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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen rotierend angetriebenen Wärmetauscher, der eine Anzahl von Durchströmungskammern aufweist, die von seitlichen Wandungsflächen umgrenzt sind, wobei die Durchströmungskammern stirnseitig offen sind und während eines Umlaufs des Wärmetauschers nacheinander eine als Abluftkanal ausgebildete Warmluftzone und eine als Zuluftkanal ausgebildete Kaltluftzone durchlaufen, wobei die Warmluftzone von der Kaltluftzone außerhalb des Wärmetauschers durch eine Trennwand getrennt ist.
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Ein rotierend angetriebener Wärmetauscher ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Rotierend angetrieben Wärmetauscher werden beispielsweise in der Kraftwerkstechnik zur Anwärmung von frisch angesaugter Verbrennungsluft verwendet. In den rotierenden Wärmetauschern werden die Wandungen der Durchströmungskammern für die Wärmeübertragung genutzt. Während des Durchlaufs durch die Warmluftzone werden die Wandungen der Durchströmungskammern von der durch die Durchströmungskammern hindurch strömenden warmen Abluft angewärmt, der Abluft wird dadurch Wärme entzogen. Während der Rotation der Durchströmungskammern durch die Kaltluftzone wird die zuvor in den Wandungen gespeicherte Wärme wieder an die durch die Durchströmungskammern hindurch strömende Zuluft abgegeben, diese wird dadurch erwärmt. Dieser Zyklus wiederholt sich bei der Rotation des Wärmetauschers durch die Warm- und Kaltluftzonen endlos.
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Für die Verwendung in landwirtschaftlich genutzten Stallgebäuden stellt sich das Problem, dass dort im Regelfall Lüftungsanlagen bereits vorhanden sind und ein rotierend angetriebener Wärmetauscher nicht einfach in diese vorhandenen Lüftungsanlagen integriert werden kann. Auch der Einbau einer neuen Anlage in ein Stallgebäude ist aufwendig, weil dafür Gebäudevolumen verbraucht wird, das eigentlich besser für die Nutztierhaltung genutzt werden könnte.
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Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung zu finden, wie ein rotierend angetriebener Wärmetauscher auf einfache Weise für landwirtschaftlich genutzte Stallgebäude einsetzbar ist, ohne dass dafür übermäßig viel Gebäudevolumen verloren geht.
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Die Aufgabe wird für einen gattungsgemäßen Wärmetauscher gelöst, indem der rotierende Wärmetauscher in einem Containergehäuse angeordnet ist.
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Durch die Anordnung des rotierenden Wärmetauschers in einem Containergehäuse bekommt dieser einen eigenen Bauraum, der nicht mehr im Inneren eines Stallgebäudes verfügbar sein muss. Das Containergehäuse kann auch außen neben dem Stallgebäude aufgestellt werden. Diese Lösung ist insbesondere für Nachrüstfälle interessant, weil bestehende Stallgebäude mit einer vorhandenen Lüftungstechnik im Regelfall über Zuluft- und Abluftrohre verfügen, die nach draußen geführt sind. Das Containergehäuse kann außen aufgestellt und einfach an diese Zuluft- und Abluftrohre angeschlossen werden, es ist sofort betriebsbereit. Auch für neu gebaute Ställe ist es einfach, das Containergehäuse neben das Stallgebäude zu stellen und an das Lüftungssystem anzuschließen.
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Das Containergehäuse kann vollständig vormontiert werden, bevor es an einen Aufstellort geliefert wird. Alle Wärmetauschertechnik kann effizient industriell gefertigt, in das Containergehäuse eingebaut und im Testbetrieb auf seine Funktionsfähigkeit geprüft werden, bevor es vom Hersteller ausgeliefert wird. Fehlerquellen, die sich aus der Vor-Ort-Montage durch möglicherweise nicht ausreichend qualifiziertes Personal ergeben, werden dadurch vermieden.
