DE2206432A1

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Publication number: DE2206432A1
Application number: DE19722206432
Authority: DE
Original assignee: Q Dot Corp
Current assignee: Q Dot Corp
Priority date: 1971-02-19
Filing date: 1972-02-11
Publication date: 1972-08-31
Also published as: CA977741A; GB1360306A; FR2125501A2; DE2206432C2; FR2125501B2; US3788388A; IT996047B

Description

Wärmeaustauscher (Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 20 19 587))

Klima- und Belüftungsanlagen für Gebäude und andere geschlossene Räume enthalten oft Regeneratoren, die einen Wärmeaustausch zwischen der einströmenden und der ausströmenden Luft vornehmen. Dadurch wird im Winter die erwärmte austretende Luft benutzt, um die eintretende Luft vorzuwärmen, während andererseits im Sommer die austretende Luft Wärme aus der eintretenden Luft absorbiert.

Bisher wurden im wesentlichen zwei Arten von Regeneratoren benutzt. Bei der ersten Art sind zwei Wärmeaustauschkörper vorgesehen, die Wärme absorbierendes Material, wie etwa Stahlwolle enthalten. Derartige Regeneratoren arbeiten in zwei Schritten. Zunächst wird die austretende Luft durch einen ersten Wärmeaustauschkörper geleitet, während die eintretende Luft durch einen zweiten Wärmeaustauschkörper geführt wird.

Während dieses Schrittes wird die Temperatur des ersten Wärme-

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austauschkörpers auf die der austretenden Luft gebracht.

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Später werden die Strömungswege von eintretender und austretender Luft vertauscht, so daß die eintretende Luft durch den ersten Wärmeaustauschkörper und die austretende Luft durch den zweiten Wärmeaustauschkörper strömt. Während dieses Schrittes wird die durch das wärmeabsorbierende Material des ersten Wärmeaustauschkörpers strömende, eintretende Luft auf die Temperatur der austretenden Luft gebracht. Diese Art von Regenerator benötigt zwei Wärmeaustauschkörper mit einem zusätzlichen Verteiler, der die eintretende und die austretende Luft abwechselnd durch den ersten und den zweiten Wärmeaustauschkörper strömen läßt.

Bei der zweiten Art von Regeneratoren ist ein Körper aus wärmeabsorbierendem Material auf einem Rad befestigt, das sich dreht, so daß der Körper aus wärmeabsorbierendem Material zunächst durch den Strom der austretenden Luft und dann durch den Strom der eintretenden Luft hindurchbewegt wird. Diese Art von Regeneratoren benötigt einen Motor zur Drehung des Rades sowie eine Steuereinrichtung zur Regulierung der Motorgeschwindigkeit entsprechend der relativen Temperaturen der austretenden und der eintretenden Luft. Bei dieser Art von Regeneratoren können zwei Wärmeaustauschelemente in den Strömen von eintretender und austretender Luft angeordnet sein, die aus mit Rippen versehenen Rohrschlangen bestehen. Eine Glykollösung

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wird erst durch eine und dann durch die zweite Rohrschlange und zurück in die erste Rohrschlange mittels einer entsprechenden Umwälzpumpe gepumpt. Die Wärme wird durch das Erwärmen und Abkühlen der Glykollösung von der einen Rohrschlange auf die andere übertragen.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmeaustauscher zum übertragen von Wärme zwischen austretender und eintretender Luft gemäß Patent (Patentanmeldung P 20 19 587.3).

Dies wird mittels einer Vielzahl von in zwei Richtungen leitender Wärmeröhren erreicht, von denen unterschiedliche Ab schnitte der eintretenden und der austretenden Luft ausgesetzt sind. Durch die Verwendung der in zwei Richtungen arbeitenden Röhren wird im Sommer die eintretende warme Luft durch die Wärmeabgabe an die austretende kühle Luft abgekühlt. Im Winter wird die eintretende kalte Luft mittels der von der austretenden warmen Luft abgegebenen Energie erwärmt.

Für viele Anwendungen kann der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher vollständig passiv sein, so daß keine Veränderungen für den Betrieb im Sommer oder Winter vorgenommen werden müssen. Bei einigen Anwendungsfällen soll jedoch die Temperatur, auf die die im Winter eintretende kalte Luft erwärmt wird, begrenzt werden. So erwärmen beispielsweise viele Heizanlagen die ein-

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tretende Luft nur auf 1O°C. Diese Luft wird dann den verschiedenen Räumen zugeführt, die individuelle thermostatische Steuerungen aufweisen, wodurch die Luft zur Erreichung der gewünschten Zimmertemperatur weiter erwärmt wird. Die verhältnismäßig niedrige Eintrittstemperatur von 1O⁰C wird gewählt, da in einigen Räumen Maschinen oder Anlagen oder eine große Anzahl von Menschen zusätzliche Wärmeenergie erzeugen, die die Luft auf eine annehmbare Temperatur von etwa 22⁰C erwärmt. Diese Räume können sogar im Winter gekühlt werden. Da mittels des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers ein Wirkungsgrad von 60 % bis 70 % bei der Wärmeübertragung erreichbar ist, ist es möglich, die eintretende Luft jederzeit zu überhitzen, wenn die Temperatur der austretenden Luft höher als etwa 21,1⁰C und die Temperatur der eintretenden Luft höher als etwa -1,11⁰C ist. Die Erfindung ermöglicht eine Änderung des Wirkungsgrades von Hand oder auch automatisch, um die Temperatur der eintretenden Luft auf einen vorgewählten Wert zu begrenzen.

Der erfindungsgemäße Wärmeaustauscher kann eine Vielzahl von abgedichteten Rohren aufweisen, die im allgemeinen parallel zueinander angeordnet sind. Diese Rohre enthalten ein Arbeitsfluid, das bei den Betriebstemperaturen eine flüssige Phase und eine Dampfphase hat. Die Verdampfung der flüssigen Phase am warmen Ende und die Kondensation der Dampfphase am kühleren

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Ende führt zu einer sehr wirksamen Wärmeübertragung in Längsrichtung der Rohre. Derartige Rohre werden als Wärmeröhren bezeichnet, wenn das Kondensat durch Kapillarwirkung zur Verdampfungsgrenzschicht zurückkehrt. Das Verhältnis von Länge der Wärmeröhren zu ihrem Durchmesser kann sehr hoch sein. Die Wärmeröhren erstrecken sich zwischen zwei Luftdurchlassen und weisen Wärmeaustauschrippen auf, um den Wärmeübergang von der Luft auf die Röhren zu verbessern.

Die Erfindung ermöglicht ferner eine automatische Umkehr der Wärmeröhren, um automatisch während aller Jahreszeiten Wärmeenergie zurückzugewinnen. Dies wird mittels eines automatischen Transportes der flüssigen Phase in zwei Richtungen durch die verhältnismäßig langen Rohre mit geringem Durchmesser erreicht.

Erfindungsgemäß wird die flüssige Phase in beiden Längsrichtungen der Röhre mittels eines kapillaren Dochtes transportiert. Es ist jedoch auch möglich, die flüssige Phase in beiden Längsrichtungen mittels der Schwerkraft durch die Röhren zu transportieren, indem man die länglichen Röhren so ausrichtet, daß sich die flüssige Phase unter dem Einfluß der Schwerkraft in Längsrichtung bewegt. In beiden Fällen kann die flüssige Phase mittels Kapillarwirkung in den Röhren umfließen, um die Menge der von der äußeren Luft auf die flüssige Phase in der

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Röhre übertragene Wärme zu vergrößern, indem der Flüssigkeits· Dampf-Grenzbereich vergrößert wird.

Der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung kann gemäß der Erfin-' dung auch wahlweise, entweder von Hand oder automatisch, dadurch gesteuert werden, daß man den Transport der flüssigen Phase in Längsrichtung der Röhren begrenzt. Insbesondere kann dies dadurch erreicht werden, daß man die Lage der Röhren bezüglich der Horizontalen ändert, so daß die flüssige Phase nicht über die gesamte Länge des Verdampfungsabschnittes im unteren Teil der Röhre steht. Die Wirksamkeit der Wärmeröhren läßt sich automatisch so ändern, daß der eintretende Luftstrom einen vorbestimmte Temperatur behält.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert .

Fig. 1 zeigt die Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers teilweise in aufgebrochener Darstellung.

Fig. 2 zeigt vergrößert einen Teil des Wärmeaustauschers gemäß Figur 1.

Fig. 3 zeigt im Prinzip eine Belüftungsanlage mit einem Wärmeaustauscher gemäß Figur 1.

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Fig. 4 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein Element des Wärmeaustauschers aus Figur 4.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 6-6 aus Figur

Fig. 7 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Figur 5» wobei die Betriebsweise des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 4 zu erkennen ist.

Der in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Wärmeaustauscher 10 enthält eine Vielzahl von Wärmeröhren 12 und Wärmeübertragungsrippen 14. Die Wärmeröhren 12 sind in einem Paar Stützen 16 und 18 gehaltert. Jede der Rippen 14 steht in Berührung mit allen Wärmeröhren 12 und wird von diesen gehalten. Wie deutlich in Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Rippen 14 in gleichen Abständen über die gesamte Länge der Wärmeröhren 12 verteilt. Es sei darauf hingewiesen, daß gemäß Fig. 3 in Richtung des Luftstromes 6 Wärmeröhreneinheiten vorgesehen sind. Jede dieser Einheiten hat 6 Wärmeröhren 12, wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist. Da jede Einheit von Wärmeröhren unabhängig von der anderen ist, ergibt sich in der Anordnung gemäß Fig. 3 ein echter Gegenstrom-Wärmeaustauscher.

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Einzelheiten der Wärmeröhren 12 sind in Pig. 2 dargestellt. Jede Wärmeröhre enthält eine äußere rohrfömnige Ummantelung 20, die an den Enden mit Kappen 22 und 24 verschlossen ist. Innerhalb der Ummantelung ist ein poröser, Kapillaren enthaltender Docht 26 angeordnet, der zylinderförmig ist und an der Innenfläche der Ummantelung 20 anliegt. Der Docht 26 erstreckt sich über die gesamte Länge der Ummantelung 20 zwischen den Verschlußscheiben 28 und 30. In der Ummantelung befindet sich ein Arbeitsfluid 32, das als Wärmeübertragungsmedium dient.

Der Betrieb der Wärmeröhren 12 des Wärmeaustauschers 10 beruht auf Verdampfung, Kondensation und Kapillarwirkung. Wird ein Ende der Wärmeröhre auf eine Temperatur gebracht, die höher ist als diejenige des anderen Endes, so wird das Arbeitsfluid an dem die höhere Temperatur aufweisenden Ende der Röhre verdampft. Dadurch wird das Arbeitsfluid in Gas oder Dampf umgewandelt. Diese gasförmige Phase des Arbeitsfluides bewegt sich durch den mittleren Teil des Dochtes hindurch zu dem auf niedrigerer Temperatur befindlichen Ende der Wärmeröhre. Dort wird das Arbeitsfluid kondensiert und wieder in eine Flüssigkeit umgewandelt. Im flüssigen Zustand bewegt sich das Arbeitsfluid infolge Kapillarwirkung durch den Docht hindurch von dem auf niedriger Temperatur befindlichen Ende zu dem auf hoher Temperatur befindlichen Ende der Wärmeröhre. Dort wird das

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Arbeitsfluid wieder verdampft. Die zum umlauf des Arbeitsfluides erforderliche Temperatur kann wegen der hohen latenten Verdampfungswärme des Arbeitsfluides für einen hohen Wärmeübergang sehr klein sein. Der Betrieb der Wärmeröhre verschlechtert sich nur dann, wenn die Dampfgeschwindigkeit einen erheblichen Bruchteil der Schallgeschwindigkeit im Dampf darstellt.

Bei der Verdampfung des Arbeitsfluides in der Wärmeröhre nimmt dieses Wärme auf, während bei der Kondensation des Arbeitsfluides Wärme abgegeben wird. Somit absorbiert die Wärmeröhre an dem auf hoher Temperatur liegenden Ende Wärme, überträgt diese zu dem auf niedriger Temperatur liegenden Ende der Wärmeröhre, wo sie abgegeben wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Betriebsweise der Wärmeröhre unabhängig davon ist, welches Ende auf höherer Temperatur liegt, so daß die Wärmeröhre vollständig richtungsunabhängig oder in beiden Richtungen arbeitet.

Die Rippen 14 des Wärmeaustauschers 10 sind in zwei Gruppen aufgeteilt, die links und rechts von einer Platte 34 liegen (Figur 1). Im Betrieb wird die in ein Gebäude oder einen Raum eintretende Luft durch eine Gruppe von Rippen 14 geleitet, während die aus dem Raum austretende Luft durch die andere Gruppe von Rippen 14 strömt. Der Wärmeaustauscher bewirkt dann einen Wärmeübergang zwischen der eintretenden und der aus-

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tretenden Luft. Da die Wärmeröhren 12 richtungsunabhängig arbeiten, erfolgt die Wärmeübertragung unabhängig davon, ob die Temperatur der eintretenden Luft höher ist als die der austretenden Luft oder umgekehrt. Ferner ist die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung direkt proportional der Temperaturdifferenz zwischen der eintretenden und der austretenden Luft, d.h. je größer die Temperaturdifferenz ist, desto größer ist die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung. Diese Erhöhung der Wärmeübertragung ist nicht von einem größeren Temperaturabfall innerhalb der Wärmeröhre abhängig, da die Wänneröhre praktisch isotherm ist. Die Temperaturdifferenz zwischen der eintretenden und der austretenden Luft muß den Wärmewiderstand überwinden, der durch die Wärmeübertragung von der Luft auf die Rippen sowie durch den Wärmewiderstand der Wärmeleitung über die Rippen auf die Wand der Wärneröhre gegeben ist. Je größer diese Temperaturdifferenz ist, desto größer ist der Wärmeübergang von einem Luftstrom auf den anderen.

Die Betriebsweise des Wärmeaustauschers 10 ist in Pig. 3 noch einmal dargestellt, wo schematisch die Belüftung eines geschlossenen Raumes 36 mittels einer Belüftungs- bzw. Klimaanlage 38 gezeigt ist. Wie durch die Pfeile angedeutet, saugt die Belüftungsanlage durch die an der rechten Seite des Wärmeaustauschers 10 liegenden Rippen 14 Luft in den Raum 36.

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Die austretende Luft verläßt den Raum durch die an der linken Seite liegenden Rippen 14. Der Wärmeaustauscher 10 bewirkt eine Wärmeübertragung zwischen der in den Raum 36 eintretenden und der aus diesem Raum austretenden Luft.

Die Einzelteile des Wärmeaustauschers 10 können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen. Die Rippen 14 und die Ummantelungen 20 der Wärmeröhren 12 werden jedoch vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Metall hergestellt. Die Rippen 14 und die Ummantelungen 20 sind derart miteinander verbunden, etwa durch Hart lot ung, daß ein guter Wärmeübergang sichergestellt ist. Das Arbeitsfluid 32 für die Wärmeröhren kann irgendein übliches Fluid sein, beispielsweise Wasser, Ammoniak, Methanol usw. Die Größe des Wärmeaustauschers kann an den jeweiligen Betriebsfall angepaßt werden. Durch Änderung der Größe und der Anzahl der Wärmeröhren 12 und der Größe und Anzahl der Rippen 14 des Wärmeaustauschers kann dieser für Räume jeglicher Größe, vom Automobil bis zum mehrstöckigen Gebäude benutzt werden. Selbstverständlxch läßt sich der Wärmeaustauscher 10 auch für die Wärmeübertragung zwischen unterschiedlichen Fluiden, etwa einer Flüssigkeit und einem Gas benutzen. In diesem Fall können die Rippen für das eine Fluid in Form, Größe und Aufbau vollständig verschieden von den Rippen für das andere Fluid sein.

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Der dargestellte Wärmeaustauscher ist den bisher bekannten Wärmeaustauschern in drei wesentlichen Punkten überlegen. So arbeitet er vollständig richtungsunabhänig bzw. in beiden Richtungen und überträgt Wärme von der eintretenden Luft auf die austretende Luft oder umgekehrt, abhängig davon, welche Luft sich auf höherer Temperatur befindet. Weiterhin ist der Wärmeaustauscher vollständig passiv und benötigt weder einen Motor oder eine Pumpe noch Luftumleitvorrichtungen, und es brauchen keine großen Massen mit gleitenden Dichtungen gedreht zu werden, wie dies bei dem ein Rad verwendenden Typ der Fall ist. Ferner erfolgt die Wärmeübertragung automatisch mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der eintretenden und der austretenden Luft ist.

Jede der Wärmeröhren 12 ist so weit mit einem Arbeitsfluid gefüllt, daß der Docht 26 bei Betriebstemperatur über seinen gesamten Bereich gesättigt ist. Dieser Kapillaren aufweisende Docht 26 dient zur Vergrößerung des Bereiches der Flüssigkeit-Dampf-Grenzschicht, wo die Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluides stattfindet. Infolge des vergrößerten Bereiches ergibt sich ein maximaler Wärmeübergang von der aus Metall bestehenden Ummantelung 20 auf die Flüssigkeits-Dampf-Grenzschicht. Außerdem ist der Abstand zwischen der äußeren Ummantelung und der Oberfläche der flüssigen Phase ein Minimum,

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so daß die Flüssigkeit an der Oberfläche und nicht nahe der Ummantelung verdampft.

Der Docht 26 dient auch zum Transport der flüssigen Phase in Längsrichtung durch die Wärmeröhre. In der Praxis hat es sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die Wärmeröhre mit so viel Arbeitsfluid zu füllen, daß die flüssige Phase über im wesentlichen die gesamte Länge der Wärmeröhre oberhalb des Dochtes steht. Die flüssige Phase bewegt sich dann durch Schwerkraft in Längsrichtung durch die Wärmeröhre und nicht durch die Kapillarwirkung des Dochtes.

In der Anlage 50 gemäß Fig. 4 ist ein Wärmeaustauscher 52 vorgesehen, der dem Wärmeaustauscher 10 ähnelt und der in der in Fig. 3 dargestellten Weise benutzt wird. Der Wärmeaustauscher 52 weist eine große Anzahl von Wärmeübertragungselementen 5^ auf, die im einzelnen in den Figuren 5 und 6 gezeigt sind. Jedes der Elemente 54 besteht aus einem länglichen Rohr 56, das beispieleweise einen Durchmesser von 1,59 cm und eine Länge von 1,2 m bis 2,1m hat. Die Enden des Rohres 56 sind mit Kappen 58 und 60 verschlossen, und jedes Element 5¹J ist mit einem Arbeitsfluid gefüllt, das bei Betriebstemperatur der Anlage sowohl eine flüssige Phase als auch eine Dampfphase hat. Als Arbeitsfluid kann eines der vorstehend erwähnten

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Fluide verwendet werden. Die Elemente 54 sind parallel zueinander und im wesentlichen waagerecht angeordnet, und jedes Element ist mit soviel Arbeitsfluid gefüllt, daß die flüssige Phase im wesentlichen über die ganze Länge des Rohres 56 in •diesem steht. Versuche haben gezeigt, daß die flüssige Phase zur Erzielung von optimalen Ergebnissen etwa 1/3 des Gesamtvolumens des Rohres einnehmen sollte. Die Elemente enthalten keinen Kapillaren aufweisenden Docht zum Transport der Flüssigkeit in Längsrichtung oder in Umfangsrichtung des Rohres mittels Kapillarwirkung. Der Transport der Flüssigkeit in beiden Längsrichtungen erfolgt lediglich durch Schwerkraft, und die Flüssigkeit ist nicht über die gesamte Innenfläche des Rohres verteilt. Eine Vielzahl von Rippen 64 befinden sich in Wärmeübergangsberührung mit den Elementen 54, die sich zwischen Eintrittsdurchlässen und Austrittsdurchlässen erstrecken, welche von den Endplatten 66 und 68 und der Mittelplatte 70 gebildet werden.

Die Betriebsweise des Wärmeaustauschers 52 entspricht der des Wärmeaustauschers 10. Es sei beispielsweise angenommen, daß im Winter kalte Luft zwischen den Platten 68 und 70 hindurch in einen Raum eintritt und daß warme Luft zwischen den Platten 66 und 70 ausströmt. Die Flüssigkeit in den Elementen 54 zwischen den Platten 66 und 70 wird infolge des Wärmeüberganges von der warmen austretenden Luft auf die Rippen 64,

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die Wand des Rohres 56 und schließlich auf die flüssige Phase 62 verdampft. Die Dampfphase in den Elementen 54 zwischen den Platten 68 und 70 wird durch den Wärmeübergang vom Arbeitsfluid auf die Wand des Rohres 56, dann auf die Rippen 64 und schließlich die kalte Luft kondensiert. Die sich durch die Kondensation des Dampfes ergebende flüssige Phase kehrt durch Schwerkraft von dem Rohrteil zwischen den Platten 68 und 70 in den Rohrteil zwischen den Platten 66 und 70 zurück.

Somit wird also die flüssige Phase in dem zwischen den Platten 66 und 70 liegenden Bereich der Elemente 54 durch die warme austretende Luft verdampft, und der Dampf wird im zwischen den Platten 68 und 70 liegenden Bereich der Elemente von der kühlen eintretenden Luft kondensiert. Der kondensierte Dampf kehrt durch Schwerkraft zurück und fließt in der entgegengesetzten Richtung.

Obwohl die Wirksamkeit der einzelnen Elemente 54 wegen des verringerten Berührungsbereiches zwischen der Wand des Rohres 56 und der flüssigen Phase verringert ist j hat es sich gezeigt, daß diese verringerte Wirksamkeit dadurch ausgeglichen werden kann, daß man die Anzahl von Einheiten mit Elementen 5^ in Strömungsrichtung in dem Wärmeaustauscher 52 vergrößert,

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Obwohl die Verringerung des Berührungsbereiches zwischen flüssiger Phase 62 und Rohr 56 mehr als 50 % beträgt, ist die gesamte Verringerung der Wirksamkeit der Einheit wesentlich geringer, da die Wirksamkeit mehr durch den Wärmewiderstand in der Wärmebahn von der Luft zu den Rippen, der Wand des Rohres und der Flüssigkeit und dann in Längsrichtung durch die Rohre begrenzt wird. Somit ergibt sich durch eine Erhöhung der Anzahl von Einheiten der Elemente 54 um nur 20 % bis 25 % ein Wärmeaustauscher 52 mit etwa der gleichen Wirksamkeit wie der Wärmeaustauscher 10, in dem ein Kapillaren aufweisender Docht 26 verwendet wird. Die Vermeidung des Dochtes 26 wird nur dadurch möglich, daß zum Transport der flüssigen Phase in beiden Richtungen durch die Rohre die Schwerkraft benutzt wird. Kostenmäßig ist der eine größere Anzahl von Elementen 5^ benutzende Wärmeaustauscher 52 mit dem Wärmeaustauscher 10 vergleichbar, der Wärmeröhren 12 mit Kapillaren aufweisenden Dochten 26 verwendet, da die Dochte einen wesentlichen Kostenanteil für die einzelnen Wärmeröhren darstellen.

Bei Verwendung sowohl des Wärmeaustauschers 10 als auch des Wärmeaustauschers 52 lassen sich Wirkungsgrade von 60 % bis 70 % erzielen. Es sei beispielsweise angenommen, daß warme Luft zwischen den Platten 66 und 70 mit einer Eintritts-

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temperatur von 24,4 C ausströmt und daß die kalte Luft zwischen den Platten 68 und 70 mit einer Temperatur von -14,4°C eintritt. Nimmt man einen Wirkungsgrad von 70 % an und geht man davon aus, daß gleiche Gewichtsteile von Luft durch die jeweiligen Leitungen hindurchtreten, so wird die kühle Luft auf eine Temperatur von 12,8°C erwärmt und die wärme Luft auf -2,78°C abgekühlt. Im Sommer, wenn die kühle Luft austritt, wird die Richtung der Wärmeübertragung automatisch umgekehrt, ohne daß der Luftstrom umgeschaltet werden muß. Wenn dann die eintretende warme Luft eine Temperatur von 40,6⁰C hat und die Temperatur der austretenden Luft 23j9°C beträgt, dann wird die eintretende Luft auf etwa 28,9°C abgekühlt und die austretende Luft auf etwa 35»6⁰C erwärmt. Dieser hohe Wirkungsgrad wird dadurch möglich, daß die getrennten Ein- heiten der Elemente einen echten Gegenstrom-Wärmeaustauscher bilden.

