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Wärmeaustauscher sowie Verfahren
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zur Enteisung desselben B e s c h r e i b u n g Die Erfindung betrifft
einen Wärmeaustauscher nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6. Des weiteren betrifft
die Erfindung ein Verfahren zur Enteisung des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers.
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Wärmeaustauscher dienen zum Energietransfer zwischen unterschiedlichen
Energieträgern. Dazu sind sie praktisch in allen technischen Bereichen einsetzbar,
wobei wegen der heutzutage immer knapper werdenden Energie Wärmeaustauscher in zunehmendem
Maße zur Energiegewinnung eingesetzt werden. Zu diesem Zweck lassen sich Wärmeaustauscher
infolge der ständig wachsenden Energie-
kosten bereits bei niedrigen
Umgebungstemperaturen wirtschaftlich einsetzen.
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Aus diesem Grunde werden Wärmeaustauscher auch zum Energieentzug unter
dem Gefrierpunkt liegender Außenluft eingesetzt. Dabei kommt es infolge der in der
Außenluft enthaltenen Feuchtigkeit zur Eisbildung an den äußeren Wandungen der Austauscherelemente,
weil deren Kanäle von einem Wärmeaustauschermedium durchströmt werden, dessen Temperatur
unter derjenigen der Außenluft liegt. Mit zunehmender Eisbildung an den Austauscherelementen
veringert sich auch der Energietransfer im Wärmeaustauscher, bis schließlich keine
Energieübertragung mehr stattfindet.
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Somit nimmt durch die Eisbildung an den Austauscherel#'' menten der
Wirkungsgrad des Wärmeaustauschers stetig ab, bis dessen Funktion vollständig zum
Erliegen kommt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Wärmeaustauscher
derart auszubilden, daß sich an seinen Austauscherelementen bildendes Eis innerhalb
kürzester Zeit mechanisch entfernt werden kann.
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Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch das kennzeichnende Merkmal
des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Verformung der Austauscherelemente kommt es zunächst
zum Zersplittern der spröden Eisschichten an dessen Außenseiten unter anschließendem
Sichablösen von den Austauscherelementen infolge der Scherbeanspruchung zwischen
den starren Eispartikelchen und den sich dehnenden bzw. zusammenziehenden Außenflächen
der Autauscherelemente.
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Eine rasche und zugleich zuverlässige Enteisung des Wärmeaustauschers
ist dadurch gewährleistet.
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Besonders vorteilhaft läßt sich eine Enteisung nach dem Verfahren
der Erfindung durchführen, wenn die Kanäle der Austauscherelemente durch Druckänderung
des darin strömen-.
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den Wärmeaustauschermediums von Zeit zu Zeit elastisch verformt werden.
Dies geschieht am vorteilhaftesten durch einen Stau im Kreislauf des durch die Kanäle
strömenden Wärmeaustauschermediums bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Förderstroms.
Auf diese Weise ist eine mechanische Enteisung des Wärmeaustauschers ohne nennenswerten
apparativen Aufwand bei nur kurzfristiger Unterbrechung des Energieaustauschs möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, das erfindungsgemäße Enteisungsverfahren in Abhängigkeit
von den Temperaturen der Wärmeaustauschermedien und der damit bestehenden Gefahr
der Eisbildung anzuwenden.
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Eine dementsprechende optimale Überwachung kann nach einem Vorschlag
der Erfindung in Abhängigkeit von den Temperaturen der Wärmeaustauschermedien im
Inneren der Austauscherelemente sowie außerhalb derselben geschehen.
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Dabei werden die über entsprechende Temperaturfühler ermittelten Temperaturen
von einem Rechner bzw. Mikroprozessor verarbeitet. Dieserw-iederum gibt in entsprechenden
Zeitabständen an ein Ventil im Kreislauf des Wärmeaustauschermediums ein Signal
zum kurzfristigen Schließen des Kreislaufs ab. Somit ist in Abhängigkeit von der
Außentemperatur und der Temperatur des Wärmeaustauschermediums im Inneren der Austauscherelemente
eine automatische Überwachung der Eisbildung und eine in Abhängigkeit davon gesteuerte
Eisentfernung möglich.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe und zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Wärmeaustauscher die kennzeichnenden Merkmale
des Anspruchs 6 auf. Demnach sind die Abmessungen der Austauscherplatten, insbesondere
der Kanäle, zum Absprengen des außenseitig gebildeten Eises veränderlich. Gleichzeitig
werden Schäden durch die Eisbildung an den Austauscherelementen durch deren Elastizität
vermieden.
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Bei einer optimalen Ausführungsform der Erfindung sind die Austauscherelemente
aus zwei elastisch verformbaren
Wandungen (Folien) zusammengesetzt.
Diese sind durch in Abständen längsverlaufende Verbindungsstreifen miteinander verbunden,
derart, daß zwischen zwei benachbarten Ver-bindungsstreifen jeweils ein Kanal gebildet
ist. Die so aufgebauten Austauscherelemente sind einfach und kostengünstig herzustellen.
Als Werkstoff für die Wandungen der Austauscherelemente dienen Materialien, die
bei tiefen Temperaturen noch elastisch bleiben. Hierzu eignen sich besonders Elastomere,
wobei allerdings auch Thermoplaste bzw. dünne Metallfolien oder -platten verwendet
werden können. Die Verbindung der Wandungen an den Verbindungsstreifen geschieht
zweckmäßigerweise durch Verkleben und/oder Verschweißen. Gegebenenfalls kann die
Verbindung der Wandungen auch auf andere Weise hergestellt sein, solange diese eine
reichende Dichtigkeit aufweist, damit zwischen den nebeneinanderliegenden Kanälen
kein Durchtritt des Wärmeaustauschermediums möglich ist. Die Außenseiten der Wandungen
der Austauscherelemente sind nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung möglichst
glatt, um eine zuverlässige Eisentfernung schon bei geringer elastischer Verformung
der Wandungen der Austauscherelemente zu erreichen. Die Dicke der Wandungen braucht
je nach Einsatz nur ca. 0,3 - 0,4 mm betragen, so daß die Austauscherelemente aus
Folien zusammengesetzt sein können.
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Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist zwischen den beiden
Folien (Wandungen) eine zugfeste Einlage angeordnet. Diese ist im Bereich der Verbindungsstreifen
mit den Folien verklebt bzw. verschweißt, derart, daß zwischen den Verbindungsstreifen
durch die Wandungen Wülste bzw.
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Falten zur Bildung der Kanäle entstehen. Durch die zugfeste Einlage,
die zumindest quer zur Längsrichtung der Kanäle zugfest ist, wird verhindert, daß
infolge äußerer, quergerichteter Spannungen auf die Austauscherelemente durch elastische
Verformungen der Folien die Wülste bzw.
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Falten zur Bildung der Kanäle sich ganz oder teilweise
zurückbilden.
Bei Belastungen innerhalb der Ebene der Austauscherelemente verhindert die zugfeste
Einlage demnach eine ungewollte elastische Verformung. Zweckmäßigerweise dient als
zugfeste Einlage ein Netz bzw.
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eine Vielzahl von lediglich quer zur Längsrichtung der Kanäle laufenden
Fäden. Derartige Einlagen behindern den Durchfluß des Wärmeaustauschermediums durch
die Kanäle nur unwesentlich. Alternativ ist es allerdings auch möglich, als zugfeste
Einlage eine für das Wärmeaustauschermedium undurchlässige Folie od. dgl. zu verwenden.
Das hätte eine Teilung der Kanäle mit einer Verdoppelung derselben innerhalb eines
Austauscherelementes zur Folge. Als Material für die zugfeste Einlage eignet sich
besonders Kunststoff, wobei diese auch aus Metall hergestellt sein kann.
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Die erfindungsgemäßen Austauscherelemente eignen sich besonders für
Plattenaustauscher, wobei sie eine plattenförmige Gestalt mit einem rechteckigen
Querschnitt aufweisen. Für besondere Bauformen eines Wärmeaustauschers können die
Austauscherplatten -auch andere Grundflächen aufweisen, beispielsweise quadratische
oder ovale.
