DE3336049C3 - Gegenstrom-Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher insbesondere die Konstruktion eines sogenannten Total-Wärmetauschers, in welchem der Wärmetauscher 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 für die Behandlung von von außen zugeführter Luft. Eine neue Entwicklung, welche als herkömmlichen Wärmetauschern überlegen betrachtet wird, sind sogenannte Total- Wärmetauscher, bei denen nicht nur ein Austausch von fühlbarer Wärme stattfindet, sondern Dank der Verwendung eines 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 solchen Wärmetauscher so auszubilden, daß er im Gegenstromverfahren arbeitet, obgleich verschiedene Versuche unternommen wurden, derartige Gegenstrom-Wärmetauscher zu schaffen. Beispiele für bekannte Gegenstrom-Totalwärmetauscher dieser Art finden sich in den offengelegten japanischen 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 Wärmetauscherrohren ª, welche an den Enden mit jeweils einem rechteckig-kastenförmigen Sammler b verbunden sind. Die Sammler b haben jeweils eine sich über die Hälfte ihrer Breite erstreckende Öffnung c, c′ und ein abschließendes Endwandungsteil d, d′. Ein erstes Strömungsmittel durchströmt die Öffnung c, das Innere der Wärmetauscherrohre ª und die Öffnung c′, wie durch Pfeile p 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′ 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′ zugewandt sind. Aufgrund dieser Versetzung läßt sich die potentielle Wärmetauscherkapazität 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 Wärmetauscherblock 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.

Aus der DE-OS 29 06 837 sowie der EP 0 040 890 A1 ist ein kontinuierlicher Wärmetauscher für gasförmiges Fluidum bekannt, das im Gegenstrom an Austauschflächen geführt wird, insbesondere für Raumlüftungsanlagen mit einem Abluft- und einem Zuluftkanal. Der das Fluidum niedriger Temperatur und der das Fluidum höherer Temperatur führende Kanal mündet in gegensätzlichen Richtungen in ein Register von Zellen, die als gemeinsame Trennwände dienende Austauschflächen aufweisen, wobei die Eingänge und Ausgänge der Kanäle in die Zellen je an einer Seite einen quer zu den Austauschflächen verlaufenden Mittelebene des Registers liegen und wobei jede zweite Zelle durch eine Stirnwand gegen den Zufluß des Fluidums aus dem einen Kanal gesperrt und für den Zufluß aus dem anderen Kanal offen ist. Die Eingänge und Ausgänge der Kanäle verlaufen jeweils schräg zur genannten Mittelebene, um die Durchlaßquerschnitte zu vergrößern.

Aus der GB-PS 7 98 535 ist ebenfalls ein Wärmetauscher vom Plattenstapeltyp bekannt, bei dem mehrere speziell ausgeformte bzw. mit entsprechenden Reliefs gebildete Platten im Stapel zusammengefaßt werden. Dabei ist der Wärmetauscher so ausgebildet, daß jene der Übertragungswände, die zwischen den äußersten Außenwänden des Stapels sich befinden, mit L-förmigen Randbereichen oder Flanschen entlang ihrer Ränder versehen sind, und wobei alle benachbarten Übertragungswände des Stapels zusammengeschweißt sind entlang von freien Rändern von solchen Randbereichen oder Flanschen und jeweils an einer Mehrzahl von Orten anschlagen, die in Zwischenräumen zwischen ihnen durch Vorsprünge beabstandet sind, die in einer Seite einer jeden der Wände durch offenes Eindringen in die andere Seite der Seitenwand gebildet werden.

Aus der DE 80 19 551 U1 ist ein direkter Wärmetauscher bekannt zum Austauschen von Wärme zwischen zwei Gasen, die in Gegenströmen zueinander strömen, wobei quaderförmige Leitungen vorgesehen sind, die durch Metallbleche getrennt sind, Rippen vorgesehen sind, die mit den Metallblechen verbunden sind, so daß die beiden Gase im Mittelteil des Wärmetauschers abwechselnd in Gegenströmung den Leitungen folgen, wobei für jedes Gas eine einzige Einlaßleitung und eine einzige Auslaßleitung im Wärmetauscher vorgesehen ist, die von der jeweiligen Auslaß- bzw. Einlaßleitung für das andere Gas durch ein Metallblech senkrecht zu den die Leitungen des mittleren Teils bildenden Metallblechen abgeteilt ist, wobei dies durch Rückführen der Leitungen erzielt wird, wodurch das erste Gas zu der Seite strömt, von der das erste Gas im Wärmetauscher eingespeist (oder aus dem Wärmetauscher entladen) wird, so daß ein entsprechender Durchgangsquerschnitt für das andere Gas verbleibt, und daß die Leitungen für das zweite Gas zur entgegengesetzten Seite gelenkt sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen im Gegenstromverfahren arbeitenden Wärmetauscher der genannten Art zu schaffen, bei dem die einzelnen Wärmetauscherelemente in voller Breite gleichmäßig durchströmt werden, und dessen Zusammenbau einfach ist.

Diese Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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

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.

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

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

Fig. 2 eine schematisierte Draufsicht auf ein Wärmetauscherelement in eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Schrägansicht eines Sammlers des Wärmetauscherelements nach Fig. 2 und

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

Ein in Fig. 2 dargestelltes Wärmetauscherelement 1 weist eine größere Anzahl von nebeneinander angeordneten Wärmetauscherrohren 2, 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 sowohl 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 begrenzt 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′ und 10′ zusammen mit Seitenwänden 7′ 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 konvergiert und in Richtung auf eine offene Seite 4 divergieren. Wird eine Anzahl derartiger Elemente in der in Fig. 4 gezeigten Weise übereinandergestapelt, bilden die Zwischenräume zwischen den geschlossenen Seiten 5′ Öffnungen für den Eintritt eines zweiten Strömungsmittels, welches anschließend die Rohre 2 des Rohrbündels umströmt und durch entsprechende Zwischenräume zwischen den geschlossenen Seiten 5 austritt.

Vorschlagsgemäß 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′ 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 vorschlagsgemäßen Wärmetauscher 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 Abstandhalter- 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 Wärmetauscherelements 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 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 vorschlagsgemäßen Wärmetauschers. 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 p 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 p′ 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 mittigen Trennwände 6 bzw. 6′. Zum Gebrauch wird eine Zuleitung für das erste Strömungsmittel p 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, 3′ getrennt gefertigt und anschließend zusammengebaut.

Beispiel 1

Fünfundzwanzig aus steifem Papier geformte Wärmetauscherrohre 2 mit einem Durchmesser von jeweils 4 mm wurden 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 übereinandergestapelt 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 m³/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 einem Wärmetauscher von den gleichen Abmessungen zu erhalten. Der Druckabfall wurde unter den gleichen Bedingungen wie vorstehend angegeben gemessen und ergab einen Wert von 18 mm Ws, also nahezu das Doppelte wie bei dem vorschlagsgemäßen Wärmetauscher.

Der vorgeschlagene Wärmetauscher 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 in Fig. 4 gezeigten Art mit einer Gesamtzahl von eintausend Rohren zu erhalten. Bei diesem Wärmetauscher wurde dann der Druckabfall in den einzelnen Rohren gemessen.

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:

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

Claims (3)

1. Wärmetauscher mit einer Anzahl von übereinandergestapelten und abdichtend miteinander verbundenen Wärmetauscherelementen, (1), von denen jede aufweist:

• a) eine Anzahl von länglichen, parallelen, hohlen Wärmetauscherrohren (2), und
• b) Einlaß- und Auslaß-Sammler (3, 3′), die jeweils an den Enden der Wärmetauscherrohre (2) angeordnet und mit deren Innenräumen strömungsverbunden sind, wobei
  • b1) jeder Sammler (3, 3′) eine die Wärmetauscherrohre (2) an deren jeweiligen Enden haltenden Rohrwand (11), eine obere und eine untere Wand (9, 10), eine eine Öffnung zum Inneren des Sammlers (3, 3′) bildende Endfläche (4) und eine geschlossene Endfläche (5) aufweist;
  • b2) die die Öffnung bildende Endfläche (4) und die geschlossene Endfläche (5) an einem Scheitel zusammentreffen und sich von diesem aus schräg in Richtung auf die Rohrwand (11) erstrecken, sowie
  • b3) die obere und die untere Wand (9, 10) derart abgeschrägt sind, daß sie in Richtung auf die geschlossene Endfläche (5) konvergieren und in Richtung auf die die Öffnung (4) bildende Endfläche divergieren, und
• c) die die Öffnung bildenden Endflächen (4) abdichtend mit entsprechenden Endflächen (4) benachbarter Wärmetauschereinheiten (1) verbunden sind, so daß eine Strömung zwischen diesen nicht möglich ist,
• d) während die geschlossenen Endflächen (5) benachbarter Wär­ metauschereinheiten (1) mit Abstand zueinander angeordnet sind, so daß ein Strömungsmittel zwischen diesen hindurch ein- und ausströmen und die Wärmetauscherrohre (2) außen umströmen kann.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sammler (3) außerdem sich zwischen der Rohrwand (11) und den Endflächen (4, 5) erstreckende Seitenwände (7) aufweist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sammler (3) im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweist.