DE2801076C3

DE2801076C3 - Wärmeaustauscher bestehend aus Schichten von paarweise einander zugeordneten Wänden

Info

Publication number: DE2801076C3
Application number: DE2801076A
Authority: DE
Inventors: Per Lidingoe Norbaeck
Original assignee: Carl Munters AB
Current assignee: Carl Munters AB
Priority date: 1977-01-14
Filing date: 1978-01-11
Publication date: 1981-07-30
Also published as: DE2801076A1; SE7700404L; ES465983A1; CS209453B2; NO144611C; NO780136L; AT358609B; FI780070A; CH622608A5; BR7800223A; IT7819170A0; ATA26478A; FI64460B; NO144611B; GB1595511A; SE423750B; JPS5390056A; DE2801076B2; US4246962A; CA1106834A

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeaustauscher zur jn Übertragung von fühlbarer und/oder latenter Wärme zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Mittel, bestehend aus Schichten von paarweise einander zugeordneten Wänden, die parallel zueinander gefaltet bzw. gewellt sind, durch an ihnen ausgeformte v> Vorsprünge im Abstand voneinander gehalten sind und zwischen sich enge Flüssigkeitsdurchlässe von im wesentlichen konstanter Weite bilden, wobei die Schichten übereinander und ihre Falten bzw. Wellen einander kreuzend angeordnet sind und zwischen sich 4» Gasdurchlässe von unterschiedlicher Weite bilden.

Bei einem bekannten Flüssigkeitskühler eines Kraftfahrzeuges (US-PS 17 94 263) wird zwischen den beiden zueinander parallelen, zickzackförmigen Wänden die Kühlflüssigkeit hindurchgeleitet und die Wände weisen « Ausprägungen auf, mit deren Hilfe eine starke Turbulenz der an den Wänden entlangstreichenden Luft und damit eine Verbesserung des Wärmeaustausches erzielt werden soll. Auch ist ein Kühler für Kraftfahrzeuge bekannt (DE-PS 1 94 272), bei dem in die ebenfalls ^r>o zickzackförmigen Blechwände abwechselnd Querrippen eingepreßt sind, die über einen Teil der Länge der Wände verlaufen, so daß eine mäanderförmige Strömung des Kühlwassers erzwungen wird. Zum Abstandhalten der beiden parallelen zickzackförmigen Wände 5^r> eines Kühlers ist es auch bekannt (DE-PS 1 62 998), in die Wände Rippen einzuprägen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wände des Wärmeaustauschers der eingangs geschilderten Art so auszubilden, daß sich sehr schmale Flüssigkeitskanäle feo ergeben, daß die jeweils eine Schicht bildenden Wände zuverlässig auf Abstand gehalten werden und so stabil sind, daß sie einem verhältnismäßig hohen Flüssigkeitsdruck widerstehen können, ohne sich störend zu verformen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Bildung der Abstandshalter die Wände der Schichten mit feinen, nebeneinanderlaufenden Rillen versehen sind, weiche die verhältnismäßig großen Falten bzw. Wellen der Wände sowie jeweils die Rillen in der benachbarten parallelen Wand kreuzen.

Mit Hilfe der Rillen werden die beiden zueinander parallelen Wände auf Abstand gehalten, wobei sich sehr schmak· Flüssigkeitsdurchlässe erzielen lassen. Ferner versteift die Riffelung die Wände in beträchtlichem Maß und wird ferner die Ausbreitung der Flüssigkeit über die Oberfläche im Flüssigkeitskanal verbessert, weil die Riffelung einen gewissen Strömungswiderstand vermittelt, der das Wasser zur Ausbreitung auf die Wände zwingt. Die feinen Rillen in der einen Wand jeder Schicht kreuzen die Rillen in der anderen Wand der Schicht ganz oder teilweise, wobei die in jeder Wand zueinander parallel verlaufenden Rillen in beiden Wänden oder in nur einer Wand unter einem schrägen Winkel zur Fuß- oder Dachkante der großen Falten vorgesehen sind.

Durch diese Bauweise läßt sich die Weite der Flüssigkeits- und Gsdurchlässe unter weitgehender Berücksichtigung des großen Unterschiedes in dem spezifischen Wärmeinhalt von Flüssigkeit und Gas zueinander besser bemessen, da die Flüssigkeitsdurchlässe gegenüber den Gasdurchlässen eng gehalten werden können und trotzdem für eine gute Ausbreitung der Flüssigkeit gesorgt wird. So lassen sich die wärmeübertragenden Oberflächen auf der Gasseite und der Flüssigkeitsseite ungefähr gleich groß halten, wobei die Wandstärken gering sind.

Dies ist insbesondere bei dem hauptsächlichen Anwendungsgebiet der Erfindung von Vorteil, nämlich für die Raumklimatisierung von Gebäuden, wo der Wärmegehalt der Abluft auf eine in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzte Flüssigkeit übertragen werden soll. Die von der Flüssigkeit aufgenommene Abluftwärme wird dann in einem getrennten Wärmeaustauscher an die Zuluft abgegeben.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Wände der Flüssigkeitsdurchlässe an den feinen Rillen fest miteinander verbunden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf mehrere, teilweise weggebrochene Schichten des Wärmeaustauschers,

F i g. 3 eine Seitenansicht eines Wärmeaustauschers, F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in F i g. 3,

Fig. 5 und 6 Teildarstellungen der Kanten einer aus zwei Wänden gebildeten Schicht.

In den Zeichnungen bilden Schichten 10 die einzelnen Flüssigkeitsdurchlässe in dem Wärmeaustauscher. Diese Schichten sind jeweils aus zwei Wänden 14, 16 zusammengesetzt und sind mit Falten oder Wellungen 18 von verhältnismäßig großer Höhe, wie 5 bis 15 und 25 mm, versehen. Die Wände der Schichten verlaufen parallel zueinander und bilden einen Flüssigkeitsdurchlaß 20 von im wesentlichen konstanter Weite. Außerdem sind in den Wänden feine Wellen oder Rillen 22 bzw. 24 geformt, die am besten aus F i g. 2 ersichtlich, aber auch in den F i g. 5 und 6 angedeutet sind. Die Rillen haben eine Wellenhöhe und Teilung, die nur einen Bruchteil der entsprechenden Abmessungen der größeren Falten 18 betragen. Wenn somit die großen Falten 18 eine Höhe von 12 mm haben, beträgt die der Rillen zweckmäßig nur 1—2 mm. Die Faltenhöhe der Rillen liegt vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,5 bis 3 mm und beträgt höchstens ¹At bis V₃ der Höhe der Falten 18.

Die Weite der Flüssigkeitsdurchlässe 20 wird deshalb gering gehalten, weil dies auf den Strömungswiderstand der Gasseite günstig einwirkt und gleichzeitig die schmalen Flüssigkeitsdurchlässe der Flüssigkeitsströmung ausreichenden Widerstand entgegensetzen, um ί eine gute Verteilung der durchströmenden Flüssigkeit sicherzustellen. Eine wesentliche Aufgabe der Rillen besteht darin, als Distanzhalter einen geeigneten Abstand zwischen den Wänden 14 und 16 aufrechtzuerhalten. Ferner tragen die Rillen 22, 24 in hohe;n Grade in zu einer Erhöhung der Festigkeit der Wände bei, so daß sie einen inneren Überdruck in den Flüssigkeilsdurchlässen von verhältnismäßig hohem Wert aushalten können, ohne daß die gleichförmige Weite der Flüssigkeitsspalten in dem Wärmeaustauscher verloren η geht. Dies ist von wesent'icher Bedeutung für die Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung und Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in den engen Durchlässen 20.

Die feinen Rillen 22 bzw. 24 erstrecken sich als >n zusammenhängende Kämme quer über die Täler und Seitenhänge der großen Falten 18, vorteilhaft aber auch über deren Kämme oder Spitzen. Bei der in den Fig. 1—6 veranschaulichten Ausführungsform kreuzen die Rillen 22 und 24 einander und bilden in wenigstens ."> einer der Wände einen schrägen Winkel zur Längsrichtung der großen Falten 18, was dafür von Bedeutung ist. daß die Wände sich an den Kreuzungspunkten der Rillen gegeneinander abstützen können und gleichzeitig einen offenen Durchlaß für das Strömen der Flüssigkeit i« in allen Richtungen freilassen. Die der Flüssigkeit gebotene Möglichkeit des freien Strömens in allen R.chtungen ist besonders wichtig bei der in der Fig. 3 gezeigten Ausführungsform, wo die Flüssigkeit sowohl parallel als auch rechtwinklig zu der Strömungsrichtung Ji des Gases, hier der Luft, sowie in allen Winkeln dazwischen strömen zu können imstande sein soll.

Diese Ausgestaltung der Wände hat zur Folge, daß sie aus dünnem Werkstoff, wie Kunststoff oder Aluminium, gefertigt sein können und dennoch einen bedeutenden -to inneren Druck der Flüssigkeit aushalten können. So kann eine Kunststoffschicht eine Stärke von nur einigen wenigen Zehnteln eines Millimeters haben, aber auch 1 mm dick oder sogar noch dicker sein. Die Festigkeit der Wände bei der in Rede stehenden Ausführungsform wird in dieser Hinsicht besonders groß, wenn die feinen Rillen an den Wellungspunkten 26 (F i g. 2) miteinander verbunden sind. Dies kann vorzugsweise durch Auftragen von Lösungsmittel oder Verleimungsmittel auf die Kämme der Rillen erzielt werden. In dieser Weise können die Schichten 10 eine so große Festigkeit erhalten, daß sie einem inneren Flüssigkeitsdruck von 5 m Wassersäule und mehr widerstehen können, ohne eine Verformung zu erleiden, die merkbar die Weite des Spalts zwischen den beiden Wänden einer Schicht verändert.

Während, die oben erwähnt, die Wände 14,16 auf der Flüssigkeitsseite zueinander parallele und einander deckende Falten 18 aufweisen, kreuzen diese einander in zwei benachbarten Schichten 10, die zwischen sich Gadurchlässe 28 bilden. Die Falten 18 verlaufen in schrägem Winkel zur Strömungsrichtung der Luft, wie am besten aus der F i g. 3 ersichtlich ist. Dieser Winkel kann 15 bis 30 und sogar bis 60° betragen. Wenn die Schichten 10 alle dieselbe Ausführung aufweisen, erhält man die Kreuzungen in den Gasdurchlässen durch abwechselndes Wenden der Schichten um 180°. Die Schichten stützen sich an den Kreuzungsstellen der großen Falten 18 gegeneinander ab. Dies hat zur Folge, daß der Abstand zwischen den beiden einen Gasdurchlaß begrenzenden Schichten in allen Richtungen zwischen Null und der doppelten Faltenhöhe wechselt, was günstige Bedingungen für die Wärmeübertragung zwischen dem Gas und den Oberflächen der Schichten schafft Wenn, wie oben erwähnt die Faltenhöhe der Falten 18 einen Wert von 12 mm hat wechselt daher die Weite der Gasdurchlässe zwischen 0 und 24 mm, was einen Mittelwert von 12 mm ergibt

Die feinen Rillen 22, 24 zeichnen sich selDstverständlich auch auf der Gasseite ab. Sie sind aber hier von untergeordneter Bedeutung für die Weite der Gasdurchlässe. Auf der Flüssigkeitsseite dagegen bestimmi die Faltenhöhe der Rillen 22, 24 die Weite der Spalten oder Kanäle für die Flüssigkeit Wenn daher diese Falteiihöhe 2 mm beträgt wechselt die Weite der Flüssigkeitskanäle oder -spalten zwischen 0 und 4 mm mit dem Mittelwert von 2 mm. Da der Druck des Gases, wie der Luft gegen die Schichten in den Gasdurchlässen 28 unbedeutend ist, reicht es aus, wenn sich die Schichten 10 ηι,τ an den Kreuzungsstellen der großen Falten 18 aufeinander abstützen, auch wenn hier eine feste Verbindung zwischen den Schichten in Betracht kommen kann.

Die Gasdurchlässe 28 sind offen, so daß das. Gas. wie die Luft, durch das ganze Paket von Schichten strömen kann, wie durch den P^reil 30 in der F i g. 1 angedeutet ist. Eine Anlage enthält, wenn es sich z. B. um Ventilationsluft- oder l.üitungsluftjustauscher handelt, zwei Austai; scherpakete. deren Gasdurchlässe mn Hilfe von Luftziehern oder Gebläsen von Luft durchströmt werden, und zwar die der einen Paketeinheit von frischer Außenluft und die der anderen Einheit von verbrauchter Raumluft. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Luftströmen wird durch eine Flüssigkeit vermittelt, die durch Leitungen zwischen den Flussig· keitsdurchlässen der beiden Wärmeaustauscher umge wälzt wird.

Die Flüssigkeitsdurchlässe 20 sind um die Kanten herum dadurch verschlossen, daß die beiden Wände 14, 16 in den einzelnen Schichten 10 flüssigkeitsdicht miteinander verbunden sind. Diese Verbindung läßt sich dadurch erzielen, daß ein Rand 32 der Wände nicht gewellt ist, sondern ebene Form aufweist, wobei dann die Ränder der beiden Wände miteinander verschweißt oder verleimt werden. Um den Druckabfall beim Einströmen der Luft in die Gasdurchlässe an den Rändern der Wände und dem Ausströmen der Luft aus ihnen zu vermindern, können die großen Falten 18 hier abgeschrägt sein, wie bei 34 in der F i g. 6 angedeutet ist. Es ist jedoch auch denkbar, die Falten 18 sich bis zur Kante selbst erstrecken zu lassen und sie hier durch einen dem gewellten Gefüge folgenden Schweißsaum 36 oder ein ähnliches Gebilde zu verbinden. In diesem Falle wird der Druckabfall beim Vorbeigang der Luft an der eigentlichen Wandkante weiter vermindert

Die verschiedenen Flüssigkeitsdurchlässe 20 sind an einen gemeinsamen Einlaß 38 und einen gemeinsamen Auslaß 40 angeschlossen. Einlaß und Auslaß sind vorteilhaft als Rohrstutzen ausgebildet Die Schichten 10 sind hierbei mit einander gegenüberliegenden Ringen 42 mit zentralen öffnungen 44 ausgerüstet, die gleichmittig zu dem zugeordneten Einlaß 38 bzw. Auslaß 40 gelegen sind. Die Ringe bilden Distanzhalter oder -hülsen mit einer axialen Erstreckung die der Höhe der großen Falten 18 entspricht. Die Wände sind mit Ausnehmungen für die Ringe versehen, wobei die einen

Flüssigkeitsspalt 20 begrenzenden beiden Wände 14,16 über die beiden Flachseiten der Ringe vorspringen und an deren Seiten anliegen. Mittels radialer Löcher 46 ist eine offene Verbindung zwischen den zentralen öffnungen 44 der Ringe und den Flüssigkeitsdurchlässen 20 hergestellt. Die Ringe können auf ihrer einen Seite einen zentralen kegeligen Vorsprung 48 aufweisen, der zu einem entsprechenden kegeligen Absatz 49 auf der anderen Seite derart paßt, daß die Ringe zu einander geführt und an einander festgehalten werden. Die Zusammenfügung der Schichten 10 miteinander soll flüssigkeitsdicht sein, und dies wird vorzugsweise durch Ansetzen einer axial gerichteten Kraft an die äußeren Ringe in einer Austauschereinheit zustande gebracht. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Ringe eine solche Ausformung erhalten, daß die axial gerichtete Kraft zwischen den Ringen auf die Flachseiten wirkt, derart, daß die zwischenliegenden Wände in zwei benachbarten Schichten zusammengeklemmt werden, nicht aber auf die kegeligen Vorsprünge. Denkbar ist auch, zwischen die zusammengeklemmten Kunststoffwände ein dichtendes Element aus einem geeigneten Werkstoff, wie Gummi o. dgl., einzulegen.

In dieser Weise werden die Flüssigkeitsdurchlässe mit Hilfe der Ringe 42 zu einem gemeinsamen Einlaßverteilungsrohr und einem gemeinsamen Auslaß-Sammelrohr verbunden. Diese Rohre werden an ihrem einen Ende an den Einlaßstutzen 38 bzw. den Auslaßstutzen 40 angeschlossen und an ihrem anderen Ende in geeigneter (nicht dargestellter) Weise verschlossen. Um den Flüssigkeitsstrom über die engen Flüssigkeitsdurchlässe in deren gesamten Erstreckung zu verteilen und dadurch den bestmöglichen Wärmeaustausch mit dem Gas in den Gasdurchlässen zu erzielen, können die beiden, einen Flüssigkeitsdurchlaß begrenzenden Wände 14, 16 längs Teilstücken 50 miteinander verbunden sein. Diese Teilstücke erstrecken sich dann abwechselnd von einander gegenüberliegenden Kanten eine Strecke über die Schichtenoberfläche, derart, daß die Flüssigkeit zwischen dem Einlaß 38 und dem Auslaß 40 eine zickzackförmige Bahn erhält, wie in der Fig. 3 mit Pfeilen 52 angedeutet ist Die Schichten 40 können mit Entlüftungslöchern 54 versehen sein, um ein Ausströmen der Luft durch die Teilstücke 50 /u ermöglichen und zwischen diesen Teilstücken etwa eingeschlossene Luft entweichen zu lassen. Durch diese Führung des Flüssigkeitsstroms in mehrfachem Gegenstrom erhält man eine gegenstromartige Wirkung der Flüssigkeit auf die Luft.

Als die Wärmeübertragung vermittelnde Flüssigkeit kommt in erster Linie Wasser in Betracht, gegebenen foiii iTni Zusai/ eines den Gefrierpunkt herabsetzenden Mittels für den Fall, daß der Austauscher bei niedriger Gastemperatur, wie Außenlufttemperaturen im Winter in Betrieb sein soll.

Die Wärmeaustauscher lassen sich auch in Kühltürmen anwenden, d. h. zur Kühlung von Wasser mit Hilfe eines Luftstroms, z. B. in Klimaanlagen. In diesem Fall können die Wandflächen der Gasdurchlässe in an sich bekannter Weise wassersaugend gemacht und durch stroßweise Zufuhr von Wasser feucht gehalten werden. Wenn der Luftstrom die Gasdurchlässe durchströmt, wird das Wasser verdunstet und dadurch Wärme gebunden so daß die in den Flüssigkeitsdurchlässen umgewälzte Flüssigkeit, wie das Wasser, gekühlt wird Während der kalten Jahreszeit kann hierbei der Wärmeaustauscher als sog. trockener Kühlturm arbeiten, wobei man kein Wasser in die Gasdurchlässe einführt. Ein in dieser Weise arbeitender Kühlturm hat

Ί den besonderen Vorteil, nebelfrei zu sein, weil die aus den Gasdurchlässen austretende erwärmte Luft ihren Feuchtigkeitsgehalt nicht geändert hat. Der Wärmeaustauscher kann auch für Trocknung von Gas, wie Luft, ausgestaltet werden. Hierbei werden die Wände der

κι Gasdurchlässe mit einer Schicht mit hygroskopischen Eigenschaften versehen. Vorzugsweise ist diese Schicht von saugender Beschaffenheit und mit einem hygroskopischen Stoff, wie Lithiumchlorid, getränkt. Wenn feuchte Luft durch die Gasdurchlässe hindurchstreicht.

η wird ein Teil ihres Feuchtigkeitsgehalts von dem hygroskopischen Stoff aufgenommen, und gleichzeitig kann ihre Temperatur von der in den Flüssigkeitsdurchlässen strömenden Flüssigkeit geregelt, wie gekühlt, werden. Zwecks Regenerierung des hygroskopischen Stoffs, d. h. Entfernung der von ihm aufgenommenen Feuchtigkeit, kann eine heiße Flüssigkeit, wie Heißwasser, von Zeit zu Zeit durch die Flüssigkeitsdurchlässe geleitet werden, wobei eine Austrocknung der hygroskopischen Schicht erhalten wird. Damit ein gutes

2-> Trocknungsergebnis erzielt wird, soll die hierbei durch die Gasdurchlässe strömende Luft durch diese in entgegengesetzter Richtung wie die Feuchtigkeit abgebende Luft geleitet und in die umgebende Außenluft oder einen Kondensator weggeleitet werden.

in Bei den beiden zuletzt beschriebenen Ausführungsformen, dem durch Verdunstung gekühlten Kühlturmelement und dem Trockner, ist es für den thermodynamischen Verlauf sehr wesentlich, daß der Widerstand gegen Wärmedurchgang in den die Flüssigkeils- und

Γι Gasdurchlässe voneinander trennenden Wänden 14, 16 niedrig ist. weil in diesen Fällen die übertragenen Energiemengen erheblich größer sind als die bei Lüftungswärmeaustauschern übertragene Energiemenge-

4» Besonders wichtig ist. daß der Wärmewiderstand in den Schichten nicht wesentlich größer werden darf als der zwischen der Oberfläche der Schicht und dem Gas auftretende Widerstand.

Die Gas- und die Flüssigkeitsströme sollen selbslver-

Ii ständlich voneinander getrennt sein, !n gewissen Fällen ist es nicht notwendig, die F'lüssigkeitsdurchlässe in den einzelnen Schichten 10 allseitig zu schließen. Vielmehr können sie oben und unten für ein Strömen des Wassers in lotrechter Richtung abwärts offen sein, während die

in Luft waagrecht durch die Gasdurchlässe hindurchgeht, ohne mit dem Wasser in Berührung zu kommen.

Die gewellte oder gefaltete Form der Schichten ist vorzuziehen, wenn es auch denkbar ist. deren gekrümmte Form durch z. B. schalenförmige. über die Oberfläche

ν· der Schichten derart verteilte Erhöhungen oder Kuppeln zustande zu bringen, daß die Schichten paarweise auf der Flüssigkeitsseite ineinander fallen können und auf der Gasseite dem Gas eine wirbelartige Strömung geben bzw. als Distanzhalter dienen. Wie

η" insbesondere aus der Fig. 3 ersichtlich ist. streicht das Gas in den Gasdurchlässen quer über die Teilstückc oder Brücken 50, wobei die Wellungen hier ebenso wie an der Seitenkante gemäß der Fig. 6 bei 34 abgeschrägte Enden haben, um Druckverlustc in dem

f·· Gasstrom 7ii vermeiden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

28 Ol 07G Patentansprüche:

1. Wärmeaustauscher zur Übertragung von fühlbarer und/oder latenter Wärme zwischen einem gasförmigen und einem flüssigen Mittel, bestehend ■> aus Schichten von paarweise einander zugeordneten Wänden, die parallel zueinander gefaltet bzw. gewellt sind, durch an ihnen ausgeformte Vorsprünge im Abstand voneinander gehalten sind und zwischen sich enge Flüssigkeitsdurchlässe von im m wesentlichen konstanter Weite bilden, wobei die Schichten übereinander und ihre Falten bzw. Wellen einander kreuzend angeordnet sind und zwischen sich Gasdurchlässe von unterschiedlicher Weite bilden, dadurch gekennzeichnet, daß zur ιϊ Bildung der Abstandshalter die Wände (14, 16) der Schichten (10) mit feinen, nebeneinanderlaufenden Rillen (22, 24) versehen sind, welche die verhältnismäßig großen Falten bzw. Wellen (18) der Wände sowie jeweils die Rillen (22, 24) in der benachbarten _>u parallelen Wand kreuzen.

2. Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (14, 16) der Flüssigkeitsdurchlässe (20) an den feinen Rillen (22, 24) fest miteinander verbunden sind. >i