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Weitere Merkmale der Erfindung betreffen die Anordnung der erfindungsgemäßen
Austauscherplatten innerhalb eines Wärmeaustauschers.
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Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Wärmeaustauschers werden
nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Vertikalschnitt
durch einen Plattenaustauscher bei einer Vorderansicht auf eine ungeschnittene Austauscherplatte,
Fig.
2 eine Ansicht von oben auf den Plattenaustauscher, Fig. 3 einen Vertikalschnitt
durch den Plattenaustauscher gemäß der Linie III-III der Fig. 1 Fig. 4 eine Ansicht
der Austauscherplatte gemäß der Fig. 3 in vergrößertem Maßstab, Fig. 5 eine Ansicht
der Austauscherplatte gemäß der Fig. 4 mit elastisch verformten Kanälen,-Fig. 6
einen Schnitt VI-VI durch'einen Kanal gemäß Fig. 5 im Bereich eines Anschlusses,
Fig. 7 einen schematisch dargestellten Kreislauf des Wärmeaustauschermediums durch
die Kanäle der Austauscherplatte mit einer automatischen Überwachungseinrichtung,
Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel .eines Plattenaustauschers in einem Vertikalschnitt
bei einer Vorderansicht auf die ungeschnittene Austauscherplatte, Fig. 9 eine Ansicht
auf den horizontal entlang der Linie IX-IX in der Fig. 8 geschnittenen Plattenaustauscher,
und Fig. 10 eine Ansicht der Austauscherplatten gemäß der Fig. 9 in vergrößertem
Maßstab.
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Die vorliegenden Ausführungsbeispiele zeigen einen besonderen Typ
eines Wärmeaustauschers, nämlich einen Plattenaustauscher. Die hier gezeigten Plattenaustauscher
bestehen aus vier nebeneinander angeordneten Austauscherplatten 10, die aufrecht
in einem gemeinsamen Gehäuse 11, 43 angeordnet sind (Fig. 1, 2, 3, 8 und 9). Jede
der Austauscherplatten 10 weist nebeneinanderliegend fünf Kanäle 12 auf. Die Anzahl
der Austauscherplatten 10 sowie der in letzteren angeordneten Kanälen 12 kann in
Abhängigkeit von der Größe des Plattenaustauschers variiert werden.
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Dieser Plattenaustauscher dient vorzugsweise zur Aufstellung im Freien.
Dabei durchströmt die Kanäle 12 der Austauscherplatten 10 eine Flüssigkeit, während
von außen atmosphärische Luft die Austauscherplatten 10 umströmt. Als Flüssigkeit
dient üblicherweise eine Glycol-Mischung, die bei entsprechenden niedrigen Einsatztemperaturen
des Plattenaustauschers nicht gefriert. Beispielsweise weist die Glycol-Mischung
bei einem Einsatz des Plattenaustauschers bei einer (Luft-)Temperatur von -100C
eine Temperatur von -200C auf.
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Zur Verbesserung des Wirkungsgrades des Plattenaustauschers bläst
der Ventilator 18 Außenluft in Längsrichtung der Kanäle 12 durch das Gehäuse 11
bzw. 43.
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Dabei dienen offene Stirnseiten 15 bzw. 44 und 16 bzw.
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45 zum Luftein- bzw. Luftaustritt.
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Je nach Anordnung der Austauscherplatten 10 im Gehäuse 11 bzw. 43
und der Drehrichtung des Ventilators 18 sind die in den Ausführungsbeispielen dargestellten
Wärmeaustauscher im Gleich- und Gegenstrom bzw. im Kreuzstrom zu betreiben.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 bis 7 zeigt einen Plattenaustauscher
mit annähernd horizontal verlaufenden Kanälen 12. Das hier gezeigte Gehäuse 11 weist
eine rechteckförmige Grundfläche auf und wird durch vier aufrechte Seitenwände 13
bzw. 14 gebildet, die paarweise gleiche Flächen aufweisen. Die Stirnseiten 15 und
16 des Gehäuses sind unverschlossen. Im Bereich der (oberen) Stirnseite 15 des Gehäuses
11 ist der sich um eine aufrechte Drehachse 17 drehende Ventilator 18 angeordnet.