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Das Containergehäuse kann mit standardisierten Wandmaterialien hergestellt werden, die die Anforderungen an die Wärmedämmeigenschaften der Wände erfüllen. Durch die standardisierte Fertigung werden auch hier Montagefehler und Wärmeverluste durch eine gleichbleibende industrielle Herstellung des Containergehäuses vermieden. Die Übergänge zwischen verschiedenen Bauteilen können besonders sorgfältig gegen Wärmeverluste und Zugluft abgedichtet werden, um die Anlage möglichst effizient betreiben zu können. Auch können Wandmaterialien verwendet werden, die pflegeleicht sind und aggressiven Medien aus der Tierhaltung in den Luftströmen, wie beispielsweise Ammoniak oder keimbelasteten Stäuben, auch in Verbindung mit erhöhter Luftfeuchtigkeit, dauerhaft zu widerstehen vermögen.
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Die Abmessungen des vormontierten Containergehäuses können so gewählt werden, dass noch ein Straßentransport zulässig und möglich ist. Dazu sollte die Breite des Containergehäuses ein Maß von 2,50 m nicht überschreiten. Bei einer noch größeren Breite wäre noch ein Transport mit Sondergenehmigungen möglich, bei einer Breite von über 3 m müsste das Containergehäuse in Teilen an den Aufstellort transportiert werden.
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Die Anschlüsse für die Zu- und Abluftströme zum und vom Stallgebäude sollten so dimensioniert sein, dass übliche Rohrmaße in Lüftungsanlagen für landwirtschaftlich genutzte Stallgebäude ohne große Sprünge in den Rohrdurchmessern angeschlossen werden können. Bei Adapterstücken für unterschiedliche Rohrdurchmesser entstehen Druckverluste, die die Effizienz des Wärmetauschers negativ beeinflussen. Es kann daran gedacht werden, das Containergehäuse mit verschiedenen Rohrdurchmessern für die Anschlüsse herzustellen, oder gleich Anschlüsse mit individuell für jeden Kunden angepassten Rohrdurchmessern der Anschlüsse herzustellen.
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Das Containergehäuse kann mit mindestens einer Wartungstür versehen sein, durch die der Innenraum bei Wartungsarbeiten leicht zugänglich wird.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Containergehäuse eine Würfelform oder eine annähernde Würfelform auf. Eine Würfelform bietet eine annähernd optimale Raumausnutzung für die Warm- und Kaltluftzonen bei einer bauformtypisch minimierten Wärmeabstrahlung nach außen, was die Wirtschaftlichkeit erhöht. Da vom rotierend angetriebenen Wärmetauscher eine Kreisform vorgegeben ist, passt dazu ein quadratischer oder annähernd quadratischer Gehäusequerschnitt der Gehäusewandungen in der Ebene planparallel zum Wärmetauscher. Da auch für die Ein- und Ausströmung der Zu- und Abluft in und aus dem Wärmetauscher auf der Vorder- und Rückseite Raum benötigt wird, ist ein genau oder nahezu quadratischer Grundriss des Containerbodens, auf dem der Wärmetauscher aufgestellt ist, vorteilhaft. Auch für den Transport ergeben sich Vorteile. Eine annähernde Würfelform ist noch gegeben, wenn die Kantenlängen des Containergehäuses in der Länge, Breite und/oder Höhe maximal bis zu 20 % voneinander abweichen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Trennwand in einer senkrechten Ebene angeordnet, die Trennwand teilt den Innenraum des Containergehäuses zumindest annähernd mittig und die Wandflächen der Trennwand sind parallel zur Rotationsachse des rotierenden Wärmetauschers ausgerichtet. Die senkrechte Unterteilung ermöglicht eine effiziente Ausnutzung der temperaturspezifischen Eigenschaft, dass wärmere Luft bei einem gegebenen Raumvolumen leichter ist als kalte Luft. Die unterschiedliche Höhenschichtung der warmen und kalten Luft in den voneinander getrennten Zonen kann durch die senkrechte Teilung des Innenraums des Containergehäuses optimal genutzt werden. Durch die genau oder zumindest annähernd genau mittige Teilung des Innenraums stehen für die Kalt- und die Warmluft jeweils gleich oder zumindest annähernd gleich große Räume zur Verfügung, in denen die Wärme auch gleich oder annähernd gleich gut abgegeben beziehungsweise aufgenommen werden kann. Durch die Ausrichtung der Trennwand parallel zur Rotationsachse des rotierenden Wärmetauschers ergeben sich im Innenraum des Containergehäuses gerade gerichtete Luftströmungen ohne unnötige Richtungsumlenkungen, durch die die Effizienz der Anlage negativ beeinflusst würde.