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Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Verbessern eines Wärmetauschers zwischen Luft und einer anderen Einrichtung, dessen luftseitige Einlassfront flach ist. Insbesondere ist ein solcher Wärmetauscher ein Tauscher einer Wärmepumpe. Solch ein Wärmetauscher ist der Verdunster einer Luft-Wasser- oder Luft-Luft-Wärmepumpe, bei der deshalb die Wärmequelle Luft ist, die einen Verdunster durchläuft, der mit einem Förderer für dem Verdunster zuzuführende Luft versehen ist und bei dem – vorzugsweise – die Wärmepumpe im Falle eines Luft-Wasser-Typs:
- – dazu dient, Haushaltswarmwasser zu erzeugen;
- – der Verwendung in Privathaushalten oder in gewerblichen Tätigkeiten dient;
- – in innerhäusigen Situationen installiert werden soll, etwa in Technikräumen, Kellern oder Installationsräumen;
- – Luft als Wärmequelle verwendet, die von einer anderen Umgebung als dem Installationsort kommt;
- – Gang allgemein bezieht sich die folgende Beschreibung auf die obigen Luft-Wasser-Wärmepumpen;
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Die Beschreibung ist aber auf jede Luftleitung anwendbar, wo es sinnvoll ist, den Luftfluss auszurichten oder zu führen, beispielsweise bevor er auf einen Wärmetauscher trifft.
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In solchen Wärmepumpen wird, selbst wenn sie im Gebäudeinneren installiert sind, Luft von der äußeren Umgebung fast immer als Kältequelle verwendet; deshalb ist eine Zuführleitung vorgesehen, um von außen gezogene Luft dem Verdunster zuzuführen, und ein Auslass, um die gleiche Luft nach außen zu führen. Die in Luft-Wasser-Wärmepumpen verwendeten Leitungen haben üblicherweise einen kreisförmigen Querschnitt mit zunehmendem Durchmesser zur Erhöhung der Betriebsflussraten in Haushaltsanwendungen sind die gewerblich verwendeten Durchmesser typischerweise 100, 125, 150, 160, 200 mm und werden vom Hersteller vorgeschlagen. Rechtwinklige Querschnitte werden nur für Anwendungen mit niedrigen Flussmengen verwendet. Die Figuren dieser Beschreibung zeigen kreisförmige Querschnitte, was aber nicht die Allgemeinheit verringern soll.
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Die Tatsache, dass der Ort der Wärmepumpe wann immer möglich im Keller ist, führt dazu, dass der Lufteinlass zu der Gerätschaft oben liegt, damit ein Leitungszweig angeschlossen werden kann, der mindestens vom ebenerdigen Niveau vertikal nach unten verläuft und der über einen Krümmer mit einer davorliegenden, sich horizontal erstreckenden Leitung verbunden ist, die mit einem Lufteinlass an einer Gebäudeaußenwand verbunden ist.
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Aus baulichen Gründen ist es wünschenswert, dass der Verdunster der Wärmepumpe in vertikaler Ausrichtung angeordnet ist, damit die Luft stromabwärts leicht abgeleitet werden kann, die deshalb es in horizontaler Richtung des Flusses kreuzen muss. Bei solchen Wärmepumpen ist deshalb am Lufteinlass ein Förderer vorgesehen, der die Richtung des Luftflusses um 90° aus der Vertikalen in die Horizontale ablenkt. Der Förderer hat einen Einlass, an dem eine vertikale Leitung angeschlossen ist, vor der fast immer, wie gesagt eine weitere Umlenkung um 90° in einem Krümmer liegt.
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Die plötzlichen Umlenkungen des Luftflusses erzeugen starke Turbulenzen und Ungleichmäßigkeiten des Flusses und als Konsequenz größere Lastverluste und eine schlechte Verteilung von Luft im Verdunster. Dies ist dem Wirkungsgrad der Maschine abträglich und ist auch eine Quelle von lästigen Lärm.
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Außerdem müssen die Maschine und die Speiseleitungen so klein wie möglich entworfen werden, so dass es keine Möglichkeit für sanfte Verbindungskrümmungen bei jeder Richtungsänderung derselben gibt.