Unabhängig von der Drehrichtung des Ventilators 18 ist der in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigte Plattenaustauscher im Kreuzstrom zu betreiben, d.h. die Glycol-Mischung
durchfließt die Kanäle 12 waagerecht, während aufrecht, nämlich quer zur Fließrichtung
der Glycol-Mischung, die Außenluft durch das Gehäuse 11 strömt.
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Zur Befestigung der Austauscherplatten 10 im Gehäuse 11 sind im Bereich
hier waagerecht verlaufender Ränder 39 der Austauscherplatten 10 Reihen mit Ösen
40 angebracht, durch die Seile 41 geführt sind, die wiederum mit entsprechend waagerecht
angeordneten Leisten 42 in Verbindung stehen (Fig. 1 und 3). Im vorliegenden Falle
sind die Leisten 42 parallel verlaufend zu den Seitenwänden 13 quer über den gegenüberliegenden
Stirnseiten 15 und 16 des Gehäuses 11 angeordnet. Zur Lagesicherung der Leisten
42 - und der damit verbundenen Austauscherplatten 10 - sind in den oberen und unteren
Rändern der Seitenwände 14 gegenüberliegende Nuten 49 mit dem Querschnitt der Leisten
42 annähernd entsprechenden Abmessungen angeordnet. Durch die derartige Fixierung
der Austauscherplatten 10 im Gehäuse 11 lassen sich diese leicht montieren und im
Falle eines Defekts leicht austauschen. Erforderlichenfalls können die Leisten 42
jedoch auch durch geeignete Verbindungen fest mit den Rändern der (kurzen) Stirnseiten
14 des Gehäuses 11 ver-
bunden sein, wobei dann die Nuten 49 gegebenenfalls
entfallen können.
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Das Ausführungsbeispiel der Fig. 8 bis 10 zeigt einen Plattenaustauscher
mit aufrecht im Gehäuse 43 verlaufenden Kanälen 12. Auch hier wird das Gehäuse 43
durch insgesamt vier Seitenwände 46 bzw. 47 gebildet. Die rechteckigen Stirnseiten
45 und 44 des Gehäuses 43 sind unverschlossen, wobei der Ventilator 18 wieder im
Bereich der (oberen) Stirnseite 44 ist. Der Plattenaustauscher dieses Ausführungsbeispieles
wird zweckmässigerweise im Gegenstrom betrieben, also mit in entgegengesetzter Richtung
zum Durchfluß der Außenluft durch das Gehäuse 43 in den Kanälen 12 fliessender Glycol-Mischung.
Durch einfache Umkehr der Drehrichtung des Ventilators 18 kann dieser Plattenaustauscher
auch im Gleichstrom betrieben werden. Zur Befestigung der Austauscherplatten 10
im Gehäuse 43 sind die hier in aufrechter Reihe liegenden Ösen 40 wiederum durch
Seile 41 mit an den Innenseiten der (schmalen) Seitenwände 46 angeordneten, aufrechten
Leisten 48 verbunden.
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Das Gehäuse 11 bzw. 43 des Plattenaustauschers kann alternativ auch
durch Stirnwandungen vollständig geschlossen sein, wodurch ein Schutz der Austauscherplatten
10 gegen mechanische Einflüsse sowie UV-Strahlen möglich ist.
