DE3336049A1

DE3336049A1 - Gegenstrom-waermetauscher

Info

Publication number: DE3336049A1
Application number: DE19833336049
Authority: DE
Inventors: Takio Fushiki; Morio Yokohama Kanagawa Okazaki; Koji Moriyama Shiga Takahashi
Original assignee: Japan Vilene Co Ltd; Toyo Netsu Kogyo Kaisha Ltd
Current assignee: Japan Vilene Co Ltd; Toyo Netsu Kogyo Kaisha Ltd
Priority date: 1982-10-05
Filing date: 1983-10-04
Publication date: 1984-04-05
Anticipated expiration: 2003-10-05
Also published as: KR840006405A; GB2128316A; JPS5963491A; GB2128316B; GB8326559D0; KR910002108B1; US4609039A; DE3336049C2; DE3336049C3; JPH0313515B2

Description

Gegenstrom-Wärmetauscher

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Gegenstrom-Wärmetauscher. Insbesondere betrifft die Erfindung die Konstruktion eines sogenannten Total-Wärmetauschers, in welchem der Wärmeaustausch zwischen zwei im Gegenstrom strömenden Strömungsmitteln stattfindet und nicht nur ein Austausch der fühlbaren Wärme erfolgt, sondern auch ein Austausch der latenten Wärme unter Absorption und Verdampfung von Feuchtigkeit.

Wärmetauscher finden verbreitet Verwendung in Gebäuden und dergl. für die Behandlung von von außen zugeführter Luft. Eine neue Entwicklung, welche als herkömmlichen Wärmetauschern überlegen betrachtet wird, sind sogenannte Total-Wärmetauscher j bei denen nicht nur ein Austausch von fühlbarer Wärme stattfindet, sondern Dank der Verwendung eines 20

Wärmetauschermaterials, welches für Absorption, Verdampfung und übertragung von Feuchtigkeit geeignet ist, auch ein Austausch von latenter Wärme.

Es wird jedoch allgemein als sehr schwierig erachtet, einen 25

solchen Wärmetauscher so auszubilden, daß er im Gegenstromverfahren arbeitet, obgleich verschiedene Versucher unternommen wurden, derartige Gegenstrom-Wärmetauscher zu schaffen. Beispiele für bekannte Gegenstrom-Totalwärmetauscher

dieser Art finden sich in den offengelegten japanischen 30

Patentanmeldungen 65887/1980 und 65888/1980 sowie in der japanischen Patentanmeldung 80938/1980. Diese bekannten nach dem Gegenstromverfahren arbeitenden Wärmetauscher verwenden Wärmetauscherelemente der in Fig. 1 der Zeichnung gezeigten Art.

Das in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscherelement hat eine Anzahl von Wärmotauscherrohren a_, welche an den Enden mit jeweils einem rechteckig-kastenförmigen Sammler b verbun-

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den sind. Die Sammler b_ haben jeweils eine sich über die Hälfte ihrer Breite erstreckende Öffnung £, c/und ein abschließendes Endwandungste.il d_, d'. Ein erstes Strömungsmittel . durchströmt die Öffnung £, das Innere der Wärmetauscherrohre a und die Öffnung c', wie durch Pfeile ρ und p' angedeutet, während ein zweites Strömungsmittel, wie durch Pfeile q_ und q_' angedeutet, die Außen- oder Mantelseite der Wärmetauscherrohre a_ umströmt.

Im Betrieb des in Fig. 1 gezeigten Wärmetauscherelements verläuft die Strömung des ersten Strömungsmittels durch das Innere der Wärmetauscherrohre a_ hindurch jedoch ungleichmäßig, so daß sich ein beträchtlicher Druckabfall ergibt. Wird das Strömungsmittel beispielsweise durch Unterdruck in Richtung des Pfeils p_^f gefördert, dann ist die Durchströmung der im Bereich der Öffnung c^' angeordneten Wärmetauscherrohre a_ stärker als die der Wärmetauscherrohre a_, deren Mündungen dem Wandungsteil d_^f zugewandte sind. Aufgrund dieser Versetzung läßt sich die potentielle Wärmetauschkapazität nicht voll ausnützen, und darüber hinaus tritt ein starker Druckabfall auf.