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung tritt die kalte Zuluft in Strömungsrichtung vor dem rotierenden Wärmetauscher in der unteren Gehäusehälfte in die Kaltluftzone des Containergehäuses ein und in Strömungsrichtung hinter dem rotierenden Wärmetauscher in der oberen Gehäusehälfte der Kaltluftzone wieder aus dem Containergehäuse aus. Bei dieser Strömungsrichtung tritt nur die bereits angewärmte Zuluft aus dem Containergehäuse aus, weil nur diese die oberen Luftschichten innerhalb der Kaltluftzone erreichen. Für die Kaltluft ergibt sich eine maximale Verweilzeit in der Kaltluftzone, in der diese in den Durchströmungskammern längstmöglich angewärmt wird.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung tritt die warme Abluft in einer unteren oder mittleren Höhe der Warmluftzone in Strömungsrichtung vor dem rotierenden Wärmetauscher in das Containergehäuse ein und im oberen Bereich der Warmluftzone in Strömungsrichtung hinter dem rotierenden Wärmetauscher wieder aus dem Containergehäuse aus. Die mittlere oder untere Zufuhr der Warmluft in die Warmluftzone vor dem Durchtritt der Warmluft durch die Durchströmungskammern in dem rotierenden Wärmetauscher bewirkt auf der Zuströmseite eine nach oben gerichtete Luftzirkulation. Da sich die warme Abluft beim Durchtritt durch die Durchströmungskammern abkühlt, ist die Tendenz der Warmluft in Strömungsrichtung hinter dem rotierenden Wärmetauscher verringert, nach oben zu steigen, und neigt eher dazu, sich wieder abzusenken. Durch die Absinktendenz der bereits abgekühlten Warmluft und die Vermischung mit der nachgeförderten wärmeren Abluft entsteht in der Warmluftzone auf beiden Seiten des rotierenden Wärmetauschers eine Luftzirkulation, die eine gute Wärmeabgabe an die Wandungen der Durchströmungskammern ermöglicht. Dadurch ist es möglich, viel der in der warmen Abluft enthaltenen Wärme während ihrer Durchströmungszeit durch die Warmluftzone an die Wandungen der Durchströmungskammern abzugeben.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung rotiert der Wärmetauscher als Rotor von oben nach unten durch die Warmluftzone und von unten nach oben durch die Kaltluftzone. Da sich in der Warmluftzone die wärmste Luft tendenziell im oberen Bereich befindet und die Wandungen der Durchströmungskammern von der Kaltluft maximal abgekühlt in diesen Bereich gelangen, ergeben sich hier maximale Temperaturdifferenzen, die einen hohen Energieumschlag in den Wandungen ermöglichen. Bei der fortgesetzten Drehung des rotierenden Wärmetauschers verringern sich die Temperaturunterschiede zwischen der Warmluft und der Temperatur der Wandungen der Durchströmungskammern, es wird aber immer noch Energie umgesetzt, so dass sich ein insgesamt hoher Wärmeumsatz ergibt. Umgekehrt verhält es sich, wenn die aufgewärmten Wandungen in die Kaltluftzone rotieren, in der sich die kälteste Luft im unteren Bereich der Kaltluftzone befindet. Hier ergeben sich die höchsten Temperaturdifferenzen und Energieumsätze im unteren Bereich der Kaltluftzone, die übrige Rotationszeit der rotierenden Wärmetauschers durch die Kaltluftzone wird aber auch noch für den Energieumsatz zur Anwärmung der Kaltluft genutzt.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung strömen der Warmluftstrom und der Kaltluftstrom in entgegen gerichtete Richtungen durch den Innenraum des Containergehäuses. Durch die entgegen gerichteten Luftströme ergeben sich hohe Energieumsätze aus der Warmluft in die Kaltluft.