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Im Stand der Technik beschreibt
US 2014/000841 A1 eine Kühlvorrichtung für komprimierte Gase, die mit einem Wärmetauscher versehen ist, der die Gase kühlt. Zur Verringerung des Druckabfalls des Gasflusses, der den Tauscher durchläuft, ist der Einlassabschnitt mit einem rechtwinkligen Förderer mit internen Teilungselementen versehen, die regelmäßig angeordnet sind und den Leitungsquerschnitt gleichförmig teilen und so „Leitungskanäle“ mit zueinander im Wesentlichen gleichen Geometrien bilden. Der Zweck des Förderers ist die Verringerung oder Verhinderung von Flusswirbeln mit einer Richtung parallel zur Richtung der Vorwärtsgeschwindigkeit. Die Erfindung sieht keine Einrichtungen zur Vergleichmäßigung der Vorwärtsgeschwindigkeit vor, sondern berücksichtigt die Drehkomponente, die der Fluss hat, wenn er aus dem Kompressor austritt und wirkt auf sie ein, um die Druckabfälle gering zu halten.
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Tatsächlich ist die Querkomponente der Geschwindigkeit am Einlass selbst unter der Annahme, dass sie axial symmetrisch ist, mit Abstand von der Einlassachse nicht die gleiche ist, so dass wenn Verwirbelungen eliminiert wurden sie eine axiale Komponente erzeugt, die zur einer Geschwindigkeitsaxialverteilung führt, die symmetrisch zu dieser Achse ist, aber nicht gleichförmig über den Einlassquerschnitt. Da der offenbarte Förderer Kanäle hat, die alle mit den gleichen Querschnitten beginnen und fortgeführt werden, wird der Fluss in ihnen nicht der gleiche sein, so dass die Auslassgeschwindigkeit ungleichmäßig ist.
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Ähnliche Erwägungen treffen auf das Dokument
DE 20121112 zu, bei dem keine der möglichen Flussführungen in den verschiedenen offenbarten Ausführungsformen selbst dann, wenn sie Verwirbelungen verringern oder den Fluss führen können, zugleich förmiger Geschwindigkeit am Auslass führen können. Auch das Dokument
EP 0940585 betreffend einen sich verjüngenden Förderer gibt keine Anregungen, die für das Problem des Schaffens einer gleichförmigen Auslassgeschwindigkeit nützlich wären. Das Dokument lehrt die Unterteilung des Förderers in viele Kanäle, deren Breite dort kleiner ist, wo der Krümmungsradius kleiner ist, womit Verwirbelungen verringert werden sollen. Tatsächlich wird aber eine sehr wahrscheinliche ungleichförmige Geschwindigkeitsverteilung am Einlass an dem Auslass mit dem gleichen Verhältnis, das sie am Einlass hat, weitergeleitet, und diese beibehaltenen Geschwindigkeitsunterschiede verursachen neue Verwirbelungen und ungleichförmige Geschwindigkeiten am Auslass.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Luftturbulenzen in den Speiseleitungen und im Förderer stromaufwärts des Verdunsters merklich zu verringern.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, in den gleichen Leitungen und im Förderer Luftgeräusche zu reduzieren.
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Eine weitere Aufgabe einiger Varianten der Erfindung ist es, die Gleichmäßigkeit der Verteilung des Luftflusses am Verdunstereinlass signifikant zu verbessern.
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Eine weitere Aufgabe zumindest einiger Varianten der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad der Wärmepumpe signifikant zu verbessern.
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Eine weitere Aufgabe zumindest einiger Varianten der Erfindung ist es, die Kühlkapazität der Wärmepumpe signifikant zu verbessern.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer Version der Erfindung gemäß der unabhängigen Ansprüche und einiger bevorzugten Varianten gemäß der abhängigen Ansprüche wobei alles mittels nicht einschränkender Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, in denen:
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1 den oberen Teil einer Wärmepumpe zeigt, die zur Anwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung geeignet ist und Luftzuführ- und -abführleitungen aufweist;
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2 in den Details von (a) bis (e) in Darstellungen von Querschnitten und Draufsichten mögliche Verteilungen von Luftgeschwindigkeiten an den verschiedenen Stellen einer Leitung zeigt ausgehend von einem stromaufwärtigen, unendlich langen geraden Bereich (a) über einen folgenden Abschnitt entsprechend einem Krümmer (b) bis zu weiteren geraden Stücken (c), (d) und (e) stromabwärts des Krümmers mit zunehmenden Abstand davon; wobei die Profile Geschwindigkeitsmuster in der Symmetrieebene der Leitung angeben und die Zuordnungen mit unterschiedlich hellen und dunklen Intensitäten Geschwindigkeitsmuster in der Ebene rechtwinklig zur Leitungsachse;
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3 einen bekannten Förderer schematisch im Querschnitt längs einer vertikalen Symmetrieebene zeigt;
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4 schematisch eine Art eines Förderers gemäß der Erfindung im Querschnitt längs einer vertikalen Symmetrieebene zeigt;
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5 schematisch einen Förderer gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wieder im Querschnitt in einer vertikalen Symmetrieebene zeigt;
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6.a und 6.b eine mögliche Verteilung der Durchschnittsgeschwindigkeiten der Luft am Einlass des Förderers mittels einer Verteilung in einer Ebene zeigen, die rechtwinklig zur Richtung der gleichen Geschwindigkeiten liegt, und mittels einer Verfolgung ihres Profils in einer Ebene parallel zur gleichen Geschwindigkeit; wobei 6.a auch Details einer Einrichtung gemäß der Erfindung zeigt;
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7 ein Detail der 5 zeigt;
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8 perspektivisch den Förderer der 5 zeigt;
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9 im Querschnitt in einer Symmetrieebene der Speiseleitung der 1 mögliche Luftleitbleche gemäß der Erfindung zeigt, die in einer in der Leitung vorliegenden Krümmung liegen;
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10 schematisch eine zweite Art des Förderers gemäß der Erfindung im Querschnitt längs der vertikalen Symmetrieebene zeigt;
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11 schematisch genauer den Förderer der 5 und mit zwei zusätzlichen Schnitten längs Ebenen rechtwinklig zur Lufteinlass- und -auslassrichtung im Förderer zeigt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass räumliche Begriffe wie „oben / unten“ die möglicherweise nachfolgendet verwendet werden, auf Positionen ansprechen, die von den Elementen in Betriebsbedingung eingenommen werden, und das Begriffe relativer Positionen wie „stromaufwärts / stromabwärts“, „davor / danach“ sich auf die Reihenfolge beziehen, in der die beschriebenen Elemente von Luft getroffen werden, die im Betrieb zum Verdunster geführt wird. Alle Pfeile zeigen die Bewegungsrichtung der für den Verdunster vorgesehenen Luft an. Die Erfindung wird nun bezugnehmend auf bevorzugte Anwendungen derselben beschrieben, die entsprechend dem Verdunster einer Wärmepumpe verwendet werden unabhängig davon, ob es ein Luft-Luft-Typ oder ein Luft-Wasser-Typ ist.
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1 zeigt den oberen Teil 1 (oder Kopf 1) der Wärmepumpe HP (Typ Luft-Luft oder Luft-Wasser), die in einem Raum V installiert ist. Entsprechend dem Kopf 1 führt eine Speiseleitung 2 die von der äußeren Umgebung E gezogene Luft zur Wärmepumpe HP. Eine Auslassleitung 3 führt Luft von der Wärmepumpe HP, nachdem sie den Verdunster durchlaufen hat, zurück zur äußeren Umgebung E.
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Eine mögliche horizontale Strecke 201, die bei der äußerem Umgebung E beginnt, daran anschließend ein Krümmer 202, an den sich eine vertikale Strecke 203 anschließt, die an die Wärmepumpe HP angeschlossen ist, sind als Speiseleitung 2 gezeigt.
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3, 4 und 5 des Kopfs 1 zeigen schematisch einige der Hauptelemente der Wärmepumpe HP, nämlich Gehäuse 101, Verdunster 102, Verdunsterfront 106, die im Wesentlich flach ist, von der aus Luft in den Verdunster gelangt, Lüfter 103, Förderer 104, Lufteinlass 105 im Förderer 104.
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Der Förderer 104 ist für sich bekannt und kann als Verbindungskammer zwischen Lufteinlass 105 und Verdunster 102 angesehen werden mit dem Zweck des Verteilens des Luftflusses so gleichmäßig wie möglich an der Verdunsterfront 106, die rechtwinklig ist.
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Ein Haupthindernis sind die Richtungsänderungen des Luftflusses und die Änderungen des Querschnitts vom Lufteinlass 105 zum Verdunster 106 und schließlich die scharfkantige Form des Förderers 104, der im Stand der Technik wie in 3 gezeigt schlicht ein Volumen ist, das bestmöglich einen Teil des inneren Raums des Gehäuses 101 einnimmt.
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Verwirbelungen werden nur teilweise durch Richtungs- und Querschnittsänderungen im Inneren des Förderers 104 erzeugt, da sie auch vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein der Speiseleitung 2 und ihrer Form abhängen ebenso wie vom Vorhandensein oder Nichtvorhandensein innerhalb der Leitung 2 geeigneter Einrichtungen zum Führen der Luft, wie sie durch die Erfindung angegeben werden, um Verwirbelungen zu verringern. Deshalb muss im Sinne der Erfindung auch die Speiseleitung 2 zumindest ausgehen vom letzten Krümmer 202 vor dem Förderer, soweit vorhanden, als ein wichtiger Teil der Wärmepumpe HP für den erfindungsgemäß zu ändernden Effekt, den sie stromabwärts erzeugt, beachtet werden. Bezugnehmend auf 2 wird nun der Zustand der Luft im Inneren einer Speiseleitung 2 quantitativ untersucht, wie es zumindest für Luftflüsse in Wärmepumpen HP für Haushaltsanwendungen (100 bis 700 m3/h) und mit typischen Kanaldurchmessern (100 mm bis 200 mm) gilt. Die sich ergebenden Geschwindigkeiten bewirken einen Luftfluss, der immer turbulent ist.
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In einer kreisförmigen Leitung ist einem geradlinigen Stück mit stabilisiertem Luftfluss, der also nicht durch stromaufwärts erfahrene Störungen beeinflusst ist, das Profil der durchschnittlichen Geschwindigkeiten in 2.a: In der Mitte ist das Profil nahezu flach, während es wegen Randeffekten zu den Seiten hin näherungsweise linear abnimmt.
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Eine Kurbe 202 (2.b) wegen des Vorhandenseins eines Krümmers 202 stört den Fluss; im Falle einer 90°-Kurve sind an der Außenkurve die Fluidstromlinien beschleunigt und an der Innenkurve verlangsamt, was am Auslass der Kurve 202 ein durchschnittliches Geschwindigkeitsprofil wie gezeigt erzeugt. Bei Abstand L0 = 0 von der Kurve 202 liegt ein bezüglich der Leitungsachse außermittiges Geschwindigkeitsmaximum vor, sowie eine Zone niedriger Geschwindigkeit zusätzlich zu angedeuteten Verwirbelungen 204. Die entsprechende Verteilung zeigt, dass die Beschleunigung an der Außenkurve der Kurve 202 eine „hufeisenförmige“ Neuverteilung erzeugt, deren konkave Öffnung zur Innenkurve zeigt. Dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmenden Flussraten und abnehmenden Durchmessern.
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Mit zunehmendem Abstand (L1 > L0) von der Kurve 202 neigt die Flussungleichheit dazu abzunehmen, wobei eine Neuverteilung des Flusses wie in 2.c gezeigt eintritt, bei der Verwirbelungen 204 vorliegen.
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Für L2 > L1 (siehe 2.d) ändert sich die Flussverteilung weiter hin zu einem Geschwindigkeitsprofil, das sich dem schon in 2.a gezeigten Turbulenten annähert, das aber erst bei einem angegeben Abstand L3 >> L1 von der Kurve 202 (siehe 2.b) erreicht wird.
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Wenn die Luftflussrate pro Einheitsquerschnittsfläche einer allgemeinen Leitung quer zur Luftflussrichtung als „Flussdichte“ definiert wird, zeigt sich, dass diese Flussdichte punktsymmetrisch bezüglich der Leitungsachse ist und insbesondere kreisförmig, wenn der Luftfluss nicht durch stromaufwärtige Krümmungen 202 (siehe 2.a und 2.e) gestört ist, während neben Wirbeln eine merkliche Asymmetrie in den Bereichen vorliegt, die von einer stromaufwärtigen Krümmung 202 beeinflusst sind. Abhängig von Abstand L0, L1, L2 oder L3 zwischen einem Krümmer 202 und dem Lufteinlass 105 kann die Verteilung der Luftgeschwindigkeiten entsprechend dem Lufteinlass 105 durch eine der in 2.b bis 2.e gezeigten Verteilungen dargestellt werden. Die allgemein engen zur Verfügung stehenden Räume in Installationsräumen V erhöhen die Wahrscheinlichkeit für unausgewogene Verteilungen der 2.b oder 2.c an Abständen L0 und L1 vom Krümmer 202, was zu einer markanten Unausgewogenheit des Flusses am Lufteinlass 105 führt. Ein derart unausgewogener Fluss am Eingang der Wärmepumpe HP führt zu einer sehr ungleichen Flussdichte am Einlass des Verdunsters 102 mit einem dementsprechend ausgewogenen Betrieb desselben. Der Fachmann weiß, dass dies eine nicht homogene Lufttemperaturverteilung längs des Verdunsters 102 führt; eine Verringerung der Kühlleistung und der Ausbeute desselben ist die Folge. Tatsächlich erfolgt für alle vorliegenden Einlasslufttemperaturen der Betrieb bei niedrigeren Temperaturen als die theoretisch möglichen, und / oder die Hitze in einigen Bereichen kann nicht absorbiert werden.
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Eine weitere Folge nicht homogenen Flusses ist die Erzeugung lokaler Turbulenzen im Förderer 104 mit Zunahme von Geräuschen.
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Ungleichförmigkeiten der Flussdichte und die Ausbildung von Wirbeln entstehen, wie schon gesagt, jedoch auch im Inneren des Förderers 104 unabhängig von der Verteilung der Flussdichte an seinem Einlass nicht nur bei einer Umlenkung um im Wesentlichen 90° der Luft, wenn diese vertikal von oben einläuft, sondern auch wegen der Veränderung der Querschnittsform, die entsprechend dem Lufteinlass 105 fast immer kreisförmig ist und an der Verdunsterfront 106 rechtwinklig und immer vom Lufteinlass 105 zur Verdunsterfront 106 sich aufweitet. Es ergeben sich deshalb Ungleichförmigkeiten der Flussdichte an der Verdunsterfront 106 auch dann, wenn die Speiseleitung 202 Knicke oder Krümmer 202 hat und auch dann, wenn die Luft nicht vertikal in den Förderer 104 eintritt, sondern rechtwinklig zur Verdunsterfront 106 (siehe 10).
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Erfindungsgemäß wird das Problem der Ungleichförmigkeit der Flussdichte oder zumindest der Luftverwirbelungen teilweise dadurch gelöst, dass der Förderer 104 angeschrägt geformt wird, der, wie in den 4, 5, 7, 8 und 10 gezeigt, kontinuierlich und allmählich vom kreisförmigen Lufteinlassquerschnitt 105 übergeht auf den dem Verdunster 102 entsprechenden rechtwinkligen Auslassquerschnitt.
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Gemäß einer möglichen Abwandlung der Erfindung (siehe 9), die in Verbindung mit anderen Varianten verwendbar ist, ist vorgesehen, dass zumindest der möglicherweise unmittelbar stromaufwärts vom Lufteinlass 105 vorgesehene Krümmer 202 mit einem Luftleitblech 206 mit Finnen 207 versehen ist, die die Verwirbelungen der Luft innerhalb und stromabwärts des Krümmers 202 verringern sollen. Solche Finnen 207 sind Flächen
- – im Krümmer 202,
- – rechtwinklig zur Symmetrieebene des Krümmers 202,
- – mit einem Kreisbogenquerschnitt konzentrisch zur Krümmung des Krümmers 202,
- – untereinander geeignet beabstandet, um die Luft in der zwischen ihnen gebildeten Passage 208 zu führen.
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Dank dem Leitblech 206 tritt der Luftfluss aus dem Krümmer 202 weitgehend ungestört mit einem Geschwindigkeitsprofil aus, das unabhängig von Randeffekten an den Wänden des Krümmers 202 und an den Finnen 207 im Wesentlichen und fasst augenblicklich dasjenige ist, das ohne Leitblech 206 die Luft lediglich im Abstand L3 vom Krümmer 202 einnehmen würde. Das am Lufteinlass 105 anliegende Luftgeschwindigkeitsprofil ist schließlich frei von Verwirbelungen wie in 2.e gezeigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erhält man eine Verringerung der Wirbel im Förderer 104 in dem, wie in 5, 6, 7, 8 und 10 gezeigt, der gleiche Förderer 104 mit mehreren Flussführungen 107 versehen wird, die dazu ausgelegt sind, Kanäle 108 zu bilden, die den Luftfluss vom Lufteinlass 105 leiten, die einen Einlassquerschnitt mit Fläche Ai haben, zur Verdunsterfront 106, wo sie einen Auslassquerschnitt mit Fläche Si haben.
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Ab sofort wird ein mit den Kanälen 108 versehener Förderer 104 als kanalisierter Förderer 104 bezeichnet.
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Vorzugsweise sind solche Flussführungen 107:
- – parallel zur vorherrschenden Richtung des Luftflusses angebracht, der in den kanalisierten Förderer 104 entsprechend ihrer Vorderkante 112 eintritt;
- – rechtwinklig zur Tauscherfront 106 entsprechend ihrer Auslasskante 113.
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Vorzugsweise sind aus konstruktiven Gründen solche Flussführungen 107, deren äußere zwei gegenüberliegende Wände 109 des kanalisierten Förderers 104 sein können, dünne Lamellen, die:
- – an einer Vorderkante derselben 112 stromaufwärts beginnen, im Wesentlichen ab dem Lufteinlass 105 bis zu einer Auslasskante 113 derselben stromabwärts in Richtung Verdunsterfront 106;
- – sich quer erstrecken, also rechtwinklig zur Symmetrieebene des Förderers 104 für eine breite Li (siehe 8 und 11) bis zu den Seiten 110 des gleichen kanalisierten Förderers 104;
- – alle von der folgenden um einen mittleren Abstand Di beabstandet sind.
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Die Form des Querschnitts eines jeden Kanals 108 und der entsprechenden Fläche Aci verändert sich von stromaufwärts nach stromabwärts längs der Flussführung 107 zwischen dem Wert des Einlasses Ai und des Auslasses Si, allerdings vorzugsweise graduell und ohne Diskontinuitäten.
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Vorzugsweise und wenn möglich erstreckt sich der Querschnitt eines jeden Kanals 108 in Querrichtung; anders ausgedrückt ist vorzugsweise und womöglich der durchschnittliche Abstand Di zwischen zwei aufeinander folgenden Flussführungen 107 kleiner als deren Breite Li. Dies dient dem Eingrenzen der Bildung von Wirbeln.
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Die bisher beschriebenen Einrichtungen der Erfindung sind dazu ausgelegt, Verwirbelungen der Luft in zunehmend effektiver Weise zu verhindern, indem sie getrennt oder gemeinsam verwendet werden.
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Gleichwohl kann ein ungleichförmiger Luftfluss betreffend die Flussdichte in die Verdunsterfront 106 eintreten, auch wenn die Flussführungen 107 vorgesehen sind, da die Luftgeschwindigkeiten aus den Kanälen 108 heraus von Kanal zu Kanal unterschiedlich sein können. Gemäß einer weiteren Verbesserung können zumindest einige der Flussführungen 107 mit Ausnahme der äußersten zwei, wenn sie durch die zwei gegenüberliegenden Wände 9 des kanalisierten Förderers 104 gebildet werden, einen bestimmten Abstand vor der Verdunsterfront 106 aufhören, der ausreicht, um ein (in den Figuren nicht gezeigtes) Vollvolumen zwischen den Auslasskanten 113 und der Verdunsterfront 1063 zu bilden, in dem sich die unterschiedlichen Geschwindigkeiten angleichen können, was zu gewissen Mischbewegungen führen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enden die Flussführungen 107 im Wesentlichen in Kontakt mit der Verdunsterfront 106, wobei die Querschnitte der Kanäle 108 an den Auslasskanten 113 eine Auslassfläche Si haben, das entsprechend die Luftflussdichte in den Kanälen im Wesentlichen gleich ist und deshalb eine Speisung mit dergleichen Flussdichte in jeder Zone der Verdunsterfront 106 stattfindet. Dies entspricht der Aussage, dass die Luft aus allen Kanälen 108 mit der gleichen Geschwindigkeit austreten muss.
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Da die Breiten Li der Kanäle 108 nicht notwendigerweise, aber bevorzugt doch so gewählt werden, dass sie ausgehend vom Lufteinlass 105 so groß wie möglich sind (mit einer Obergrenze, die im Wesentlichen nur durch die Dimensionsbeschränkungen des Verdunsters 102 und des Kopfs 1 der Wärmepumpe HP gegeben ist), hängt die geeignete Größe jeder Einlassfläche Ai im Wesentlichen von der geeigneten Wahl des jeweils entsprechenden durchschnittlichen Abstands Di entsprechend den Vorderkanten 112 ab. Wenn die Größe jeder Einlassfläche Ai und damit die Luftflussrate, die in sie eintritt, festgelegt ist, bestimmt die Bedingung, dass entsprechend den Auslasskanten 113 im Wesentlichen gleichförmige Flussdichten für alle Kanäle 108 vorliegen sollen, die entsprechende Auslassfläche Si, wobei noch einmal darauf verwiesen wird, dass die Änderung des Querschnitts jeden Kanals 108 vom Einlass zum Auslass am geeignetsten allmählich erfolgt.