In einigen Heiz- und Kühlanlagen wird die maximale Temperatur der einem Raum zugeführten Luft unter derjenigen gehalten, auf die die Luft schließlich erwärmt wird, um ein angenehmes Klima zu schaffen. So ist es beispielsweise üblich, die Luft an einer zentralen Stelle auf etwa 10,0° zu erwärmen. Diese Luft wird dann den einzelnen Räumen zugeleitet, die jeweils eine mit Thermostat arbeitende Steuerung und ein zugehöriges Heizelement enthalten. Wenn in dem Raum durch Geräte oder im

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Raum befindliche Menschen Wärme erzeugt wird, dann braucht nur wenig Wärmeenergie zugeführt zu werden. Häufig wird ein derartiger Raum dann sogar während des ganzen Jahres gekühlt. Das vorstehende Ausführungsbeispiel mit einem Wirkungsgrad , von 70 % zeigt, daß die kalte eintretende Luft von -14,¹I⁰C von der austretenden Luft mit 24,4⁰C auf etwa 12,8°C erwärmt wird. Da diese Temperatur von 12,8°C oberhalb der maximal zulässigen Temperatur für Beluftungssysteme dieser Art liegt, schafft die Erfindung auch eine Möglichkeit zur Begrenzung der maximalen Temperatur der eintretenden Luft, was nachfolgend beschrieben wird.

Die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers 52 kann von Hand oder automatisch verringert werden, um die von einem auf den anderen Luftstrom übertragene Wärmemenge zu begrenzen. Wie vorstehend bereits erwähnt, sind die Elemente 54 normalerweise horizontal angeordnet, so daß sich die flüssige Phase entlang der gesamten Länge der Rohre erstreckt. Es hat sich gezeigt, daß man die wirksame Länge der Elemente 54 und damit die Gesamtwirksamkeit des Wärmeaustauschers 52 dadurch verringern kann, daß man die wärmeren Enden der Elemente anhebt, so daß die flüssige Phase nicht durch Schwerkraft zurückkehrt und in den gesamten Abschnitten der Elemente steht, die der warmen Luft ausgesetzt sind. Wie etwa in Fig. 7 angedeutet, ist der

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Abschnitt des Elementes 54, der in Berührung mit der warmen Austrittsluft steht, etwas angehoben, so daß die flüssige Phase sich nur bis zur Stelle 68 a im Element erstreckt. Dadurch wird die Länge 72 aus dem Wirksamkeitsbereich des Elementes herausgenommen und auf diese Weise die von der warmen Austrittsluft auf die kalte Eintrittsluft übertragene Wärmemenge verringert. Auf diese Weise kann der Wärmeaustauscher 52 auch im wesentlichen ausgeschaltet werden, indem man ein Ende des Elementes um eine Strecke anhebt, die einige Durchmesser des Rohres ausmacht. Außerdem läßt sich die Wirksamkeit des Wärmeaustauschers sehr genau vorherbestimmen, und sie ist über den gesamten Bereich verhältnismäßig linear.

Wie in Fig. 4 dargestellt, ist der Wärmeaustauscher 52 schwenkbar bei 74 befestigt. Eine entsprechende Hebeeinrichtung 76 dient zum Anheben und Absenken eines Endes des Wärmeaustauschers 52 um den Schwenkpunkt 74. Die Hebeeinrichtung 76 wird mittels eines Vergleichers und Servo Verstärkers 78 betätigt. Ein Temperaturabtaster 80 dient zur Erzeugung eines die Temperatur der Eintrittsluft an einer stromabwärts von dem Wärmeaustauscher 52 liegenden Stelle bezeichnenden Signals. Ein Temperaturwähler 82 erzeugt ein Signal für den Vergleicher und Servoverstärker 78, welches einer von Hand eingestellten Temperatur

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entspricht. Der Vergleicher und Servoverstärker 78 vergleicht die Signale vom Temperaturabtaster 80 und Temperaturwähler 82 und betätigt die Hebeeinrichtung 76 in eine Richtung zur Erhöhung oder Verringerung der Wirksamkeit des Wärmeaustauschers 52, wodurch stromabwärts von dem Wärmeaustauscher 52 die Temperatur der eintretenden Luft auf dem gewählten Wert gehalten wird.