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind in der Warmluftzone und/oder in der Kaltluftzone in Strömungsrichtung des Luftstroms vor und hinter dem rotierenden Wärmetauscher Drucksensoren angeordnet, deren Messwerte von einer Auswerteelektronik verglichen werden, und die Auswerteelektronik aktiviert eine im Containergehäuse angeordnete pneumatische Reinigungsvorrichtung mit in die Durchströmungskammern gerichteten Austrittsdüsen, wenn eine Differenz zwischen den verglichenen Druckwerten einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Wenn von der Auswerteelektronik ein Druckgefälle ermittelt wird, besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass das Druckgefälle auf Schmutzansammlungen in den Durchströmungskammern zurückzuführen ist. Die Schmutzansammlungen behindern nicht nur den Luftdurchtritt durch die Durchströmungskammern, sondern auch den Wärmeaustausch auf den Oberflächen der Wandungen der Durchströmungskammern. Für die Effizienz des Wärmetauschers ist es deshalb wichtig, Schmutzanlagerungen zeitnah zu erkennen und zu beseitigen. Dies ist mit der automatisierten Aktivierung der pneumatischen Reinigungsvorrichtung möglich. Die pneumatische Reinigungsvorrichtung bläst Druckluft in die Durchströmungskammern, um dadurch die Schmutzansammlungen zu beseitigen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Reinigungsvorrichtung zumindest eine Düse auf, die an einer Stellvorrichtung quer über die Stirnfläche des rotierenden Wärmetauschers beweglich ist. Mit einer einzelnen Düse können stärkere und intensivere Luftströme erzeugt werden als mit einer breiten Strömungsöffnung, die nur einen diffusen Luftstrom erzeugt. Um gleichwohl eine effektive Reinigung über die gesamte Fläche der Durchströmungskammern zu erzielen, muss die Düse während der Rotationsbewegung des Wärmetauschers über den Radius des rotierenden Wärmetauschers bewegt werden, um alle Durchströmungsöffnungen zu erreichen. Dies kann programmgesteuert über einen Schrittmotor erfolgen, der die Rotationsgeschwindigkeit des Wärmetauschers berücksichtigt. Es können auch mehrere Düsen verwendet ein, um die Dauer des Reinigungszyklusses zu verkürzen, wobei dann die Luftförderleistung des Kompressors an die Düsenzahl angepasst werden muss, um eine ausreichende Reinigungswirkung zu gewährleisten.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der rotierende Wärmetauscher in einem Rahmen angeordnet, der modulartig in Querrichtung zur Durchströmungsrichtung der Luftströme in den Warmluft- und Kaltluftzonen in das Containergehäuse eingeschoben und aus dem Containergehäuse entnommen werden kann. Für Montage- und Reparaturarbeiten ist der Wärmetauscher dadurch gut erreichbar. Wenn der Wärmetauscher während der Reparatur durch ein anderes Modul ersetzt wird, kann der Wärmeaustausch aufrecht erhalten werden und es geht keine Wärme im Stallgebäude verloren. Das Risiko, dass sich die Stalltemperatur absenkt, ist verringert.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind als Material für die Wandungen der Durchströmungskammern Bleche aus einer Aluminiumlegierung verwendet, die eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm aufweisen. Aluminiumlegierungen sind wegen ihrer ausgeprägten Wärmeleitfähigkeit besonders gut dafür geeignet, Wärme aufzunehmen und abzugeben. Für die zu erwartenden Luftdurchsatzmengen in dem rotierenden Wärmetauscher genügt eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm, um sich schnell zu erwärmen und abzukühlen. Durch die geringe Wandstärke ist es im Gegenzug möglich, eine große Oberfläche in einem rotierenden Wärmetauscher unterzubringen. Die große Oberfläche ist der Schlüssel für eine hohe Wärmeaustauschleistung innerhalb der vergleichsweise kurzen Umlaufzeiten der Durchströmungskammern.