Für den Zusammenbau einer größeren Anzahl von Wärmetauscherelementen der in Fig. 1 gezeigten Art zu einem Wärmetauscher block durch Aufeinanderstapeln der Elemente in einem Gehäuse sind große Mengen eines Klebers oder Dichtungsmittels notwendig, um die erforderliche Abdichtung zu erzielen, selbst wenn im Gehäuse ein mittig angeordneter Trennrahmen vorhanden ist, wodurch der Zusammenbau des Wärmetauschers sehr aufwendig wird.

Die vorliegende Erfindung schafft einen im Gegenstromverfahren arbeitenden Wärmetauscher der genannten Art, bei welchem die einzelnen Wärmetauscherelemente in voller gg Breite gleichmäßig durchströmt werden.

Gemäß der Erfindung weist ein Gegenstrom-Wärmetauscher eine Anzahl von Wärmetauscherelementen auf, welche unter Einhai-

tung vorbestimmter Abstände zueinander übereinandergestapelt sind- Jedes Wärmetauscherelement hat eine Anzahl von langgestreckten, parallelen Wärmetauscherrohren, d.h. ein Rohrbündel,an dessen beiden Enden jeweils ein Sammler angeordnet ist. Die Sammler haben jeweils eine schräg verlaufende offene Endfläche und eine symmetrisch dazu angeordnete, schräg verlaufende geschlossene Endfläche. Die schräg verlaufenden offenen und geschlossenen Endflächen treffen in einem Scheitel zusammen, welcher einer Rohrwand, an welcher die Wärmetauscherrohre angeschlossen sind, in einem relativ großen Abstand gegenüberliegt. Von dem Scheitel aus verlaufen die offenen und geschlossenen Endflächen schräg auswärts zu parallel zu den Wärmetauscherrohren verlaufenden Seitenwänden des jeweiligen Sammlers. Bei einer derartigen

¹^ Ausbildung wird das erste Strömungsmittel derart verteilt, daß es das Innere der Wärmetauscherrohre gleichmäßig durchströmt, während das zweite Strömungsmittel gleichmäßig durch die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherelementen und um die Wärmetauscherrohre herum strömt. Das erste und das zweite Strömungsmittel fließen im Gegenstrom durch das Wärmetauscherelement hindurch und treten an den offenen Endflächen der Sammler nach rechts bzw. nach links aus. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die jeweils eine obere und eine untere Wand, eine mittig angeordnete Trennwand im Bereich des Scheitels, an welchem die offene und die geschlossene Endfläche zusammentreffen, und eine Anordnung von Seitenwänden aufweisenden Sammler der einzelnen Wärmetauscherelemente vorzugsweise einstückig geformt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Draufsicht auf ein Wärmetauscherelement eines Gegenstrom-Wärmetauschers bekannter Ausführung,

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf ein Wärmetauscher-

element in einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Schrägansicht eines Sammlers des

Wärmetauscherelements nach Fig. 2, 5

Fig. 4 eine schematisierte Schrägansicht eines aus einer Anzahl von Wärmetauscherelementen der in Fig. 2 gezeigten Art aufgebauten Wärmetauschers in einer

Ausführungsform der Erfindung und 10

Fig. 5 eine Schrägansicht eines Wärmetauscherelements in einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Ein in Fig. 2 dargestelltes Wärmetauscherelement 1 weist eine größere Anzahl von nebeneinander angeordneten Wärmetauscherrohren 2_r d.h. ein Rohrbündel auf, an dessen beiden Enden jeweils ein Sammler 3 bzw. 3' angeschlossen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wärmetauscherrohre 2 aus steifem Papier oder einem ähnlichen Material gefertigt, welches in der Lage ist, Feuchtigkeit aus der Luft zu absorbieren, so daß sich ein "totaler Wärmeaustausch" ergibt, d.h. ein Austausch soxvohl von fühlbarer als auch von latenter Wärme.

Die Sammler 3, 3' weisen jeweils eine obere Wand 9 bzw. 9* und eine dazu parallele untere Wand 10 bzw. 10' auf. Zusammen mit Seitenwänden 7 und einer Rohrwand 11 begrenzen die Wände 9 und 10 einen in Strömungsverbindung mit den Wärmetauscherrohren 2 stehenden Raum, welcher dazu dient, das einströmende erste Strömungsmittel den Rohren 2 in gleichmäßiger Verteilung zuzuleiten. In gleicher Weise umgrenzen die Wände 9^r und 10' zusammen mit Seitenwänden 7^r und einer (nicht gezeigten) Rohrwand einen Raum, in welchem sich das aus den Rohren 2 austretende erste Strömungsmittel sammelt.

Die Wände 9 und 10 sind abgeschrägt, so daß sie in Richtung auf eine geschlossene Seite 5 konvergieren und in Richtung auf eine offene Seite 4 divergieren. Wird eine Anzahl derartiger Elemente in der in Fig. 4 gezeigten Weise übereinander-

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gestapelt, bilden die Zwischenräume zwischen den geschlossenen Seiten 5' Öffnungen für den Einstrom eines zweiten Strömungsmittels, welches anschließend die Rohre 2 des Rohrbündels umströmt und durch entsprechende Zwischenräume zwischen den geschlossenen Seiten 5 austritt.

Gemäß der Erfindung sind die Sammler 3, 3' mit schräg verlaufenden offenen Endflächen 4 bzw. 4' und schräg verlaufenden geschlossenen Endflächen 5 bzw. 5' versehen. Die schräg verlaufenden Endflächen 4, 5 und 4', 5' treffen jeweils an einem Scheitel zusammen, welcher der die Wärmetauscherrohre haltenden jeweiligen Rohrwand in relativ großem Abstand gegenüberliegt. In Richtung auf die Seitenwände 7 verlaufen die Endflächen 4, 5 in einem Winkel von ca. 30 bis 60°, vorzugsweise von ca. 40° zur Mittelachse des Wärmetauscherelements 1 schräg auswärts.

Der Einlaß bzw. die offene Endfläche 4 und der Auslaß, d.h. die offene Endfläche 4^T sind einander diametral gegenüber angeordnet, so daß das Strömungsmittel entlang einem durch Pfeile p, p' bezeichneten Weg durch sie hindurchströmt. Die beschriebene Ausbildung ermöglicht eine volle Strömung auch im Bereich zunächst der geschlossenen Endfläche 5, da die Strömung durch die offene Endfläche hindurch in schräger Richtung eintritt. Auf der geschlossenen Endfläche 5' aufprallende Strömung wird Dank dem großen Aufprallwinkel mühelos in Richtung auf die offene Endfläche 4' abgelenkt, so daß die Durchströmung der Wärmetauscherrohre 2 über die gesamte Breite des Wärmetauscherelements 1 im wesentlichen gleichförmig ist. Dadurch ist ein Rückstau der Strömung in ■ einzelnen Bereichen vermieden und ein hoch wirksamer Wärmeaustausch bei niedrigem Druckabfall erzielt.

Fig. 3 zeigt eine Schrägansicht eines in einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung verwendeten Sammlers mit einer an der Stelle des Zusammentreffens der offenen Endfläche 4 und der geschlossenen Endfläche 5 einstückig angeformten mittigen Trennwand 6 und beiderseits einstückig angeformten Abstand-

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halter- oder Seitenwänden 7- Eine solche Ausbildung verdient den Vorzug, da das Vorhandensein der mittigen Trennwand 6 und der Seitenwände 7 den Anschluß von Leitungen am Einlaß und Auslaß jedes Wärmetauscherelemente 1 erleichtert, wenn eine Anzahl solcher Elemente übereinandergestapelt werden, um einen Wärmetauscher gemäß der Erfindung zu bilden. Die Wände 6 und 7 dienen außerdem dazu, die Abstände zwischen den Elementen 1 einzuhalten. Darüber hinaus verringert sich die für die Abdichtung einen Auftrag von Kleber erfordernde Fläche auf ein Mindestmaß, so daß der Zusammenbau sehr wirtschaftlich vor sich gehen kann.

Der Sammler 3 ist vorzugsweise aus einem Kunststoff, z.B. einem ABS-Kunstharz od. dergl. geformt, wobei die obere und die untere Wand 9 bzw. 10 vorzugsweise mit Versteifungsrippen versehen werden. Aus Gründen der Sicherheit ist der Sammler 3 vorzugsweise aus einem feuerhemmenden Material geformt.

Fig- 4 zeigt eine schematisierte Schrägansicht eines mit zwei Gasen arbeitenden Wärmetauschers gemäß der Erfindung. Wie man in dieser Figur erkennt, sind zur Bildung des Wärmetauschers mehrere Wärmetauscherelemente 1 mit vorbestimmten gegenseitigen Abständen innerhalb eines Gehäuses 8 übereinandergestapelt. Ein erstes Strömungsmittel strömt in Richtung der Pfeile ρ in die offenen Endflächen 4 der Wärmetauscherelemente 1 ein, durchströmt die Wärmetauscherrohre 2 und tritt durch die offenen Endflächen 4' der Wärmetauscherelemente 1 aus, wie durch die Pfeile p¹ angedeutet.

Ein zweites Strömungsmittel strömt in entgegengesetzter Richtung, wie durch die Pfeile q angedeutet, in die Zwischenräume zwischen den geschlossenen Endflächen 5' der Wärmetauscherelemente 1 ein durchströmt die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherelementen unter Wärmeaustausch mit dem die Wärmetauscherrohre 2 durchströmenden ersten Strömungsmittel und tritt durch die Zwischenräume zwischen den geschlossenen Endflächen 5 wieder aus. Der Austritt der Strömungsmittel erfolgt jeweils zur rechten bzw. zur linken Seite der mitti-

gen Trennwände 6 bzw. 6¹. Zum Gebrauch wird eine Zuleitung für das erste Strömungsmittel ρ luftdicht derart an der vorderen linken Seite des in Fig. 4 gezeigten Wärmetauschers befestigt, daß sie die Öffnungen 4 sämtlich umschließt. In entsprechender Weise werden weitere Leitungen für das erste bzw. das zweite Strömungsmittel an der vorderen rechten, der hinteren rechten und der hinteren linken Seite des Wärmetauschers angebracht.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 bis 4 sind die Wärmetauscherrohre 2 und die Sammler 3, 3¹ getrennt gefertigt und anschließend zusammengebaut. Demgegenüber sind in der Ausführungsform nach Fig. 5 ein Wärmetauscherkörper 2 und ein Paar Sammler 3, 3¹ als ein einstückiges Wärmetauscherelement 1 geformt. Anstelle von Rohren kann der Wärmetauscherkörper 2 aus zueinander parallelen flächigen Gebilden geformt sein. In diesem Falle fließen ein erstes und ein zweites Strömungsmittel abwechselnd durch die Zwischenräume zwischen einander benachbarten flächigen Gebilden.

Wie vorstehend erläutert, besteht ein wesentliches Merkmal der Erfindung darin, daß die Sammler jeweils eine schräg verlaufende Öffnung und eine schräg verlaufende geschlossene Endfläche haben, welche dazu beitragen, die jeweiligen Strömungsmittel gleichmäßig über die gesamte Breite des Wärmetauscherelements zu verteilen, so daß die vorhandene Wärmeaustauschkapazität vollständig genutzt werden kann und der Druckabfall auf ein Mindestmaß beschränkt bleibt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Sammler mit mittigen und seitlichen Trennwänden versehen sind,, welche einen vorbestimmten gegenseitigen Abständen zwischen den Wärmetauscherelementen gewährleisten und den Zusammenbau mehrerer solcher Elemente erleichtern.

Beispiel 1

Fünfundzwanzig aus steifem Papier geformte Wärmetauscherrohre 2 mit einem Durchmesser von jeweils 4 mm wurden

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nebeneinanderliegend mit ihren Enden an jeweils einem Sammler 3 der in Fig. 3 gezeigten Art angeschlossen, um ein Wärmetauscherelement 1 wie in Fig. 2 dargestellt zu fertigen. Vierzig derartige Wärmetauscherelemente wurden mit einem gegenseitigen Abstand von ca. 1 mm obereinandergestapelt und in ein Gehäuse eingesetzt. Auf diese Weise entstand ein Wärmetauscher der in Fig. 4 gezeigten Art mit einer Gesamtzahl von eintausend Wärmetauscherrohren 2.

Durch den so ausgebildeten Wärmetauscher wurde Luft in einer Menge von 4 m /min mittels Unterdruck hindurchgefördert, und zwar durch die Wärmetauscherrohre hindurch. Dabei ergab sich ein Druckabfall von 10,5 mm Ws.