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Aus den Fig. 4, 5 und 10 geht der für beide Ausführungsbeispiele gleiche
Aufbau der Austauscherplatten 10 hervor; und zwar setzen sich diese aus zwei Wandungen
19 und 20 aus hochelastischer, kältebeständiger Folie aus Gummi zusammen. Zwischen
den beiden Wandungen 19, 20 ist ein zugfestes Netz 21 angeordnet. Zur Bildung der
Kanäle 12 in der Austauscherplatte 10 sind die Wandungen 19, 20 sowie das Nezt 21
in besonderer Weise miteinander durch seitlich neben den Kanälen 12 in Längsrichtung
derselben verlaufende Verbindungsstreifen 22 bzw. 23 ver-
klebt,
indem zwischen den Verbindungsstreifen 22, 23 die Wandungen 19 und 20 falten- bzw.
wulstartig verlaufen. Die Wandungen 19, 20 weisen also zwischen den Verbindungsstreifen
22 bzw. 23 eine über den lichten Abstand letzterer hinausgehende Breite auf. Damit
ist der Folienzuschnitt für die Wandungen 19 und 2Q grösser zu bemessen als der
Zuschnitt für das Netz 21. Da letzteres aus einem zugfesten Material, insbesondere
Kunststoff, hergestellt ist, behält die Austauscherplatte 10 im Bereich der Kanäle
12 diese Falten bzw.
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Wülste bei.
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Unterschiedliche Querschnitte der Kanäle 12 zeigen die Fig. 4, 5 und
10. Während die Fig. 4 einen nierenförmigen Querschnitt der waagerecht im Gehäuse
11 angeordneten Kanäle 12 gemäss dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zeigt, ist in
der Fig. 10 ein ellipsenförmigri' Querschnitt dargestellt, wie er sich beispielsweise
bei der aufrechten Anordnung der Kanäle im Gehäuse 43 gemäß dem Ausführungsbeispiel
der Fig. 8 ergibt. Die Fig. 5 zeigt die Kanäle 12 mit vergrössertem, annähernd kreisförmigem
Querschnitt, wie er beispielsweise durch elastische Verformung der Wandungen 19
und 20 infolge Druckänderung der Glycol-Mischung in den Kanälen 12 zum Enteisen
der Austauscherplatten 10 entsteht. Annähernd unabhängig von der Lage der Kanäle
12 - ob aufrecht oder horizontal - stellt sich dieser Querschnitt bei beiden Ausführungsbeispielen
ein.
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Die Fig. 1 und 8, insbesondere die Fig. 6, zeigen die stirnseitige
Ausbildung der Austauscherplatte. Demnach sind die Enden der Kanäle 12 in analoger
Weise zu den Verbindungsstreifen 22 bzw. 23 durch Verkleben hergestellt unter Bildung
von Stirnverbindungen 25 und 26.
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Ein Beispiel zur Anbringung von Anschlußleitungen 24 an die Kanäle
12 ist ebenfalls in der Fig, 6 gezeigt. Über
einem Ausschnitt 27
in der Wandung 19 ist ein mit einem Kragen 28 versehenes Ende der Anschlußleitung
24 mit der Wandung 19 verklebt bzw. verschweißt. Auf diese Weise ist an jedem Ende
eines jeden Kanals 12 eine Anschlußleitung 24 angeordnet.
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Die Fig. 7 zeigt schematisch einen Kreislauf der Glycol-Mischung durch
eine Austauscherplatte 10. In diesem Kreislauf läuft die Glycol-Mischung über die
Anschlußleitungen 24 aus den - hier waagerecht verlaufenden -Kanälen 12 kommend
in eine gemeinsame Abflußleitung 29, die in einen Vorratsbehälter 30 mündet. In
der Abflußleitung 29 ist ein magnetisch betätigbares 2/2-Wegeventil 31 zum Verschluß
derselben angeordnet. Vom Vorratsbehälter 30 aus wird der Kreislauf durch eine Verbindungsleitung
32 zu einer Umwälzpumpe 33 fortgesetzt. Von dort aus gelangt die Glycol-Mischung
unter Druck durch eine Wärmepumpe 34 über eine Zuleitung 35 zu den eingangsseitigen
Anschlußleitungen 24 der Kanäle 12. Zweckmässigerweise.sind alle Austauscherplatten
10 des Plattenaustauschers zu einem einzigen Kreislauf zusammengeschlossen.
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Nach Bedarf und Grösse des Plattenaustauschers können jedoch auch
mehrere Kreisläufe oder sogar für jede Austauscherplatte 10 ein Kreislauf gebildet
werden. Ebenso ist der Kreislauf für das Ausführungsbeispiel mit aufrecht verlaufenden
Kanälen 12 ausgebildet.