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Wandungsflächen der Durchströmungskammern eine Kunststoffbeschichtung auf. Die Kunststoffbeschichtung dient dem Zweck, die Korrosionsbeständigkeit der Oberflächen zu verringern. Das Korrosionsrisiko ist bei Abluft aus landwirtschaftlichen Ställen hoch, weil die Abluft wegen einer tendenziell hohen Luftfeuchtigkeit bei der Abkühlung zur Kondenswasserbildung neigt und in der Luft aggressive Medien wie beispielsweise Ammoniak und andere Substanzen enthalten sind, die eine Korrosion fördern. Eine dünne Kunststoffbeschichtung behindert den Wärmedurchgang nur geringfügig, steigert aber die Dauerhaltbarkeit des rotierenden Wärmetauschers erheblich.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Übergänge des rotierenden Wärmetauschers von der Warmluft- zur Kaltluftzone und von der Kaltluft- zur Warmluftzone durch Dichtungen abgedichtet. Die Dichtungen verringern die Strömungsverluste zwischen der Warmluft- und Kaltluftzone, die sich negativ auf den Wirkungsgrad der Vorrichtung auswirken.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung rotiert der rotierende Wärmetauscher mit einer Drehzahl von 5–20 U/min. Diese Drehzahlen reichen aus, um einen hohen Gesamtwirkungsgrad mit der Anlage zu erzielen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuerungselektronik, Betriebsanzeigen, und/oder die Bedieneinheit in Gehäusen auf der Außenseite des Containergehäuses angeordnet. Dadurch werden die Luftströmungen innerhalb der Warm- und Kaltluftzonen nicht behindert, und die Vorrichtungen sind leichter zugänglich und bedienbar.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist im Bereich der Trennwand eine Spülkammer angeordnet, durch die in einem trennwandnahen Sektor des rotierenden Wärmetauschers der in die Durchströmungskammern eingeblasene Kaltluftstrom in die Warmluftzone abgeleitet wird.
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Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung jeweils für sich, aber auch in beliebigen Kombinationen untereinander mit dem Gegenstand des Hauptanspruchs kombiniert werden können, soweit dem keine technisch zwingenden Hindernisse entgegen stehen.
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Weitere Abwandlungen und Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich der nachfolgenden gegenständlichen Beschreibung und den Zeichnungen entnehmen.
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Die Erfindung soll nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1: eine Ansicht von schräg oben auf das Containergehäuse, und
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2: eine Ansicht von schräg vorne auf ein aufgeschnittenes Containergehäuse.
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In 1 ist eine Ansicht auf ein Containergehäuse 2 aus einer Ansicht von schräg oben gezeigt. Das Containergehäuse 2 selbst weist eine Würfelform auf. Die Kantenmaße des Würfels können beispielsweise 2,50 m betragen. Dadurch ergibt sich ein Innenraumvolumen, das zum Umsatz erheblicher Energiemengen bereits ausreicht.
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Das Containergehäuse 2 ist in eine Kaltluftzone 4 und in eine Warmluftzone 6 unterteilt. Die Zuluft Z tritt im Ausführungsbeispiel als kalte Frischluft durch das Lamellengitter in der unteren Gehäusehälfte in die im Containergehäuse 2 ausgebildete Kaltluftzone 4 ein und in Strömungsrichtung hinter dem rotierenden Wärmetauscher 8 in der oberen Gehäusehälfte aus der Kaltluftzone 4 durch den Zuluftanschluss 10 wieder aus. Die warme Abluft A tritt in Strömungsrichtung vor dem rotierenden Wärmetauscher durch den Abluftanschluss 12 in einer unteren oder mittleren Höhe der Warmluftzone 6 in das Containergehäuse 2 ein und in Strömungsrichtung hinter dem rotierenden Wärmetauscher 8 im oberen Bereich der Warmluftzone 6 durch den Abluftkamin 14 aus dem Containergehäuse 2 wieder aus.