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6 zeigt eine einfache Weise, eine solche Bedingung zu erfüllen. Sie zeigt ein vertikales Stück 203 einer Speiseleitung 2 bei einem Abstand L1 von einem davorliegenden Krümmer 202, so dass merkliche Geschwindigkeitsunterschiede vorliegen. Bei einem Abstand gerade über L1 ist das vertikale Stück am Lufteinlass 105 angebracht. Die Querschnitte der Kanäle 108 haben an den Vorderkanten 112 die Form von Kreissektoren zwischen aufeinanderfolgenden Sehnen, die voneinander um Di beabstandet sind. Die Flächen A1, A2, ..., Ai, ..., A6, der Abschnitte sind entsprechend der Geschwindigkeit der eingelassenen Luft veränderlich, so dass jeder Kanal 108 einen gleichen Luftfluss aufnimmt. Hier reicht es aus, dass die Auslassflächen Si alle gleich sind, um den Verdunster 102 gleichförmig zu speisen. Die untereinander gleichen Auslassflächen erhält man, indem die Breiten Li alle gleich der Breite der Verdunsterfront 106 zur Auslasskante angeordnet werden, so dass die Abstände Di auch gleich sind.
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Eine derart einfache Lösung kann jedoch im Hinblick auf Gesichtspunkte der Effizienz der Fluiddynamik nicht die bestmögliche Form sein, da sie zur markant divergierenden Kanälen 108 führen kann (diejenigen, die mit sehr kleiner Einlassfläche Ai beginnen, da sie Luft der höchsten Geschwindigkeit aufnehmen), was möglicherweise zu Wirbeln führt und auch zu konvergierenden Kanälen. Wenn möglich ist ein besseres Verfahren zur Auswahl der Querschnitt der Kanäle 108 zu fordern, dass in dem von ihnen die Querschnittsfläche ein konstanter Teil der gesamten Einlass-Auslass-Weg-Fäche ist. In Formeln ausgedrückt, wenn A die Summe der Einlassflächen Ai und S die Summe der Auslassflächen Si sind ergibt sich für jeden i-ten Kanal 108 der n-Kanäle 108 Ai/A = Si/S und die Bedingung, dass eine solche Beziehung längs der Strecke des Kanals eingehalten wird; auf diese Weise erhält man Kanäle 108 mit gleichförmig divergenten Kanälen 108 mit A < S.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass jedem Verhältnis Ai/A ein Wert zugeordnet ist, der immer gleich ist oder vorzugsweise für einen oder mehrere Kanäle 108 unterschiedlich ist um Kanäle 108 zu erhalten, deren Querschnittsflächen größere Anteile sind als diejenigen anderer Kanäle; auf diese Weise kann man Kanäle 108 eines größeren Leitungsquerschnitts erhalten, wenn es weder notwendig erscheint, die Luft zu leiten (wegen geringerer Geschwindigkeit und / oder weil weniger plötzliche Richtungsänderungen vorliegen).
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Allgemein sind mehrere alternativen Wahlen möglich wenn die Verteilungsbedingungen der Luftgeschwindigkeiten am Lufteinlass 105 gleich sind, in dem zumindest die Anzahl der Flussführungen 107 und die Abstände Di zwischen ihnen variieren.
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7 zeigt maßstäblich eine konkret mögliche Verteilung von Flussführungen 107 gemäß der Erfindung und zeigt eine Lösung, bei der die Abstände Di zwischen zwei aufeinanderfolgenden Führungswänden 109 trotz des vorherigen Beispiels auch in der Nähe des Verdunsters 102 deutlich unterschiedlich sind, so dass die Auslassflächen Si genauso unterschiedlich sind und entsprechend einer nicht intuitiven Folge von Abständen Di, die aber mehrere geometrische und Fluiddynamik-Faktoren berücksichtigen, die Fachleuten bekannt sind wie etwa, nicht einschränkend zu verstehen:
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- – Beschränkungen der Breite Li, die sich aus dem Durchmesser des Lufteinlasses 105 und dem Divergenzmuster der Seiten 110 ergeben;
- – Lastverluste längs den Oberflächen eines jeden Kanals 108;
- – Begrenzungen für das Maß der Divergenz eines jeden Kanals 108 zur Verhinderung von Strömungsabrissen;
- – Begrenzungen der Abstände Di zur Verhinderung des Ausbildens von Wirbeln;
- – praktische Grenzen der Anzahl der Kanäle 108;
- – Veränderlichkeit der Verteilung der Einlassluftgeschwindigkeiten innerhalb vernünftiger Grenzen (beispielsweise entsprechend vorbestimmten maximalen und minimalen Grenzen des Abstands L von einem Krümmer 202 vom Lufteinlass 105);
- – usw.
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Derartige Bedingungen hängen wechselseitig voneinander ab und Lösungen erhält man durch rekursive Verfahren mit fluiddynamischen Simulationen am Computer mittels spezialisierter Software.
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Beispielsweise wurde die Auslegung der 7 unter Verwendung der folgenden bekannten Software gefunden: Ansys Meshing, ANSIS CFX, ModeFRONTIER, deren Arbeitsweise hier nicht ausgeführt werden muss, da sie Fachleuten im Bereich der Fluiddynamik bekannt sind.
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Auch die Quantifizierung der Verteilung von Luftgeschwindigkeiten an verschiedenen Punkten einer Leitung stromabwärts eines Krümmers mit oder ohne Leitblech 206 und mit Bezug auf den Lufteinlass 105 kann experimentell bzw. mit Hilfe von Fluid-Dynamik-Simulatoren erfolgen.
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Wenn nötig kann der Entwurf des Leitblechs 206 auch die obige Software verwenden. Nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die unverzichtbare Bedingung zur Bestimmung der Form der Kanäle 108 das Luft mit unterschiedlichen Flussdichten von Zone zu Zone aus innen zum Verdunster 102 hin innerhalb vorbestimmter Grenzen austritt, die akzeptabel sind, wobei solche Grenzen im Wesentlichen vom erwarteten oder akzeptierten Bereich der Veränderlichkeit der Luftgeschwindigkeit am Lufteinlass 105 abhängen.
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Da festgestellt wurde, dass die Verteilung der Luftgeschwindigkeit eine klare Funktion des Abstands L von einem Krümmer 202 vom Lufteinlass 105 ist, ist der erwartete oder akzeptierte Bereich der Veränderlichkeit der Verteilung der Luftgeschwindigkeit am Lufteinlass 105 äquivalent zur Forderung nach einem erwarteten oder akzeptierten Bereich der Veränderlichkeit des Abstands L zwischen Krümmer 202 und dem Lufteinlass 105.
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Wenn der erwartete Bereich der Veränderlichkeit für den Abstand übermäßig ist, um eine von Zone zu Zone veränderliche Flussdichte innerhalb akzeptierbarerer Grenzen zu erhalten, kann der kanalisierte Förderer 104 in mehreren Versionen vorgesehen sein, von denen jede für einen bestimmten Bereich der Veränderlichkeit des Abstands L optimiert ist.
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Es hat sich aber auch gezeigt, dass die Verwendung eines Leitblechs 206 im Krümmer 202 in der Nähe des Lufteinlasses 105 die Verteilung der gleichen Lufteinlassgeschwindigkeiten im Wesentlichen gleich macht unabhängig vom Betrag des Abstands L, so dass die kombinierte Verwendung eines solchen Umlenkers 206 und der Kanäle 108 ausreichen kann, um für jedes Modell der Wärmepumpe HP eine einzige Bauart des kanalisierten Förderers 104 vorzusehen, was der Aussage entspricht, dass der erwartete Bereich der Veränderlichkeit auch akzeptabel ist.
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Eine solche einzige Bauart des kanalisierten Förderers 104 kann auch in dem Fall verwendbar sein, dass die am Lufteinlass 105 eintretende Luft nicht aus einer Speiseleitung 2 kommt, sondern vom Wärmepumpeninstallationsraum V.
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Die Erfindung betrifft natürlich Förderer 104 mit beliebiger relativer Position zwischen Lufteinlass 105 und Verdunsterfront 106; insbesondere betrifft die Erfindung wie beschrieben den Fall, bei dem die Luft horizontal in den Förderer 104 eintritt, wie im Falle der 10.
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Durch Anwenden der Erfindung hat sich experimentell gezeigt, dass der COP einer Wärmepumpe mit einem Verdunster um bis zu 16% verbessert werden kann.
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Es ist klar, dass die Erfindung, obwohl sie lediglich bezugnehmend auf den Fall eines Verdunsters 102 beschrieben wurde, dem ein Förderer 104 eine Wärmepumpe HP vorausgeht beschrieben wurde, sie auf beliebige Förderer 104 anwendbar ist:
- – der einen Wärmetauscher 102 zwischen Luft und einer anderen Einrichtung zugeordnet ist;
- – der die Einlassluft zur luftseitigen Tauscherfront 106 des gleichen Wärmetauschers 102 leiten soll,
- – bei dem die Tauscherfront 106 im Wesentlichen eben ist;
- – für den insbesondere ein Wärmetauscher 102 der Verdunster oder Kondensator einer Wärmepumpe sein kann.
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Was beschrieben wurde, kann auf jede Luftleitung angewendet und erstreckt werden, für die es sinnvoll ist, den Luftfluss auszurichten oder zu führen, bevor er zu einem Wärmetauscher gelangt, wie etwa in einem Verdunster oder einem Kondensator.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2014/000841 A1 [0008]
- DE 20121112 [0010]
- EP 0940585 [0010]