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Verfahrensmässig geht die mechanische Eisentfernung am Plattenaustauscher
beider Ausführungsbeispiele folgendermassen vonstatten: Im Betriebszustand der Wärmepumpe
34 wird ein Rechner 36 aktiviert, der in Abhängigkeit von den Temperaturen der Wärmeaustauschermedien
ein Signal an das 2/2-Wegeventil 31 zur Unterbrechung des Kreislaufs der Glycol-Mischung
liefert. Dazu messen Temperaturfühler 37 und 38 die Temperatur der Glycol-Mischung
(Temperaturfühler 37) bzw.
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die Temperatur der Außenluft (Temperaturfühler 38). Aus der Differenz
sowie den absoluten Werten der beiden Temperaturen bestimmt der Rechner 36 die Notwendigkeit
eines Enteisungsvorganges. Dazu gibt dieser zu Beginn des Enteisungsvorgangs ein
Signal an das 2/2-Wegeventil 31, um durch Schliessen desselben die Abflußleitung
29 zu unterbrechen. Währenddessen pumpt die Umwälzpumpe 33 aus dem Vorratsbehälter
30 weiterhin Glycol-Flüssigkeit in die Kanäle 12. Durch den dabei entstehenden Druck
stieg in den Kanälen 12 wird dessen Querschnitt vergrößert, indem sich die Wandungen
19 und 20 im Bereich der Kanäle 12 elastisch dehnen (s. Fig. 5). Dabei wird das
Eis an den äußeren Flächen der Austauscherplatten 10 geborsten und abgesprengt.
Das so entfernte Eis fällt1 durch die offene (untere) Stirnseite 16 bzw. 44 aus
dem Gehäuse 11 bzw. 43 des Plattenaustauschers heraus.
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Unmittelbar nachdem die Kanäle 12 auf diese Weise aufgeweitet worden
sind, ist durch erneutes Betätigen des 2/2-Wegeventils 31 vom Rechner 36 aus der
Kreislauf der Glycol-Mischung wieder zu schließen, wodurch über die Abflußleitung
29 die zusätzliche Glycol-FLüssigkeit erneut in den Vorratsbehälter 30 ablaufen
kann und damit in den Kanälen 12 der Austauscherplatte 10 der ursprüngliche Druck
wieder entsteht. Dabei nehmen die Kanäle 12 wieder ihre ursprüngliche Form gemäß
den Fig. 4 bzw. 10 ein.
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Auf diese Weise kann die Enteisung innerhalb kürzester Zeit automatisch
erfolgen.
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Bei hartnäckigen Vereisungen der Austauscherplatten 10 bzw. bei extrem
tiefen Temperaturen kann es zweckmäßig sein, für einen einzigen Enteisungsvorgang
mehrere Druckintervalle durch kurzfristig aufeinanderfolgendes
öffnen
und Schließen des 2/2-Wegeventils 31 im Kreislauf der Glycol-Mischung zu erzeugen.
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Bezugszeichenliste 10 Austauscherplatte 11 Gehäuse 12 Kanal 13 Seitenwand
14 Seitenwand 15 Stirnseite 16 Stirnseite 17 Drehachse 18 Ventilator 19 Wandung
20 Wandung 21 Netz 22 Verbindungsstreifen 23 Verbindungsstreifen 24 Anschlußleitung
25 Stirnverbindung 26 Stirnverbindung 27 Ausschnitt 28 Kragen 29 Abflußleitung 30
Vorratsbehälter 31 2/2-Wegeventil 32 Verbindungsleitung 33 Umwälzpumpe 34 Wärmepumpe
35 Zuleitung 36 Rechner 37 Temperaturfühler 38 Temperaturfühler 39 Rand 40 Öse 41
Seil 42 Leiste 43 Gehäuse 44 Stirnseite 45 Stirnseite 46 Seitenwand 47 Seitenwand
48 Leiste 49 Nut
Leerseite