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Der rotierende Wärmetauscher 8 ist in einem Rahmen 16 angeordnet, der modulartig in Querrichtung zur Durchströmungsrichtung der Luftströme in den Warmluft- und Kaltluftzonen 4, 6 in das Containergehäuse 2 eingeschoben ist und in Querrichtung wieder aus dem Containergehäuse 2 entnommen werden kann.
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In 2 ist das Containergehäuse 2 mit teilweise aufgeschnittenen Wänden gezeigt. In dieser Ansicht ist der kreisrund gestaltete Wärmetauscher 8 erkennbar, der im Rahmen 16 quer zu den Durchströmungsrichtungen der Zu- und Abluft durch die Kalt- und Warmluftzonen 4, 6 angeordnet ist. Die Warmluftzone 6 ist von der Kaltluftzone 4 außerhalb des Wärmetauschers 8 durch eine Trennwand 18 getrennt. Die Durchströmungskammern im Wärmetauscher 2 mit den zugehörigen Wandungen sind zeichnerisch nicht näher dargestellt. Die Durchströmungskammern sind stirnseitig offen, die Wandungen der Durchströmungskammern verlaufen parallel zur Rotationsachse 20 des Wärmetauschers 8.
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In der im Vordergrund gezeigten Kaltluftzone 4 ist der Strömungsverlauf der kalten Zuluft Z gut erkennbar, die durch das Lamellengitter in den als Kaltluftzone ausgebildeten Innenraum des Containergehäuses 2 einströmt, durch den Wärmetauscher 8 hindurchströmt und den Innenraum des Containergehäuses 2 durch den Zuluftanschluss 10 wieder verlässt, über den das Containergehäuse 2 mit einer gebäudeseitigen Lüftungsvorrichtung verbunden ist. Nicht in 2 so gut sichtbar, aber in entgegengesetzter Richtung entsprechend strömt die Abluft A durch den Abluftanschluss 12, der mit der gebäudeseitigen Lüftungsvorrichtung verbunden ist, in den Innenraum des Containergehäuses 2 ein, durchströmt von dort aus die Durchströmungskammern des Wärmetauschers 8 und tritt durch den in 2 nicht gezeigten Abluftkamin 14 wieder aus dem Innenraum des Containergehäuses 2 aus.
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Wegen der in den Warmluft- und Kaltluftzonen 4, 6 entgegen gerichteten Strömungsrichtungen der Luft setzen sich in den Luftströmen enthaltene Schmutzpartikel nicht als Ansammlung auf einer Seite des Wärmetauschers auf den stirnseitigen Öffnungen der Durchströmungskammern dauerhaft ab, sondern werden von dort wieder durch einen entgegen gerichteten Luftstrom abgeblasen. Auf den Boden des Containergehäuses 2, gefallener und dort angesammelter Schmutz kann bei Bedarf über einen Zugang in den Innenraum des Containergehäuses 2 durch die Wartungstür 22 leicht entfernt werden.
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Durch ein solches Containergehäuse 2 können Zu- und Abluftvolumenströme von bis zu 20.000 m3/h hindurchbefördert werden, zwischen denen die in dem Abluftstrom enthaltene Wärme auf die Zuluft übertragen werden kann. Für einen wirtschaftlich sinnvollen Betrieb sollte der Volumenstrom zwischen 10.000 und 20.000 m3/h liegen. Bei den offenbarten Gehäuseabmessungen, Drehgeschwindigkeiten des Wärmetauschers, einer ausreichenden und geeigneten Speichermasse in den Wandungen der Durchströmungskammern und beschriebenen Volumenströmen können bei mitteleuropäischen Temperaturverhältnissen Rückwärmezahlen von 50–70 % und in der Spitze bis zu 90 % erzielt werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsbeispiele beschränkt. Dem Fachmann bereitet es keine Schwierigkeiten, die Ausführungsbeispiele auf eine ihm geeignet erscheinende Weise abzuwandeln, um sie an einen konkreten Anwendungsfall anzupassen.