Der Vergleicher und Servoverstärker 78 sollte eine ausreichende Zeitverzögerung haben, um eine zu unruhige Betätigung der Hebeeinrichtung zu vermeiden. Wegen der relativ langen Zeitspannen, die für das Anheben und Absenken des Wärmeaustauschers 52 mit der Hebeeinrichtung 76 gegeben sind, kann letztere einen sehr kleinen Motor mit entsprechendem Getriebe enthalten, um den Wärmeaustauscher 52 um den Punkt 7k zu schwenken. Der Vergleicher und Servoverstärker 78 kann vorzugsweise auch von Hand betätigt werden, um auf diese Weise den Wärmeaustauscher 52 in die gewünschte Schräglage zu bringen. Dadurch ergibt sich eine Möglichkeit, um den Wärmeaustauscher 52 auszuschalten oder von Hand auf die gewünschte Wirksamkeit einzustellen.

Obwohl in dem Wärmeaustauscher 52 Elemente 5¹* ohne Kapillaren aufweisende Dochte verwendet werden, sei darauf hingewiesen, daß sich die Art der Änderung der Wirksamkeit des Wärmeaustauschers immer dann verwenden läßt, wenn der Transport der

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flüssigen Phase über die Länge der Rohre begrenzt wird. Somit kann diese Arbeitsweise auch bei solchen Kapillarsystemen
angewendet werden, die die Flüssigkeit nur in Umfangsrichtung, jedoch nicht in Längsrichtung der Rohre bewegen, so.daß sich auf diese Weise eine einfache Steuerung des Wärmeaustauschers erreichen läßt.

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Claims

Ansprüche

1. Wärmeaustauscher, insbesondere für Belüftungs- und Klimaanlagen gemäß Patent (Patentanmeldung P 20 19 587),

gekennzeichnet durch eine Vielzahl von abgedichteten Wärmeröhren, die ein Arbeitsfluid enthalten und über im wesentlichen ihre gesamte Länge einen Dampfraum aufweisen und sich sowohl in den Bereich für die einströmende als auch für die ausströmende Luft erstrecken, so daß infolge Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids Wärme in Längsrichtung der Wärmeröhren übertragen wird.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmeröhre ein längliches im wesentlichen gerades Rohr aufweist, das im wesentlichen horizontal angeordnet ist, und daß die flüssige Phase des Arbeitsfluids in Abhängigkeit von der Temperaturverteilung entlang dem Rohr durch Schwerkraft bewegbar ist.

3. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Wärmeröhre einen Kapillaren aufweisenden Docht zum Transport der flüssigen Phase in Umfangsrichtung enthält.

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4. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der flüssigen Phase in Längsrichtung in den der wärmeren Luft ausgesetzten Teil der Wärmeröhre begrenzbar ist.

5. Wärmeaustauscher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeröhren zur Begrenzung der Bewegung der flüssigen Phase in Längsrichtung gegenüber der Horizontalen schwenkbar ist.

6. Wärmeaustauscher nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Längsbewegung der flüssigen Phase in den Wärmeröhren in Abhängigkeit von der Temperatur der einströmenden Luft automatisch steuerbar ist.

7. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Wärmeröhren in der Größenordnung von 80 oder mehr liegt.

8. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7» gekennzeichnet durch eine erste Anzahl von Rippen, die im Bereich der eintretenden Luft in wärmeleitender Berührung mit den Wärmeröhren stehen, und durch eine zweite Anzahl von Rippen, die im Bereich der austretenden Luft in wärmeleitender Berührung mit den Wärmeröhren stehen.

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9. Wärmeaustauscher nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzahl von Rippen im wesentlichen gleich der zweiten Anzahl von Rippen ist.

10. Wärmeaustauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeröhren in einer Vielzahl von Einheiten angeordnet sind, die in Strömungsrichtung der Luft im Abstand voneinander angeordnet sind.

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