkelte Strömungsführung angled flow guidance
- 3737
- gerade Strömungsführung straight flow guide
- 3838
- gerade Strömungsführung straight flow guide
- 3939
- modulare Einheit modular unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 4333904 C2 [0008] DE 4333904 C2 [0008]
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-
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