Zum Vergleich wurde eine Anzahl von Wärmetauscherelementen der in Fig. 1 gezeigten Art übereinandergestapelt und in gleicher Weise wie vorstehend in ein Gehäuse eingesetzt, um einen Wärmetauscher von den gleichen Abmessungen zu erhalten. Der Druckabfall wurde unter den gleichen Bedingungen wi^e vorstehend angegeben gemessen und ergab einen Wert von 18 mm Ws, also nahezu das Doppelte wie bei dem Wärmetauscher gemäß der Erfindung.

Der Wärmetauscher gemäß der Erfindung verursacht somit nur einen äußerst geringen Druckabfall.

Beispiel 2

Fünfundzwanzig aus einem steifen Papier, welches zuvor einer feuerhemmenden Behandlung unterworfen wurde, geformte Rohre mit einem Durchmesser von jeweils 6 mm wurden wie im Beispiel 1 nebeneinander angeordnet, um ein Wärmetauscherelement 1 der in Fig. 2 gezeigten Art zu schaffen. Anschließend wurde wie im Beispiel 1 eine Anzahl solcher Wärmetauscherelemente zusammengebaut, um einen Wärmetauscher der i_n Fig. 4 gezeigten Art mit einer Gesamtzahl von eintausend Rohren zu erhalten. Bei diesem Wärmetauscher wurde dann der Druckabfall in den einzelnen Rohren gemessen.

3 - 3 B O 4

In der gleichen Weise wurde ein Wärmetauscher aus herkömmlichen Wärmetauscherelementen der in Fig. 1 gezeigten Art zusammengebaut und dann der Druckabfall in den einzelnen Rohren gemessen.

Die Ergebnisse dieser Messungen sind in der folgenden Tabelle zusammengefaßt:

10	Stelle der Rohre	Druckabfall	(mm Ws)
	von geschlossener Seite	Wärmetauscher gem. Erfindung	Wärmetauscher bekannt
	5. 10.
15	15.	8,6 8,0	17,2 15,5
	20.	7,0	10,0
	zu offener Seite	6,8	7,5

Aus vorstehender Tabelle ist zu erkennen, daß die Durchströmung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers über die gesamte Breite desselben ziemlich gleichmäßig ist und ein niedriger Druckabfall auftritt, während die Durchströmung des bekantten Wärmetauschers sehr ungleichmäßig ist. Die vorstehend angegebenen Daten erweisen somit, daß mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher ein erheblich verbersserter Wärmeaustausch erzielbar ist.

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Claims

Patentansprüche

Wärmetauscher aus einer Anzahl von übereinander-

gestapelten und abdichtend miteinander verbundenen Wärmetauscherelementen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wärmetauscherelement (1) eine Anzahl von länglichen, parallelen, hohlen Wärmetauscherkörpern (2) sowie

3Q an entsprechenden Enden der Wärmetauscherkörper angeordnete, mit den Innenräumen derselben in Strömungsverbindung stehende Einlaß- und Auslaßsammler (3, 3') aufweist, daß jeder Sammler (3, 3^f) eine das jeweilige Ende der Wärmetauscherkörper haltende Rohrwand (11), eine obere und eine

35 untere Wand (9 bzw. 10), eine eine Öffnung zum Inneren des Sammlers bildende Endfläche (4) und eine geschlossene Endfläche (5) aufweist, wobei die die Öffnung bildende und die geschlossene Endfläche an einem Scheitel zusammentreffen

und sich von dem Scheitel aus schräg in Richtung auf die Rohrwand erstrecken, und daß die die Öffnungen bildenden Endflächen abdichtend mit entsprechenden benachbarten Endflächen verbunden sind, so daß eine Strömung dazwischen hindurch nicht möglich ist, während die geschlossenen Endflächen in gegenseitigem Abstand angeordnet sind, so daß ein Strömungsmittel dazwischen hindurch ein- und ausströmen und die länglichen Wärmetauscherkörper außen Umströmen kann.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sammler (3) einstückig aus der jeweiligen Rohrwand (11), der oberen und der unteren Wand (9 bzw. 10) und den Endflächen (4, 5) geformt ist.
3- Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sammler (3) außerdem sich zwischen der Rohrwand (11) und den Endflächen (4, 5) erstreckende Seitenwände (7) aufweist.
4. Wärmetauscher nach wenigstens einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sammler (3) im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist.